以太網(wǎng)的分類和工作原理及發(fā)展趨勢

一、標準以太網(wǎng)

　　
　　開始以太網(wǎng)只有10Mbps的吞吐量，使用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA／CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的訪問控制方法，這種早期的10Mbps以太網(wǎng)稱之為標準以太網(wǎng)。以太網(wǎng)可以使用粗同軸電纜、細同軸電纜、非屏蔽雙絞線、屏蔽雙絞線和光纖等多種傳輸介質(zhì)進行連接，并且在IEEE 802.3標準中，為不同的傳輸介質(zhì)制定了不同的物理層標準，在這些標準中前面的數(shù)字表示傳輸速度，單位是“Mbps”，最后的一個數(shù)字表示單段網(wǎng)線長度（基準單位是100m），Base表示“基帶”的意思，Broad代表“帶寬”。
　　·10Base－5 使用直徑為0.4英寸、阻抗為50Ω粗同軸電纜，也稱粗纜以太網(wǎng)，最大網(wǎng)段長度為500m，基帶傳輸方法，拓撲結(jié)構(gòu)為總線型；10Base－5組網(wǎng)主要硬件設(shè)備有：粗同軸電纜、帶有AUI插口的以太網(wǎng)卡、中繼器 、收發(fā)器、收發(fā)器電纜、終結(jié)器等。
　　·10Base－2 使用直徑為0.2英寸、阻抗為50Ω細同軸電纜，也稱細纜以太網(wǎng)，最大網(wǎng)段長度為185m，基帶傳輸方法，拓撲結(jié)構(gòu)為總線型；10Base－2組網(wǎng)主要硬件設(shè)備有：細同軸電纜、帶有BNC插口的以太網(wǎng)卡、中繼器、T型連接器 、終結(jié)器等。
　　·10Base－T 使用雙絞線電纜，最大網(wǎng)段長度為100m，拓撲結(jié)構(gòu)為星型；10Base－T組網(wǎng)主要硬件設(shè)備有：3類或5類非屏蔽雙絞線、帶有RJ-45插口的以太網(wǎng)卡、集線器、交換機、RJ-45插頭等。
　　· 1Base－5 使用雙絞線電纜，最大網(wǎng)段長度為500m，傳輸速度為1Mbps；
　　·10Broad－36 使用同軸電纜（RG－59／U CATV），網(wǎng)絡(luò)的最大跨度為3600m，網(wǎng)段長度最大為1800m，是一種寬帶傳輸方式；
　　·10Base－F 使用光纖傳輸介質(zhì)，傳輸速率為10Mbps；
　　
二、快速以太網(wǎng)

　　
　　隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)標準的以太網(wǎng)技術(shù)已難以滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量速度需求。在1993年10月以前，對于要求10Mbps以上數(shù)據(jù)流量的LAN應(yīng)用，只有光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）可供選擇，但它是一種價格非常昂貴的、基于100Mpbs光纜的LAN。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一臺快速以太網(wǎng)集線器Fastch10／100和網(wǎng)絡(luò)接口卡FastNIC100，快速以太網(wǎng)技術(shù)正式得以應(yīng)用。隨后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦相繼推出自己的快速以太網(wǎng)裝置。與此同時，IEEE802工程組亦對100Mbps以太網(wǎng)的各種標準，如100BASE－TX、100BASE－T4、MII、中繼器、全雙工等標準進行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u 100BASE－T快速以太網(wǎng)標準（Fast Ethernet），就這樣開始了快速以太網(wǎng)的時代。
　　快速以太網(wǎng)與原來在100Mbps帶寬下工作的FDDI相比它具有許多的優(yōu)點，最主要體現(xiàn)在快速以太網(wǎng)技術(shù)可以有效的保障用戶在布線基礎(chǔ)實施上的投資，它支持3、4、5類雙絞線以及光纖的連接，能有效的利用現(xiàn)有的設(shè)施。 快速以太網(wǎng)的不足其實也是以太網(wǎng)技術(shù)的不足，那就是快速以太網(wǎng)仍是基于CSMA／CD技術(shù)，當網(wǎng)絡(luò)負載較重時，會造成效率的降低，當然這可以使用交換技術(shù)來彌補。 100Mbps快速以太網(wǎng)標準又分為：100BASE－TX 、100BASE－FX、100BASE－T4三個子類。
