以太網(wǎng)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

時(shí)間：2022-02-18 06:18:01 | 來源：信息時(shí)代

時(shí)間：2022-02-18 06:18:01 來源：信息時(shí)代

CSMA/CD技術(shù)

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(gè)信道的方法。這項(xiàng)技術(shù)最早出現(xiàn)在1960年代由夏威夷大學(xué)開發(fā)的ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個(gè)方法要比令牌環(huán)網(wǎng)或者主控制網(wǎng)要簡單。當(dāng)某臺電腦要發(fā)送信息時(shí)，必須遵守以下規(guī)則:

（1）開始。如果線路空閑，則啟動傳輸，否則轉(zhuǎn)到第4步；

（2）發(fā)送。如果檢測到?jīng)_突，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到達(dá)到最小報(bào)文時(shí)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；

（3）成功傳輸。向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)告發(fā)送成功，退出傳輸模式；

（4）線路忙。等待，直到線路空閑；

（5）線路進(jìn)入空閑狀態(tài)。等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，轉(zhuǎn)到第1步，除非超過最大嘗試次數(shù)；

（6）超過最大嘗試傳輸次數(shù)。向更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)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(gè)共同的媒介（空氣）來相互交談。每個(gè)參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個(gè)客人同時(shí)開始講話，那么他們都停下來，分別隨機(jī)等待一段時(shí)間再開始講話。這時(shí)，如果兩個(gè)參加者等待的時(shí)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(shí)間的方法（退避的時(shí)間通過截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法(truncatedbinaryexponentialbackoff)來實(shí)現(xiàn)）。

最初的以太網(wǎng)是采用同軸電纜來連接各個(gè)設(shè)備的。電腦通過一個(gè)叫做附加單元接口（AttachmentUnitInterface，AUI）的收發(fā)器連接到電纜上。一根簡單網(wǎng)線對于一個(gè)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(gè)連接器的故障，都會造成以太網(wǎng)某個(gè)或多個(gè)網(wǎng)段的不穩(wěn)定。

因?yàn)樗械耐ㄐ判盘柖荚诠灿镁€路上傳輸，即使信息只是發(fā)給其中的一個(gè)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(biāo)地址是自己的信息時(shí)才會向CPU發(fā)出中斷請求，除非網(wǎng)卡處于混雜模式（Promiscuousmode）。這種'一個(gè)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(diǎn)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dāng)所有的網(wǎng)絡(luò)終端都重新啟動時(shí)。

集線器

在以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中，以太網(wǎng)集線器(EthernetHub)的出現(xiàn)使得網(wǎng)絡(luò)更加可靠，接線更加方便。

因?yàn)樾盘柕乃p和延時(shí)，根據(jù)不同的介質(zhì)以太網(wǎng)段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500米(1,640英尺)。最大距離可以通過以太網(wǎng)中繼器實(shí)現(xiàn)，中繼器可以把電纜中的信號放大再傳送到下一段。中繼器最多連接5個(gè)網(wǎng)段，但是只能有4個(gè)設(shè)備（即一個(gè)網(wǎng)段最多可以接4個(gè)中繼器）。這可以減輕因?yàn)殡娎|斷裂造成的問題：當(dāng)一段同軸電纜斷開，所有這個(gè)段上的設(shè)備就無法通訊，中繼器可以保證其他網(wǎng)段正常工作。

類似于其他的高速總線，以太網(wǎng)網(wǎng)段必須在兩頭以電阻器作為終端。對于同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作'終端器'的50歐姆的電阻和散熱器，andaffixedtoamaleMorBNCconnector.如果不這么做，就會發(fā)生類似電纜斷掉的情況：總線上的AC信號當(dāng)?shù)竭_(dá)終端時(shí)將被反射，而不能消散。被反射的信號將被認(rèn)為是沖突，從而使通信無法繼續(xù)。中繼器可以將連在其上的兩個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行電氣隔離，增強(qiáng)和同步信號。大多數(shù)中繼器都有被稱作'自動隔離'的功能，可以把有太多沖突或是沖突持續(xù)時(shí)間太長的網(wǎng)段隔離開來，這樣其他的網(wǎng)段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到?jīng)_突消失后可以恢復(fù)網(wǎng)段的連接。

