以太网的工作原理介绍

2.1　以太网的工作原理介绍

早期的局域网一般工作在共享方式下。在使用共享式以太网时，用户会有这样的感觉：有时候网络快如行云流水，有时候却慢似蜗牛爬行。为什么会有这样的现象呢？这就得从共享式以太网的工作机制谈起。

1）共享式以太网的工作原理

共享式以太网（即使用集线器或共用一条总线的以太网）采用了载波检测多路侦听（Carries Sense Multiple Access with Collision Detection，简称CSMA／CD）机制来进行传输控制。

（1）带宽共享

在局域网中，数据都是以“帧”的形式传输的。共享式以太网是基于广播的方式来发送数据的，因为集线器不能识别帧，所以它就不知道一个端口收到的帧应该转发到哪个端口，它只好把帧发送到除源端口以外的所有端口，这样网络上所有的主机都可以收到这些帧，如图2-1所示。这就造成了只要网络上有一台主机在发送帧，网络上所有其他的主机都只能处于接收状态，无法发送数据。也就是说，在任何一个时刻，所有的带宽只分配给了正在传送数据的那台主机。举例来说，虽然一台100Mbps的集线器连接了20台主机，表面上看起来这20台主机平均分配5Mbps带宽。但是实际上在任何一时刻只能有一台主机在发送数据，所以带宽都分配给它了，其他主机只能处于等待状态。之所以说每台主机平均分配有5Mbps带宽，是指较长一段时间内的各主机获得的平均带宽，而不是任何一时刻主机都有5Mbps带宽。

（2）带宽竞争

在共享式以太网中，带宽是如何分配的呢？共享式以太网是一种基于“竞争”的网络技术，也就是说网络中的主机将会“尽其所能”地“占用”网络发送数据。因为同时只能有一台主机发送数据，所以相互之间就产生了“竞争”。这就好像千军万马过独木桥一样，谁能抢占先机，谁就能过去，否则就只能等待了。

（3）冲突检测／避免机制

在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任何一主机均可发送数据。当两个主机发现网络空闲而同时发出数据时，如果同一时间内网络上有两台主机同时发送数据，那么就会产生“碰撞”（Collision），也称为“冲突”，如图2-2所示。这时两个传送操作都遭到破坏，此时CSMA／CD机制将会让其中的一台主机发出一个“通道拥挤”信号，这个信号将使冲突时间延长至该局域网上所有主机均检测到此碰撞。然后，两台发生冲突的主机都将随机等待一段时间后再次尝试发送数据，避免再次发生数据碰撞的情况。

图2-1　共享式以太网

共享式以太网这种“带宽竞争”的机制使得冲突（或碰撞）几乎不可避免，而且网络中的主机越多，碰撞的几率越大。

图2-2　共享式以太网的数据碰撞

虽然任何一台主机在任何时刻都可以访问网络，但是在发送数据前，主机都要侦听网络是否堵塞。假如共享式以太网上有一台主机想要传输数据，但是它检测到网上已经有数据了，那么它必须等一段时间，只有检测到网络空闲时，主机才能发送数据。

通过以上讲解，我们了解了共享式以太网的工作机制，但这对于网络管理有什么意义呢？理解这一机制对于如何保证网络运行的效率、性能和网络设计具有重要的意义。

①共享式以太网虽然具有搭建方法简单、实施成本低（适合用于小型网络）的优点，但它的缺点是明显的：如果网络中的用户较多时，碰撞的几率将会大大增大。据实际经验，当网络的10分钟平均利用率超过37%以上，整个网络的性能将会急剧下降。因此，依据实际的工程经验，采用100Mbps集线器的站点不宜超过三四十台，否则很可能会导致网络速度非常缓慢。而10M共享式以太网目前已不能满足网络通信的需求，因此很少使用了。所以，当网络规模较大时，只有通过采用交换机才能保证每台主机分配足够的网络带宽。

