半雙工：半雙工傳輸模式實現(xiàn)以太網(wǎng)載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測。傳統(tǒng)的共享LAN是在半雙工下工作的，在同一時間只能傳輸單一方向的數(shù)據(jù)。當兩個方向的數(shù)據(jù)同時傳輸時，就會產(chǎn)生沖突，這會降低以太網(wǎng)的效率。

全雙工：全雙工傳輸是采用點對點連接，這種安排沒有沖突，因為它們使用雙絞線中兩個獨立的線路，這等于沒有安裝新的介質(zhì)就提高了帶寬。例如在上例的車站間又加了一條并行的鐵軌，同時可有兩列火車雙向通行。在雙全工模式下，沖突檢測電路不可用，因此每個雙全工連接只用一個端口，用于點對點連接。標準以太網(wǎng)的傳輸效率可達到50%～60%的帶寬，雙全工在兩個方向上都提供100%的效率。

△ 以太網(wǎng)的工作原理

以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波幀聽多路訪問(CSMA/CD)機制。以太網(wǎng)中節(jié)點都可以看到在網(wǎng)絡中發(fā)送的所有信息，因此，我們說以太網(wǎng)是一種廣播網(wǎng)絡。

以太網(wǎng)的工作過程如下：

當以太網(wǎng)中的一臺主機要傳輸數(shù)據(jù)時，它將按如下步驟進行：

1、幀聽信道上收否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)幀聽，直到信道空閑為止。

2、若沒有幀聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)

3、傳輸?shù)臅r候繼續(xù)幀聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機等待一段時間后，重新執(zhí)行步驟1(當沖突發(fā)生時，涉及沖突的計算機會發(fā)送會返回到幀聽信道狀態(tài)。

注意：每臺計算機一次只允許發(fā)送一個包，一個擁塞序列，以警告所有的節(jié)點)

4、若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，計算機所有計算機在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待9.6微秒(以10Mbps運行)。

△ 幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀的概述：

以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)據(jù)鏈路層識別的數(shù)據(jù)幀(成幀)。雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的，但依被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同，以太網(wǎng)的長度也在變化，其范圍是64～1518字節(jié)(不算8字節(jié)的前導字)。

△ 沖突/沖突域

沖突(Collision)：在以太網(wǎng)中，當兩個數(shù)據(jù)幀同時被發(fā)到物理傳輸介質(zhì)上，并完全或部分重疊時，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突。當沖突發(fā)生時，物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)都不再有效。

沖突域：在同一個沖突域中的每一個節(jié)點都能收到所有被發(fā)送的幀。

影響沖突產(chǎn)生的因素：沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素，由于沖突的存在使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負載超過40%時，效率將明顯下降。產(chǎn)生沖突的原因有很多，如同一沖突域中節(jié)點的數(shù)量越多，產(chǎn)生沖突的可能性就越大。此外，諸如數(shù)據(jù)分組的長度(以太網(wǎng)的最大幀長度為1518字節(jié))、網(wǎng)絡的直徑等因素也會影響沖突的產(chǎn)生。因此，當以太網(wǎng)的規(guī)模增大時，就必須采取措施來控制沖突的擴散。通常的辦法是使用網(wǎng)橋和交換機將網(wǎng)絡分段，將一個大的沖突域劃分為若干小沖突域。

△ 廣播/廣播域

廣播：在網(wǎng)絡傳輸中，向所有連通的節(jié)點發(fā)送消息稱為廣播。

廣播域：網(wǎng)絡中能接收任何一設(shè)備發(fā)出的廣播幀的所有設(shè)備的集合。

廣播和廣播域的區(qū)別：廣播網(wǎng)絡指網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都可以收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，不管該幀是否是發(fā)給這些節(jié)點。非目的節(jié)點的主機雖然收到該數(shù)據(jù)幀但不做處理。

廣播是指由廣播幀構(gòu)成的數(shù)據(jù)流量，這些廣播幀以廣播地址(地址的每一位都為“1”)為目的地址，告之網(wǎng)絡中所有的計算機接收此幀并處理它。

△ 共享式以太網(wǎng)

共享式以太網(wǎng)的典型代表是使用10Base2/10Base5的總線型網(wǎng)絡和以集線器(集線器)為核心的星型網(wǎng)絡。在使用集線器的以太網(wǎng)中，集線器將很多以太網(wǎng)設(shè)備集中到一臺中心設(shè)備上，這些設(shè)備都連接到集線器中的同一物理總線結(jié)構(gòu)中。從本質(zhì)上講，以集線器為核心的以太網(wǎng)同原先的總線型以太網(wǎng)無根本區(qū)別。

