tokenpocket官网app下载安卓版|ethernet工作原理

作者： tokenpocket官网app下载安卓版

2024-03-14 20:31:00

以太网是什么_以太网的工作原理_以太网的分类-亚马逊云科技

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首页 » 云计算知识 » 以太网是什么

以太网是什么？

以太网（Ethernet）是由 DEC、Intel 和施乐公司联合发布的一种计算机局域网技术，诞生于 1982 年。分为经典以太网和交换式以太网两大类别。目前，以太网已成为应用最广泛的局域网标准，同时也已成为构建互联网的关键技术之一。

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以太网是什么？

以太网（Ethernet）是由DEC、Intel和施乐公司联合发布的一种计算机局域网技术，诞生于1982年。分为经典以太网和交换式以太网两大类别。目前，以太网已成为应用最广泛的局域网标准，同时也已成为构建互联网的关键技术之一。

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以太网的工作原理

以太网通过双方相互发送数据包进行通信。与其他IEEE 802局域网技术类似，以太网上的每个节点包含一个全球唯一的48位 MAC 地址，使用该地址可指定每个数据包的源和目标。以太网建立的链路级连接可使用源或目标地址来定义。在接收数据时，接收端可通过数据包的目标地址来确定该数据包是否是发送给自己的，发送给自己的数据包会被接收并处理，借此实现数据传输；发送给其他地址的数据包则会被直接忽略。

根据具体标准和最高数据传输速率的不同，以太网可分为不同类型

标准以太网

也叫 10BASE-T 以太网，采用IEEE 802.3 标准，使用双绞线、同轴电缆或光纤进行数据传输，最大传输速度 10Mbps，最大传输距离 100 米左右（同轴电缆和双绞线）或 2000 米以上（光纤）。

快速以太网

也叫 100BASE-T 以太网，采用IEEE 802.3u 标准，使用双绞线或光纤进行数据传输，最大传输速度 100Mbps，最大传输距离 100 米左右（双绞线）或 2000 米（光纤）。

千兆以太网

也叫 1000BASE-T 或 1000BASE-LX 以太网，采用 IEEE 802.3ab 或 802.3z 标准，使用双绞线或光纤进行数据传输，最大传输速度 1Gbps，最大传输距离 100 米左右（双绞线）或 3000 米左右（光纤）。

万兆以太网

也叫 10GBASE-T 以太网，采用 IEEE 802.3an 标准，使用光纤进行数据传输，最大传输速度 10Gbps，最大传输距离可达 40 千米。

标准以太网

快速以太网

千兆以太网

万兆以太网

也叫 10GBASE-T 以太网，采用 IEEE 802.3an 标准，使用光纤进行数据传输，最大传输速度 10Gbps，最大传输距离可达 40 千米。

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Ethernet（以太网）基本工作原理 - 知乎

Ethernet（以太网）基本工作原理 - 知乎切换模式写文章登录/注册Ethernet（以太网）基本工作原理乐竹每天提醒自己，不要忘记梦想！以太网采用的介质控制方法是：CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）Ethernet 数据发送流程CMSA/CD的发送流程可以简单概况为4步：先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发。（1）载波侦听过程每个主机在发送数据帧之前，首先要侦听总线的【忙/闲】状态。Ethernet网卡的收发器一直在接收总线上的信号，如果总线上有其他主机发送的信号，那么曼彻斯特解码器的解码时钟一直有输出；如果总线上没有信号发送，那么曼彻斯特（Manchester）解码器的时钟输出为0。Manchester解码器是网卡上的一个组件，解码时钟会根据线路上的信号以曼彻斯特编码解码。曼彻斯特编码因此，Manchester解码器的时钟信号可以反映出总线的【忙/闲】状态。（2）冲突检测方法载波侦听并不能完全消除冲突。———————————————————————————————————————电磁波在同轴电缆中传播速度约为 2×108m/s，如果局域网中两个【相隔最远】主机A和B相距 1000m，那主机A向主机B发送一帧数据要经过。t=\frac{1000}{2\times10^{8}}=5\times10^{-6} s=5\mu s 主机A发送数据后，要经过t后，主机B才接收到这个数据帧。在这5μs的时间内，主机B不知道主机A已经发送数据，它就有可能也向主机A发送数据。出现这种情况，主机A和主机B的这次发送就发生【冲突】。———————————————————————————————————————比较极端的冲突是：主机A向主机B发送数据，当数据信号快要到达主机B时，主机B也发送了数据。等到冲突信号传送回主机A时，已经经过了两倍的传播延迟2t（t=D/V，D为总线传输介质的最大长度，V是电磁波在介质中的传播速度）。冲突的数据帧可以传遍整个缆段，缆段上的主机都可以检测到冲突。缆段被称为【冲突域】，如果超过2t的时间没有检测出冲突，则该主机已取得【总线访问权】，因此将 2t定义为【冲突窗口】。冲突窗口是连接在一个缆段上所有主机能检测到冲突发生的最短时间。由于Ethernet物理层协议规定了总线最大长度，电磁波在介质中的传播速度是确定的，因此冲突窗口的大小也是确定的。最小帧长度与总线长度、发送速率之间的关系———————————————————————————————————————为了保证主机在发送一帧的过程可以检测到冲突，就要求发送一个最短帧的时间要超过冲突窗口的时间。因为帧发送并不是一瞬间全部发送完成，发送延迟 t = 帧长度/发送速率，发送速率一般不会改变，因此要在发送的过程中能检测到冲突需要规定一个最小帧长度最短帧长度为 L_{min} ，主机发送速率为S，发送短帧所需的时间为 L_{min} / S ，冲突窗口的值为2D/V \frac{L_{min}}{S}\geq \frac{2D}{V} 所以可以根据总线长度、发送速率和电磁波传播速度估计最小帧长度。———————————————————————————————————————冲突是指总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，它们叠加后的信号波形不等于任何一个主机输出的信号波形。冲突检测有两种方法：比较法和编码违例判决法。比较法：主机在发送帧的同时，将其发送信号波形与总线上接收到的信号波形进行比较（信号在总线上是双向传播的，比如主机A、B、C，B发送信号A与C都能接收到）。如果两个信号波形不一致，说明冲突发生。编码违例判决法：检查从总线上接收的信号波形是否符合曼彻斯特编码规律，不符合则说明发生冲突。64B是Ethernet的最小帧长度：如果一个主机发送一个最小帧，或者一个帧的前64个字节没有检测到冲突，说明该主机已经取得总线发送权，冲突窗口期又称为争用期。发现冲突、停止发送如果主机在发送过程中检测到冲突，主机要进入停止发送，随机延迟后重发的流程。随机延迟重发的第一步是：发送冲突加强干扰序列，保证有足够的冲突持续时间，使局域网中的所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。冲突加强干扰序列信号长度为32bit随机延迟重发Ethernet规定一个帧的最大重发次数为16。后退延迟算法是：截止二进制指数后退延迟———————————————————————————————————————算法可表示为： \tau =2 \cdot R \cdot a τ：重新发送所需的后退延迟时间。a：冲突窗口的值。R：随机数，以主机地址为初始值生成随机数R。k：k=min(n,10)，如果重发次数n小于10，则k=n，n≥10，则k=10.———————————————————————————————————————后退延迟时间τ到达后，节点将查询判断总线忙、闲状态，重新发送，如果再次遇到冲突，则重发次数+1，如果重发次数超过16时，表示发送失败，放弃发送该帧。CSMA/CD方法被定义为一种随机争用型介质控制访问方法。Ethernet帧结构Ethernet V2.0标准和 IEEE 802.3标准的Ethernet帧结构的区别。———————————————————————————————————————Ethernet V2.0是在DEC、Intel（英特尔）、Xeror公司合作研究的，所以也称Ethernet V2.0帧结构为DIX帧结构（公司首字母）IEEE802.3标准对Ethernet帧结构也做出了规定，通常称之为 802.3帧———————————————————————————————————————（1）前导码 1. DIX帧的前8B是前导码，每个字节都是10101010。接收电路通过提取曼彻斯特编码的自含时钟，实现收发双方的比特同步。说人话就是：编码时故意搞个特别的码在前面,通过长度告知解码器后面有货送来,注意接收。通过前导码就可判断信号是有用信号还是干扰信号,否则忽略不解码。 2. 802.3帧的前导码，每个字节都是10101010。但是有一个10101011的帧前定界符。前56位（7B×8）前导码是为了保证在接收【目的地址】时，已经进入【稳定接收状态（识别出这个是有用信号）】在62位1010…1010比特序列后出现两个11，两个11后就是Ethernet帧的目的地址字段。 3. 前导码只是为了实现收发双方的比特同步与帧同步，在接收后不需要保留，也不计入帧头长度。（2）类型字段和长度字段 1. DIX帧的类型字段表示网络层使用的协议类型。——————————————————————————————————————— 例如：类型字段=0x0800表示网络层使用IPv4协议、类型字段=0x86DD表示网络层使用IPv6协议。——————————————————————————————————————— 2. Ethernet帧最小长度为64B，除去帧头（目的地址+源地址+源地址），数据字段最短为46B。数据字段最长为1500B，因此数据字段长度在46~1500B之间。 3. DIX帧没有长度字段，所以接收端等待物理线路上没有电平的跳变（帧发送结束），除去4B的校验字段，就能取出数据字段。（3）目的地址和源地址字段 1. 目的地址和源地址表示帧的接收节点和发送节点的硬件地址。 2. 硬件地址也叫物理地址、MAC地址、Ethernet地址。 3. 源地址必须是6B的MAC地址。 4. 目的地址可以是单播地址（发送给单一主机）、多播地址（发送给一部分主机）、广播地址（发送给所有主机）。（4）帧校验字段 1. 帧校验字段FCS（ Frame Check Sequence）采用32位的CRC校验。 2. CRC校验范围：目的地址、源地址、长度、LLC（Logical Link Control：逻辑链路控制）数据等字段。Ethernet接收流程分析主机主要不发送数据帧就处于接收状态。帧目的地址检查： 1. 目的地址是单一主机的物理地址，并且是本主机地址—>接收。 2. 目的地址是组地址，并且本主机属于该组—>接收。 3. 目的地址是广播地址—>接收。 4. 如果以上3种目的地址都与本主机地址不匹配，丢弃该接收帧。帧接收： 1. CRC校验正确。 2. 帧长度正确。 3. 如果1、2都正确，将帧中的数据发送到网络层，否则报告”接收失败“进入帧结束状态。帧校验： 1. CRC校验正确，但是帧长度不对，则报告“帧长度错”。 2. 如果校验出错，判断接收帧是不是8bit的整数倍（字段长度的单位是字节，1B=8bit，接收帧长度正常的话肯定是8bit的整数倍）☆ 如果不是8bit的整数倍，则报告“帧比特出错”。☆ 如果没有发现比特丢失或者比特位对位错，则报告“帧校验错”。 3. 进入结束状态。帧间最小间隔 1. 为保证网卡能正确、连续的处理接收帧，要规定一个帧间最小间隔 (网卡处理接收帧要时间、虽然很短) 2. 规定Ethernet帧的最小间隔为9.6μsEthernet网卡网卡由三部分组成：网卡与传输介质的接口（RJ45）、Ethernet数据链路控制器、网卡与主机的接口（主板的I/O扩展槽）。Ethernet数据链路控制器的功能：实现发送数据编码、接收数据解码、CRC产生与校验、曼彻斯特编码与解码、CSMA/CD介质访问控制。网卡的物理地址写入网卡的只读存储器中，不会与世界上任何一台其他的计算机重复。编辑于 2022-08-10 18:41Ethernet以太网（Ethernet）工作原理赞同 194 条评论分享喜欢收藏申请

