计算机网络基础 — 以太网
2020-02-27 13:29 云物互联 阅读(2002) 评论(0) 编辑 收藏 举报目录
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局域网（LAN）
LAN（Local Area Network，本地局域网），使用集线器（Hub）或交换机（Switch）等设备连接起来的计算机处于一个 LAN。一个 LAN 表示一个广播域，LAN 中所有成员都会收到任意一个成员发出的广播包。
城域网（MAN）
MAN（Metropolitan Area Network，城域网）是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，属于宽带局域网，基于一种大型的 LAN，通常使用与 LAN 相似的技术。MAN 单独的列出的一个主要原因是已经有了一个标准：IEEE 802.6 DQDB（Distributed Queue Dual Bus，分布式队列双总线），DQDB 是由双总线构成，所有的计算机都连结在上面。由于采用具有有源交换元件的局域网技术，网中传输时延较小，它的传输媒介主要采用光缆，传输速率在 100Mbps 以上。
MAN 的一个重要用途是用作骨干网，通过它将位于同一城市内不同地点的主机、数据库，以及 LAN 等互相联接起来，这与 WAN 的作用有相似之处，但两者在实现方法与性能上有很大差别。
广域网（WAN）
WAN（Wide Area Network，广域网）又称外网、公网。是连接不同地区 LAN 或 WAN 计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。
需要注意的是，广域网并不等同于互联网。
互联网（Internet）
Internet（因特网）又称互联网、国际网，始于 1969 年美国的阿帕网。指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。这种将计算机网络互相联接在一起的方法可称作 “网络互联”，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络，即是互相连接一起的网络结构。
需要注意的是，互联网并不等同万维网，万维网只是一建基于超文本相互链接而成的全球性系统，且是互联网所能提供的服务其中之一。
万维网（WWW）
WWW（World Wide Web，万维网）又称 Web、3W。是基于 C/S 架构的信息发现技术和超文本技术的综合，本质是一种基于网络的服务，而并非网络本身。WWW 服务器通过超文本标记语言（HTML）把信息组织成为图文并茂的超文本，利用链接从一个站点跳到另个站点。这样一来彻底摆脱了以前查询工具只能按特定路径一步步地查找信息的限制。
以太网（Ethernet）
以太网（Ethernet）目前世界上应用最广泛的计算机局域网技术。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。
以太网实现了在网络上的无线电系统中的多个节点之间发送信息的想法，其设计的目标是：电脑使用一个网络接口，就能够同时与多台电脑通信。以太网规定：每台电脑都具有全球唯一的 48 位 MAC 地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别，并且每台电脑必须获得有线电缆或无线电信道的才能传输信息，这些传输通道也被称之为以太（Ether）。
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（1000 BASE-T 标准）为了减少冲突域，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用集线器（Hub）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拓扑。但在逻辑上，以太网仍然使用着总线型拓扑和 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。由此，以太网可以分为两大类：第一类是经典以太网；第二类是交换式以太网，使用交换机设备连接不同的计算机，可运行在 100Mbps、1000Mbps 和 10000Mbps 交换机上。
以太网的起源
以太网起源于 ALOHA 无线电网络系统，ALOHA 本是夏威夷人表示致意的问候语，1968 年美国夏威夷大学将它用作一项研究计划的名字。ALOHA 这项研究计划的最初目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。
ALOHA 网络可以使分散在各个岛屿上的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。ALOHA 是世界上最早的无线电计算机通信网，也是最早最基本的无线数据通信协议。