集線器的工作原理：

集線器并不處理或檢查其上的通信量，僅通過將一個端口接收的信號重復分發(fā)給其他端口來擴展物理介質(zhì)。所有連接到集線器的設(shè)備共享同一介質(zhì)，其結(jié)果是它們也共享同一沖突域、廣播和帶寬。因此集線器和它所連接的設(shè)備組成了一個單一的沖突域。如果一個節(jié)點發(fā)出一個廣播信息，集線器會將這個廣播傳播給所有同它相連的節(jié)點，因此它也是一個單一的廣播域。

集線器的工作特點：

集線器多用于小規(guī)模的以太網(wǎng)，由于集線器一般使用外接電源(有源)，對其接收的信號有放大處理。在某些場合，集線器也被稱為“多端口中繼器”。

集線器同中繼器一樣都是工作在物理層的網(wǎng)絡設(shè)備。

共享式以太網(wǎng)存在的弊端：由于所有的節(jié)點都接在同一沖突域中，不管一個幀從哪里來或到哪里去，所有的節(jié)點都能接受到這個幀。隨著節(jié)點的增加，大量的沖突將導致網(wǎng)絡性能急劇下降。而且集線器同時只能傳輸一個數(shù)據(jù)幀，這意味著集線器所有端口都要共享同一帶寬。

△ 交換式以太網(wǎng)

交換式結(jié)構(gòu)：

在交換式以太網(wǎng)中，交換機根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀中的MAC地址決定數(shù)據(jù)幀應發(fā)向交換機的哪個端口。因為端口間的幀傳輸彼此屏蔽，因此節(jié)點就不擔心自己發(fā)送的幀在通過交換機時是否會與其他節(jié)點發(fā)送的幀產(chǎn)生沖突。

為什么要用交換式網(wǎng)絡替代共享式網(wǎng)絡：

·減少沖突：交換機將沖突隔絕在每一個端口(每個端口都是一個沖突域)，避免了沖突的擴散。

·提升帶寬：接入交換機的每個節(jié)點都可以使用全部的帶寬，而不是各個節(jié)點共享帶寬。

△ 以太網(wǎng)交換機

交換機的工作原理：

·交換機根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。

·交換機將數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定由哪個端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。

·如數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。這一過程稱之為泛洪(flood)。

·廣播幀和組播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機的三個主要功能：

·學習：以太網(wǎng)交換機了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。

·轉(zhuǎn)發(fā)/過濾：當一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口(如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口)。

·消除回路：當交換機包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。

交換機的工作特性：

·交換機的每一個端口所連接的網(wǎng)段都是一個獨立的沖突域。

·交換機所連接的設(shè)備仍然在同一個廣播域內(nèi)，也就是說，交換機不隔絕廣播(唯一的例外是在配有VLAN的環(huán)境中)。

·交換機依據(jù)幀頭的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此說交換機是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡設(shè)備

△ 交換機的分類：

依照交換機處理幀的不同的操作模式，主要可分為兩類。

存儲轉(zhuǎn)發(fā)：交換機在轉(zhuǎn)發(fā)之前必須接收整個幀，并進行檢錯，如無錯誤再將這一幀發(fā)向目的地址。幀通過交換機的轉(zhuǎn)發(fā)時延隨幀長度的不同而變化。

直通式：交換機只要檢查到幀頭中所包含的目的地址就立即轉(zhuǎn)發(fā)該幀，而無需等待幀全部的被接收，也不進行錯誤校驗。由于以太網(wǎng)幀頭的長度總是固定的，因此幀通過交換機的轉(zhuǎn)發(fā)時延也保持不變。

注意：

直通式的轉(zhuǎn)發(fā)速度大大快于存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，但可靠性要差一些，因為可能轉(zhuǎn)發(fā)沖突 幀或帶CRC錯誤的幀。

△ 生成樹協(xié)議

消除回路：

在由交換機構(gòu)成的交換網(wǎng)絡中通常設(shè)計有冗余鏈路和設(shè)備。這種設(shè)計的目的是防止一個點的失敗導致整個網(wǎng)絡功能的丟失。雖然冗余設(shè)計可能消除的單點失敗問題，但也導致了交換回路的產(chǎn)生，它會導致以下問題。