　　· 100BASE－TX：是一種使用5類數(shù)據(jù)級無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù)。它使用兩對雙絞線，一對用于發(fā)送，一對用于接收數(shù)據(jù)。在傳輸中使用4B／5B編碼方式，信號頻率為125MHz。符合EIA586的5類布線標準和IBM的SPT 1類布線標準。使用同10BASE－T相同的RJ－45連接器。它的最大網(wǎng)段長度為100米。它支持全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。
　　· 100BASE－FX：是一種使用光纜的快速以太網(wǎng)技術(shù)，可使用單模和多模光纖（62.5和125um） 多模光纖連接的最大距離為550米。單模光纖連接的最大距離為3000米。在傳輸中使用4B／5B編碼方式，信號頻率為125MHz。它使用MIC／FDDI連接器、ST連接器或SC連接器。它的最大網(wǎng)段長度為150m、412m、2000m或更長至10公里，這與所使用的光纖類型和工作模式有關(guān)，它支持全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。100BASE－FX特別適合于有電氣干擾的環(huán)境、較大距離連接、或高保密環(huán)境等情況下的適用。
　　· 100BASE－T4：是一種可使用3、4、5類無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù)。100Base-T4使用4對雙絞線，其中的三對用于在33MHz的頻率上傳輸數(shù)據(jù)，每一對均工作于半雙工模式。第四對用于CSMA/CD沖突檢測。在傳輸中使用8B／6T編碼方式，信號頻率為25MHz，符合EIA586結(jié)構(gòu)化布線標準。它使用與10BASE－T相同的RJ－45連接器，最大網(wǎng)段長度為100米。
　　
三、千兆以太網(wǎng)

　　
　　千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為最新的高速以太網(wǎng)技術(shù)，給用戶帶來了提高核心網(wǎng)絡(luò)的有效解決方案，這種解決方案的最大優(yōu)點是繼承了傳統(tǒng)以太技術(shù)價格便宜的優(yōu)點。 千兆技術(shù)仍然是以太技術(shù)，它采用了與10M以太網(wǎng)相同的幀格式、幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統(tǒng)。由于該技術(shù)不改變傳統(tǒng)以太網(wǎng)的桌面應(yīng)用、操作系統(tǒng)，因此可與10M或100M的以太網(wǎng)很好地配合工作。升級到千兆以太網(wǎng)不必改變網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、網(wǎng)管部件和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，能夠最大程度地投資保護。 為了能夠偵測到64Bytes資料框的碰撞，Gigabit Ethernet所支持的距離更短。Gigabit Ethernet 支持的網(wǎng)絡(luò)類型，如下表所示：
　　傳輸介質(zhì) 距離
　　1000Base－CX Copper STP 25m
　　1000Base－T Copper Cat 5 UTP 100m
　　1000Base－SX Multi-mode Fiber 500m
　　1000Base－LX Single-mode Fiber 3000m
　　千兆以太網(wǎng)技術(shù)有兩個標準：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纖和短程銅線連接方案的標準。IEEE802.3ab制定了五類雙絞線上較長距離連接方案的標準。
　　1. IEEE802.3z
　　IEEE802.3z工作組負責制定光纖（單模或多模）和同軸電纜的全雙工鏈路標準。IEEE802.3z定義了基于光纖和短距離銅纜的1000Base-X，采用8B/10B編碼技術(shù)，信道傳輸速度為1.25Gbit/s，去耦后實現(xiàn)1000Mbit/s傳輸速度。 IEEE802.3z具有下列千兆以太網(wǎng)標準：
　　· 1000Base-SX 只支持多模光纖，可以采用直徑為62.5um或50um的多模光纖，工作波長為770-860nm，傳輸距離為220-550m。
　　· 1000Base-LX 多模光纖：可以采用直徑為62.5um或50um的多模光纖，工作波長范圍為1270-1355nm，傳輸距離為550m。
　　單模光纖：可以支持直徑為9um或10um的單模光纖，工作波長范圍為1270-1355nm，傳輸距離為5km左右。
　　· 1000Base-CX 采用150歐屏蔽雙絞線（STP），傳輸距離為25m。
　　2. IEEE802.3ab
