以太网如何工作

网络允许一台计算机向另一台计算机发送和接收信息。我们可能并不总是意识到我们访问计算机网络信息的无数次。当然，互联网是计算机网络最显著的例子，它连接着全球数百万台计算机，但小型网络在日常信息访问中也发挥着作用。许多公共图书馆已将卡片目录替换为计算机终端，让读者能够更快更轻松地搜索书籍。机场有许多屏幕显示有关抵达和离开航班的信息。许多零售店都配备了处理销售点交易的专用计算机。在所有这些情况下，网络允许多个位置的许多不同设备访问共享的数据存储库。

在深入了解以太网等网络标准的细节之前，我们必须首先了解一些描述和区分网络技术的基本术语和分类——那么，让我们开始吧！

我们可以将网络技术分为两个基本组。局域网（LAN）技术连接许多彼此相对靠近的设备，通常在同一建筑物内。显示书籍信息的图书馆终端将通过局域网连接。广域网（WAN）技术连接数量较少的设备，这些设备可能相距数公里。例如，如果城市两端的两个图书馆想要共享其图书目录信息，它们很可能会利用广域网技术，这可能是一条从当地电话公司租用的专用线路，专门用于传输它们的数据。

与广域网相比，局域网更快更可靠，但技术的进步不断模糊了界限。光纤电缆使得局域网技术能够连接相距数十公里的设备，同时大大提高了广域网的速度和可靠性。

1973年，在施乐公司帕洛阿尔托研究中心（俗称PARC），研究员鲍勃·梅特卡夫设计并测试了第一个以太网。在研究如何将施乐的“Alto”计算机连接到打印机时，梅特卡夫开发了连接以太网上设备的物理布线方法以及管理电缆上通信的标准。以太网此后成为世界上最流行和部署最广泛的网络技术。许多与以太网相关的问题是许多网络技术的共同问题，了解以太网如何解决这些问题可以为您奠定基础，从而增进您对一般网络的理解。

随着计算机网络的成熟，以太网标准已经发展到涵盖了新技术，但当今每个以太网网络的运行机制都源于梅特卡夫的原始设计。最初的以太网描述了网络上所有设备共享的一根电缆上的通信。一旦设备连接到这根电缆，它就能够与任何其他连接的设备通信。这允许网络扩展以适应新设备，而无需对网络上已有的设备进行任何修改。

以太网是一种局域网技术，网络传统上在一个建筑物内运行，连接彼此靠近的设备。最多，以太网设备之间只能有几百米的电缆，这使得连接地理上分散的位置不切实际。现代进步已大大增加了这些距离，使得以太网网络可以跨越数十公里。

协议

在网络中，术语协议指的是一组管理通信的规则。协议之于计算机，就像语言之于人类。由于本文是英文的，要理解它，您必须能够阅读英文。类似地，要让网络上的两台设备成功通信，它们都必须理解相同的协议。

以太网遵循一套简单的规则来管理其基本操作。为了更好地理解这些规则，了解以太网术语的基础非常重要。

帧类似于人类语言中的句子。在英语中，我们有构造句子的规则：我们知道每个句子必须包含主语和谓语。以太网协议规定了一套构造帧的规则。帧有明确的最小和最大长度，以及一组必须出现在帧中的必需信息。例如，每个帧都必须包含目的地址和源地址，它们分别标识消息的接收者和发送者。地址唯一标识节点，就像姓名标识特定的人一样。任何两个以太网设备都不应拥有相同的地址。

由于以太网介质上的信号会到达每个连接的节点，因此目的地址对于识别帧的预期接收者至关重要。

例如，在图中，当计算机 B 向打印机 C 传输时，计算机 A 和 D 仍会接收并检查该帧。但是，当一个站点首次接收到帧时，它会检查目的地址，以查看该帧是否是发给自己的。如果不是，该站点会丢弃该帧，甚至不检查其内容。

