海之美文新闻资讯
乙太网
Ethernet一般指本词条
乙太网（Ethernet）是一种计算机区域网路技术。IEEE组织的IEEE 802.3标準制定了乙太网的技术标準，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协定的内容。乙太网是目前套用最普遍的区域网路技术，取代了其他区域网路标準如令牌环、FDDI和ARCNET。
乙太网的标準拓扑结构为汇流排型拓扑，但目前的快速乙太网（100BASE-T、1000BASE-T标準）为了减少冲突，将能提高的网路速度和使用效率最大化，使用集线器来进行网路连线和组织。如此一来，乙太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，乙太网仍然使用汇流排型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的汇流排技术。
乙太网实现了网路上无线电系统多个节点传送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道的才能传送信息，有时也叫作以太（Ether）。（这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体-光以太。后来的研究证明光以太不存在。） 每一个节点有全球唯一的48位地址也就是製造商分配给网卡的MAC地址，以保证乙太网上所有节点能互相鉴别。由于乙太网十分普遍，许多製造商把乙太网卡直接集成进计算机主机板。
乙太网通讯具有自相关性的特点，这对于电信通讯工程十分重要。
基本介绍
- 中文名：乙太网
- 外文名：ethernet
- 定义：区域网路的一种
- 发源：xerox(施乐)
- 创建时间：1980
历史
乙太网技术起源于施乐帕洛阿尔托研究中心的先锋技术项目。人们通常认为乙太网发明于1973年，当年鲍勃.梅特卡夫（Bob Metcalfe）给他PARC的老闆写了一篇有关乙太网潜力的备忘录。但是梅特卡夫本人认为乙太网是之后几年才出现的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs发表了一篇名为《乙太网：区域计算机网路的分散式数据包交换技术》的文章。
梅特卡夫曾经开玩笑说，Jerry Saltzer为3Com的成功作出了贡献。Saltzer在一篇与他人合着的很有影响力的论文中指出，在理论上令牌环网要比乙太网优越。受到此结论的影响，很多计算机厂商或犹豫不决或决定不把乙太网接口做为机器的标準配置，这样3Com才有机会从销售乙太网网卡大赚。这种情况也导致了另一种说法“乙太网不适合在理论中研究，只适合在实际中套用”。也许只是句玩笑话，但这说明了这样一个技术观点：通常情况下，网路中实际的数据流特性与人们在区域网路普及之前的估计不同，而正是因为乙太网简单的结构才使区域网路得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾经在麻省理工学院MAC项目（Project MAC）的同一层楼工作，当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文，在此期间奠定了乙太网技术的理论基础。1979年，梅特卡夫为了开发个人计算机和区域网路离开了施乐（Xerox），成立了3Com公司。3Com对DEC、英特尔和施乐进行游说，希望与他们一起将乙太网标準化、规範化。这个通用的乙太网标準于1980年9月30日提出。当时业界有两个流行的非公用网路标準令牌环网和ARCNET，在乙太网浪潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中，3Com也成了一个国际化的大公司。
共享介质
带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术规定了多台计算机共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台计算机要传送信息时，在以下行动与状态之间进行转换：
- 开始- 如果线路空闲，则启动传输，否则跳转到第4步。
- 传送- 如果检测到冲突，继续传送数据直到达到最小回报时间（min echo receive interval）以确保所有其他转发器和终端检测到冲突，而后跳转到第4步。
- 成功传输- 向更高层的网路协定报告传送成功，退出传输模式。
- 线路繁忙- 持续等待直到线路空闲。
- 线路空闲- 在尚未达到最大尝试次数之前，每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。
- 超过最大尝试传输次数- 向更高层的网路协定报告传送失败，退出传输模式。
就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都透过一个共同的介质（空气）来相互交谈。每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。如果两个客人同时开始讲话，那幺他们都停下来，分别随机等待一段时间再开始讲话。这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。如果传输失败超过一次，将延迟指数增长时间后再次尝试。延迟的时间透过截断二进制指数后移（truncated binary exponential backoff）算法来实现。