　　IEEE802.3ab工作組負責制定基于UTP的半雙工鏈路的千兆以太網(wǎng)標準，產(chǎn)生IEEE802.3ab標準及協(xié)議。IEEE802.3ab定義基于5類UTP的1000Base-T標準，其目的是在5類UTP上以1000Mbit/s速率傳輸100m。 IEEE802.3ab標準的意義主要有兩點：
　　(1) 保護用戶在5類UTP布線系統(tǒng)上的投資。
　　(2) 1000Base-T是100Base-T自然擴展，與10Base-T、100Base-T完全兼容。不過，在5類UTP上達到1000Mbit/s的傳輸速率需要解決5類UTP的串擾和衰減問題，因此，使IEEE802.3ab工作組的開發(fā)任務(wù)要比IEEE802.3z復雜些
　　
四、萬兆以太網(wǎng)

　　
　　　萬兆以太網(wǎng)規(guī)范包含在 IEEE 802.3 標準的補充標準 IEEE 802.3ae 中，它擴展了 IEEE 802.3 協(xié)議和 MAC 規(guī)范使其支持 10Gb/s 的傳輸速率。除此之外，通過 WAN 界面子層（WIS：WAN interface sublayer），10千兆位以太網(wǎng)也能被調(diào)整為較低的傳輸速率，如 9.584640 Gb/s （OC-192），這就允許10千兆位以太網(wǎng)設(shè)備與同步光纖網(wǎng)絡(luò)（SONET） STS -192c 傳輸格式相兼容。
　　· 10GBASE-SR 和 10GBASE-SW 主要支持短波（850 nm）多模光纖（MMF），光纖距離為 2m 到 300 m 。
　　10GBASE-SR 主要支持“暗光纖”（dark fiber），暗光纖是指沒有光傳播并且不與任何設(shè)備連接的光纖。
　　10GBASE-SW 主要用于連接 SONET 設(shè)備，它應(yīng)用于遠程數(shù)據(jù)通信。
　　· 10GBASE-LR 和 10GBASE-LW 主要支持長波（1310nm）單模光纖（SMF），光纖距離為 2m 到 10km （約32808英尺）。
　　10GBASE-LW 主要用來連接 SONET 設(shè)備時，
　　10GBASE-LR 則用來支持“暗光纖”（dark fiber）。
　　· 10GBASE-ER 和 10GBASE-EW 主要支持超長波（1550nm）單模光纖（SMF），光纖距離為 2m 到 40km （約131233英尺）。
　　10GBASE-EW 主要用來連接 SONET 設(shè)備，
　　10GBASE-ER 則用來支持“暗光纖”（dark fiber）。
　　· 10GBASE-LX4 采用波分復用技術(shù)，在單對光纜上以四倍光波長發(fā)送信號。系統(tǒng)運行在 1310nm 的多?；騿文０倒饫w方式下。該系統(tǒng)的設(shè)計目標是針對于 2m 到 300 m 的多模光纖模式或 2m 到 10km 的單模光纖模式。
　　△ 以太網(wǎng)的連接
[編輯本段]拓撲結(jié)構(gòu)
　　總線型：所需的電纜較少、價格便宜、管理成本高，不易隔離故障點、采用共享的訪問機制，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。早期以太網(wǎng)多使用總線型的拓撲結(jié)構(gòu)，采用同軸纜作為傳輸介質(zhì)，連接簡單，通常在小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中不需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于它存在的固有缺陷，已經(jīng)逐漸被以集線器和交換機為核心的星型網(wǎng)絡(luò)所代替。
　　星型：管理方便、容易擴展、需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點、需要更多的網(wǎng)線、對核心設(shè)備的可靠性要求高。采用專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如集線器或交換機）作為核心節(jié)點，通過雙絞線將局域網(wǎng)中的各臺主機連接到核心節(jié)點上，這就形成了星型結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)雖然需要的線纜比總線型多，但布線和連接器比總線型的要便宜。此外，星型拓撲可以通過級聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴展到很大的規(guī)模，因此得到了廣泛的應(yīng)用，被絕大部分的以太網(wǎng)所采用。
[編輯本段]傳輸介質(zhì)
　　以太網(wǎng)可以采用多種連接介質(zhì)，包括同軸纜、雙絞線和光纖等。其中雙絞線多用于從主機到集線器或交換機的連接，而光纖則主要用于交換機間的級聯(lián)和交換機到路由器間的點到點鏈路上。同軸纜作為早期的主要連接介質(zhì)已經(jīng)逐漸趨于淘汰。
　　注意區(qū)分雙絞線中的直通線和交叉線兩種連線方法.