关于以太网寻址的一个有趣之处是广播地址的实现。目的地址等于广播地址的帧（简称为广播）旨在发送给网络上的每个节点，并且每个节点都将接收并处理这种类型的帧。

缩写词CSMA/CD表示载波侦听多路访问/冲突检测，它描述了以太网协议如何规范节点之间的通信。虽然这个术语可能看起来令人望而生畏，但如果我们将它分解成各个组成部分，我们会发现它描述的规则与人们在礼貌对话中使用的规则非常相似。为了帮助说明以太网的操作，我们将使用餐桌对话的类比。

让我们将以太网段比作一张餐桌，将几位在餐桌上进行礼貌对话的人比作节点。多路访问这个术语涵盖了我们上面已经讨论过的内容：当一个以太网站点传输时，介质上的所有站点都会听到传输，就像餐桌上一个人说话时，在场的每个人都能听到他或她说话一样。

现在让我们想象一下，你坐在桌边，有些话想说。然而，此时此刻我正在说话。由于这是一场礼貌的谈话，你不会立刻开口打断，而是会等到我说完之后再发表你的意见。这与以太网协议中描述的载波侦听概念相同。在站点传输之前，它会“监听”介质以确定是否有其他站点正在传输。如果介质安静，站点就会认为这是传输的合适时机。

载波侦听多路访问为我们规范对话提供了一个良好的开端，但我们仍然需要解决一个问题。让我们回到餐桌类比，想象一下对话中短暂的停顿。你和我都想补充一些东西，我们都根据沉默“侦听到载波”，所以我们几乎同时开始说话。在以太网术语中，当我们俩同时说话时，就会发生冲突。

在我们的对话中，我们可以优雅地处理这种情况。我们都听到对方说话的同时自己也在说话，所以我们可以停下来让对方继续。以太网节点在传输时也会监听介质，以确保它们是当时唯一传输的站点。如果站点听到自己的传输以乱码形式返回，就像其他站点同时开始传输自己的消息时发生的那样，那么它们就知道发生了冲突。单个以太网段有时被称为冲突域，因为该段上的两个站点不能同时传输而不引起冲突。当站点检测到冲突时，它们会停止传输，等待随机时间，并在再次检测到介质上安静时尝试传输。

随机暂停和重试是协议的重要组成部分。如果两个站点在一次传输中发生冲突，那么两者都需要再次传输。在下一次合适的传输机会时，涉及前一次冲突的两个站点都将准备好要传输的数据。如果它们在第一次机会时再次传输，它们很可能会一次又一次地无限期地发生冲突。相反，随机延迟使得任何两个站点连续冲突的次数不太可能超过几次。

单一的共享电缆可以作为完整以太网网络的基础，这正是我们上面讨论的内容。然而，在这种情况下，我们的以太网网络的规模存在实际限制。一个主要的问题是共享电缆的长度。

电信号在电缆上传播速度很快，但它们在传播过程中会减弱，并且来自相邻设备（例如，荧光灯）的电磁干扰可能会扰乱信号。网线必须足够短，以使两端的设备能够清晰、延迟最小地接收彼此的信号。这限制了以太网网络上两个设备之间（称为网络直径）的最大间隔距离。此外，由于在 CSMA/CD 中，在给定时间只有一个设备可以传输，因此单个网络中可以共存的设备数量存在实际限制。如果将太多设备连接到单个共享段，介质的争用就会增加。每个设备可能不得不等待非常长的时间才能获得传输机会。

工程师们已经开发出许多网络设备来缓解这些困难。其中许多设备并非以太网专用，但也适用于其他网络技术。

第一个流行的以太网介质是被称为“粗缆”的铜同轴电缆。粗缆的最大长度为500米。在大型建筑或校园环境中，500米的电缆无法总是连接到所有网络设备。中继器解决了这个问题。

中继器连接多个以太网段，监听每个段并将在一个段上听到的信号重复到连接到中继器的所有其他段上。通过使用多根电缆并用中继器连接它们，您可以显著增加网络直径。

在我们的餐桌类比中，餐桌上只有几个人在对话，因此将自己限制在任何给定时间只能有一个人说话并不是通信的重大障碍。但如果餐桌上人很多，并且在任何给定时间只允许一个人说话呢？