最初的乙太网是採用同轴电缆来连线各个设备的。计算机透过一个叫做附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收发器连线到电缆上。一条简单网路线对于一个小型网路来说很可靠，而对于大型网路来说，某处线路的故障或某个连线器的故障，都会造成乙太网某个或多个网段的不稳定。
因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端（destination），却会使用广播的形式，传送给线路上的所有计算机。在正常情况下，网路接口卡会滤掉不是传送给自己的信息，接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求，除非网卡处于混杂模式（Promiscuous mode）。这种“一个说，大家听”的特质是共享介质乙太网在安全上的弱点，因为乙太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享频宽，所以在某些情况下乙太网的速度可能会非常慢，比如电源故障之后，当所有的网路终端都重新启动时。
中继和集线器
因为信号的衰减和延时，根据不同的介质乙太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米 （1,640英尺）。最大距离可以通过乙太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连线5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4箇中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。
类似于其他的高速汇流排，乙太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，如果不这幺做，就会发生类似电缆断掉的情况：汇流排上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连线。
随着套用的拓展，人们逐渐发现星型的网路拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研製有多个连线埠的中继器。多连线埠中继器就是众所周知的集线器（Hub）。集线器可以连线到其他的集线器或者同轴网路。
第一个集线器被认为是“多连线埠收发器”或者叫做“fanouts”。最着名的例子是DEC的DELNI，它可以使许多台具有AUI连线器的主机共享一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立乙太网网段的出现。
像DEC和SynOptics这样的网路设备製造商曾经出售过用于连线许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。
非禁止双绞线（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先套用在星型区域网路中，之后也在10BASE-T中套用，最后取代了同轴电缆成为乙太网的标準。这项改进之后，RJ45电话接口代替了AUI成为计算机和集线器的标準线路，非禁止3类双绞线/5类双绞线成为标準载体。集线器的套用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网路，提高了乙太网的可靠性。双绞线乙太网把每一个网段点对点地连起来，这样终端就可以做成一个标準的硬体，解决了乙太网的终端问题。
採用集线器组网的乙太网儘管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是汇流排型的，半双工的通信方式採用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被传送到集线器的每一个连线埠，所以频宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连线速度的限制（10或100 Mbit/s），这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网路负载过重时，冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网路的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前儘量提高网路的负载，通常会先做一些设定以避免类似情况发生。
桥接和交换
儘管中继器在某些方面分隔了乙太网网段，使得电缆断线的故障不会影响到整个网路，但它向所有的乙太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个乙太网网路上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题，桥接方法被採用，在工作在物理层的中继器之基础上，桥接工作在数据链路层。透过网桥时，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段；冲突和数据包错误则都被隔离。透过记录分析网路上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什幺位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。像生成树协定这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。