　　以下連接應(yīng)使用直通電纜：
　　交換機到路由器以太網(wǎng)端口
　　計算機到交換機
　　計算機到集線器
　　交叉電纜用于直接連接 LAN 中的下列設(shè)備：
　　交換機到交換機
　　交換機到集線器
　　集線器到集線器
　　路由器到路由器的以太網(wǎng)端口連接
　　計算機到計算機
　　計算機到路由器的以太網(wǎng)端口
　　
CSMA/CD共享介質(zhì)以太網(wǎng)

　　帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問 (CSMA/CD)技術(shù)規(guī)定了多臺電腦共享一個通道的方法。這項技術(shù)最早出現(xiàn)在1960年代由夏威夷大學開發(fā)的ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個方法要比令牌環(huán)網(wǎng)或者主控制網(wǎng)要簡單。當某臺電腦要發(fā)送信息時，必須遵守以下規(guī)則:
　　開始 - 如果線路空閑，則啟動傳輸，否則轉(zhuǎn)到第4步 發(fā)送 - 如果檢測到?jīng)_突,繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到達到最小報文時間 (保證所有其他轉(zhuǎn)發(fā)器和終端檢測到?jīng)_突)，再轉(zhuǎn)到第4步. 成功傳輸 - 向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報告發(fā)送成功，退出傳輸模式。 線路忙 - 等待，直到線路空閑 線路進入空閑狀態(tài) - 等待一個隨機的時間，轉(zhuǎn)到第1步，除非超過最大嘗試次數(shù) 超過最大嘗試傳輸次數(shù) - 向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報告發(fā)送失敗，退出傳輸模式 就像在沒有主持人的座談會中，所有的參加者都通過一個共同的媒介（空氣）來相互交談。每個參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個客人同時開始講話，那么他們都停下來，分別隨機等待一段時間再開始講話。這時，如果兩個參加者等待的時間不同，沖突就不會出現(xiàn)。如果傳輸失敗超過一次，將采用退避指數(shù)增長時間的方法（退避的時間通過截斷二進制指數(shù)退避算法(truncated binary exponential backoff)來實現(xiàn)）。
　　最初的以太網(wǎng)是采用同軸電纜來連接各個設(shè)備的。電腦通過一個叫做附加單元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收發(fā)器連接到電纜上。一根簡單網(wǎng)線對于一個小型網(wǎng)絡(luò)來說還是很可靠的，對于大型網(wǎng)絡(luò)來說，某處線路的故障或某個連接器的故障，都會造成以太網(wǎng)某個或多個網(wǎng)段的不穩(wěn)定。
　　因為所有的通信信號都在共用線路上傳輸，即使信息只是發(fā)給其中的一個終端（destination），某臺電腦發(fā)送的消息都將被所有其他電腦接收。在正常情況下，網(wǎng)絡(luò)接口卡會濾掉不是發(fā)送給自己的信息，接收目標地址是自己的信息時才會向CPU發(fā)出中斷請求，除非網(wǎng)卡處于混雜模式（Promiscuous mode）。這種“一個說，大家聽”的特質(zhì)是共享介質(zhì)以太網(wǎng)在安全上的弱點，因為以太網(wǎng)上的一個節(jié)點可以選擇是否監(jiān)聽線路上傳輸?shù)乃行畔?。共享電纜也意味著共享帶寬，所以在某些情況下以太網(wǎng)的速度可能會非常慢，比如電源故障之后，當所有的網(wǎng)絡(luò)終端都重新啟動時。
　　[1][2][3]接口的工作模式
　　以太網(wǎng)卡可以工作在兩種模式下：半雙工和全雙工。
　　半雙工：半雙工傳輸模式實現(xiàn)以太網(wǎng)載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測。傳統(tǒng)的共享LAN是在半雙工下工作的，在同一時間只能傳輸單一方向的數(shù)據(jù)。當兩個方向的數(shù)據(jù)同時傳輸時，就會產(chǎn)生沖突，這會降低以太網(wǎng)的效率。
　　全雙工：全雙工傳輸是采用點對點連接，這種安排沒有沖突，因為它們使用雙絞線中兩個獨立的線路，這等于沒有安裝新的介質(zhì)就提高了帶寬。例如在上例的車站間又加了一條并行的鐵軌，同時可有兩列火車雙向通行。在雙全工模式下，沖突檢測電路不可用，因此每個雙全工連接只用一個端口，用于點對點連接。標準以太網(wǎng)的傳輸效率可達到50％～60％的帶寬，雙全工在兩個方向上都提供100％的效率。
　　△ 以太網(wǎng)的工作原理
　　以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波幀聽多路訪問（CSMA/CD）機制。以太網(wǎng)中節(jié)點都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息，因此，我們說以太網(wǎng)是一種廣播網(wǎng)絡(luò)。
　　以太網(wǎng)的工作過程如下：
　　當以太網(wǎng)中的一臺主機要傳輸數(shù)據(jù)時，它將按如下步驟進行：
　　1、監(jiān)聽信道上收否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)監(jiān)聽，直到信道空閑為止。
　　2、若沒有監(jiān)聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)
　　3、傳輸?shù)臅r候繼續(xù)監(jiān)聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機等待一段時間后，重新執(zhí)行步驟1（當沖突發(fā)生時，涉及沖突的計算機會發(fā)送會返回到監(jiān)聽信道狀態(tài)。
　　注意：每臺計算機一次只允許發(fā)送一個包，一個擁塞序列，以警告所有的節(jié)點）
