以太网工作原理分析

      在本文中，我们将深入介绍网络的相关知识，尤其是以太网的网络标准，便于您理解所有计算机为何能够相连的幕后机制。

　　

 

　　网络的作用

　　网络使得两台计算机能够相互发送和接收信息。我们并不总是能够意识到我们在频繁访问网络上的信息。互联网可以说是一个最显著的计算机网络例子，它将世界上数以百万计的计算机连接在一起，但是在我们每天获取信息时发挥作用的经常是一些较小型的网络。许多公共图书馆已经将它们的卡片目录换成了计算机终端，读者可以更快、更容易地搜索图书。机场设置了众多的显示屏，向旅客告知到港航班和离港航班的信息。许多零售店也使用专用计算机来处理POS事务。在上述情况下，都是网络将位于多个位置的不同设备连接在一起，便于人们访问某个共享的数据库。

　　在介绍以太网这样的网络标准细节之前，我们必须首先了解一些基本术语及其解释，它们描述了不同的网络技术及其相互间的差异——下面就让我们开始吧!

　　局域网和广域网

　　我们可将网络技术划分为以下两组基本技术之一：局域网(LAN)技术，可在相对较近的距离内(通常在同一个建筑物内)将许多设备连接在一起。图书馆中用来显示图书信息的终端计算机便可连接到局域网上。广域网(WAN)技术，可将相距几十公里的设备连接在一起，但能够连接的设备数量较少。例如，如果两个位于城市两端的图书馆希望共享图书目录信息，那么便可以使用广域网技术进行连接，这可能需要从当地电话公司租用一条专线来专门传输它们的数据。

　　与广域网相比，局域网的速度更快，也更为可靠，但是技术的不断发展已经使它们之间的界限变得越来越模糊。借助光纤，可使用局域网技术连接相距数十公里远的设备，同时还能极大地提升广域网的速度和可靠性。

　　以太网

　　1973年，施乐(Xerox)公司Palo Alto研究中心(通常称作PARC)的研究人员Bob Metcalfe设计并测试了第一个以太网网络。当时，这个网络将施乐的“Alto”计算机连接到一台打印机，Metcalfe开发了用于连接以太网上设备的电缆连接物理方法，以及用于控制电缆上数据传输的标准。现在，以太网已经成为了世界上最流行和应用最广泛的网络技术。以太网涉及的许多问题也是其他许多网络技术所要解决的问题，了解以太网解决这些问题的方法可以从整体上帮助你改善对网络的理解。

　　随着计算机网络的日益成熟，以太网标准也在不断发展出一些新的技术，但是目前所有以太网网络的运行机制仍然来源于Metcalfe的原始设计。在原始的以太网中，网络上的所有设备共享单根电缆进行通讯。设备连接到该电缆，便能够与其他连接的设备通信。这样，可以在不对网络上现有设备进行任何修改的情况下扩展网络以接纳新设备。

　　以太网基本知识

　　以太网是一种局域网技术，网络一般分布在一座大楼中，所连接的设备通常距离较近。以太网设备之间的电缆最多长几百米，因此它不适用于连接地理位置分散的多个地点。但现代技术的进步极大提升了以太网的连接距离，今天人们已能够建立相距数十公里远的以太网网络。

　　协议

　　对于网络连接而言，协议这一术语指的是用于控制通信的一组规则。协议对于计算机的意义就如同语言对于人类的意义。由于本文使用中文撰写，要理解文章的内容你必须能够读懂中文。类似地，网络上的两台设备要想成功通信，必须都理解相同的协议。

　　以太网术语

　　以太网遵循一组控制其基本操作的简单规则。为了更好地理解这些规则，了解基本的以太网术语十分重要。

　　介质——以太网设备连接到一个公共介质上，该介质为电气信号的传输提供了一条路径。历史上一直使用同轴铜电缆作为传输介质，但是目前双绞线或光纤更为多见。

　　网段——我们将单个共享介质称作一个以太网段。

　　节点——连接到网段的设备称作站点或节点。

　　帧——节点使用称作帧的简短消息进行通信，帧是大小不固定的信息块。

　　帧类似于人类语言中的句子。在中文里，我们构造句子时会有一些规则，例如每个句子必须包含主语和谓语。以太网协议也规定了用于构造帧的一组规则。对于帧的最大和最小长度有明确规定，而且帧中必须包含一组必需的信息段。例如，每个帧必须包括目标地址和源地址，它们分别指出了消息的接收方和发送方。通过地址可标识唯一的节点，就像通过姓名可找出某个人一样。任何两个以太网设备都不应具有相同的地址。

　　由于以太网介质上的信号能够到达所有连接的节点，因此目标地址对识别帧的目标接收方来说至关重要。

　　

 

　　例如，在上图中，如果计算机B向打印机C发送数据，计算机A和D也可以接收和查看帧。但是，在站点收到帧后，它会首先检查帧的目标地址，看看该帧是否是发送给自己的。如果不是，站点会丢弃该帧，而不会查看其内容。

　　以太网地址的一件有趣的事情是它存在广播地址。如果帧的目标地址为广播地址(简称为一个广播)，则说明它是发送给网络上所有节点的，于是每一个节点都会接收和处理这种类型的帧。

　　以太网中的CSMA/CD是什么意思?

　　“CSMA/CD”的意思是带冲突检测的载波侦听多路访问，它描述了以太网协议控制节点间通信的方法。这个词看起来有些复杂，但如果我们将它分解几个小概念，便会发现它描述的规则十分类似于人们在进行彬彬有礼的谈话时所使用的规则。为了有助于描述以太网的操作，我们使用饭桌上的对话作为类比。

　　我们将以太网段表示为饭桌，让几个代表节点的人坐在饭桌旁边很有礼貌地进行谈话。多路访问这个术语涵盖了我们上面讨论的内容：在一个以太网站点传输数据时，介质上的所有站点都会听到该传输行为，就像饭桌上一个人在讲话时，所有人都能够听到他(她)的讲话一样。

　　现在，假设你也坐在桌旁而且有话想说。但是，当时我正在讲话。由于这是一次很有礼貌的谈话，因此你不应立即开口讲话并打断别人，而是等到我讲完后再开口。刚才描述的情况在以太网协议中称为载波侦听。在站点开始传输数据之前，它会“侦听”介质来确定其他站点是否正在进行传输。如果介质上很安静，站点便认为现在是一个适于传输数据的时间。