ALOHA 协议的工作原理很简单，站点（Station）只要产生数据帧，就立即发送到无线电信道上，在规定时间内若收到主机（Base Statoin）应答 ACK，则表示发送成功，否则重发。每个站点重发时都需要等待一段随机的时间，以避免冲突，若再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。ALOHA 协议简单易行，但由于多个站点共享的一个无线电传输信道，随着使用该信道的站点愈多，发生碰撞的机率愈高，从而导致传输延迟增加和信息流通量降低。ALOHA 协议的信道利用率最大不超过 18.4%。如何改善信道的利用率是当时的难题。直到 1972 年，人们发明了一种能把无线电信道利用率提高一倍（约 37%）的信道分配策略，即：基于时隙（Slot）的 ALOHA 协议，这个协议的思想是把信道时间分成一个个的时间槽，一个 Slot 就是一个无线数据帧。至今为止，Slot 仍然是无线通讯网络中的基础概念。
以太网的诞生
同样是 1968 年，拉里·罗伯茨提交研究报告《资源共享的计算机网络》，其中着力阐述了让 ARPA（Advanced Research Project Agency，美国高级研究计划署）的计算机互相连接，从而使大家分享彼此的研究成果。根据这份报告组建的国防部 “高级研究计划网”，就是 ARPA-NET（阿帕网），是 Internet（因特网）的前身，拉里·罗伯茨也被称之为阿帕网之父。
1969 年，ARPA-NET 的第一个实用原型问世。将加利福尼亚州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、犹他州大学四所大学的 4 台大型计算机进行了互联。
1972 年，时任施乐帕洛阿尔托研究中心网络专家的 Robert Metcalfe 接到的第一个任务就是要把 Xerox ALTO 计算机接入到 ARPA-NET。那么，如何才能实现一点到多点的数据通信就成为了 Metcalfe 首先要解决的难题，直到他偶然间发现了关于 ALOHA 无线电网络系统的早期研究成果。
借助 ALOHA 的启发，1972 年底，Metcalfe 与同事 David Boggs 共同设计了一套网络，并称之为 ALTO ALOHA 网络，可以将不同的 ALTO 计算机连接起来实现一点到多点的有线数据通信。1973 年， Metcalfe 将其更名为 Ethernet，其灵感来源于 19 世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体 —— 光以太。同时，Metcalfe 也指出 Ethernet 可以支持接入任何类型的计算机，而不仅仅是 ALTO 计算机。
注：Ether（以太）这一词汇最初的来源是古希腊哲学家亚里士多德设想的一种物质，在 17 世纪被笛卡尔引入科学界，后来物理学家们假设发光的以太是传播电磁辐射的空间媒介，但最终光以太被证明是不存在的。
第一个以太网卡的传输速率只有 2.94Mbps，因为以太网卡的接口定时器采用了 ALTO 系统时钟，该时钟每 340 毫微秒发送一次脉冲，所以一秒只能传送 2.94Mbit，即 1000/340 = 2.94Mbps。而现在的以太网采用了 CSMA（载波监听）技术，即每个电脑在传输自己的数据帧之前先要探测网络的动静，只有在网络空闲时才会发出。CSMA 技术可使网络的利用率提高至将近 100％。
1976 年 7 月，Metcalfe 和 Boggs 共同发表了论文《以太网：本地计算机网络的分布式包交换》标志以太局域网时代的开启。1977 年末，Metcalfe、Boggs、以及施乐公司的 Charles Thacker 和 Butler Lampson 获得了《有冲突检测的多点数据通信系统》的以太网专利。
以太网的标准化
70 年代末，市场上出现了数十种局域网技术，以太网正是其中的一员。我们知道局域网必须尽可能多的被不同的设备接入才能发挥它最大的价值。如果一种局域网技术只能被单一设备供应商提供的设备接入，那么哪怕他技术再完美也无济于事。正如 Metcalfe 所言：计算机通信领域的革命需要每个人都能使用联网技术。
于是在 1979 年，Metcalfe 着手推进以太网技术的标准化，并说服施乐公司加入了一个多供应商联盟，目的是使任何公司都可以使用的以太网系统。基于以太网技术的开放式计算机通信时代正式开始于1980年，当时数字设备公司（DEC）、英特尔公司（Intel）和施乐公司（Xerox）联合宣布了 10Mbps 以太网的 DIX 标准。在 DIX 开展以太网标准化工作的同时，IEEE 的局域网和城域网（LAN/MAN）标准委员会也正在着手制定一个类似的开放标准。所以在 1981 年 6 月，IEEE 802 工程决定组成 802.3 委员会来推进基于 DIX 工作成果成为国际公认的标准，一年半后，19 个公司宣布了新的 IEEE 802.3 草稿标准。1983 年国际标准 IEEE10 BASE 5 面世。