　　4、若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，所有計算機在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待9.6微秒（以10Mbps運行）。
　　△ 幀結(jié)構(gòu)
　　以太網(wǎng)幀的概述：
　　以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)據(jù)鏈路層識別的數(shù)據(jù)幀（成幀）。雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的，但依被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同，以太網(wǎng)的長度也在變化，其范圍是64～1518字節(jié)（不算8字節(jié)的前導字）。
　　△ 沖突/沖突域
　　沖突（Collision）：在以太網(wǎng)中，當兩個數(shù)據(jù)幀同時被發(fā)到物理傳輸介質(zhì)上，并完全或部分重疊時，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突。當沖突發(fā)生時，物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)都不再有效。
　　沖突域：在同一個沖突域中的每一個節(jié)點都能收到所有被發(fā)送的幀。
　　影響沖突產(chǎn)生的因素：沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素，由于沖突的存在使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負載超過40％時，效率將明顯下降。產(chǎn)生沖突的原因有很多，如同一沖突域中節(jié)點的數(shù)量越多，產(chǎn)生沖突的可能性就越大。此外，諸如數(shù)據(jù)分組的長度（以太網(wǎng)的最大幀長度為1518字節(jié)）、網(wǎng)絡(luò)的直徑等因素也會影響沖突的產(chǎn)生。因此，當以太網(wǎng)的規(guī)模增大時，就必須采取措施來控制沖突的擴散。通常的辦法是使用網(wǎng)橋和交換機將網(wǎng)絡(luò)分段，將一個大的沖突域劃分為若干小沖突域。
　　△ 廣播/廣播域
　　廣播：在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，向所有連通的節(jié)點發(fā)送消息稱為廣播。
　　廣播域：網(wǎng)絡(luò)中能接收任何一設(shè)備發(fā)出的廣播幀的所有設(shè)備的集合。
　　廣播和廣播域的區(qū)別：廣播網(wǎng)絡(luò)指網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都可以收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，不管該幀是否是發(fā)給這些節(jié)點。非目的節(jié)點的主機雖然收到該數(shù)據(jù)幀但不做處理。
　　廣播是指由廣播幀構(gòu)成的數(shù)據(jù)流量，這些廣播幀以廣播地址（地址的每一位都為“1”）為目的地址，告之網(wǎng)絡(luò)中所有的計算機接收此幀并處理它。
　　△ 共享式以太網(wǎng)
　　共享式以太網(wǎng)的典型代表是使用10Base2/10Base5的總線型網(wǎng)絡(luò)和以集線器（集線 器）為核心的星型網(wǎng)絡(luò)。在使用集線器的以太網(wǎng)中，集線器將很多以太網(wǎng)設(shè)備集中到一臺中心設(shè)備上，這些設(shè)備都連接到集線器中的同一物理總線結(jié)構(gòu)中。從本質(zhì)上講，以集線器為核心的以太網(wǎng)同原先的總線型以太網(wǎng)無根本區(qū)別。
　　集線器的工作原理：
　　集線器并不處理或檢查其上的通信量，僅通過將一個端口接收的信號重復分發(fā)給其他端口來擴展物理介質(zhì)。所有連接到集線器的設(shè)備共享同一介質(zhì)，其結(jié)果是它們也共享同一沖突域、廣播和帶寬。因此集線器和它所連接的設(shè)備組成了一個單一的沖突域。如果一個節(jié)點發(fā)出一個廣播信息，集線器會將這個廣播傳播給所有同它相連 的節(jié)點，因此它也是一個單一的廣播域。
　　集線器的工作特點：
　　集線器多用于小規(guī)模的以太網(wǎng)，由于集線器一般使用外接電源（有源），對其接收的信號有放大處理。在某些場合，集線器也被稱為“多端口中繼器”。
　　集線器同中繼器一樣都是工作在物理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
　　共享式以太網(wǎng)存在的弊端：由于所有的節(jié)點都接在同一沖突域中，不管一個幀從哪里來或到哪里去，所有的節(jié)點都能接受到這個幀。隨著節(jié)點的增加，大量的沖突將導致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。而且集線器同時只能傳輸一個數(shù)據(jù)幀，這意味著集線器所 有端口都要共享同一帶寬。
　　△ 交換式以太網(wǎng)
　　交換式結(jié)構(gòu)：
　　在交換式以太網(wǎng)中，交換機根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀中的MAC地址決定數(shù)據(jù)幀應(yīng)發(fā)向交換機的哪個端口。因為端口間的幀傳輸彼此屏蔽，因此節(jié)點就不擔心自己發(fā)送的幀在通過交換機時是否會與其他節(jié)點發(fā)送的幀產(chǎn)生沖突。
　　為什么要用交換式網(wǎng)絡(luò)替代共享式網(wǎng)絡(luò)：
　　·減少沖突：交換機將沖突隔絕在每一個端口（每個端口都是一個沖突域），避免了沖突的擴散。
　　·提升帶寬：接入交換機的每個節(jié)點都可以使用全部的帶寬，而不是各個節(jié)點共享帶寬。
　　△ 以太網(wǎng)交換機
　　交換機的工作原理：
　　·交換機根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。
