以太网是什么

小白QA2020-04-13 17:01:13阅读(...)

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准,规定包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE 组织的 IEEE 802.3 标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI 和 ARCNET。

以太网是什么

简介

以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络。以太网有两类:第一类是经典以太网,第二类是交换式以太网,使用了一种称为交换机的设备连接不同的计算机。经典以太网是以太网的原始形式,运行速度从 3~10 Mbps 不等;而交换式以太网正是广泛应用的以太网,可运行在 100、1000 和 10000Mbps 那样的高速率,分别以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现。

以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑,但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T 标准)为了减少冲突,将能提高的网络速度和使用效率最大化,使用集线器来进行网络连接和组织。如此一来,以太网的拓扑结构就成了星型;但在逻辑上,以太网仍然使用总线型拓扑和 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,即载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。

以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法,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 位地址也就是制造商分配给网卡的 MAC 地址,以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍,许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。

起源

以太网的故事始于 ALOHA 时期,确切的时间是在一个名叫 Bob Metcalfe 的学生获得麻省理工学院的学士学位后,搬到河对岸的哈佛大学攻读博士学位之后。在他学习期间,他接触到了 Abramson 的工作,他对此很感兴趣。从哈佛毕业之后,他决定前往施乐帕洛阿尔托研究中心正式工作之前留在夏威夷度假,以便帮助 Abramson 工作。当他到帕洛阿尔托研究中心,他看到那里的研究人员已经设计并建造出后来称为个人计算机的机器,但这些机器都是孤零零的;他便运用帮助 Abramson 工作获得的知识与同事 David Boggs 设计并实现了第一个局域网。该局域网采用一个长的粗同轴电缆,以 3Mbps 速率运行。

他们把这个系统命名为以太网,人们曾经认为通过它可以传播电磁辐射。

相关技术

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。当某台计算机要发送信息时,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。

发送- 如果检测到冲突,继续发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- 向更高层的网络协议报告发送成功,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- 向更高层的网络协议报告发送失败,退出传输模式。

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,发送给线路上的所有计算机。在正常情况下,网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息,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”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点,因为以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带宽,所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢,比如电源故障之后,当所有的网络终端都重新启动时。

中继器

因为信号的衰减和延时,根据不同的介质以太网段有距离限制。例如,10BASE5 同轴电缆最长距离 500 米 (1,640 英尺)。最大距离可以通过以太网中继器实现,中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接 5 个网段,但是只能有 4 个设备(即一个网段最多可以接 4 个中继器)。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。

类似于其他的高速总线,以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,如果不这么做,就会发生类似电缆断掉的情况:总线上的 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接。

经典以太网

经典以太网用一个长电缆蜿蜒围绕着建筑物,这根电缆连接着所有的计算机。

物理层

以太网的每个版本都有电缆的最大长度限制(即无须放大的长度),这个范围内的信号可以正常传播,超过这个范围信号将无法传播。为了允许建设更大的网络,可以用中继器把多条电缆连接起来。中继器是一个物理层设备,它能接收、放大并在两个方向上重发信号。

在这些电缆上,信息的发送使用曼彻斯特编码。

交换式以太网

以太网的发展很快,从单根长电缆的典型以太网结构开始演变。单根电缆存在的问题,比如找出断裂或者松动位置等连接相关的问题,驱使人们开发出一种不同类型的布线模式。在这种模式中,每个站都有一条专用电线连接到一个中央集线器。集线器只是在电气上简单地连接所有连接线,就像把它们焊接在一起。集线器不能增加容量,因为它们逻辑上等同于单根电缆的经典以太网。随着越来越多的站加入,每个站获得的固定容量共享份额下降。最终,LAN 将饱和。

还有另一条出路可以处理不断增长的负载:即交换式以太网。交换式以太网的核心是一个交换机,它包含一块连接所有端口的高速背板。从外面看交换机很像集线器,它们都是一个盒子,通常拥有 4-48 个端口,每个端口都有一个标准的 RJ-45 连接器用来连接双绞电缆。交换机只把帧输出到该帧想去的端口。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成或者删除一台机器,而且由于片状电缆或者端口通常只影响到一台机器,因此大多数错误都很容易被发现。这种配置模式仍然存在一个共享组件出现故障的问题,即交换机本身的故障:如果所有站都失去了网络连接,则 IT 人员知道该怎么解决这个问题:更换整个交换机。

交换式以太网体系结构如下:

类型

早期的以太网

兆比特以太网

施乐以太网(Xerox Ethernet,又称“施乐以太网”)──是以太网的雏型。最初的 2.94Mbit/s 以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 的网络就是目前受 IEEE 承认的 10BASE5。

10BROAD36──已经过时。一个早期的支持长距离以太网的标准。它在同轴电缆上使用,以一种类似线缆调制解调器系统的宽带调制技术。

1BASE5──也称为星型局域网,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 以太网

10BASE5(又称粗缆(Thick Ethernet)或黄色电缆)──最早实现 10 Mbit/s 以太网。早期 IEEE 标准,使用单根 RG-11 同轴电缆,最大距离为 500 米,并最多可以连接 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”插入电缆的内芯和屏蔽层。在电缆终结处使用 N 型连接器。尽管由于早期的大量布设,到现在还有一些系统在使用,这一标准实际上被 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),仅能连接 30 台计算器,计算器使用 T 型适配器连接到带有 BNC 连接器的网卡,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络取代。

StarLAN──第一个双绞线上实现的以太网上标准 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。以太网集线器或以太网交换机位于中间连接所有节点。