实际上，我们知道在这种情况下，这个类比就会失效。在更大的人群中，同时发生几场不同的对话是很常见的。如果在拥挤的房间里或宴会晚餐时，一次只能有一个人说话，很多人会因为等待说话的机会而感到沮丧。对于人类来说，这个问题会自我纠正：声音只能传播这么远，而且耳朵善于从周围的噪音中分辨出特定的对话。这使得我们很容易在派对上让许多小团体在同一个房间里交谈；但网线能快速有效地将信号传输到很远的距离，所以这种自然的对话隔离不会发生。

以太网网络在规模扩大时面临着拥塞问题。如果大量站点连接到同一网段，并且每个站点都产生大量流量，许多站点可能会在有机会时尝试传输。在这种情况下，冲突将变得更加频繁，并可能开始阻塞成功的传输，这可能需要过长的时间才能完成。减少拥塞的一种方法是将单个网段分成多个网段，从而创建多个冲突域。这种解决方案会产生不同的问题，因为这些现在独立的网段无法相互共享信息。

为了缓解分段问题，以太网网络引入了网桥。网桥连接两个或多个网络段，像中继器一样增加网络直径，但网桥也帮助调节流量。它们可以像任何其他节点一样发送和接收传输，但它们的功能与普通节点不同。网桥本身不产生任何流量；像中继器一样，它只回声它从其他站点听到的内容。（最后这句话并不完全准确：网桥确实创建了一种特殊的以太网帧，允许它们与其他网桥通信，但这超出了本文的范围。）

还记得以太网的多路访问和共享介质意味着线路上每个站点都会收到每次传输，无论它是否是预期的接收者吗？网桥利用这一特性在网段之间转发流量。在上图中，网桥连接网段 1 和 2。如果站点 A 或 B 进行传输，网桥也会在网段 1 上收到传输。网桥应如何响应此流量？它可以像中继器一样自动将帧传输到网段 2，但这不会缓解拥塞，因为网络将像一个长网段一样运行。

网桥的一个目标是减少两个网段上不必要的流量。它通过在决定如何处理之前检查帧的目的地址来实现此目的。如果目的地址是站点 A 或 B 的地址，则无需让该帧出现在网段 2 上。在这种情况下，网桥不执行任何操作。我们可以说网桥过滤或丢弃了该帧。如果目的地址是站点 C 或 D 的地址，或者它是广播地址，则网桥将向网段 2 传输或转发该帧。通过转发数据包，网桥允许图中所有四个设备进行通信。此外，通过在适当的时候过滤数据包，网桥使站点 A 能够在站点 C 向站点 D 传输的同时向站点 B 传输，从而允许同时进行两次对话！

交换机是网桥的现代对应物，功能等同，但为网络上的每个节点提供一个专用段（有关交换机的更多信息将在本文后面介绍）。

网桥可以通过允许多个对话同时发生在不同网段上来减少拥塞，但它们在流量分段方面也有其局限性。

网桥的一个重要特性是它们将以太网广播转发到所有连接的网段。这种行为是必要的，因为以太网广播的目的地是网络上的每个节点，但对于过大的网桥网络来说，这可能会带来问题。当大量站点在网桥网络上进行广播时，拥塞可能与所有这些设备都在单个网段上一样严重。

路由器是先进的网络组件，可以将单个网络划分为两个逻辑上独立的网络。虽然以太网广播会跨越网桥以寻找网络上的每个节点，但它们不会跨越路由器，因为路由器构成了网络的逻辑边界。

路由器根据独立于特定网络技术（如以太网或令牌环（我们稍后会讨论令牌环））的协议运行。这使得路由器能够轻松互连各种网络技术，包括局域网和广域网，并因此在连接全球设备（作为全球互联网的一部分）方面得到广泛部署。

请参阅路由器如何工作以详细讨论这项技术。

现代以太网的实现方式与历史上的对应物大相径庭。在传统的以太网中，多站点通过长距离同轴电缆连接，而现代以太网网络则使用双绞线或光纤以星形拓扑连接站点。传统以太网网络的数据传输速度为每秒10兆比特（Mbps），而现代网络可以以100甚至1,000 Mbps的速度运行！

