以太網(wǎng)工作原理分析

????? 在本文中，我們將深入介紹網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)，尤其是以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，便于您理解所有計(jì)算機(jī)為何能夠相連的幕后機(jī)制。

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　　網(wǎng)絡(luò)的作用

　　網(wǎng)絡(luò)使得兩臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠相互發(fā)送和接收信息。我們并不總是能夠意識(shí)到我們?cè)陬l繁訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上的信息。互聯(lián)網(wǎng)可以說(shuō)是一個(gè)最顯著的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)例子，它將世界上數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的計(jì)算機(jī)連接在一起，但是在我們每天獲取信息時(shí)發(fā)揮作用的經(jīng)常是一些較小型的網(wǎng)絡(luò)。許多公共圖書(shū)館已經(jīng)將它們的卡片目錄換成了計(jì)算機(jī)終端，讀者可以更快、更容易地搜索圖書(shū)。機(jī)場(chǎng)設(shè)置了眾多的顯示屏，向旅客告知到港航班和離港航班的信息。許多零售店也使用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)來(lái)處理POS事務(wù)。在上述情況下，都是網(wǎng)絡(luò)將位于多個(gè)位置的不同設(shè)備連接在一起，便于人們?cè)L問(wèn)某個(gè)共享的數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　在介紹以太網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)之前，我們必須首先了解一些基本術(shù)語(yǔ)及其解釋?zhuān)鼈兠枋隽瞬煌木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其相互間的差異——下面就讓我們開(kāi)始吧!

　　局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)

　　我們可將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)劃分為以下兩組基本技術(shù)之一：局域網(wǎng)(LAN)技術(shù)，可在相對(duì)較近的距離內(nèi)(通常在同一個(gè)建筑物內(nèi))將許多設(shè)備連接在一起。圖書(shū)館中用來(lái)顯示圖書(shū)信息的終端計(jì)算機(jī)便可連接到局域網(wǎng)上。廣域網(wǎng)(WAN)技術(shù)，可將相距幾十公里的設(shè)備連接在一起，但能夠連接的設(shè)備數(shù)量較少。例如，如果兩個(gè)位于城市兩端的圖書(shū)館希望共享圖書(shū)目錄信息，那么便可以使用廣域網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行連接，這可能需要從當(dāng)?shù)仉娫?huà)公司租用一條專(zhuān)線(xiàn)來(lái)專(zhuān)門(mén)傳輸它們的數(shù)據(jù)。

　　與廣域網(wǎng)相比，局域網(wǎng)的速度更快，也更為可靠，但是技術(shù)的不斷發(fā)展已經(jīng)使它們之間的界限變得越來(lái)越模糊。借助光纖，可使用局域網(wǎng)技術(shù)連接相距數(shù)十公里遠(yuǎn)的設(shè)備，同時(shí)還能極大地提升廣域網(wǎng)的速度和可靠性。

　　以太網(wǎng)

　　1973年，施樂(lè)(Xerox)公司Palo Alto研究中心(通常稱(chēng)作PARC)的研究人員Bob Metcalfe設(shè)計(jì)并測(cè)試了第一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將施樂(lè)的“Alto”計(jì)算機(jī)連接到一臺(tái)打印機(jī)，Metcalfe開(kāi)發(fā)了用于連接以太網(wǎng)上設(shè)備的電纜連接物理方法，以及用于控制電纜上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)已經(jīng)成為了世界上最流行和應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以太網(wǎng)涉及的許多問(wèn)題也是其他許多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所要解決的問(wèn)題，了解以太網(wǎng)解決這些問(wèn)題的方法可以從整體上幫助你改善對(duì)網(wǎng)絡(luò)的理解。

　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展出一些新的技術(shù)，但是目前所有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行機(jī)制仍然來(lái)源于Metcalfe的原始設(shè)計(jì)。在原始的以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備共享單根電纜進(jìn)行通訊。設(shè)備連接到該電纜，便能夠與其他連接的設(shè)備通信。這樣，可以在不對(duì)網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行任何修改的情況下擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)以接納新設(shè)備。

　　以太網(wǎng)基本知識(shí)

　　以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)一般分布在一座大樓中，所連接的設(shè)備通常距離較近。以太網(wǎng)設(shè)備之間的電纜最多長(zhǎng)幾百米，因此它不適用于連接地理位置分散的多個(gè)地點(diǎn)。但現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步極大提升了以太網(wǎng)的連接距離，今天人們已能夠建立相距數(shù)十公里遠(yuǎn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

　　協(xié)議

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接而言，協(xié)議這一術(shù)語(yǔ)指的是用于控制通信的一組規(guī)則。協(xié)議對(duì)于計(jì)算機(jī)的意義就如同語(yǔ)言對(duì)于人類(lèi)的意義。由于本文使用中文撰寫(xiě)，要理解文章的內(nèi)容你必須能夠讀懂中文。類(lèi)似地，網(wǎng)絡(luò)上的兩臺(tái)設(shè)備要想成功通信，必須都理解相同的協(xié)議。