图解通信原理（以太网通信及物理层工作原理） - 知乎

图解通信原理（以太网通信及物理层工作原理） - 知乎切换模式写文章登录/注册图解通信原理（以太网通信及物理层工作原理）乐竹每天提醒自己，不要忘记梦想！概述以太网是一种计算机局域网通信技术，主要由介质访问层(MAC L2) 协议、物理层（PHY L1）协议、电子信号连接组成。MAC层主要有交换芯片实现，物理层由PHY芯片实现，电信号连接主要定义电信号的接口规范。本文以成熟的以太网的技术实现为案例，解读数字通信的部分基本原理，澄清数字通信中一些核心的概念：时钟、4B/5B编码、曼切斯特编码、NRZI编码、符号、波特率、比特率、CRC、扰码。并把关注的重点放在以太网物理层的协议规范。信号发送接收流程信源信息发送-》离散数据-》信源编码-》应用层数据处理-》网络层编码-》物理层信道编码-》电气信号符号编码-》电信号发送=》电信号接收=》电气信号符号解码-》物理层信道解码-》网络层编码-》应用层数据处理-》信源解码-》信宿信息感知整个过程，均为二进制离散数据处理，因此本文是一个纯数字通信的案例。以太网串行通信与Uart串口通信、I2C串行通信、SPI串行通信等串行通信，有两个显著的差别：（1）需要传输的物理层帧中的二进制数据与物理线路上传送的信号电平之间是不再是1对1的映射关系。（2）不需要专门的时钟信号线在两个通信的节点之间传递时钟，而是通过特定的物理层的编码技术，实现在传输数据的同时，也同时能够传递同步时钟。（3）支持远程传输的数字编码技术本文将重点阐述这这三种技术方法。———————————————————————————————————————一、什么是以太网数字通信以太网是一种基带、局域网技术。以太网通信是一种使用同轴电缆或光纤作为传输信道，采用载波多路访问和冲突检测机制的通信方式。数据传输速率高达到10M、100M、1Gbit/s， 10Gbit/s, 25Gbit/s、100G, 可满足非持续性网络数据传输的需要。1、标准以太网10Base－5　使用粗同轴电缆，最大网段长度为500m，基带传输方法；10Base－2　使用细同轴电缆，最大网段长度为185m，基带传输方法；10Base－T　使用双绞线电缆，最大网段长度为100m；1Base－5　使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps；10Broad－36　使用同轴电缆（RG－59/U CATV），最大网段长度为3600m，是一种宽带传输方式；10Base－F　使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps；2、快速以太网100Base-TX 物理介质采用5类以上双绞线，网段长度最多100米100Base-FX 物理介质采用单模光纤，网段长度可达10公里3、千兆以太网1000Base-SX 只支持多模光纤，可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，工作波长为770-860nm，传输距离为220-550m。1000Base-LX 可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，工作波长范围为1270-1355nm，传输距离为550m。1000Base-LX 可以支持直径为9um或10um的单模光纤，工作波长范围为1270-1355nm，传输距离为5km左右。1000Base-CX 采用150欧屏蔽双绞线（STP），传输距离为25m。000Base-T 是100Base-T自然扩展，与10Base-T、100Base-T完全兼容4、10Gbps以太网10GBASE-CX4 -- 短距离铜缆方案用于InfiniBand4x连接器和CX4电缆，最大长度15米。10GBASE-SR -- 用于短距离多模光纤，根据电缆类型能达到26-82米，使用新型2GHz多模光纤可以达到300米。10GBASE-LX4 -- 使用波分复用支持多模光纤240－300米，单模光纤超过10公里。10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 透过单模光纤分别支持10公里和40公里10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用于广域网PHY、OC-192 / STM-64同步光纤网/SDH设备。物理层分别对应10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER，因此使用相同光纤支持距离也一致。（无广域网PHY标准）10GBASE-T-- 使用屏蔽或非屏蔽双绞线，使用CAT-6A类线至少支持100米传输。CAT-6类线也在较短的距离上支持10GBASE-T。5、40G/100Gbps以太网40GBASE-KR4 -- 背板方案，最少距离1米。40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距离铜缆方案，最大长度大约7米。40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用于短距离多模光纤，长度至少在100米以上。40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用单模光纤，距离超过10公里。100GBASE-ER4 -- 使用单模光纤，距离超过40公里。虽然，以太网支持上述各种速率和物理层接口规范，但从通信的角度来看，基本原理是相似的，是一脉相承的。二、以太网数字通信案例的需求架构为重点介绍以太网物理层协议，本文的两个对等的以太网终端，跳过中间的以太网交换机，直接采用点对点连接。帅哥A与美女B不再通过RS232串口相连，而是通过以太网相连。目标：帅哥A通过以太网向美女B发送一条二进制消息：0x0049 0x0020 0x004c 0x0006f 0x00076 0x0065 0x0020 0x0059 0x006f 0x0075。对应的ASCII码字符是：I Love You三、以太网数字通信的软硬件实现方案1、协议栈2、软硬件架构与软硬件分工帅哥A发送的数据，封装（编码）过程如下：应用层数据编码=》HTTP层数据编码=》TCP层数据编码=》IP层数据编码=》MAC层数据编码=》物理层数据编码=》物理层电信号发送=》美女接受的数据，拆封（解码）过程如下：物理层电信号接收=》物理层数据解码=》MAC层数据解码=》IP层数据解码=》TCP层数据解码=》HTTP层数据解码=》应用层数据解码。至于MAC层以上（IP以及IP之上）的编码和解码过程，不在本文的讨论范围。本文重点放在MAC+PHY+线路接口层，特别是物理层的编解码过程。3、以太网协议规范IEEE802.3标准给出了以太网的MAC层和物理层的协议规范四、以太网MAC+PHY+线路层的通信模型下面，将详细介绍上述过程的每个环节，以及每个环节中涉及到的通信原理中的关键技术。五、信源对信息的发送过程及其关键性原理1、信源: 这里的信源就是计算机A。2、离散的二进制数据信源需要发送的离散的二进制数据: 0x0049 0x0020 0x004c 0x0006f 0x00076 0x0065 0x0020 0x0059 0x006f 0x0075。对应的ASCII码字符是：I Love You3、网络层编码IP以及IP之上，不在本章的讨论范围，本章讨论MAC以及MAC层之下的协议规。（1）探讨前的概念澄清：MAC层：称为帧（frame）物理层：并行数据称为包（package）物理层：串行数据称为流（stream）（2）MAC层帧结构LLC data：信源需要发送的离散的二进制数据。MAC地址：也叫物理地址、硬件地址，由网络设备制造商生产时烧录在网卡(Network lnterface Card)的EPROM(一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写)。MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个16进制数，如：00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址，其中前6位16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE(电气与电子工程师协会)分配，而后6位16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。只要不更改自己的MAC地址，MAC地址在世界是惟一的。形象地说，MAC地址就如同身份证上的身份证号码，具有唯一性。目的地址：数据的接收方（信宿）的MAC地址。源地址：数据的发送方（信源）的MAC地址。帧定界符SFD：1个字节（8个bits：0x1010 1011），MAC层的帧同步。由于在传输一个字节时最低位最先传输(LSB)，因此其相应的16进制表示为：0xD5，这里有一个同样的问题，以太网帧的净荷正巧也有该数据怎么办呢？同步前导码preamble：7个字节（56个bits：0x1010 1010 ......），MAC层的比特时钟同步。由于在传输一个字节时最低位最先传输(LSB)，因此其相应的16进制表示为：0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55，这个连续的56个二进制比特流，用于接收方与发送方的二进制比特时钟同步。这里有一个问题，以太网帧的净荷真巧也有该数据怎么办呢？解决的方法：MAC层和物理层之间通过Tx_EN和Rx_EN来传递以太网帧的开始。两个对等的两个物理层实体之间，通过物理层的4B/5B编码表明以太网帧的开始和结束，而这两个编码，是不同于数据域中的任何数据的4B/5B编码。FCS（ Frame Check Sequence）：帧检查验序列，实际上就是CRC校验。CRC校验序列的添加是在数据传输过程中，无论传输系统的设计再怎么完美，差错总会存在，这种差错可能会导致在链路上传输的一个或者多个帧被破坏(出现比特差错，0变为1，或者1变为0)，从而接受方接收到错误的数据。为尽量提高接受方收到数据的正确率，在接收方接收数据之前需要对数据进行差错检测，当且仅当检测的结果为正确时接收方才真正收下数据。检测的方式有多种，常见的有奇偶校验、和循环冗余校验等。前一篇讨论过，Uart/RS232串口通信采用的就是有奇偶校验。循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check， CRC）：是一种根据网络数据包或计算机文件等数据产生简短固定位数校验码的一种信道编码技术，主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。以太网通信采用CRC32作为以太网MAC帧数据净荷的检错码。注意：FCS值针对以太网MAC帧的净荷部分，包括MAC地址+数据净荷，不包括以太网MAC层帧的同步字和帧定界符SFD。