FOIRL ──光纤中继器链路。光纤以太网上原始版本。

10BASE-F ── 10Mbps 以太网光纤标准通称,2 公里。只有 10BASE-FL 应用比较广泛。

10BASE-FL ── FOIRL 标准一种升级。

10BASE-FB ──用于连接多个 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,没有实际应用的案例。

100Mbps 以太网(快速以太网)

参见:百兆以太网

快速以太网(Fast Ethernet)为 IEEE 在 1995 年发表的网上标准,能提供达 100Mbps 的传输速度。

100BASE-T– 下面三个 100 Mbit/s 双绞线标准通称,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,半双工连接 (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 不是以太网。

1Gbps 以太网

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 以太网

参见:10 吉比特以太网

新的万兆以太网标准包含 7 种不同类型,分别适用于局域网、城域网和广域网。目前使用附加标准 IEEE 802.3ae,将来会合并进 IEEE 802.3 标准。

10GBASE-CX4 — 短距离铜缆方案用于 InfiniBand4x 连接器和 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 标准)

10GBASE-T– 使用屏蔽或非屏蔽双绞线,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 以太网

参见:100G 以太网

新的 40G/100G 以太网标准在 2010 年中制定完成,包含若干种不同的节制类型。目前使用附加标准 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。

以太网交换机测试技术

测试项目

性能指标使用专用的以太网测试仪器进行测试,这些性能指标的测试结果还可以评估 LAN 系统是否满足验收要求。从 GBT21671-2008“基于以太网的 LAN 系统验收评估规范”可以了解到局域网还可以通过测量诸如网络吞吐量,传输延迟和丢包率等性能指标来判断性能。以太网测试仪是一 款适合现场使用的坚固耐用的测试平台。它具有完整的以太网测试功能,双光口和双电口,以太网服务接口模块,HST-3000 支持多种数据流测试。包括 10/100/1000M 以太网链路的流量生成和故障排除,它可以测试高达 1Gbit/s 的电气和光纤端口链路。由于验收检查中的各种条件的限制,可以支持点对点或路由网络的测试以用于交换机的例行测试。

存在的问题

现代测试仪器的整体特性是高可靠性,高性能和高适用性。因此,国内测试产品与国外产品之间的差距反映在这方面。虽然国内某些测试设备在一定的性能指标上接近国际先进水平,但具有达到国际标准的综合设备性能指标的产品普遍较少。此外,国内测试仪器大多是常见的规格,不能满足某些特殊环境下的测试工作。低度自动化测试也是一个常见问题。

交换机测试技术

如今,交换机以应用需求为向导对交换机的性能提出了新的要求。在网络综合服务、安全性、智能化等方面有了新的发展。协议测试时一种基本交换机测试技术,网络协议是为了提高测试的效率和沟通的有效性提出的为了保障通信的规则。在网络通信日益膨胀的年代,网络协议也必不可少,网络协议的基本要求是功能正确、互通性好和性能优越。协议测试最初的原型为软件测试,主要的分类有黑盒测试、白盒测试和灰盒测试。

存在的问题

吞吐量是以太网测试的一项重要指标。很多工程师认为以太网交换吞吐量应该为其线速率,即 100%流量下不能出现丢包,并且认为以太网帧间隔 IFG 小于 96bits 是非法的。但在以太网交换吞吐量及丢包率测试中,经常在线速条件下长时间误码测试会出现少量的丢包,究其原因为以太网跨时钟域架构所导致的。

工业以太网技术的迅速发展和应用的同时,伴随出现了大量的网络问题。根据西门子公司提供的统计数据,网络通信故障率占 70%以上,网络设备故障率不足 30%。网络故障导致系统停机后,故障诊断和定位所需的时间占系统停机总时间的 80%以上,而维护措施所占时间不足 20%。因此网络流量实时监控和分析是工业以太网发展 和应用中面临的重大问题,实时监控和分析工业以太网网络流量,及时发现和定位网络问题对提高整个系统的稳定运行起到了至关重要的作用。

车载以太网

传统以太网协议由于采用的是载波监听多路访问及冲突检测技术。因此,在数据包延时、排序和可靠性上达不到车载网络实时性要求,所以,常见的车载局域网仍是基于 CAN 的实时现场总线协议。但随着汽车电子技术的爆发式发展,ECU 数量不断增长,影音娱乐信号也纳入车内通信,这使得高实时、低带宽的传统车载总线开始不适应汽车电 子发展趋势。

国际电子电气工程师协会(IEEE)经过长期研究在 2016 年批准了第一个车载以太网标准 “100BASE-T1”,其基于博通公司的 BroadR.Reach 解决方案,在物理层用单对非屏蔽双绞线电缆,采用更加优化的扰码算法来减弱信号相关性增加实时性,可在车内提供 100Mbps 高实时带宽。

高速以太网在汽车干扰环境下的通信质量是 需要重点考查的问题。特别对于 100BASE.T1 网络采用的是非屏蔽的电缆,更容易受到电流浪涌、电磁干扰的影响,导致其性能不稳定甚至功能失效。目前有基于以太网物理层的一致性测试方法,用于测试信号发射设备的回波损耗、定时抖动和最大输出跌落等性能;RFC2544 标准提供了以太网时延、吞吐量和丢包率等主要性能指标的测试方法; 但这些常见方法都是基于传统以太网,不支持 100BASE-TI 车载以太网,并且没有考虑到车载环境的干扰特征。

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