　　以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)

　　以太網(wǎng)遵循一組控制其基本操作的簡(jiǎn)單規(guī)則。為了更好地理解這些規(guī)則，了解基本的以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)十分重要。

　　介質(zhì)——以太網(wǎng)設(shè)備連接到一個(gè)公共介質(zhì)上，該介質(zhì)為電氣信號(hào)的傳輸提供了一條路徑。歷史上一直使用同軸銅電纜作為傳輸介質(zhì)，但是目前雙絞線(xiàn)或光纖更為多見(jiàn)。

　　網(wǎng)段——我們將單個(gè)共享介質(zhì)稱(chēng)作一個(gè)以太網(wǎng)段。

　　節(jié)點(diǎn)——連接到網(wǎng)段的設(shè)備稱(chēng)作站點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。

　　幀——節(jié)點(diǎn)使用稱(chēng)作幀的簡(jiǎn)短消息進(jìn)行通信，幀是大小不固定的信息塊。

　　幀類(lèi)似于人類(lèi)語(yǔ)言中的句子。在中文里，我們構(gòu)造句子時(shí)會(huì)有一些規(guī)則，例如每個(gè)句子必須包含主語(yǔ)和謂語(yǔ)。以太網(wǎng)協(xié)議也規(guī)定了用于構(gòu)造幀的一組規(guī)則。對(duì)于幀的最大和最小長(zhǎng)度有明確規(guī)定，而且?guī)斜仨毎唤M必需的信息段。例如，每個(gè)幀必須包括目標(biāo)地址和源地址，它們分別指出了消息的接收方和發(fā)送方。通過(guò)地址可標(biāo)識(shí)唯一的節(jié)點(diǎn)，就像通過(guò)姓名可找出某個(gè)人一樣。任何兩個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備都不應(yīng)具有相同的地址。

　　由于以太網(wǎng)介質(zhì)上的信號(hào)能夠到達(dá)所有連接的節(jié)點(diǎn)，因此目標(biāo)地址對(duì)識(shí)別幀的目標(biāo)接收方來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

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　　例如，在上圖中，如果計(jì)算機(jī)B向打印機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)A和D也可以接收和查看幀。但是，在站點(diǎn)收到幀后，它會(huì)首先檢查幀的目標(biāo)地址，看看該幀是否是發(fā)送給自己的。如果不是，站點(diǎn)會(huì)丟棄該幀，而不會(huì)查看其內(nèi)容。

　　以太網(wǎng)地址的一件有趣的事情是它存在廣播地址。如果幀的目標(biāo)地址為廣播地址(簡(jiǎn)稱(chēng)為一個(gè)廣播)，則說(shuō)明它是發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)的，于是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收和處理這種類(lèi)型的幀。

　　以太網(wǎng)中的CSMA/CD是什么意思?

　　“CSMA/CD”的意思是帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)，它描述了以太網(wǎng)協(xié)議控制節(jié)點(diǎn)間通信的方法。這個(gè)詞看起來(lái)有些復(fù)雜，但如果我們將它分解幾個(gè)小概念，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它描述的規(guī)則十分類(lèi)似于人們?cè)谶M(jìn)行彬彬有禮的談話(huà)時(shí)所使用的規(guī)則。為了有助于描述以太網(wǎng)的操作，我們使用飯桌上的對(duì)話(huà)作為類(lèi)比。

　　我們將以太網(wǎng)段表示為飯桌，讓幾個(gè)代表節(jié)點(diǎn)的人坐在飯桌旁邊很有禮貌地進(jìn)行談話(huà)。多路訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)術(shù)語(yǔ)涵蓋了我們上面討論的內(nèi)容：在一個(gè)以太網(wǎng)站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，介質(zhì)上的所有站點(diǎn)都會(huì)聽(tīng)到該傳輸行為，就像飯桌上一個(gè)人在講話(huà)時(shí)，所有人都能夠聽(tīng)到他(她)的講話(huà)一樣。

　　現(xiàn)在，假設(shè)你也坐在桌旁而且有話(huà)想說(shuō)。但是，當(dāng)時(shí)我正在講話(huà)。由于這是一次很有禮貌的談話(huà)，因此你不應(yīng)立即開(kāi)口講話(huà)并打斷別人，而是等到我講完后再開(kāi)口。剛才描述的情況在以太網(wǎng)協(xié)議中稱(chēng)為載波偵聽(tīng)。在站點(diǎn)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)之前，它會(huì)“偵聽(tīng)”介質(zhì)來(lái)確定其他站點(diǎn)是否正在進(jìn)行傳輸。如果介質(zhì)上很安靜，站點(diǎn)便認(rèn)為現(xiàn)在是一個(gè)適于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。