4、物理层编码简单的说，物理层编码是确保原始的MAC层数据可在多种物理媒体上、安全、可靠的传输。(1) 以太网物理层又分为3个子层和2个接口(2) 两个接口：Medium Independent Interface (MII): 介质无关接口。提供公共接口，屏蔽多个物理层的不同细节。这是数字MAC层与数字物理层的接口。Medium Dependent Interface (MDI): 介质相关接口。到传输介质的接口，如100M电口和1000M电口或1000M光口等。这是数字物理层与物理信号媒介的接口（光、电信号）。(3) 三个子层：Physical Coding Sublayer (PCS): 物理编码子层。完成物理层编码/解码功能Physical Medium Attachment sublayer (PMA):物理介质连接子层。执行并串转换和串并转换功能。Physical Medium Dependent sublayer (PMD): 物理介质相关子层。电信号转换到特定介质上或反向转换（光电转换、电电转换）不同以太网速率，其物理层的协议规范是不一样的。不同厂家的芯片，在实现以太网物理层协议规范时，也是有差别。接下来，将以古老的RTL8201 10/100M PHY芯片为例，由简单到复杂，有浅入深的介绍物理层的通信原理：RTL8201 10M以太网通信的原理RTL8201 100M以太网通信的原理其他更加复杂的功能实现，基本是基于此原理的升级与扩展。(4) 802.3 物理层功能栈(5) RTL8201功能架构在上图中，10M和100M的功能实现是完全不同的电路。绿色框标注的是10M的功能实现。红色框标注的是100M的功能实现接下来，将详解其功能。4.1 RTL8201 10M以太网的通信原理4.1.1 PCS子层（Physical Coding Sublayer）：物理层编码子层PCS子层的功能是物理层的编码/解码。包括三部分：（1）与MAC层的接口（2）物理层包的结构（3）物理层的编码PCS子层与MAC层的物理接口TXD0、RXD0：是串行数据接口, 10M速率时，物理层芯片无需要进行串并转换，串并转换是MAC完成的。TXC和RXC: 接收和发送时钟。COL （I）: 冲突检测的输入，表明MAC层检测到了冲突。CRS（O）: 载波检测，用于PHY向MAC指示，链路上是否有数据正在发送。TXEN: MAC发送数据指示。PCS子层的包结构10M速率是，物理层包的结构与MAC层的帧结构是一致的PCS子层的编码物理层编码一个重要的功能就是把原始的物理层帧数据，编码成适合物理线路传输的二进制数据。在10M通信的情况下，物理层芯片并没有对物理层进行某种物理层编码，比如4B/5B编码或8B/10B编码。4.1.2 PMA子层：物理介质连接子层PMA的功能包括（1）发送方向是并串转换，接收方向是串并转换（2）物理层信号编码（3）物理链路时钟的合成/恢复。PMA从PCS接收串行bit流，然后发送到PMD层。PMA使用数字锁相环PLL，在发送端根据标准时钟接口发送bit流，在接收端PLL同步串行数据流并从中提取时钟。发送方向是并串转换，接收方向是串并转换在10M速率下，无并串转换，与MAC层的接口MAC本身就是串行数据。物理层信号编码物理层信号编码：即如何通过物理层的电信号传递0和1的二进制数据流。常见的编码有两大类：不归零码和归零码。不归零码：是信号电平在一个码元之内都要不恢复到零的编码方式。在不归零码中，高电平代表1， 0电平本身就表示0，因此不能归0.归零码：是信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式。在归零码中，高电平和低电平不表示任何数值，而是利用信号的上升沿或下降沿表示0或1，因此可以归零。在SPI和I2C通信中，通过CMOS或TTL高低电平传送1和0。高电平代表1，低电平代表0，在UART通信中，与SPI和I2C相同。在RS232通信中，采用了反逻辑以及15V电压。+15V电信号表示0， -15V电信号表示1.这些编码方式都称为不归零码。其中SPI, I2C， Uart串口通信的编码方式称为：单极性不归零0码，单极性指只有正（+）电平。RS232串口通信的编码方式称为双极性不归0码。双极性是指正（+）电平与负（-）电平。如下图所示：（a）就是单极性不归零码，（b）双极性不归零码。相对于前面提到的几种电信号编码方式，在10M以太网中，采用了一种新的物理层信号编码方法：曼彻斯特编码！曼彻斯特编码(Manchester)又称裂相码、同步码、相位编码，它是一种归零的编码方式，用电平跳变来表示1或0的编码方法。其变化规则很简单：这里也有两种码元，但每个码元不是用简单的高电平或低电平，每个码元symbol（代表0或1的电信号）均用两个不同相位的电平信号（高电平+低电平）表示。实际上，每个码元是一个完整的方波信号（有高电平，也有低电平），这里就有两种方式来定义方波信号。(A) G.E. Thomas曼切斯特编码（又称为标准曼切斯特编码） 0度相位的方波（类似正弦波）表示“1”，180相位的方波（类似余弦波）表示“0”.(B) 802.3 曼切斯特编码（简称为曼切斯特编码）0度相位的方波（类似正弦波）表示“0”，180相位的方波（类似余弦波）表示“1”.正好与标准曼切斯特编码相反。如下是用两种不同的曼彻斯特编码表示的一连串的二进制码1010 0111 001的示意图：从上图示意可以看出：在两种曼彻斯特编码中，每个比特位的中间都有一次跳变。差别在于上升沿和下降沿表示的数字正好相反。并用中间的跳变表示要传输的二进制数据，同时中间的跳变又可以作为时钟信号。（C）差分曼彻斯特编码还有一种差分曼彻斯特编码，它是曼彻斯特编码的改进。在差分曼彻斯特编码中，每个比特位的中间也有一跳变。但中间的跳变不表示要传输的二进制数据，中间的跳变仅仅作为时钟信号。差分曼彻斯特编码的特别之处在于，它不是用固定的波形标识0或1，而是使用了相邻的两个波形符号的变化来标识0或1。不管前一个波形符号是“类正弦的方波”，还是“类余弦的方波”，如果后一个波形符号symbol和前一个的波形符号symbol相同，则表示0，如下图所示，这样标识“0”的波形符号（symbol）就不是唯一的。如果后一个波形符号（symbol）和前一个的波形符号（symbol）不同，则表示1，如下图所示，这样标识“1”的波形符号（symbol）就不是唯一的。这种编码方式，规避了Thomas曼切斯特编码与802.3 曼切斯特编码，使用固定波形标识0或1的问题。如下是三种曼切斯特编码的比较：上述三种曼切斯特编码方式，每个时钟位都必然有一次变化，所以这三种编码的效率仅可达到50%左右，这是曼切斯特编码的缺点。结论：按照无论是数据0还是数据1，都是通过一个完整周期的正弦或余弦信号（当然，也可以说是方波）承载的。物理链路时钟的合成/恢复。如上描述的，在发送端，在时钟的驱动下，按照曼切斯特编码的数据，本身就内含的发送端的时钟频率。从上图可以看出，时钟信号是一个方波信号，在数据0或1的电平期间，包含了一个完整的时钟方波信号，一个方波信号是一个高电平，一个低电平的组合。时钟信号的周期正好于承载数据0或数据1的类正弦与类余弦的方波信号的周期是一样的，即频率是一样的。通过曼切斯特编码，通信的发送端和接收端，即不需要专门的时钟信号线来传递时钟信息了。接收端通过数字锁相环，从链路中恢复发送端发送二进制比特的时钟信号的频率与相位，且能够完全同步。至此10M数据速率的通信方式下，二进制比特就可以通过物理信号进行发送了。（2）RTL8201 100M以太网通信的原理 1）PCS子层（Physical Coding Sublayer）：物理层编码子层PCS子层的功能是物理层的编码/解码。包括三部分：PCS子层与MAC层的接口PCS子层的包结构PCS子层的编码(1). 与MAC层的物理接口从上图，可看出, MII接口，物理层与MAC层之间是4比特的并行数据，而不是串行数据。之所以是4比特的并行数据，与紧接着介绍的4B/5B编码有很大的关系。（2）物理层帧的发送Tx_En：启动MAC帧的发送。TXD<3:0>：MAC层的帧，包括前导码、帧同步码、数据净荷和CRC.（3）物理层帧的接收RX_DV：有效数据开始RXD<3:0>：MAC层的帧，包括前导码、帧同步码、数据净荷和CRC.RX_ER：物理层接收出错，比如数据接收到一半异常中断，无数据。PCS子层包的结构：物理层的包结构与MAC层的帧结构是一致的。PCS子层的编码物理层编码一个重要的功能就是把原始的物理层帧数据，编码成适合物理线路传输的二进制数据，主要用于链路控制、检错、纠错和差错后的重传。相对于10M速率的物理链路，100M的速率，二进制数据的速率整整提升了10倍，导致每个通信节点之间的干扰也会增加、受到线路噪音的干扰的影响也急剧的增加，因此需要一定的数据编码，用来进行链路控制、检错、纠错和差错后的重传。从上图中，可以看出，相对于10M速率，增加了4B/5B编码/解码、扰码/解扰（A）4B/5B编码和解码4B/5B编码方案是把4比特的二进制数据转换成5比特二进制数据的编码方案。这种编码的特点是将欲发送的数据流每4比特作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5比特的编码。5比特的码共有32种组合：其中16种组合用于承载4比特的数据。其他的16种组合用作链路控制码或保留使用，如表示帧的开始和结束、物理线路的状态（静止、空闲、暂停）等。如下是以太网4B/5B数据码映射表：4比特的0000被编码成了5比特的11110；4比特的1111被编码成了5比特的11101；数据的编码效率=4/5 = 80%，即80%的编码效率。4B/5B编码，还有一个重要的特性：即使原始的4比特的数据有4个全0或有3个0，编码后的5B特的数据中，0的个数最多也就是2个。如：0000被编码成了11110 =》4个1，1个00001被编码成了10101 =》3个1, 2个0如下是以太网4B/5B控制码编码表：11111: 用于物理层数据流之间的填充字符，表示空闲状态，无有效数据，主要用于维持链路时钟同步。11000/10001：物理层数据流的开始标志，MAC层帧的前导码的第一个字节被映射成此5B编码。01101/00111：物理层数据流的结束标志。没有MAC层帧的相应比特域与之对应，与TX_EN和RX_DV对应。发送数据时，MAC层与PHY层之间的电信号TX_EN由高电平变成低电平，则自动转换成物理层数据流的结束标志。接收数据时，物理层收到该物理层数据流的结束标志，自动把MAC层与PHY层之间的电信号RX_DV由高电平变成低电平，通知MAC层数据传送完成。4B/5B编码的好处：采用4B/5B编码的主要目的是为了减少传输线路上出现多个连续的0或1，有利于接受端提取时钟信号。也称为保持线路的交流(AC)平衡, 与NRZI编码配合使用。额外增加的5比特的控制码，用于通信双方，在物理层PCS子层实体之间，进行物理链路的监控和控制。额外增加的5比特的控制码，用于物理层实体PCS子层把监控到的链路状态，通过芯片的信号管脚，反馈到MAC层。