②在网络设计中，网络设备的选型具有决定性的意义。如果选型不当，很可能会导致网络性能达不到要求，或者造成网络设备的浪费。由于共享式以太网采用CSMA／CD机制，使得网络没有QoS（服务质量）保障。“QoS”的意思是网络可以给每台主机分配指定的带宽，或者至少要达到某一带宽要求。

现在网络交换机的价格越来越低，与相同级别的集线器的价格相差不大，而性能上的差异却非常大，因此应尽可能地选购带宽独享的交换机，使用交换式以太网，以提高网络性能。

以太网交换机，英文为Switch，也有人翻译为开关，交换器或称交换式集线器。我们首先回顾一下局域网的发展过程。

计算机技术与通信技术的结合促进了计算机局域网络的飞速发展，从20世纪60年代末ALOHA的出现到90年代中期1 000Mbps交换式以太网的登台亮相，短短的三十年间经历了从单工到双工，从共享到交换，从低速到高速，从简单到复杂，从昂贵到普及的飞跃。

80年代中后期，由于通信量的急剧增加，促使技术革新，使局域网的性能越来越高，最早的1Mbps的速率已广泛地被今天的100BASE－T和100CG－ANYLAN替代，但是，传统的媒体访问方法都局限于使大量的站点共享对一个公共传输媒体的访问，既CSMA／CD。

90年代初，随着计算机性能的提高及通信量的激增，传统局域网已经愈来愈超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网的性能。与现在基于网桥和路由器的共享媒体的局域网拓扑结构相比，网络交换机能显著的增加带宽。交换技术的加入，就可以建立地理位置相对分散的网络，使局域网交换机的每个端口可平行、安全、同时的互相传输信息，而且使局域网可以高度扩充。

从网桥、多端口网桥到交换机。局域网交换技术的发展要追溯到两端口网桥。桥是一种存储转发设备，用来连接相似的局域网。从互联网的结构看，桥是属于DCE级的端到端的连接；从协议层次看，桥是在逻辑链路层对数据帧进行存储转发，与中继器在第一层、路由器在第三层的功能相似。两端口网桥几乎是和以太网同时发展的。

以太网交换技术（SWITCH）是在多端口网桥的基础上于90年代初发展起来的，实现OSI模型的下两层协议，与网桥有着千丝万缕的关系，甚至被业界人士称为“许多联系在一起的网桥”，因此现在的交换式技术并不是什么新的标准，而是现有技术的新应用而已，是一种改进了的局域网桥，与传统的网桥相比，它能提供更多的端口（4～88）、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。

2）交换式以太网的工作原理

以太网交换机的原理很简单，它检测从以太端口而来的数据包的源和目的地的MAC（介质访问层）地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。

（1）交换式以太网技术的优点

交换式以太网不需要改变网络其他硬件，包括电缆和用户的网卡，仅需要用交换式交换机改变共享式HUB，节省用户网络升级的费用。

交换式以太网可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以太网都具有100Mbps的端口，通过与之相对应的100Mbps的网卡接入到服务器上，暂时解决了10Mbps的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。

它同时提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带宽，传统的共享式10／100Mbps以太网采用广播式通信方式，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太网允许不同用户间进行传送，比如，一个16端口的以太网交换机允许16个站点在8条链路间通信。

在时间响应方面的优点，使得局域网交换机备受青睐。它以比路由器低的成本却提供了比路由器宽的带宽、高的速度，除非有上广域网（WAN）的要求，否则，交换机有替代路由器的趋势。

（2）直通式（Cut through）与存储转发（Store－and－Forward）的比较

直通方式的以太网络交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。

由于不需要存储，延迟（Latency）非常小、交换非常快，这是它的优点；它的缺点是：因为数据包的内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，而且，当以太网络交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来相当困难。

存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。

正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，尤其重要的是它可以支持不同速度的输入输出端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作