　　·交換機將數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定由哪個端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。
　　·如數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。這一過程稱之為泛洪（flood）。
　　·廣播幀和組播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。
　　交換機的三個主要功能：
　　·學習：以太網(wǎng)交換機了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。
　　·轉(zhuǎn)發(fā)/過濾：當一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口（如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。
　　·消除回路：當交換機包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。
　　交換機的工作特性：
　　·交換機的每一個端口所連接的網(wǎng)段都是一個獨立的沖突域。
　　·交換機所連接的設(shè)備仍然在同一個廣播域內(nèi)，也就是說，交換機不隔絕廣播（唯一的例外是在配有VLAN的環(huán)境中）。
　　·交換機依據(jù)幀頭的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此說交換機是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
　　△ 交換機的分類：
　　依照交換機處理幀的不同的操作模式，主要可分為兩類。
　　存儲轉(zhuǎn)發(fā)：交換機在轉(zhuǎn)發(fā)之前必須接收整個幀，并進行檢錯，如無錯誤再將這一幀發(fā)向目的地址。幀通過交換機的轉(zhuǎn)發(fā)時延隨幀長度的不同而變化。
　　直通式：交換機只要檢查到幀頭中所包含的目的地址就立即轉(zhuǎn)發(fā)該幀，而無需等待幀全部的被接收，也不進行錯誤校驗。由于以太網(wǎng)幀頭的長度總是固定的，因此幀通過交換機的轉(zhuǎn)發(fā)時延也保持不變。
　　注意：
　　直通式的轉(zhuǎn)發(fā)速度大大快于存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，但可靠性要差一些，因為可能轉(zhuǎn)發(fā)沖突 幀或帶CRC錯誤的幀。
　　△ 生成樹協(xié)議
　　消除回路：
　　在由交換機構(gòu)成的交換網(wǎng)絡(luò)中通常設(shè)計有冗余鏈路和設(shè)備。這種設(shè)計的目的是防止一個點的失敗導致整個網(wǎng)絡(luò)功能的丟失。雖然冗余設(shè)計可能消除的單點失敗問題，但也導致了交換回路的產(chǎn)生，它會導致以下問題。
　　·廣播風暴
　　·同一幀的多份拷貝
　　·不穩(wěn)定的MAC地址表
　　因此，在交換網(wǎng)絡(luò)中必須有一個機制來阻止回路，而生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol）的作用正在于此。
　　生成樹的工作原理：
　　生成樹協(xié)議的國際標準是IEEE802.1b。運行生成樹算法的網(wǎng)橋/交換機在規(guī)定的間隔（默認2秒）內(nèi)通過網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）的組播幀與其他交換機交換配置信息，其工作的過程如下：
　　·通過比較網(wǎng)橋優(yōu)先級選取根網(wǎng)橋（給定廣播域內(nèi)只有一個根網(wǎng)橋）。
　　·其余的非根網(wǎng)橋只有一個通向根交換機的端口稱為根端口。
　　·每個網(wǎng)段只有一個轉(zhuǎn)發(fā)端口。
　　·根交換機所有的連接端口均為轉(zhuǎn)發(fā)端口。
　　注意：生成樹協(xié)議在交換機上一般是默認開啟的，不經(jīng)人工干預即可正常工作。但這種自動生成的方案可能導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒎亲顑?yōu)化。因此，可以通過人工設(shè)置網(wǎng)橋優(yōu)先級的方法影響生成樹的生成結(jié)果。
　　生成樹的狀態(tài)：
　　運行生成樹協(xié)議的交換機上的端口，總是處于下面四個狀態(tài)中的一個。在正常操作 期間，端口處于轉(zhuǎn)發(fā)或阻塞狀態(tài)。當設(shè)備識別網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化時，交換機自動進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在這期間端口暫時處于監(jiān)聽和學習狀態(tài)。
　　阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動以防止回路。由生成樹確定哪個端口轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，處于阻塞狀態(tài)的端口不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)但可接受BPDU。
　　監(jiān)聽：不轉(zhuǎn)發(fā)，檢測BPDU，（臨時狀態(tài)）。
　　學習：不轉(zhuǎn)發(fā)，學習MAC地址表（臨時狀態(tài)）。
　　轉(zhuǎn)發(fā)：端口能轉(zhuǎn)送和接受數(shù)據(jù)。
　　小知識：實際上，在真正使用交換機時還可能出現(xiàn)一種特殊的端口狀態(tài)－Disable狀態(tài)。這是由于端口故障或由于錯誤的交換機配置而導致數(shù)據(jù)沖突造成的死鎖狀態(tài)。如果并非是端口故障的原因，我們可以通過交換機重啟來解決這一問題。
　　生成樹的重計算：