·廣播風暴

·同一幀的多份拷貝

·不穩(wěn)定的MAC地址表

因此，在交換網(wǎng)絡中必須有一個機制來阻止回路，而生成樹協(xié)議(Spanning Tree Protocol)的作用正在于此。

生成樹的工作原理：

生成樹協(xié)議的國際標準是IEEE802.1b。運行生成樹算法的網(wǎng)橋/交換機在規(guī)定的間隔(默認2秒)內(nèi)通過網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元(BPDU)的組播幀與其他交換機交換配置信息，其工作的過程如下：

·通過比較網(wǎng)橋優(yōu)先級選取根網(wǎng)橋(給定廣播域內(nèi)只有一個根網(wǎng)橋)。

·其余的非根網(wǎng)橋只有一個通向根交換機的端口稱為根端口。

·每個網(wǎng)段只有一個轉(zhuǎn)發(fā)端口。

·根交換機所有的連接端口均為轉(zhuǎn)發(fā)端口。

注意：生成樹協(xié)議在交換機上一般是默認開啟的，不經(jīng)人工干預即可正常工作。但這種自動生成的方案可能導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒎亲顑?yōu)化。因此，可以通過人工設(shè)置網(wǎng)橋優(yōu)先級的方法影響生成樹的生成結(jié)果。

生成樹的狀態(tài)：

運行生成樹協(xié)議的交換機上的端口，總是處于下面四個狀態(tài)中的一個。在正常操作期間，端口處于轉(zhuǎn)發(fā)或阻塞狀態(tài)。當設(shè)備識別網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變化時，交換機自動進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在這期間端口暫時處于監(jiān)聽和學習狀態(tài)。

阻塞：所有端口以阻塞狀態(tài)啟動以防止回路。由生成樹確定哪個端口轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，處于阻塞狀態(tài)的端口不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)但可接受BPDU。

監(jiān)聽：不轉(zhuǎn)發(fā)，檢測BPDU，(臨時狀態(tài))。

學習：不轉(zhuǎn)發(fā)，學習MAC地址表(臨時狀態(tài))。

轉(zhuǎn)發(fā)：端口能轉(zhuǎn)送和接受數(shù)據(jù)。

小知識：實際上，在真正使用交換機時還可能出現(xiàn)一種特殊的端口狀態(tài)-Disable狀態(tài)。這是由于端口故障或由于錯誤的交換機配置而導致數(shù)據(jù)沖突造成的死鎖狀態(tài)。如果并非是端口故障的原因，我們可以通過交換機重啟來解決這一問題。

生成樹的重計算：

當網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，生成樹協(xié)議重新計算，以生成新的生成樹結(jié)構(gòu)。當所有交換機的端口狀態(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)或阻塞時，意味著重新計算完畢。這種狀態(tài)稱為會聚(Convergence)。

注意：在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)改變期間，設(shè)備直到生成樹會聚才能進行通信，這可能會對某些應用產(chǎn)生影響，因此一般認為可以使生成樹運行良好的交換網(wǎng)絡，不應該超過七層。此外可以通過一些特殊的交換機技術(shù)加快會聚的時間。

△ 網(wǎng)橋

網(wǎng)橋概述：

依據(jù)幀地址進行轉(zhuǎn)發(fā)的二層網(wǎng)絡設(shè)備，可將數(shù)個局域網(wǎng)網(wǎng)段連接在一起。網(wǎng)橋可連接相同介質(zhì)的網(wǎng)段也可訪問不同介質(zhì)的網(wǎng)段。網(wǎng)橋的主要作用是分割和減少沖突。它的工作原理同交換機類似，也是通過MAC地址表進行轉(zhuǎn)發(fā)。因此，網(wǎng)橋同交換機沒有本質(zhì)的區(qū)別。在某些情況下，我們可以認為網(wǎng)橋就是交換機。

△ 路由器的簡單介紹

什么是路由器：

路由器是使用一種或者更多度量因素的網(wǎng)絡設(shè)備，它決定網(wǎng)絡通信能夠通過的最佳路徑。路由器依據(jù)網(wǎng)絡層信息將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡前向轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡。