隨著應(yīng)用的拓展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最為有效，于是設(shè)備廠商們開始研制有多個(gè)端口的中繼器。多端口中繼器就是眾所周知的集線器(Hub)。集線器可以連接到其他的集線器或者同軸網(wǎng)絡(luò)。

第一個(gè)集線器被認(rèn)為是'多端口收發(fā)器'或者叫做'fanouts'。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使許多臺具有AUI連接器的主機(jī)共用一個(gè)收發(fā)器。集線器也導(dǎo)致了不使用同軸電纜的小型獨(dú)立以太網(wǎng)網(wǎng)段的出現(xiàn)。像DEC和SynOptics這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商曾經(jīng)出售過用于連接許多10BASE-2細(xì)同軸線網(wǎng)段的集線器。

非屏蔽雙絞線(unshieldedtwisted-paircables,UTP)最先應(yīng)用在星型局域網(wǎng)中,之后在10BASE-T中也得到應(yīng)用，并最終代替了同軸電纜成為以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)改進(jìn)之后，RJ45電話接口代替了AUI成為電腦和集線器的標(biāo)準(zhǔn)界口，非屏蔽3類雙絞線/5類雙絞線成為標(biāo)準(zhǔn)載體。集線器的應(yīng)用使某條電纜或某個(gè)設(shè)備的故障不會影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，提高了以太網(wǎng)的可靠性。雙絞線以太網(wǎng)把每一個(gè)網(wǎng)段點(diǎn)對點(diǎn)地連起來，這樣終端就可以做成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件，解決了以太網(wǎng)的終端問題。

采用集線器組網(wǎng)的以太網(wǎng)盡管在物理上是星型結(jié)構(gòu)，但在邏輯上仍然是總線型的，半雙工的通信方式采用CSMA/CD的沖突檢測方法，集線器對于減少包沖突的作用很小。每一個(gè)數(shù)據(jù)包都被發(fā)送到集線器的每一個(gè)端口，所以帶寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總吞吐量受到單個(gè)連接速度的限制(10或100Mbit/s)，這還是考慮在前同步碼、幀間隔、頭部、尾部和打包上花銷最少的情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時(shí)，沖突也常常會降低總吞吐量。最壞的情況是，當(dāng)許多用長電纜組網(wǎng)的主機(jī)傳送很多非常短的幀時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載僅達(dá)到50%就會因?yàn)闆_突而降低集線器的吞吐量。為了在沖突嚴(yán)重降低吞吐量之前盡量提高網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，通常會進(jìn)行一些設(shè)置工作。

橋接交換

盡管中繼器在某些方面隔離了以太網(wǎng)網(wǎng)段，電纜斷線的故障不會影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，但它向所有的以太網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)所有的數(shù)據(jù)。這嚴(yán)重限制了同一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上可以相互通信的機(jī)器數(shù)量。為了減輕這個(gè)問題，橋接方法被采用，在工作在物理層的中繼器之基礎(chǔ)上，橋接工作在數(shù)據(jù)鏈路層。通過網(wǎng)橋時(shí)，只有格式完整的數(shù)據(jù)包才能從一個(gè)網(wǎng)段進(jìn)入另一個(gè)網(wǎng)段；沖突和數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤則都被隔離。通過記錄分析網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的MAC地址，網(wǎng)橋可以判斷它們都在什么位置，這樣它就不會向非目標(biāo)設(shè)備所在的網(wǎng)段傳遞數(shù)據(jù)包。象生成樹協(xié)議這樣的控制機(jī)制可以協(xié)調(diào)多個(gè)交換機(jī)共同工作。

早期的網(wǎng)橋要檢測每一個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣，特別是同時(shí)處理多個(gè)端口的時(shí)候，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相對Hub（中繼器）來說要慢。1989年網(wǎng)絡(luò)公司Kalpana發(fā)明了EtherSwitch，第一臺以太網(wǎng)交換機(jī)。以太網(wǎng)交換機(jī)把橋接功能用硬件實(shí)現(xiàn)，這樣就能保證轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)速率達(dá)到線速。