PCS子层数据流的结构（4B/5B编码后的物理层的比特流）SSD（11000/10001）：物理层使用该5B控制码，替换MAC层帧的前导码preamble的第一个字节。ESD（01101/00111）：物理层使用该5B控制码，添加到MAC层帧的尾部。IDLE（11111）：物理层空闲指示，用于时钟同步。上述5B控制码，对MAC层不可见，终止于PCS子层。（B）加码（Scrambling）和解码加扰是数字信号的加工处理方法，就是用二进制扰码与原始二进制数据相乘，从而得到新的二进制数据。与原始二进制相比，新的二进制在时间上被打散。一般来说，数字通信系统的设计及其性能都与所传输的数字信号的统计特性有关。通过加扰技术，在不增加新的数据比特的情况下，扰乱原有数据的比特顺序，改变数字信号统计特性，使其近似于白噪声统计特性。这种技术的基础是建立在反馈移存器序列（一种伪随机序列）的理论基础之上。PMA子层：物理介质连接子层PMA的功能包括发送方向是并串转换，接收方向是串并转换物理层信号编码物理链路时钟的合成/恢复。PMA从PCS接收并行比特流，然后转换成串行比特流发送到PMD层。PMA使用数字锁相环PLL，在发送端根据标准时钟接口发送二进制比特流，在接收端PLL同步串行二进制流从中提取时钟。（1）并串转换这个没有什么可以多说的，就是5比特的并行数据，转换成1bit的串行数据，用于线路发送。（2）物理层信号编码在10M速率的情况系，采用的是曼切斯特编码，即用一个完整的正弦波或余弦表示的方波信号表示0或1，这种编码方案的优点是，在传输数据的同时，也能够传递数据比特的时钟周期，不需要专门的时钟信号在收发双方传输时钟信号。但缺点也是很明显的，编码后信号的频率是编码前的数据频率的2倍，即编码效率只有50%。有没有一种编码方法，既能够传送时钟信号，也能够传送数据，且信号的编码效率100%呢？很显然目前没有找到。采用归零码NRZ编码的I2C、SPI串行通信，信号的周期与二进制数据的周期是完全对应的，编码效率达到100%，然而，串行通信的两端，需要专门的时钟信号线传递时钟。那么，有没有一种编码方式，既能够传送时钟信号，也能够传送数据，且信号的编码效率在50%~100%之间呢？以太网100M速率的情况下，采用的4B/5B+NRZI混合编码的方式，就能够得到此效果。NRZI编码效率为100%，且能够确保在传输数据“1”的情况下，同时能够传递时钟信息。但在传递数据“0”的情况下，无法传递时钟信息。4B/5B编码能够确保（1）编码效率达到80%；（2）即使用户数据中包含连续的0比特，该编码可以避免连续的传输数据0比特。NRZI + 4B/5B的组合编码，得到这样的效果：既能够传送时钟信号，也能够传送数据，且信号的编码效率在80%。不归零码NRZ、曼切斯特编码、差分曼切斯特编码、4B/5B编码在前面已经讨论过了，在这里，探讨一下NRZI 。NRZI（Non Return to Zero Inverted），即不归零反转编码，NRZI是结合了NRZ和差分曼切斯特编码的思想。首先，NRZI的基础是不归零码NRZ，因此电信号的符号是高电平与低电平，周期与二进制数据的周期是一样的。但为了传递时钟信息，该编码并没有直接使用高电平或低电平表示0或1数据，而是借助了差分曼切斯特编码的思想，即用前后两个电平信号的变化来表示1和0。如果前后两个电平保持不变时（连续的低电平或连续的高电平），表示数据“0”；如果前后两个电平发生变化时（一个高电平+一个低电平或者一个低电平+一个高电平），表示数据“1”。为了更好的理解NRZI，参见如下示意图：全“1”数据的NRZI编码：全1的二进制比特的NRZI编码，就是一个与数据比特率等速率的方波周期信号。全“0”数据的NRZI编码：全0的二进制比特的NRZI编码，是一个恒低电平或恒高电平的信号，没有时钟信息。这是NRZI编码最大的缺陷！！好在4B/5B编码，弥补了此缺陷，4B/5B编码后，规避了全0的情况，任意4比特的数据，都会被编码成至少包含3个1的5比特数据。并且5比特的11111被编码成了idle控制码，用于在没有数据传送时，用此编码传递时钟同步信号：———————————————————————————————————————PMD子层PMD子层位于整个网络的最底层, 且只适用于>=100M速率的情形，主要完成（1）MDI输出信号MDI的接口信号是差分信号，如Tx+, TX-, 就是一对差分信号。差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在非差分信号系统里，"系统地"被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时，这种信号被称之为单端电压。当两个导体上被同时加入的一个幅度相等、相位相反的电压，也就是所谓共模信号，信号值是两个导体间的电压差。差分信号的第一个好处是，线路中传输的信号自包含了“基准信号”，因此能够很容易地识别小信号。在一个“地”做基准的单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统内'地'的一致性。信号源和信号接收器距离越远，他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大，因此被传输信号的幅度就不能太低。差分信号恢复的信号值在很大程度上与双方的系统'地'信号的精确值无关，只与传输的信号的幅度差有关。差分信号的第二个主要好处是，它对外部电磁干扰（EMI Electromagnetic Interference）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。差分信号提供的第三个好处是，在一个单电源系统，能够从容精确地处理'双极'（正负）信号。为了处理单端，单电源系统的双极信号，我们必须在地和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高真度，而无须依赖虚地的稳定性。（2）网络变压器在物理层芯片输出与RJ45线路信号输出之前还有一个网络变压器，进行电信号的隔离。变压器功能电气隔离任何CMOS的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于0V的，PHY输出信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部网线直接和芯片相连的话，电磁感应（打雷）和静电，很容易造成芯片的损坏。网络变压器本身就是设计为耐2KV~3KV的电压的。也起到了防雷保护作用。再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样可能会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。网络变压器把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。从这个层面上看，网络变压器有点像“天线”：设备上的电信号，通过变压器“耦合”到RJ45的线路中，就像天线把电信号耦合成成电磁波信号，发送到空间中一样。共模抑制在双绞线中的每一对信号（如Tx+，Tx-）导线是以双螺旋形结构相互缠绕着。流过每根导线的电信幅度相同、相位差180度，因此其所产生的磁场受螺旋形的制约、抵消，防止了信号自传输过程中能量的散发损耗。即对差模信号而言，它在每一根导线上的电流是以相反方向（幅度相等的一对正负信号）在一对导线上传送。如果这一对导线是均匀的缠绕，这些相反的电流就会产生大小相等，反向极化的磁场，使它的输出互相抵消。在这一点上，正好与天线相反：天线中的电流在两根导线上以相同方向流动，并经过寄生电容CP到地返回。在这种情况下，电流产生大小相等极性相同的磁场，它们的输出不能相互抵消。共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场, 电信号就通过电磁场散发到空间中。（3）SFP光信号接口：光纤连接、电/光转换等功能。PMD是由电/光收发器SFP完成的，SFP光模块是光通信的核心器件，是通过光电转换来实现设备间信息传输的接口模块，由接收部分和发射部分组成。其中发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号，传输媒质为光纤。SFP与物理层芯片之间的信号接口：发射部分原理输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路(APC), 使输出的光信号功率保持稳定。接收部分原理一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号。光模块的主要参数及意义传输速率传输速率指每秒传输比特数，单位 Mbps 或 Gbps。目前常用的传输速率有 155Mbps, 1.25Gbps, 2.5Gbps, 10Gbps等。传输距离光模块一般有多模550m, 单模15km, 40km, 80km和120km等。光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。一般划分如下：光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散，这是光模块的传输距离受到限制的主要原因。中心波长中心波长指光信号传输所使用的光波段,单位纳米(nm), 目前主要有850nm波段、1310nm 波段以及 1550nm 波段。至于电信号如何调制到光信号上，将单独的章节探讨。至此，用户数据的与“I Love you”对应的二进制数据，经过以太网MAC层封装、物理层的数字编码、电信号符号编码，转成了相关的电信号，再经过网络变压器或SFP光电转换器，就可以在物理线路上发送了。六、信道对信息的传输过程这里的信道主要是指RJ45双绞线信道与光纤信道。七、信宿对信息的接收过程及其关键原理1、以太网的解码过程2、信宿的接收过程信宿对信息的接收过是信号的发送过程的反向过程（1）信号的接收：如果是10/100M电口，这里主要是RJ45口和网络变压器对物理信号的接收如果是100M光口，这里主要是SFP光电转换器对光信号的接收，并转换成电信号。（2）物理层电信号解码或符号解码如果是10电口, 主要是曼切斯特编码解码。如果是100M电/光，这里主要是NRZI解码。（3）物理层信道解码：如果是100M电/光，主要是扰码、4B/5B编码（4）网络解码：解码MAC层解帧与CRC校验。（5）数据：经过CRC检查和MAC帧解码，得到“I Love You”对应的二进制ASCII编码的数据。（6）信宿：美女B美女B是一个程序员，通过二进制，直接翻译成“I Love You”，感受到了帅哥A的浓浓爱意。至此，整个以太网通信案例介绍完毕。扩展阅读：信号波形及频谱乐竹：网络层接收消息—分片组装09 论数据如何被切片的-IP切片及IP首部讲解编辑于 2022-12-22 18:04・IP 属地北京通信原理信息通信赞同 13211 条评论分享喜欢收藏申请