路由器的功能：

·隔絕廣播，劃分廣播域

·通過路由選擇算法決定最優(yōu)路徑

·轉(zhuǎn)發(fā)基于三層目的地址的數(shù)據(jù)包

·其他功能

△ 虛擬局域網(wǎng)VLAN

網(wǎng)橋/交換機的本質(zhì)和功能是通過將網(wǎng)絡分割成多個沖突域提供增強的網(wǎng)絡服務，然而網(wǎng)橋/交換機仍是一個廣播域，一個廣播數(shù)據(jù)包可被網(wǎng)橋/交換機轉(zhuǎn)發(fā)至全網(wǎng)。雖然OSI模型的第三層的路由器提供了廣播域分段，但交換機也提供了一種稱為VLAN的廣播域分段方法。

什么是VLAN：

一個VLAN是跨越多個物理LAN網(wǎng)段的邏輯廣播域，人們設(shè)計VLAN來為工作站提供獨立的廣播域，這些工作站是依據(jù)其功能、項目組或應用而不顧其用戶的物理位置而邏輯分段的。

一個VLAN=一個廣播域=邏輯網(wǎng)段

VLAN的優(yōu)點和安裝特性：

VLAN的優(yōu)點：

·安全性。一個VLAN里的廣播幀不會擴散到其他VLAN中。

·網(wǎng)絡分段。將物理網(wǎng)段按需要劃分成幾個邏輯網(wǎng)段

·靈活性?？蓪⒔粨Q端口和連接用戶邏輯的分成利益團體，例如以同一部門的工作人員，項目小組等多種用戶組來分段。

典型VLAN的安裝特性：

·每一個邏輯網(wǎng)段像一個獨立物理網(wǎng)段

·VLAN能跨越多個交換機

·由主干(Trunk)為多個VLAN運載通信量

VLAN如何操作：

·配置在交換機上的每一個VLAN都能執(zhí)行地址學習、轉(zhuǎn)發(fā)/過濾和消除回路機制，就像一個獨立的物理網(wǎng)橋一樣。VLAN可能包括幾個端口

·交換機通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到與發(fā)起端口同一VLAN的目的端口實現(xiàn)VLAN。

·通常一個端口只運載它所屬VLAN的通信量。

VLAN的成員模式：

靜態(tài)：分配給VLAN的端口由管理員靜態(tài)(人工)配置。

動態(tài)：動態(tài)VLAN可基于MAC地址、IP地址等識別其成員資格。當使用MAC地址時，通常的方式是用VLAN成員資格策略服務器(VMPS)支持動態(tài)VLAN。VMPS包括一個映射MAC地址到VLAN分配的數(shù)據(jù)庫。當一個幀到達動態(tài)端口時，交換機根據(jù)幀的源地址查詢VMPS，獲取相應的VLAN分配。

注意：雖然VLAN是在交換機上劃分的，但交換機是二層網(wǎng)絡設(shè)備，單一的有交換機構(gòu)成的網(wǎng)絡無法進行VLAN間通信的，解決這一問題的方法是使用三層的網(wǎng)絡設(shè)備-路由器。路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)不同VLAN間的數(shù)據(jù)包，就像它連接了幾個真實的物理網(wǎng)段一樣。這時我們稱之為VLAN間路由。

△ 高速以太網(wǎng)

快速以太網(wǎng)：

快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet)也就是我們常說的百兆以太網(wǎng)，它在保持幀格式、MAC(介質(zhì)存取控制)機制和MTU(最大傳送單元)質(zhì)量的前提下，其速率比 10Base-T的以太網(wǎng)增加了10倍。二者之間的相似性使得10Base-T以太網(wǎng)現(xiàn)有的應用程序和網(wǎng)絡管理工具能夠在快速以太網(wǎng)上使用?？焖僖蕴W(wǎng)是基于擴充的IEEE802.3標準。

千兆以太網(wǎng)：

千兆位以太網(wǎng)是一種新型高速局域網(wǎng)，它可以提供1Gbps的通信帶寬，采用和傳統(tǒng)10M、100M以太網(wǎng)同樣的CSMA/CD協(xié)議、幀格式和幀長，因此可以實現(xiàn)在原有低速以太網(wǎng)基礎(chǔ)上平滑、連續(xù)性的網(wǎng)絡升級。只用于Point to Point，連接介質(zhì)以光纖為主，最大傳輸距離已達到70km，可用于MAN的建設(shè)。