大多數(shù)現(xiàn)代以太網(wǎng)用以太網(wǎng)交換機(jī)代替Hub。盡管布線同Hub以太網(wǎng)是一樣的，但是交換式以太網(wǎng)比共享介質(zhì)以太網(wǎng)有很多明顯的優(yōu)勢，例如更大的帶寬和更好的結(jié)局隔離異常設(shè)備。交換網(wǎng)絡(luò)典型的使用星型拓?fù)?盡管設(shè)備工作在半雙工模式是仍然是共享介質(zhì)的多結(jié)點(diǎn)網(wǎng)。10BASE-T和以后的標(biāo)準(zhǔn)是全雙工以太網(wǎng)，不再是共享介質(zhì)系統(tǒng)。

交換機(jī)加電后，首先也像Hub那樣工作，轉(zhuǎn)發(fā)所有數(shù)據(jù)到所有端口。接下來，當(dāng)它學(xué)習(xí)到每個(gè)端口的地址以后，他就只把非廣播數(shù)據(jù)發(fā)送給特定的目的端口。這樣，線速以太網(wǎng)交換就可以在任何端口對之間實(shí)現(xiàn)，所有端口對之間的通訊互不干擾。

因?yàn)閿?shù)據(jù)包一般只是發(fā)送到他的目的端口，所以交換式以太網(wǎng)上的流量要略微小于共享介質(zhì)式以太網(wǎng)。盡管如此，交換式以太網(wǎng)依然是不安全的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因?yàn)樗€很容易因?yàn)锳RP欺騙或者M(jìn)AC滿溢而癱瘓，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)管理員也可以利用監(jiān)控功能抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

當(dāng)只有簡單設(shè)備(除Hub之外的設(shè)備)接入交換機(jī)端口，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能工作在全雙工方式。如果一個(gè)網(wǎng)段只有2個(gè)設(shè)備，那么沖突探測也不需要了，兩個(gè)設(shè)備可以隨時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)?？偟膸捑褪擎溌返?倍(盡管帶寬每個(gè)方向上是一樣的)，但是沒有沖突發(fā)生就意味著允許幾乎100%的使用鏈路帶寬。

交換機(jī)端口和所連接的設(shè)備必須使用相同的雙工設(shè)置。多數(shù)100BASE-TX和1000BASE-T設(shè)備支持自動協(xié)商特性，即這些設(shè)備通過信號來協(xié)調(diào)要使用的速率和雙工設(shè)置。然而，如果自動協(xié)商被禁用或者設(shè)備不支持，則雙工設(shè)置必須通過自動檢測進(jìn)行設(shè)置或在交換機(jī)端口和設(shè)備上都進(jìn)行手工設(shè)置以避免雙工錯(cuò)配——這是以太網(wǎng)問題的一種常見原因(設(shè)備被設(shè)置為半雙工會報(bào)告遲發(fā)沖突，而設(shè)備被設(shè)為全雙工則會報(bào)告runt)。許多低端交換機(jī)沒有手工進(jìn)行速率和雙工設(shè)置的能力，因此端口總是會嘗試進(jìn)行自動協(xié)商。當(dāng)啟用了自動協(xié)商但不成功時(shí)(例如其他設(shè)備不支持)，自動協(xié)商會將端口設(shè)置為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個(gè)10BASE-T設(shè)備連接到一個(gè)啟用了自動協(xié)商的10/100交換端口上時(shí)將可以成功地建立一個(gè)半雙工的10BASE-T連接。但是將一個(gè)配置為全雙工100Mb工作的設(shè)備連接到一個(gè)配置為自動協(xié)商的交換端口時(shí)(反之亦然)則會導(dǎo)致雙工錯(cuò)配。

即使電纜兩端都設(shè)置成自動速率和雙工模式協(xié)商，錯(cuò)誤猜測還是經(jīng)常發(fā)生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于預(yù)期，應(yīng)該查看一下是否有計(jì)算機(jī)設(shè)置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置為100Mbit，則可以手動強(qiáng)制設(shè)置成正確模式。.

當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖用超過電纜最高支持?jǐn)?shù)據(jù)速率（例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps）通信時(shí)就會發(fā)生問題。不像ADSL或者傳統(tǒng)的撥號Modem通過詳細(xì)的方法檢測鏈路的最高支持?jǐn)?shù)據(jù)速率，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)只是簡單的選擇兩端支持的最高速率而不管中間線路。因此如果過高的速率導(dǎo)致電纜不可靠就會導(dǎo)致鏈路失效。解決方案只有強(qiáng)制通訊端降低到電纜支持的速率。