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最新推荐文章于 2023-12-28 10:37:21 发布

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网络上所有的工作站共享数据信道，并且以广播方式发送载波侦听

发送数据前侦听总线上是否有数据传输若无数据传输，立即发送准备好的数据若有数据传输，则不发送数据冲突检测

发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有再传输的过程中与其他工作站的数据发生冲突退避算法：随即延迟值

小总结

先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说

以太网帧

来自线路的二进制数据包称作一个帧。从物理线路上看到的帧，除其他信息外，还可看到前导码和帧开始符。任何物理硬件都会需要这些信息。下面的表格显示了在以1500个八比特组为MTU传输(有些吉比特以太网甚至更高速以太网支持更大的帧，称作巨型帧)时的完整帧格式。一个八比特组是八个位组成的数据(也就是现代计算机的一个字节)。 Ethernet II和IEEE802.3的帧格式比较类似，主要的不同点在于前者定义的2字节的类型，而后者定义的是2字节的长度；所幸的是，后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样就容易区分两种帧格式了。

0x0000-0x05DCIEEE 802.3 长度0x0101-0x01FF实验0x0600XEROX NS IDP0x06600x0661DLOG0x0800网际协议（IP）0x0801X.75 Internet0x0802NBS Internet0x0803ECMA Internet0x0804Chaosnet0x0805X.25 Level 30x0806地址解析协议（ARP ： Address Resolution Protocol）0x0808帧中继 ARP （Frame Relay ARP） [RFC1701]0x6559原始帧中继（Raw Frame Relay） [RFC1701]0x8035动态 DARP （DRARP：Dynamic RARP）反向地址解析协议（RARP：Reverse Address Resolution Protocol）0x8037Novell Netware IPX0x809BEtherTalk0x80D5IBM SNA Services over Ethernet0x80F3AppleTalk 地址解析协议（AARP：AppleTalk Address Resolution Protocol）0x8100以太网自动保护开关（EAPS：Ethernet Automatic Protection Switching）0x8137因特网包交换（IPX：Internet Packet Exchange）0x814C简单网络管理协议（SNMP：Simple Network Management Protocol）0x86DD网际协议v6（IPv6，Internet Protocol version 6）0x8809OAM

前导码和帧开始符一个帧以7个字节的前导码和1个字节的帧开始符作为帧的开始。快速以太网之前，在线路上帧的这部分的位模式是10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011。由于在传输一个字节时最低位最先传输(LSB)，因此其相应的16进制表示为0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0xD5。 10/100M 网卡(MIIPHY)一次传输4位(一个半字)。因此前导符会成为7组0x5+0x5,而帧开始符成为0x5+0xD。1000M网卡(GMII)一次传输8位，而10Gbit/s(XGMII) PHY芯片一次传输32位。注意当以octet描述时，先传输7个01010101然后传输11010101。由于8位数据的低4位先发送，所以先发送帧开始符的0101，之后发送1101。报头报头包含源地址和目标地址的MAC地址，以太类型字段和可选的用于说明VLAN成员关系和传输优先级的IEEE 802.1QVLAN 标签。帧校验码帧校验码是一个32位循环冗余校验码，以便验证帧数据是否被损坏。帧间距

IP报文格式

IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制。在局域网环境，IP协议往往被封装在以太网帧中传送。而所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都被封装在IP数据报中传送。　　版本：IP协议的版本，目前的IP协议版本号为4，下一代IP协议版本号为6。

首部长度：IP报头的长度。固定部分的长度（20字节）和可变部分的长度之和。共占4位。最大为1111，即10进制的15，代表IP报头的最大长度可以为15个32bits（4字节），也就是最长可为15*4=60字节，除去固定部分的长度20字节，可变部分的长度最大为40字节。服务类型：Type Of Service。占8比特。其中前3比特为优先权子字段（Precedence，现已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0，若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如：TELNET协议可能要求有最小的延迟，FTP协议（数据）可能要求有最大吞吐量，SNMP协议可能要求有最高可靠性，NNTP（Network News Transfer Protocol，网络新闻传输协议）可能要求最小费用，而ICMP协议可能无特殊要求（4比特全为0）。实际上，大部分主机会忽略这个字段，但一些动态路由协议如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-IS（Intermediate System to Intermediate System Protocol）可以根据这些字段的值进行路由决策。总长度：IP报文的总长度。报头的长度和数据部分的长度之和。标识：唯一的标识主机发送的每一分数据报。通常每发送一个报文，它的值加一。当IP报文长度超过传输网络的MTU（最大传输单元）时必须分片，这个标识字段的值被复制到所有数据分片的标识字段中，使得这些分片在达到最终目的地时可以依照标识字段的内容重新组成原先的数据。标志：共3位。R、DF、MF三位。目前只有后两位有效，DF位：为1表示不分片，为0表示分片。MF：为1表示“更多的片”，为0表示这是最后一片。片位移：本分片在原先数据报文中相对首位的偏移位。（需要再乘以8）生存时间：IP报文所允许通过的路由器的最大数量。每经过一个路由器，TTL减1，当为0时，路由器将该数据报丢弃。TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定，当前值为 64。发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255。协议：指出IP报文携带的数据使用的是那种协议，以便目的主机的IP层能知道要将数据报上交到哪个进程（不同的协议有专门不同的进程处理）。和端口号类似，此处采用协议号，TCP的协议号为6，UDP的协议号为17。ICMP的协议号为1，IGMP的协议号为2. 首部校验和：计算IP头部的校验和，检查IP报头的完整性。源IP地址：标识IP数据报的源端设备。目的IP地址：标识IP数据报的目的地址。

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以太网原理

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以太网帧结构解析

Oshyn —— 乐而学，学而乐

09-17

2万+

由于需要做一个分析网卡接收的数据包的Project，需要了解以太网帧结构并解析，发现有很多内容从一般网络方面的知识是不够的，因此查阅了相关资料再此做一个记录以备忘。

以太网是目前最流行的有线的局域网技术，特别是上世纪九十年后发展的交换式局域网增加了有效数据速率，同时集线器和交换机等普通且便宜的硬件更助长了其普及程度。以太网的数据帧格式如下图所示：

数据字段：在交换式以太网中，一台主机向

以太网网卡的结构和工作原理

Z_xiaoying的博客

05-06

7505

以太网网卡的结构和工作原理，按照老师的要求写的一个小论文。

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10G以太网原理.rar

10-11

10G以太网原理，是一系列文章连载合集，自己学习过程中整理的，看完能够完全掌握以太网的原理，物理层实现，是很好的入门文章

FPGA实现以太网（一）——以太网简介

以太网（Ethernet）入门了解_network 之二 ethernet(以太网)-CSDN博客

以太网（Ethernet）入门了解

最新推荐文章于 2023-08-07 16:23:15 发布

Open-AI

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以太网（Ethernet）是一种常见的局域网（LAN）通信协议，它是由Xerox公司于1970年代中期开发的。以太网是一种基于广播技术的开放式网络协议，它允许设备在共享通信介质上进行通信。以下是关于以太网的基本概念、原理和应用介绍。

一、什么是以太网？

以太网是一种标准化的网络通信协议，它定义了在网络上传输数据的方式。以太网使用一种称为载波侦听多路访问（CSMA/CD）的机制来避免数据冲突。以太网使用双绞线作为物理传输介质，可以在短距离内实现高速数据传输。

二、以太网的工作原理

1、载波侦听多路访问（CSMA/CD）

以太网使用CSMA/CD机制来避免数据冲突。在以太网上，每个设备都在发送数据之前先检查介质是否空闲。如果介质忙碌，则设备会等待一段时间再尝试发送。当设备检测到介质空闲时，它会发送数据，并在发送过程中持续检测是否存在冲突。如果检测到冲突，设备会发送一个特殊的干扰信号，并重新尝试发送数据。

2、媒体流量控制

以太网使用PAUSE命令来实现媒体流量控制。当一个设备发送数据时，它会同时发送一个PAUSE命令，该命令告诉其他设备在一定时间内不要发送数据。这样，发送数据的设备就可以在媒体上获得持续的时间段，从而实现流量控制。

3、安全性

以太网可以通过多种方式来提高安全性，如使用虚拟私有网络（VPN）或网络地址转换（NAT）来隐藏私有IP地址。此外，以太网还可以使用防火墙和入侵检测系统来保护网络免受攻击。

三、以太网的优点和缺点

1、优点

（1）开放性和互操作性：以太网是一种开放式的标准协议，可以在不同的厂商生产的设备之间实现互操作性。

（2）广泛支持：以太网是最广泛使用的网络协议之一，它在家庭、企业和组织中都有广泛的应用。

（3）高速传输：以太网可以在短距离内实现高速数据传输，适用于需要高速性能的场景。

2、缺点

（1）带宽限制：由于以太网使用共享媒体，因此带宽受到限制。在高带宽需求下，多个设备可能无法同时访问媒体，导致性能下降。

（2）距离限制：以太网的传输距离受到限制，通常在几百米以内。需要扩展网络范围时，需要使用中继器或网关等设备。

（3）安全性问题：虽然以太网可以通过多种方式提高安全性，但仍然存在潜在的安全漏洞。需要采取额外的安全措施来保护网络和数据的安全性。

四、以太网的应用

以太网广泛应用于各种场景，包括家庭、企业和组织。在智能家居中，以太网可以连接各种设备，如智能灯泡、智能插座等。在医疗设备中，以太网可以用于连接各种监测设备和医疗仪器。此外，以太网还广泛应用于自动控制、数据中心和云计算等领域。