当代以太网网络最显著的进步或许是交换式以太网的使用。交换网络用每个站点的专用段取代了传统以太网的共享介质。这些段连接到交换机，交换机的功能非常类似于以太网网桥，但可以连接许多这样的单站段。如今，一些交换机可以支持数百个专用段。由于段上唯一的设备是交换机和终端站，交换机会在传输到达另一个节点之前拦截所有传输。然后，交换机会像网桥一样将帧转发到适当的段，但由于任何段只包含一个节点，因此该帧只到达预期的接收者。这使得许多对话可以在交换网络上同时进行。（请参阅局域网交换机如何工作以了解更多有关交换技术的信息。）

以太网交换技术催生了另一项进步，即全双工以太网。全双工是一个数据通信术语，指能够同时发送和接收数据的能力。

传统以太网是半双工的，这意味着信息一次只能在一个方向上移动。在完全交换的网络中，节点只与交换机通信，从不直接相互通信。交换网络还采用双绞线或光纤布线，这两种布线都使用独立的导体来发送和接收数据。在这种环境下，以太网站点可以放弃冲突检测过程并随意传输，因为它们是唯一可能访问介质的设备。这使得终端站点可以在交换机向它们传输数据时同时向交换机传输数据，从而实现无冲突环境。

您可能听说过802.3这个术语，它被用来代替或与以太网这个术语结合使用。“以太网”最初指的是由Digital、Intel和Xerox公司标准化的一种网络实现。（因此，它也称为DIX标准。）

1980年2月，电气和电子工程师协会（简称IEEE，发音为“I triple E”）成立了一个委员会，旨在标准化网络技术。IEEE将这个工作组命名为802工作组，以其成立的年份和月份命名。802工作组的各个小组委员会分别处理网络的不同方面。IEEE通过编号802.X来区分每个小组委员会，其中X代表每个小组委员会的唯一编号。802.3小组标准化了CSMA/CD网络的操作，该网络在功能上与DIX以太网等效。

以太网和802.3在术语和帧的数据格式上略有不同，但在大多数方面是相同的。如今，“以太网”一词泛指DIX以太网实现和IEEE 802.3标准。

以太网最常见的局域网替代技术是IBM开发的网络技术，称为令牌环。以太网依靠传输之间的随机间隔来调节对介质的访问，而令牌环则采用严格、有序的访问方法。令牌环网络将节点排列成一个逻辑环，如下图所示。节点在一个方向上沿着环转发帧，当帧环绕环一圈后将其移除。

令牌环节点不侦听载波信号或检测冲突；令牌帧的存在确保了站点可以传输数据帧而不用担心其他站点中断。由于一个站点在传递令牌之前只传输一个数据帧，环上的每个站点都将以确定性且公平的方式获得通信机会。令牌环网络通常以4或16 Mbps的速度传输数据。

光纤分布式数据接口（FDDI）是另一种令牌传递技术，它在一对光纤环上运行，每个环向相反方向传递令牌。FDDI网络提供100 Mbps的传输速度，这最初使其在高速网络中非常受欢迎。随着100 Mbps以太网的出现，它更便宜且更容易管理，FDDI的人气逐渐下降。

最后一种值得一提的网络技术是异步传输模式，简称 ATM。ATM 网络模糊了局域网和广域网之间的界限，它能够以高可靠性和高速率连接许多不同的设备，甚至跨越全国。ATM 网络不仅适用于传输数据，还适用于语音和视频流量，使其具有多功能性和可扩展性。虽然 ATM 尚未像最初预测的那样迅速获得认可，但它仍然是未来稳固的网络技术。

以太网的普及度持续增长。凭借近30年的行业认可，该标准广为人知且易于理解，这使得配置和故障排除变得更加容易。随着其他技术的发展，以太网也随之发展，不断提高速度和功能。

有关以太网和其他网络技术的更多信息，请查看下一页的链接。