早期的网桥要检测每一个数据包，因此当同时处理多个连线埠的时候，数据转发比Hub（中继器）来得慢。1989年网路公司Kalpana发明了EtherSwitch，第一台乙太网交换机。乙太网交换机把桥接功能用硬体实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。
大多数现代乙太网用乙太网交换机代替Hub。儘管布线方式和Hub乙太网相同，但交换式乙太网比共享介质乙太网有很多明显的优势，例如更大的频宽和更好的异常结果隔离设备。交换网路典型的使用星型拓扑，虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网，但10BASE-T和以后的标準皆为全双工乙太网，不再是共享介质系统。
交换机启动后，一开始也和Hub一样，转发所有数据到所有连线埠。接下来，当它记录了每个连线埠的地址以后，他就只把非广播数据传送给特定的目的连线埠。因此线速乙太网交换可以在任何连线埠对之间实现，所有连线埠对之间的通讯互不干扰。
因为数据包一般只是传送到他的目的连线埠，所以交换式乙太网上的流量要略微小于共享介质式乙太网。然而，交换式乙太网仍然是不安全的网路技术，因为它很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网路管理员也可以利用监控功能抓取网路数据包。
当只有简单设备（除Hub之外的设备）连线交换机连线埠时，整个网路可能处于全双工模式。如果一个网段只有2个设备，那幺冲突探测也不需要了，两个设备可以随时收发数据。这时总频宽是链路的2倍，虽然双方的频宽相同，但没有发生冲突就意味着几乎能利用到100%的频宽。
交换机连线埠和所连线的设备必须使用相同的双工设定。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性，即这些设备透过信号来协调要使用的速率和双工设定。然而，如果自动协商功能被关闭或者设备不支持，则双工设定必须透过自动检测进行设定或在交换机连线埠和设备上都进行手工设定以避免双工错配——这是乙太网问题的一种常见原因（设备被设定为半双工会报告迟发冲突，而设备被设为全双工则会报告runt）。许多较低层级的交换机没有手工进行速率和双工设定的能力，因此连线埠总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时（例如其他设备不支持），自动协商会将连线埠设定为半双工。速率是可以自动感测的，因此将一个10BASE-T设备连线到一个启用了自动协商的10/100交换连线埠上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连线。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连线到一个配置为自动协商的交换连线埠时（反之亦然）则会导致双工错配。
即使电缆两端都设定成自动速率和双工模式协商，错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于预期，应该查看一下是否有计算机设定成10Mbps模式了，如果已知另一端配置为100Mbit，则可以手动强制设定成正确模式。.
当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率（例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps）通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem透过详细的方法检测链路的最高支持数据速率，乙太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路，因此如果速率过高就会导致链路失效。解决方案为强制通讯端降低到电缆支持的速率。
类型
除了以上提到的不同帧类型以外，各类乙太网的差别仅在速率和配线。因此，同样的网路协定栈软体可以在大多数乙太网上运行。
以下的章节简要综述了不同的正式乙太网类型。除了这些正式的标準以外，许多厂商因为一些特殊的原因，例如为了支持更长距离的光纤传输，而制定了一些专用的标準。
很多乙太网卡和交换设备都支持多速率，设备之间透过自动协商设定最佳的连线速度和双工方式。如果协商失败，多速率设备就会探测另一方使用的速率但是默认为半双工方式。10/100乙太网连线埠支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。
早期的乙太网
参见：兆比特乙太网
- 施乐乙太网（Xerox Ethernet，又称“施乐乙太网”）──是乙太网的雏型。最初的2.94Mbit/s乙太网仅在施乐公司里内部使用。而在1982年，Xerox与DEC及Intel组成DIX联盟，并共同发表了Ethernet Version 2（EV2）的规格，并将它投入商场市场，且被普遍使用。而EV2的网路就是目前受IEEE承认的10BASE5。
- 10BROAD36──已经过时。一个早期的支持长距离乙太网的标準。它在同轴电缆上使用，以一种类似线缆数据机系统的宽频调製技术。
- 1BASE5──也称为星型区域网路，速率是1Mbit/s。在商业上很失败，但同时也是双绞线的第一次使用。
10Mbps乙太网
