大学计算机基础：以太网技术

1.以太网的产生与发展

以太网（Ethernet）采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。最早是使用随机争用技术的美国夏威夷大学的校园网，它的核心技术起源于无线分组交换网——ALOHA网。在研究局域网介质访问控制方法时，人们参照了ALOHA方法的基本方法，增加了载波监听的功能，首先设计出数据传输速率为10 Mbps的Ethernet实验系统，在此基础上，1975年由美国DEC、Intel和Xerox三家公司联合研制成功并公布了Ethernet的物理层与数据链路层的规范。以太网最初采用总线结构，用同轴电缆作为总线传输信息，现在也采用星状结构。尤其是在20世纪90年代，IEEE 802.3标准中的物理层标准10BASE—T的产生，使得Ethernet性价比大大提高，这就使得Ethernet在各种局域网产品的竞争中占用明显的优势。目前，千兆位、万兆位以太网已经进入主流应用。

2.传统以太网技术

传统以太网其典型速率是10Mbps。在其物理层，定义了多种传输介质（同轴电缆、双绞线以及光纤）和拓扑结构（总线型、星型和总线型与星型的混合型），形成了一个10 Mbps以太网标准系列，主要包括：10BASE—2（细同轴）、10BASE—5（粗同轴）、10BASE—T（双绞线）等标准，但因其速率无法满足目前网络应用的需求而淡出了市场。

3.快速以太网技术

随着局域网应用的深入，传统以太网10Mbps的传输速率在多方面都限制了其应用，人们对局域网带宽提出了更高的要求。特别是进入20世纪90年代，随着多媒体信息技术的成熟和发展，对网络的传输速率和传输质量要求就更高了，10Mbps网络所提供的带宽难以满足人们的需要，解决的办法主要有两种，一种是重新设计一种全新的局域网体系结构与介质访问控制方法；另一种就是保持原有的局域网体系结构与介质访问控制方法，设法提高局域网的数据传输速率。于是，国际上一些著名的大公司便联合起来研究和开发新的调整网络技术。几年来相继开发并公布的调整以太网络技术有快速以太网、千兆位以太网和万兆位以太网等，IEEE 802委员会对这些技术分别进行了标准化工作。

1995年9月，IEEE802委员会正式公布了快速以太网标准——IEEE 802.3u。快速以太网的传输速率比普通Ethernet快10倍，数据传输速率达到了100 Mbps。快速以太网基本保留了传统Ethernet的基本特征，即相同的帧格式、介质访问控制方法与组网方法。但是，为了实现100 Mbps的传输速率，它在物理层做了一些重要改进，如取消了对同轴电缆的支持等。

4.千兆位与万兆位以太网技术

在这近30年中，以太网由最初10 Mbps发展到目前广泛应用的100 Mbps、1000 Mbps（1 Gbps标准）和10000Mbps（10Gbps标准），以及即将推出的40Gbps、100Gbps以太网标准。

在以太网技术中，100BASE—T是一个里程碑，确立了以太网技术在桌面的统治地位。千兆位以太网（1 Gbps）以及随后出现的万兆位以太网（10Gbps）标准是两个比较重要的标准，以太网技术通过这两个标准从桌面的局域网技术延伸到校园网以及城域网的汇聚和骨干。

为了适应网络应用对网络更大带宽的需求，特别是如数据仓库、三维图形与电视会议等这类应用的广泛开展，快速以太网已不能满足人们的需求，人们不得不寻求更高带宽的局域网，3Com公司和其他一些主要生产厂商成立了千兆位以太网联盟，积极研制和开发1000 Mbps以太网，IEEE已将千兆位以太网标准作为IEEE 802.3家族中的新成员予以公布。千兆位以太网标准分为两类：IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab。IEEE 802.3z千兆位以太网标准是由IEEE标准组织于1998年6月出台的，分别定义了3种传输媒质：1000BASE—LX（工作波长范围为1270～1355 nm的多模或单模光纤，最长传输距离5 km），1000BASE—SX（工作波长为770～860nm的多模光纤，最长传输距离550m）。1999年6月，IEEE出台了IEEE 802.3ab标准，即定义了如何在5类非屏蔽双绞线（UTP）上运行千兆位以太网的物理层标准（1000BASE—T标准）。(www.xing528.com)

以太网主要在局域网中占绝对优势。但是在很长的一段时间中，人们普遍认为以太网不能用于城域网，特别是汇聚层以及骨干层。主要原因在于以太网用作城域网骨干带宽太低，传输距离过短。当时认为最有前途的城域网技术是FDDI，随后的几年里ATM技术成为热点，几乎所有人都认为ATM将成为统一局域网、城域网和广域网的唯一技术。但是由于种种原因，当前在国内上述两种技术中只有ATM技术成为城域网汇聚层和骨干层的备选方案。通过前面介绍可知，虽然目前的千兆位以太网的带宽基本可以，但是最长传输距离5km的链路在城域范围内远远不够。虽然基于厂商的千兆接口实现已经能达到80km传输距离，而且一些厂商已完成互通测试，但是毕竟是非标准的实现，不能保证所有厂商该类接口的互连互通。综上所述，以太网技术不适于用在城域网骨干/汇聚层的主要原因是带宽以及传输距离。随着万兆位以太网技术的出现，上述两个问题基本已得到解决。

5.交换式以太网技术

以太网交换技术是在多端口网桥的基础上于20世纪90年代初发展起来的。交换式以太网的核心是交换式集线器（即交换机），其主要特点是：所有端口平时都不连通；当站点需要通信时，交换机才同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的站点都能像独占通信信道那样，进行无冲突地传输数据，即每个站点都能独享信道速率；通信完成后就断开连接。因此，交换式以太网技术是提高网络效率、减少拥塞的有效方案之一。

在传统的共享式以太网中，因为网络中各个节点共享总线，这使得任意时刻在传输介质上只能有一个数据包传输，其他想同时发送数据的节点只能退避等待，不然就会造成冲突，这就造成了等待时间较长。典型的交换式局域网是交换式以太网（Switched Ethernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernet switch）。以太网交换机可以存多个端口，每个端口可以单独与一个节点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器（Hub）连接。以100Mbps以太网交换机为例，如果一个端口只连接一个节点，那么这个节点就可以独占100 Mbps的带宽，这类端口通常被称为“专用100Mbps的端口”，如果一个端口连接一个100 Mbps的Ethernet，那么这个端口将被Ethernet中的多个节点所共享，这类端口就被称为“共享100 Mbps的端口”。交换式以太网从根本上改变了“共享介质”的工作方式，它以通过Ethernet交换机支持交换机端口节点之间的多个并发连接，实现多节点之间数据的并发传输。因此，交换式以太网可以增加网络带宽，改善局域网的性能与服务质量。

与共享式以太网相比，交换式以太网具有以下优点：

·端口独占带宽。以太网交换机的每个端口既可以连接站点，也可以连接一个网段，该站点或网段均独占该端口的带宽。

·具有较高的系统带宽。一个交换机的总带宽等于该交换机所有端口带宽的总和。

·网络的逻辑分段和安全功能。交换机的每个端口都是一个独立的网段，均属于不同的冲突域，既可隔离随意的广播，又具有一定的安全性。因此可以认为，共享式以太网的广播域等于冲突域的大小，而交换式以太网的广播域大于冲突域。

交换式以太网是以交换机为核心设备而建立起来的一种高速网络，这种网络在近些年运用的非常广泛。从传输速率或带宽上，以太网交换机主要有快速以太网交换机、千兆位以太网交换机和万兆位以太网交换机等；从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，一方面，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）；另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。