注：IEEE 10 BASE 5，粗同轴电缆，指 10Mbps 速率基带信号，传输距离500米。
以太网的产品化
在 DEC、 Intel、Xerox 的工程师们仍在研发以太网规范的同时，Metcalfe 认为：来自多个供应商的计算机应该能够通过通用的网络技术进行兼容的通信，从而使它们更有用。Metcalfe 萌生了开发以太网适配器（网卡）产品的想法。
1979 年 6 月，为了实现 Computer communication compatibility（计算机通信兼容性）的目标，Metcalfe 和好友 Howard Charney、Ron Crane、Greg Shaw、Bill Kraus 成立了 3Com 公司。
1980 年 8 月，3Com 公司宣布了第一款产品，用于 Unix 的商业版 TCP/IP 网络适配器，并在 1980 年 12 月正式发售，同年收到了一笔大额的风险基金。Metcalfe 的最初商业计划是把这笔风险资金投入到面向 PC（Personal Computer，个人计算机）的以太网适配器的开发计划，因为那时的 PC 正在世界各地逐渐兴起。
1981 年 Metcalfe 与各大 PC 品牌企业商谈开发以太网适配器的计划。Apple 的 Steve Jobs 立即表示了赞同，一年后 3Com 公司为 Apple 个人电脑配置的第一批以太网产品。同年，3Com 公司开发的 EtherLink 成为了 IBM PC 的第一个以太网 ISA 总线适配器。1984 年 3Com 上市。同年 3Com、ICL（国际计算机有限公司）、HP（惠普）将细缆以太网的概念提交给 IEEE，不久后 IEEE 推出 l0 BASE 2 标准。
注：IEEE 10 BASE 2，细同轴电缆，指 10Mbps 速率基带信号，传输距离最大为 200 米。
以太网的持续演进
90 年代初，随着网络的发展，10Mbps 的速率以及不能满足市场需求，此时的以太网受到了 FDDI（是一种昂贵的基于 100Mbps 光缆的局域网技术）的巨大冲击。为了与 FDDI 抗衡，1992 年，Grand Junction Networks 公司成立，开始研制 100Mbps 的以太网，该公司的创始人就是 Metcalfe 的好友 Howard Charney。
1993 年，以 Grand Junction Networks 为首的多家公司成立了 FEA（Fast Ethernet Alliance，快速以太网联盟）。同年，FEA 公布了它的 100 BASE-X 规范。1995 年 3 月，IEEE 802.3u 百兆以太网标准通过，FE（Fast Ethernet，快速以太网）的时代宣布来临。1995 年 Grand Junction Networks 被 Cisco 收购，FE 达到了鼎盛时代。在 Charney 退休之前曾，担任 Cisco 总裁办公室高级副总裁兼 CEO。
1995 年到 1996 年间IEEE 802.3 标准委员会陆续组建了高速研究组（High-Speed Study Group）和 802.3z 工作组，负责研究 1000Mbps 速率的以太网以及制订相应的标准。1998 年，IEEE 发布 802.3z，1000Mbps 以太网标准，光纤通信入场。
2002 年，10GbE 以太网标准 802.3ae 正式发布，10GbE 以太网与 1000Mbps 以太网相比，10GbE 只支持全双工，只支持光纤作为传输介质，10GbE 可以应用于广域网 WAN 物理层技术 SONET/SDH。
在接下来的以太网发展过程中，已经不仅仅局限于局域网技术的范畴，它已逐渐应用于城域网和广域网（MAN/WAN）。2002 年后以太网快速发展。8 年后，IEEE 批准了 40GbE 和 100GbE，通过聚合 10Gbps 通道实现这些速度。
2016 年，在超大规模网络公司的需求推动下，IEEE 批准了 25GbE，该速度有望比 10GbE 快 2.5 倍，但比 40GbE 更具成本效益。因为 25GbE 可以通过增加单个通道的容量来提高吞吐量，而不是聚合多个低容量通道，所以比 40GbE 所需的电缆和电源更少，并且端口密度更高。在某些情况下，升级到 25GbE 可使数据中心运营商延长机架顶交换机的使用寿命，并避免对布线基础设施进行全面的翻新和更换。
2017 年底，网络行业批准了 200GbE 和 400GbE，均基于 50Gbps 单通道。随着对更快带宽的需求猛增（尤其是在云提供商和其他超大型数据中心运营商中），标准委员会现在将注意力转向 800Gbps、1Tbps 及以上。
以太网从发明至今已有 40 多年的历史，从 10Mbps 到 400GbE，以太网的发展速度如同网速一样快。