- 10BASE5（又称粗缆（Thick Ethernet）或黄色电缆）──最早实现10 Mbit/s乙太网。早期IEEE标準，使用单根RG-11同轴电缆，最大距离为500米，并最多可以连线100台计算机的收发器，而缆线两端必须接上50欧姆的终端电阻。接收端透过所谓的“插入式分接头”插入电缆的内芯和禁止层。在电缆终结处使用N型连线器。儘管由于早期的大量布设，到现在还有一些系统在使用，这一标準实际上被10BASE2取代。
- 10BASE2（又称细缆（Thin Ethernet）或模拟网上）── 10BASE5后的产品，使用RG-58同轴电缆，最长转输距离约200米（实际为185米），仅能连线30台计算器，计算器使用T型适配器连线到带有BNC连线器的网卡，而线路两头需要50欧姆的终结器。虽然在能力、规格上不及10BASE5，但是因为其线材较细、布线方便、成本也便宜，所以得到更广泛的使用，淘汰了10BASE5。由于双绞线的普及，它也被各式的双绞线网路取代。
- StarLAN──第一个双绞线上实现的乙太网上标準10 Mbit/s。后发展成10BASE-T。
- 10BASE-T──使用3类双绞线、4类双绞线、5类双绞线的4根线（两对双绞线）100米。乙太网集线器或乙太网交换机位于中间连线所有节点。
- FOIRL ──光纤中继器链路。光纤乙太网上原始版本。
- 10BASE-F ── 10Mbps乙太网光纤标準通称，2公里。只有10BASE-FL套用比较广泛。
- 10BASE-FL ── FOIRL标準一种升级。
- 10BASE-FB ──用于连线多个Hub或者交换机的骨干网技术，已废弃。
- 10BASE-FP ──无中继被动星型网，没有实际套用的案例。
100Mbps乙太网（快速乙太网）
参见：百兆乙太网
快速乙太网（Fast Ethernet）为IEEE在1995年发表的网上标準，能提供达100Mbps的传输速度。
- 100BASE-T-- 下面三个100 Mbit/s双绞线标準通称，最远100米。
- 100BASE-TX-- 类似于星型结构的10BASE-T。使用2对电缆，但是需要5类电缆以达到100Mbit/s。
- 100BASE-T4 -- 使用3类电缆，使用所有4对线，半双工。由于5类线普及，已废弃。
- 100BASE-T2 -- 无产品。使用3类电缆。支持全双工使用2对线，功能等效100BASE-TX，但支持旧电缆。
100BASE-FX-- 使用多模光纤，最远支持400米，半双工连线 （保证冲突检测），2km全双工。
100VG AnyLAN -- 只有惠普支持，VG最早出现在市场上。需要4对三类电缆。也有人怀疑VG不是乙太网。
1Gbps乙太网
- 1000BASE-T-- 1 Gbit/s介质超五类双绞线或6类双绞线。
- 1000BASE-SX-- 1 Gbit/s多模光纤（取决于频率以及光纤半径，使用多模光纤时最长距离在220M至550M之间）。
- 1000BASE-LX-- 1 Gbit/s多模光纤（小于550M）、单模光纤（小于5000M）。
- 1000BASE-LX10-- 1 Gbit/s单模光纤（小于10KM）。长距离方案
- 1000BASE-LHX--1 Gbit/s单模光纤（10KM至40KM）。长距离方案
- 1000BASE-ZX--1 Gbit/s单模光纤（40KM至70KM）。长距离方案
- 1000BASE-CX-- 铜缆上达到1Gbps的短距离（小于25 m）方案。早于1000BASE-T，已废弃。
10Gbps乙太网
参见：10吉比特乙太网
新的万兆乙太网标準包含7种不同类型，分别适用于区域网路、城域网和广域网。目前使用附加标準IEEE 802.3ae，将来会合併进IEEE 802.3标準。
- 10GBASE-CX4 -- 短距离铜缆方案用于InfiniBand4x连线器和CX4电缆，最大长度15米。
- 10GBASE-SR -- 用于短距离多模光纤，根据电缆类型能达到26-82米，使用新型2GHz多模光纤可以达到300米。
- 10GBASE-LX4 -- 使用波分复用支持多模光纤240－300米，单模光纤超过10公里。
- 10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 透过单模光纤分别支持10公里和40公里
- 10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用于广域网PHY、OC-192 / STM-64同步光纤网/SDH设备。物理层分别对应10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER，因此使用相同光纤支持距离也一致。（无广域网PHY标準）
- 10GBASE-T-- 使用禁止或非禁止双绞线，使用CAT-6A类线至少支持100米传输。CAT-6类线也在较短的距离上支持10GBASE-T。
100Gbps乙太网
参见：100G乙太网
新的40G/100G乙太网标準在2010年中制定完成，包含若干种不同的节制类型。目前使用附加标準IEEE 802.3ba。
- 40GBASE-KR4 -- 背板方案，最少距离1米。
- 40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距离铜缆方案，最大长度大约7米。
- 40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用于短距离多模光纤，长度至少在100米以上。
- 40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用单模光纤，距离超过10公里。
- 100GBASE-ER4 -- 使用单模光纤，距离超过40公里。