由于千兆以太網(wǎng)采用了與傳統(tǒng)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)完全兼容的技術(shù)規(guī)范，因此千兆以太網(wǎng)除了繼承傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)的優(yōu)點外，還具有升級平滑、實施容易、性價比高和易管理等優(yōu)點。

千兆以太網(wǎng)技術(shù)適用于大中規(guī)模(幾百至上千臺電腦的網(wǎng)絡)的園區(qū)網(wǎng)主干，從而實現(xiàn)千兆主干、百兆交換(或共享)到桌面的主流網(wǎng)絡應用模式。

小知識：

千兆以太網(wǎng)的優(yōu)勢是同舊系統(tǒng)的兼容性好，價格相對便宜。在這也是千兆以太網(wǎng)在同ATM的競爭中獲勝的主要原因。

△ 小結(jié)：

當今居于主導地位的局域網(wǎng)技術(shù)-以太網(wǎng)。以太網(wǎng)是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網(wǎng)絡。沖突的產(chǎn)生是限制以太網(wǎng)性能的重要因素，早期的以太網(wǎng)設(shè)備如集線器是物理層設(shè)備，不能隔絕沖突擴散，限制了網(wǎng)絡性能的提高。而交換機(網(wǎng)橋)做為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡設(shè)備，極大的提高了以太網(wǎng)的性能。正逐漸替代集線器成為主流的以太網(wǎng)設(shè)備。然而交換機(網(wǎng)橋)對網(wǎng)絡中的廣播數(shù)據(jù)流量則不做任何限制，這也影響了網(wǎng)絡的性能。通過在交換機上劃分VLAN和采用三層的網(wǎng)絡設(shè)備-路由器解決了這一問題。以太網(wǎng)做為一種原理簡單，便于實現(xiàn)同時又價格低廉的局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界的主流。而更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)更使其成為最有前途的網(wǎng)絡技術(shù)。

為什么叫以太網(wǎng)?

以太網(wǎng)這個名字，起源于一個科學假設(shè)：聲音是通過空氣傳播的，那么光呢?在外太空沒有空氣光也可以傳播。于是，有人說光是通過一種叫以太的物質(zhì)傳播。后來，愛因斯坦證明以太根本就不存在。

大家知道，聲音是通過空氣傳播的，那么光是通過什么傳播的呢?

在牛頓運動定律中，物體的運動是相對的。比如，地鐵車廂里面的人看見您在車廂里原地踏步走，而位于車廂外面的人卻看見你以120公里每小時的速度前進。

但光的運動并不是這樣，您無論以什么物體作為參照物，它的運動速度始終都是299 792 458 米 / 秒。這個問題困惑了很多科學家，難道牛頓定律失靈了?一個來自瑞士專利局的職員，名叫愛因斯坦的人在1905年發(fā)表了篇論文，文中提到，無論觀察者以何種速度運動，相對于他們而言，光的速度是恒久不變的，相對論便由此誕生了。

這簡單的理念有一些非凡的結(jié)論。可能最著名者莫過于質(zhì)量和能量的等價，用愛因斯坦的方程來表達就是E=mc^2(E是能量，m是質(zhì)量，c是光速)，以及沒有任何東西能運動得比光還快的定律。由于能量和質(zhì)量的等價，物體由于它的運動所具的能量應該加到它的質(zhì)量上面去。換言之，要加速它將變得更為困難。這個效應只有當物體以接近于光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10%光速運動的物體的質(zhì)量只比原先增加了0.5%，而以90%光速運動的物體，其質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的2倍還多。當一個物體接近光速時，它的質(zhì)量上升得越來越快，它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質(zhì)量會變成無限大，而由質(zhì)量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。

由此我們可以看出，世界上根本就不存在以太這種物質(zhì)，因為光速是永遠恒定不變的，為其找個運動參照物是個笑話。有鑒于此，以太網(wǎng)的命名也就是一個笑話。但以太網(wǎng)并不會消失，它正隨著人們追求高速度而不斷的進行蛻變。以前，只要數(shù)據(jù)鏈路層遵從CSMA/CD協(xié)議通信，那么它就可以被稱為以太網(wǎng)，但隨著接入共享網(wǎng)絡設(shè)備的增加，沖突會使網(wǎng)絡的傳輸效率越來越低。后來，交換機的出現(xiàn)使全雙工以太網(wǎng)得到了更好的實現(xiàn)。未來，以太網(wǎng)會披上光的外衣，飛的更快。