　　當網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，生成樹協(xié)議重新計算，以生成新的生成樹結(jié)構(gòu)。當所有交換機的端口狀態(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)或阻塞時，意味著重新計算完畢。這種狀態(tài)稱為會聚（Convergence）。
　　注意：在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變期間，設(shè)備直到生成樹會聚才能進行通信，這可能會對 某些應(yīng)用產(chǎn)生影響，因此一般認為可以使生成樹運行良好的交換網(wǎng)絡(luò)，不應(yīng)該超過七層。此外可以通過一些特殊的交換機技術(shù)加快會聚的時間。
　　△ 網(wǎng)橋
　　網(wǎng)橋概述：
　　依據(jù)幀地址進行轉(zhuǎn)發(fā)的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可將數(shù)個局域網(wǎng)網(wǎng)段連接在一起。網(wǎng)橋可連接相同介質(zhì)的網(wǎng)段也可訪問不同介質(zhì)的網(wǎng)段。網(wǎng)橋的主要作用是分割和減少沖突。它的工作原理同交換機類似，也是通過MAC地址表進行轉(zhuǎn)發(fā)。因此，網(wǎng)橋同交換機沒有本質(zhì)的區(qū)別。在某些情況下，我們可以認為網(wǎng)橋就是交換機。
　　△ 路由器的簡單介紹
　　什么是路由器：
　　路由器是使用一種或者更多度量因素的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它決定網(wǎng)絡(luò)通信能夠通過的最佳路徑。路由器依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層信息將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)前向轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)。
　　路由器的功能：
　　·隔絕廣播，劃分廣播域
　　·通過路由選擇算法決定最優(yōu)路徑
　　·轉(zhuǎn)發(fā)基于三層目的地址的數(shù)據(jù)包
　　·其他功能
　　△ 虛擬局域網(wǎng)VLAN
　　網(wǎng)橋/交換機的本質(zhì)和功能是通過將網(wǎng)絡(luò)分割成多個沖突域提供增強的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，然而網(wǎng)橋/交換機仍是一個廣播域，一個廣播數(shù)據(jù)包可被網(wǎng)橋/交換機轉(zhuǎn)發(fā)至全網(wǎng)。雖然OSI模型的第三層的路由器提供了廣播域分段，但交換機也提供了一種稱為VLAN的廣播域分段方法。
　　什么是VLAN：
　　一個VLAN是跨越多個物理LAN網(wǎng)段的邏輯廣播域，人們設(shè)計VLAN來為工作站提供獨立的廣播域，這些工作站是依據(jù)其功能、項目組或應(yīng)用而不顧其用戶的物理位置而邏輯分段的。
　　一個VLAN＝一個廣播域＝邏輯網(wǎng)段
　　VLAN的優(yōu)點和安裝特性：
　　VLAN的優(yōu)點：
　　·安全性。一個VLAN里的廣播幀不會擴散到其他VLAN中。
　　·網(wǎng)絡(luò)分段。將物理網(wǎng)段按需要劃分成幾個邏輯網(wǎng)段
　　·靈活性。可將交換端口和連接用戶邏輯的分成利益團體，例如以同一部門的工作人員，項目小組等多種用戶組來分段。
　　典型VLAN的安裝特性：
　　·每一個邏輯網(wǎng)段像一個獨立物理網(wǎng)段
　　·VLAN能跨越多個交換機
　　·由主干（Trunk）為多個VLAN運載通信量
　　VLAN如何操作：
　　·配置在交換機上的每一個VLAN都能執(zhí)行地址學習、轉(zhuǎn)發(fā)/過濾和消除回路機制，就像一個獨立的物理網(wǎng)橋一樣。VLAN可能包括幾個端口
　　·交換機通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到與發(fā)起端口同一VLAN的目的端口實現(xiàn)VLAN。
　　·通常一個端口只運載它所屬VLAN的通信量。
　　VLAN的成員模式：
　　靜態(tài)：分配給VLAN的端口由管理員靜態(tài)（人工）配置。
　　動態(tài)：動態(tài)VLAN可基于MAC地址、IP地址等識別其成員資格。當使用MAC地址時，通常的方式是用VLAN成員資格策略服務(wù)器（VMPS）支持動態(tài)VLAN。VMPS包括一個映射MAC地址到VLAN分配的數(shù)據(jù)庫。當一個幀到達動態(tài)端口時，交換機根據(jù)幀的源地址查詢VMPS，獲取相應(yīng)的VLAN分配。
　　注意：雖然VLAN是在交換機上劃分的，但交換機是二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，單一的有交換機構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)無法進行VLAN間通信的，解決這一問題的方法是使用三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備-路由器。路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)不同VLAN間的數(shù)據(jù)包，就像它連接了幾個真實的物理網(wǎng)段一樣。這時我們稱之為VLAN間路由。
　　△ 高速以太網(wǎng)
　　快速以太網(wǎng)：
　　快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）也就是我們常說的百兆以太網(wǎng)，它在保持幀格式、MAC（介質(zhì)存取控制）機制和MTU（最大傳送單元）質(zhì)量的前提下，其速率比10Base－T的以太網(wǎng)增加了10倍。二者之間的相似性使得10Base－T以太網(wǎng)現(xiàn)有的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)管理工具能夠在快速以太網(wǎng)上使用。快速以太網(wǎng)是基于擴充的IEEE802.3標準。