五、未来发展趋势

随着技术的发展和应用的多样化，以太网也在不断演进和发展。未来，以太网将朝着更高的速度、更强的性能和更安全的方向发展。以下是一些可能的发展趋势：

速度提升：随着带宽需求的不断增加，以太网的速度也在不断提升。例如，千兆以太网和万兆以太网已经得到广泛应用，而更高速的40Gbps和100Gbps以太网也在不断发展和推广。无线扩展：随着无线技术的发展，以太网也开始与无线技术结合，实现无线扩展。例如，WiFi、蓝牙和Zigbee等无线技术可以与以太网结合，实现更灵活和广泛的网络覆盖。虚拟化和云计算：随着虚拟化和云计算的普及，以太网也开始向这些领域扩展。例如，虚拟专用网络（VPN）和网络地址转换（NAT）等技术可以基于以太网实现，从而提供更灵活和安全的网络连接。工业自动化：随着工业自动化的发展，以太网在工业领域的应用也越来越广泛。例如，基于以太网的工业互联网（IIoT）正在迅速发展和推广，为工业生产提供更智能、更高效的解决方案。

六、结语

以太网是一种重要的局域网通信协议，自1970年代中期问世以来，已经得到了广泛应用和普及。随着技术的进步和应用的发展，以太网不断演进和完善，并将在未来继续发挥重要作用。

通过深入了解和学习本站其他模板样例文章的内容可以帮助我们更好地理解该领域的相关知识结构和表达方式；同时也可以结合自己的兴趣和需求进行拓展性阅读和学习相关领域的更多内容。

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以太网（Ethernet）入门了解

以太网是一种标准化的网络通信协议，它定义了在网络上传输数据的方式。以太网使用一种称为载波侦听多路访问（CSMA/CD）的机制来避免数据冲突。以太网使用双绞线作为物理传输介质，可以在短距离内实现高速数据传输。以太网是一种重要的局域网通信协议，自1970年代中期问世以来，已经得到了广泛应用和普及。随着技术的进步和应用的发展，以太网不断演进和完善，并将在未来继续发挥重要作用。通过深入了解和学习本站其他模板样例文章的内容可以帮助我们更好地理解该领域的相关知识结构和表达方式；

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以太网介绍及硬件设计

sinat_15677011的博客

04-15

1万+

以太网MAC和PHY

MAC

MAC(Media Access Control) 即媒体访问控制层协议。MAC由硬件控制器及MAC通信协议构成。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。MAC硬件框图如下图所示：

在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层...

EtherNet基础入门思维导图

07-12

1、包含标准以太网OSI模型

2、EtherCat协议

3、EtherNet/IP协议

适合新手扫盲，或对以太网知识学习要求不高的同学使用

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车载以太网第十章，车载以太网第十章

07-12

车载以太网第十章，车载以太网第十章

以太网概述

橘子皮的博客

05-08

262

以太网相关知识点

计算机网络---以太网

qq_63976098的博客

09-16

1495

以太网；以太网传输介质与拓扑结构的发展；10BASE-T以太网；适配器&MAC地址；高速以太网

以太网Ethernet通信协议

STATEABC的博客

08-07

7356

以太网协议（Ethernet Protocol）是一种广泛应用于局域网（LAN）和广域网（WAN）的计算机网络通信协议。它是一种基于共享介质的局域网技术，最早由Xerox、Intel和Digital Equipment Corporation（DEC）于1970年代开发，并在1980年代初由IEEE标准化为IEEE 802.3。以太网根据最大传输速率的不同可以分为标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网 (1000Mbit/s)和万兆以太网(10Gbit/s)。

接口协议（四）：以太网（Ethernet）学习（一）：协议

深入理解以太网网线原理 - 知乎

深入理解以太网网线原理 - 知乎首发于嵌入式工程猫的专栏切换模式写文章登录/注册深入理解以太网网线原理嵌入式工程猫译者按：大部分人都知道，百兆以太网只用了 RJ45 端口中的 2 对 4 根线，分别为 TX、RX 的差分信号。千兆以太网用了 RJ45 端口中的全部 4 对 8 根线，但是这 4 对 8 根线是怎么定义的？哪些属于 TX，哪些属于 RX？我也不知道，而且以前居然没有认真去了解过，所以我决定找一篇与此相关的文章翻译一下，分享给大家。本文是“攻玉计划”的一部分，翻译自 https://www.practicalnetworking.net/stand-alone/ethernet-wiring/当我们谈到“以太网”的时候，我们可能会讨论各种概念，包括所有线缆规格（10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T 等等）。这些协议规定了导线上的电平（即 0/1 信号）是如何传递的，也规定了如何将电平信号解析为数据帧。本来，此文只想简单介绍一下交叉线和直通线之间的基本区别，但基于我们的原则，我们觉得应该更深入一些。首先，我们会先介绍一些术语，并消除一些歧义，然后回答一些基本的问题：我们为什么要用交叉线或者直通线？到底什么是双绞线？一个个比特位是如何在线上传播的？最后，我们会综合这些概念，并探讨一下千兆以太网的相关标准。术语解释即使你刚接触网络通信不久，也应该听说了很多网线相关的概念，例如“以太网”“双绞线”“RJ45”“屏蔽线”“非屏蔽线”等。但这些概念代表了什么含义？互相之间又有什么异同？有没有什么概念被误用了？坦白而言，这些概念经常被误用，不妨看看：8P8C这是网线两端接口的物理标准，表示它有 8 个卡口位（Position）和 8 个触点（Contacts）。这也定义了此塑料透明接口的外形设计和尺寸。RJ45标准插座接口（Registered Jack）第 45 号标准定义了线缆中导线的个数以及线序，并规定使用 8P8C 的物理接口。特别地，RJ45 定义了两种线序标准：T568a 和 T568b：请注意，两个标准唯一的实际区别是第 2 对线和第 3 对线的颜色不同。很多人经常用 RJ45 来指代 8P8C 插口，但这是不对的。还有另一种叫 RJ61 的类似标准，也使用了 8P8C 的插口，但其内部的线序不一样。标准插座接口定义家族中还有很多其他 RJxx 的接口，但接线定义和物理尺寸都不一样。双绞线双绞线是一种组合线缆，包含了 8 根独立的导线，其中每两根作为一对，每对的两根线互相绞绕在一起。由此得到 4 对导线，每对导线作为一个数据传输通道。导线成对出现这一概念很重要，我们在后文中会讲到，简而言之，这有助于减少电磁干扰（EMI）。通常，双绞线有两种规格：屏蔽线及非屏蔽线。注意，不管哪种规格，网线中都有 4 对导线，也就是 4 个独立的数据通道。非屏蔽线非屏蔽线（Unshielded Twisted Pair）（UTP）在实际工程部署中更为常见。它对外部的电磁噪声没有额外的防护，但得益于双绞线的固有特性，其数据传输也非常可靠。我们将在后文详细阐述。非屏蔽线更便宜，物理韧性更好，也更软。这些优点使得非屏蔽线在大多数场合更受欢迎。屏蔽线屏蔽线（Shielded Twisted Pair）（STP）在每对双绞线、以及全部 4 对导线最外侧都包有额外的金属屏蔽壳，这有助于隔离信号传输时的电磁噪声。但同时，如果屏蔽壳的某个地方出现了破损，或者屏蔽壳在网线两端没有都良好接地，它自身可能会成为一个天线，并且会因为空间中随处可见的无线电波（比如 Wi-Fi 信号）而给信号传输带来额外的电磁噪声。更为甚者，屏蔽线必须与带屏蔽的 8P8C 插头一起使用，才能实现全链路端到端的屏蔽功能。显然，屏蔽线肯定更贵，也比非屏蔽线更脆弱，因为如果屏蔽线被过度弯曲的话，其屏蔽壳很容易破损。因此，屏蔽线的使用场合比非屏蔽线少得多。屏蔽线通常只会用在对电磁屏蔽高度敏感的场合，例如，网线紧挨着发电机或者重型机械的输电线等。以太网就像我们之前说的，以太网（Ethernet）是一系列标准的合集，其中之一就是不同的接线规格：10BASE-T，100BASE-TX，1000BASE-T 等等。以太网协议也定义了每个比特（1 和 0）如何在线缆上传输，以及如何将这些比特流组合为有意义的数据帧。例如，以太网规定每帧数据的前 56 个比特必须是交替出现的 1 和 0（即“前导码”），接下来 8 个比特必须是 10101011（即帧起始标志），再接下来 48 个比特是目标 MAC 地址，然后是 48 个比特的源 MAC 地址……直到整个数据帧被全部传输完毕。接下来，我们将讨论以太网标准中不同规格的接线规格。BASE T* 相关术语本节讲述的概念都与网线内部的导线如何使用相关。例如，哪些用来发送数据，哪些用来接收数据，如何发送信号，以及电压等级。BASE T* 这一概念有三个组成部分，所以在我们讲述特定的标准之前，先来单独了解一下它们，以 100 BASE-T 为例：100BASE-T 中的“100”开头的数字表示网线每秒可以传输多少“兆（百万）”比特，即 Mbps。100Mbps 的网线理论上每秒可传输 100,000,000 个比特，大概每秒 12.5 兆字节（MBps），注意大写的 B 和小写的 b 分别代表字节和比特。这一速率的网线有时被称为“快速以太网”，这是相较于 10Mbps 的“普通以太网”以及 1000Mbps 的“吉比特以太网”而言的。100BASE-T 中的“BASE”base 这个概念是“基带”（baseband）信号的缩写，对应的概念是“宽带”（broadband）信号。这些概念刚出现的时候，其区别是：基带在介质中传输数字信号，宽带在介质中传输模拟信号。数字信号和模拟信号的区别在于其可被解析的值个数。模拟信号可以表示无数种不同的值，例如，我们可以用一根线上某个特定的电压值来表示一个绿色的像素点，而另一个电压值来表示红色的像素点，以此类推，这样，这根线就能传输一张图片上的每一个像素点。数字信号可以表示有限个不同的值，通常就两个：1 和 0。如果上述的图片用一根数字信号线来传输的话，我们会传输一系列 1 和 0 的信号流。接收端可以解析这些二进制数据为一系列数字，例如基于 RGB 颜色编码，就能构造出每一个像素点。也就是说，数字信号和模拟信号的主要区别就是，模拟信号线上可获得无穷多中不同的值，而数字信号线上，要么是 0，要么是 1，不可能出现第三种情况。如此一来，数字信号传输具有更高的容错率，因为导线上的电压范围只被分为了两种情况（1 或者 0）。译者按：原文在此处举了更多的例子来详细阐述“模拟信号”和“数字信号”的区别，但译者认为过于冗余，故略去这部分篇幅。100BASE-T 中的“-T”“-T”表示其为双绞线（Twisted Pair）。相似的标准还有“-2”及“-5”，表示其是最大长度为 200 和 500 米的同轴电缆，以及“-SR”和“-LR”，表示其为短距离（Short Range）和长距离（Long Range）光纤。以上解释了 BASE T* 相关术语的三个独立部分，我们现在可以探讨下快速以太网的两个重要规范（对于吉比特以太网的相关规范，我们会在后文继续探讨）：100BASE-T4100BASE-T4 使用了网线中全部 4 对 8 根线。其中一对仅仅用于发送信号（TX），一对仅仅用于接收信号（RX）。剩下两对既可以用于 RX 也可以用于 TX，这通过网线两端设备的协商来决定具体用途。T4 是双绞线早期的标准之一，但由于其过于复杂且必要性不强，如今已很少使用。100BASE-TX100BASE-TX 只使用了网线中的 2 对 4 根线，其中一对用于 TX，另一对用于 RX，剩下两根线没有使用。你完全可以做一根只有 4 根线的网线以实现 100BASE-TX 的所有功能，只要插口触点位置正确即可（位号1，2，3，6），但通常网线铺设过程中，另外 4 根线也保留了下来，用于占位，并适配未来可能的场景升级。100BASE-TX （包括全部 8 根线）是如今最常用的快速以太网标准。但是，它通常被简写成了 100BASE-T。再强调一下，T 只表示其为双绞线，而 TX 才表示其使用了 1&2 及 3&6 两对线。以上介绍可从实用性和技术性的角度帮读者理解相关概念。而在实际情况中，即使你不理解原理，直接使用这些产品也非常简单，就算犯一些小错误，也是允许的。为什么使用交叉线网上能找到很多“交叉线”及“直通线”应用场景的相关教程，但他们一般很少解释其原理。本节我们会深入探讨一下相关概念。100BASE-TX 及 10BASE-T 标准中定义的网线，都包含 8 根导线，两两以双绞线的形式结合为 4 对。在这四对线中，实际只用到两对：第 2、3 对。每根线都是单工的介质，也就是说，信号只能按照指定的单方向传输。为了实现全双工通讯，某对线将始终沿某个方向传输数据，而另一对线将始终沿相反的方向传输数据。网络接口卡（Network Interface Card）（NIC）的配置会决定哪对线用于发送数据，哪对线用于接收数据。使用第 2 对线（1 号和 2 号引脚）发送数据（TX）、且使用第 3 对线（3 号和 6 号引脚）接收（RX）数据的的 NIC 被称作介质相关接口（Media Dependent Interface）（MDI），与之相反，使用第 3 对线作为 TX、第 2 对线作为 RX 的 NIC 被称为交叉模式介质相关接口（Media Dependent Interface Crossover）（MDI-X）。电脑之间直连通讯假设一台电脑使用 MDI 模式的 NIC ，那么它就总是用第 2 对线发送数据，用第 3 对线接收数据。但如果两台用网线连接在一起的电脑都用第 2 对线发送数据，那么就会产生冲突。与此同时，两台电脑也都无法从第 3 对线上接收到数据。因此，网线对需要交叉一下，以便从一台电脑的第 2 对线发送的数据，会被另一台电脑的第 3 对线接收到，反之亦然。下图是一个简单的示意（无需在意示意图中线的颜色，这只是为了区分两个不通的路径而已）：注意，两台电脑都在独立的通道上发送数据，并且依靠交叉线机制（如图所示中间的 X），两台电脑都能接收到对方发送的数据。因此，两台电脑直连后，必须使用交叉线才能通讯。电脑之间通过交换机通讯交换机使得同一网络下两台电脑的通讯变得更简单。交换机的 NIC 都采用 MDI-X 标准，也就是说，交换机总是在第 3 对线上发送数据，在第 2 对线上接收数据（与电脑的 NIC 相反）。也就是说，交换机内部有一个交叉的机制，网线本身也就不需要交叉了：可见，连接在交换机上的电脑可以直接使用直通线，让交换机处理线序交叉即可。端到端的通讯路径也是一样的：每个设备都在自己的 TX 线上发送数据，在 RX 线上接收数据。电脑之间通过两个串联的交换机我们刚刚讨论了，两台电脑直连，需要使用交叉线；类似的，两台交换机之间也需要交叉线：在这种情况下，端到端的通讯路径也与上述方式无异。路由器与集线器那么，路由器和集线器呢？他们用了怎样的 NIC ？实际情况是，路由器与电脑类似，使用了 MDI 标准（第 2 对线是 TX，第 3 对线是 RX），因此，你可以将上述图片中的任意电脑换成路由器，通讯路径分析也是一样的。而集线器与交换机类似，使用 MDI-X 标准。译者按：此处的“路由器”是狭义上仅具有“路由”功能的设备，不等于常见的家用无线路由器以太网线序图前文讲到，RJ45 的导线颜色有两种标准：T568a 和 T568b。双绞线两侧所使用的标准决定了其是交叉线还是直通线。要想做一根直通线，只要保证线两端的标准一致就行了，都是 T568a 或者都是 T568b：要想做一根交叉线，只需其中一端为 T568a，另一端为 T568b 即可。注意，第 1 对线和第 4 对线没有使用（蓝色对和棕色对）。理论上你的网线中可以去掉这几根线，但是去掉之后剩下的线排列起来有些困难。另外，这两对线因为用不到，所以无需交叉。但是，吉比特以太网标准需要用到全部 8 根线，所以为了一致性，通常所有网线对都被交叉。我们会在后文讨论吉比特以太网。最后需要注意的是，数据信号本身并不在乎导线的颜色，只要它们连在了正确的接口上就能通讯。但能用不代表就是一个好主意，颜色乱接的话，后续维护起来就是噩梦。助记图综上所述，我们可以把交叉线和直通线的用法画作一张图：之所以这么摆放，是因为这样画起来更方便。我们把 L1、L2 层的设备画在左右两侧，L3 层设备画在上下两边，然后两两连接。关于网络协议分层请参见 OSI 模型。小结一下：L1/L2 层设备互相连接，需要交叉线；L1/L2 层设备与 L3 层设备连接，需要直通线；L3 层设备互相连接，需要交叉线。或者更简单：同则交叉异则直通自动 MDI-X即使知道了什么时候该用直通线，什么时候该用交叉线，对于网络工程师来说，布线也常常是个头疼的事情。