　　千兆以太網(wǎng)：
　　千兆位以太網(wǎng)是一種新型高速局域網(wǎng)，它可以提供1Gbps的通信帶寬，采用和傳統(tǒng)10M、100M以太網(wǎng)同樣的CSMA/CD協(xié)議、幀格式和幀長，因此可以實現(xiàn)在原有低速以太網(wǎng)基礎(chǔ)上平滑、連續(xù)性的網(wǎng)絡(luò)升級。只用于Point to Point，連接介質(zhì)以光纖為主，最大傳輸距離已達到70km，可用于MAN的建設(shè)。
　　由于千兆以太網(wǎng)采用了與傳統(tǒng)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)完全兼容的技術(shù)規(guī)范，因此千兆以太網(wǎng)除了繼承傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)的優(yōu)點外，還具有升級平滑、實施容易、性價比高和易管理等優(yōu)點。
　　千兆以太網(wǎng)技術(shù)適用于大中規(guī)模（幾百至上千臺電腦的網(wǎng)絡(luò)）的園區(qū)網(wǎng)主干，從而實現(xiàn)千兆主干、百兆交換（或共享）到桌面的主流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式。
　　小知識：
　　千兆以太網(wǎng)的優(yōu)勢是同舊系統(tǒng)的兼容性好，價格相對便宜。在這也是千兆以太網(wǎng)在同ATM的競爭中獲勝的主要原因。
　　△ 小結(jié)：
　　當今居于主導地位的局域網(wǎng)技術(shù)－以太網(wǎng)。以太網(wǎng)是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)。沖突的產(chǎn)生是限制以太網(wǎng)性能的重要因素，早期的以太網(wǎng)設(shè)備如集線器是物理層設(shè)備，不能隔絕沖突擴散，限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提高。而交換機（網(wǎng)橋）做為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，極大的提高了以太網(wǎng)的性能。正逐漸替代集線器成為主流的以太網(wǎng)設(shè)備。然而交換機（網(wǎng)橋）對網(wǎng)絡(luò)中的廣播數(shù)據(jù)流量則不做任何限制，這也影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。通過在交換機上劃分VLAN和采用三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備－路由器解決了這一問題。以太網(wǎng)做為一種原理簡單，便于實現(xiàn)同時又價格低廉的局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界的主流。而更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)更使其成為最有前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
　　為什么叫以太網(wǎng)？
　　以太網(wǎng)這個名字，起源于一個科學假設(shè)：聲音是通過空氣傳播的，那么光呢？在外太空沒有空氣光也可以傳播。于是，有人說光是通過一種叫以太的物質(zhì)傳播。后來，愛因斯坦證明以太根本就不存在。
　　大家知道，聲音是通過空氣傳播的，那么光是通過什么傳播的呢？
　　在牛頓運動定律中，物體的運動是相對的。比如，地鐵車廂里面的人看見您在車廂里原地踏步走，而位于車廂外面的人卻看見你以120公里每小時的速度前進。
　　但光的運動并不是這樣，您無論以什么物體作為參照物，它的運動速度始終都是299 792 458 米 / 秒。這個問題困惑了很多科學家，難道牛頓定律失靈了？一個來自瑞士專利局的職員，名叫愛因斯坦的人在1905年發(fā)表了篇論文，文中提到，無論觀察者以何種速度運動，相對于他們而言，光的速度是恒久不變的，相對論便由此誕生了。
　　這簡單的理念有一些非凡的結(jié)論。可能最著名者莫過于質(zhì)量和能量的等價，用愛因斯坦的方程來表達就是E＝mc＾2（E是能量，m是質(zhì)量，c是光速），以及沒有任何東西能運動得比光還快的定律。由于能量和質(zhì)量的等價，物體由于它的運動所具的能量應(yīng)該加到它的質(zhì)量上面去。換言之，要加速它將變得更為困難。這個效應(yīng)只有當物體以接近于光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10％光速運動的物體的質(zhì)量只比原先增加了0.5％，而以90％光速運動的物體，其質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的2倍還多。當一個物體接近光速時，它的質(zhì)量上升得越來越快，它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質(zhì)量會變成無限大，而由質(zhì)量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。
　　由此我們可以看出，世界上根本就不存在以太這種物質(zhì)，因為光速是永遠恒定不變的，為其找個運動參照物是個笑話。有鑒于此，以太網(wǎng)的命名也就是一個笑話。但以太網(wǎng)并不會消失，它正隨著人們追求高速度而不斷的進行蛻變。以前，只要數(shù)據(jù)鏈路層遵從CSMA/CD協(xié)議通信，那么它就可以被稱為以太網(wǎng)，但隨著接入共享網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的增加，沖突會使網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率越來越低。后來，交換機的出現(xiàn)使全雙工以太網(wǎng)得到了更好的實現(xiàn)。未來，以太網(wǎng)會披上光的外衣，飛的更快。