于是，出现了一个新技术，可以自动分析两台设备的接口模式，并决定是否要交叉 TX/RX。这个技术叫做“自动 MDI-X”。使用自动 MDI-X 技术，任意两台设备之间都可以通过直通线连接，并让两端动态确定是否需要交叉 TX 和 RX。自动 MDI-X 是 100BASE-T 实现中的一个可选功能，而在所有吉比特以太网设备中是必须的。自动 MDI-X 的工作原理那么，自动 MDI-X 是如何实现的？两端的设备如何确定哪对线是 TX 或 RX？如果有必要的话，哪一边的设备会交换 TX 和 RX？本节会介绍其内部工作原理。记住，交叉线的目的是让一方的 TX 连接到另一方的 RX。也就是说，一方的 NIC 必须用 MDI 标准，另一方必须是 MDI-X 标准。自动 MDI-X 是这样实现这一功能的：双方都先生成 1-2047 中的一个随机数，如果随机数是奇数，那么这一方会将自己的 NIC 配置为 MDI-X 模式；如果是偶数，则配置为 MDI 模式。而后双方就开始在其所选择的 TX 线上发送连接脉冲信号。如果双方都能在自己的 RX 线上收到对方的连接脉冲，那么就代表协商完成，因为双方都能在 TX 线上发，在 RX 线上收。如果双方都不能收到对方的连接脉冲，那么它们肯定都随机到了奇数或都随机到了偶数。因此，它们中的某一方必须将自身的 TX 和 RX 交换。但是双方不能同时交换 TX 和 RX，因为这样一来依然是冲突的。因此，我们设计了一个系统，以随机的时间间隔切换 TX/RX 对，直到双方成功协商。前文提到随机生成的数字（1-2047）会循环变化，以便双方能选择一个新的标准（MDI 或者 MDI-X）。但是这个数字不能每次加 1，因为这样的话，双方都会从奇数变为偶数，或者偶数变为奇数。换句话说，如果双方一开始都选择了 MDI 模式，如果同时加 1，它们都会切换为 MDI-X 模式，依然无法协商。所以，这个随机数使用了叫“线性反馈移位寄存器”的设备以实现循环变化。线性反馈移位寄存器（Linear-Feedback Shift Register）（LFSR）是一种算法，它会循环遍历某个范围内的所有数字，而且在每一个循环内不会重复。这些数字以一种可预测的、但随机的顺序循环出现（也就是说，它们不按照大小顺序依次出现，但出现的位置是确定的）。举个例子，如果双方随机的初始值分别为 1000 和 2000，那么它们在 LFSR 序列中下一个数字的奇偶性是完全随机的。但如果双方随机到了同一个初始值，那么它们之后随机出来的数字依然是一样的。这个过程会一直持续下去，直到双方成功协商。现在问题来了，万一双方随机到了相同的数字，然后循环的时间间隔也一样呢？我们可以简单计算一下出现这种情况的几率：双方随机到相同数字的几率是 1/2047，双方选择相同时间间隔的几率是 1/4，也就是说，双方同时切换 MDI/MDI-X 标准的几率是 1/8188。循环每大概 62ms 运行一遍，也就是说，每秒有大概 16 个循环（每次循环开始时都会重新随机一次）。那么双方在 1 秒之内始终是相同的循环时间的几率是 1/4,294,967,296 （42 亿分之一，1/2^32）。因此，二者结合，双方在一秒内始终随机到相同的随机数、且时间间隔也一样的几率是 1/8,791,798,054,912 （8.7万亿），这种事情几乎不可能发生，就算发生了，你再等一秒就行了。为什么使用双绞线在网络的物理连线上使用双绞线似乎毋庸置疑。但是，为什么呢？是什么源于让双绞线在网络布线选择中处于主导地位？有两个主要的原因，且都与电磁干扰（Electromagnetic Interference）（EMI）相关：使用双绞线可以极大减少导线向外辐射电磁干扰；使用双绞线可以减少外部电磁干扰对导线本身的影响。如果网线需要长距离与其他各种线缆捆绑在一起布置（比如数据中心或者配电箱），以上两个特性都是非常重要的。减少 EMI 向外辐射只要导线中有电流信号，那就一定会辐射 EMI，进而影响到周围的线缆——也就是通常所说的“串扰”。EMI 辐射可以通过额外的屏蔽装置补偿掉，但是大名鼎鼎的贝尔先生发明了抵消电磁干扰的绝妙方法。他的想法是使用两根导线，其中一根发送原始信号，另一根发送与原始信号完全相反的信号。如此一来，两根线会辐射恰好反向的 EMI，也就互相抵消了。简单解释一下，如果一根线发送 +10V 的电压，并辐射了 +0.01V 的 EMI；而另一根线同时发送 -10V 的电压，并辐射了 -0.01V 的 EMI。它们的 EMI 加起来就是 0。在电气工程中，这两根线通常被称为“差分对”，可以用 TX+ 和 TX- 来表示。这一发明可以实现不需要大量屏蔽的布线方案，也是当前非屏蔽线得以大量使用的原因之一。但现在我们只回答了“双绞线”中的“双”，至于为什么还要“绞”，我们继续往下看：减少外部 EMI 的吸收即使采用了上述的“差分线”，我们也无法避开所有外部的电磁干扰。无线网络、蓝牙、卫星通讯以及手机等都会成为空间中杂散的无线电波来源。但幸好贝尔又出现了，并设计了一种非常简单却很有效的方案以屏蔽电磁干扰。这一设计基于 EMI 的一个基本概念：离 EMI 辐射源越近，收到的干扰越强。如果两根线交替着靠近 EMI 辐射源，它们就能吸收同样多的辐射。如下图所示：蓝色线的初始电压是 +50V，绿线与之相反为 -50V。EMI 辐射源为图中的红圈，一圈圈向外辐射，离中心越远的圈层干扰电压越小。如果简单将图中每根线上绘制的点受到的干扰电压相加，会发现两根线都增加了 22V 的电压。尽管上图导线右侧的电压与左侧的不同，但是两根导线之间的电压差却总是一致的，一直都是 100V。EMI 对两根导线的影响是等同的。经过简单的计算与变换，即可根据最终的 100V 电压差得到初始信号分别为 +50V 和 -50V，如下图所示：提醒一下，以上 EMI 干扰相关电压数值被严重夸大了。实际上，正常情况下 EMI 带来的电压扰动是微伏（µV）级别的，即 1/1000,000 V。但原理依然是一样的。发送比特位上文讲到，网线中的数据是以数字信号的方式发送的，也就是一串 1 和 0 的数据流。但双绞线具体是如何发送数据的呢？我们接下来会用一个简化的模型来解释一下。发送数据信号，本质上来说就是在某段时间内，给导线加上变化的电压。收发双方会先协商好一个时钟频率，以确定传输的每一单位的电压信号将维持多长时间。简便起见，我们称之为“位号”。在给定的时间点，每一个位号只能表示线上传输的 0 或者 1。不同的标准会规定不同的电压等级，但由于我们简化了模型，所以不用管真正的电压是多少。但我们依然会使用 100BASE-TX 标准所规定的电压等级，即 +2.5V 和 -2.5V。如果要在某个位号上发送比特 1，发送方会向 TX+ 线上施加 +2.5V 电压；如果要发送比特 0，就向 TX+ 线上发送 -2.5V 电压。而 TX- 线则始终相反，比特 1 是 -2.5V，比特 0 是 +2.5V。下表是发送 110010101110 二进制序列的相关情况：注意上图不是网线的实体布局，只代表 TX+ 和 TX- 线上交替变化的电压信号。双绞线实际是均匀缠绕的。就像之前讲到的，每对中的两根线上的电压总是互为相反量，一切都很整齐，且在水平方向上是对称的。现在假设网线附近有 EMI 辐射源，我们在上表中添加一行噪声数据，然后看看最终会变成什么样：注意到，现在这幅图已经不再对称了。两根线仍然发送相反的电压，但加了一个偏置量。但是，接收端并不一定要完美的 +2.5V 和 -2.5V，它只需确定哪根线发送更高的电平。如果 TX+ 发送的是高电平，那么这个位号就表示 1，如果 TX- 是更高的电平，那么这个位号就表示 0。或者更简单，如果上图中蓝线在上面，就代表 1，黄线在上面，就代表 0。通过这种方式，接收端能一位一位地拼凑好整个数据，不管 EMI 对原始电平有怎样的干扰。可见，非屏蔽线不能消除电磁干扰，但能消除电磁干扰的影响。吉比特以太网我们已经详细介绍了快速以太网（100Mbps），现在我们继续讨论一下吉比特以太网（千兆以太网，1000Mbps 或者 1Gbps）。首要的区别就是，吉比特以太网标准需要用到全部 4 对 8 根线，不像百兆网只用到 2 对。因此，在制造吉比特以太网网线时，全部 4 对线都需要交叉。前文讲到，RJ45 有两种不同的标准：T-568a 和 T-568b。下图描绘了 4 对线都交叉它们各自的样子：也就是说，吉比特以太网需要自动 MDI-X。所以，你可以直接在千兆网络中使用直通线，然后让网卡自动选择是否需要交叉。吉比特以太网有两种布线标准：1000BASE-TX此标准使用了全部 4 对线，但规定了其中两对线为 TX，另外两对线为 RX。理论上讲，这比 1000BASE-T 更简单，但是这需要更昂贵的 Cat6 网线，而不是常见的 Cat5 或 Cat5e 网线。因此，1000BASE-TX 在实际部署中并不常见。1000BASE-T这是当前应用最广泛的吉比特以太网标准。它以全双工模式同时使用了全部 4 对线，也就是说每对线都可以同时用作 RX 和 TX。这是通过“回声消除”技术实现的，我们会在下一节详细阐述。使用这种线序标准的最大优势是，你可以在现有的 Cat5e 网线上跑到千兆，而无需升级到更贵的 Cat6 网线。 1000BASE-T 经常被错误地指代 1000BASE-TX。这可能是因为在快速以太网协议中，占主导地位的标准是 100BASE-TX。另外很多时候，线缆标准也经常合起来称作 10/100/1000 BASE-TX。实际上，各个不同速率下，占主导的以太网协议分别是 10BASE-T、100BASE-TX 以及 1000BASE-T。在同一对线上实现全双工上节说到，1000BASE-T 标准可以在同一对线上同时发送和接收数据。在本节我们将解释这是如何实现的。首先，我们来做一个简单的类比。你应该有过这样的经历：在跟别人通电话时，如果对方开了免提，你就能在听筒中听到自己的声音。这是因为你的声音从对方的扬声器中发出，在空间中遇到障碍物反射，又被对方的麦克风接收。这就叫做回声。高端的电话可以从麦克风收到的声波中剔除扬声器发出的声波——这个技术就叫做回声消除。回声消除也是吉比特以太网能够在同一对线上同时发送和接收数据的基础。基本原理就是，如果你知道你发送了什么信号，那么你就能从你收到的信号中将其剔除。前文讲到，发送信号本质上是往导线上施加电压。反之，接收信号就是读取导线上的电压值。如果发送方往某根导线上施加了以下电压：+0.5V, +1V, -2V, -1V同时，也是发送方，它在同一个导线上读取到了以下电压值：+1.5V, 0V, -2.5V, +1V那么，发送方可做一个减法，用读取值减去其发送的值，这样就能得到对方往这根线上加了多高的电压：+1V, -1V, -0.5V, +2V如此一来，同一根线就能在同一时间，同时发送和接收数据了。再次强调，上述电压值仅仅为了解释原理，实际情况下，电压值可能完全不同，还会包含 EMI 等。同时，我们刚刚只讨论了双绞线中的一根线，另一根线仍然会承载反向的电压。使用这种技术，全部 4 对线都可被同时用作 TX 和 RX。另外与前面几节的讨论相同，由于采用了双绞线，它们都还会消除入方向和出方向的 EMI。总结读到这里，你应该对以太网和双绞线的知识点有一个宏观的理解了。这些年我们学习并整理出了这篇文章，原来看似简单的网线居然囊括了这么多技术点，现在感觉很对不起那些被我随便就扔掉的网线了。以太网线充满了许多我们本以为理所当然的技术，但实际却很复杂。本文为了便于理解，也省略了很多细节，如果读者有兴趣可以继续研究。编辑于 2024-02-29 14:41・IP 属地江苏网络工程以太网（Ethernet）赞同 24719 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录嵌入式工程猫的专栏嵌入式物联网全栈系统

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什么是以太网？以太网的工作原理和用途

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2023-01-13

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什么是以太网？

以太网是一种网络技术，包括将台式机或笔记本电脑插入局域网（LAN）所需的协议、端口、电缆和计算机芯片，通过同轴或光纤电缆快速传输数据。

以太网是Xerox在1970年开发的一种通信技术，它通过有线连接，连接网络中的计算机。它连接局域网（LAN）和广域网（WAN）系统。借助 LAN 和 WAN，打印机和笔记本电脑等多种设备可以跨建筑物、住宅甚至小型社区连接。

它提供了一个简单的用户界面，便于连接多个设备，包括以太网交换机、路由器和 PC。只需一个路由器和几个以太网连接，就可以构建局域网（LAN），使用户能够在所有连接的设备之间进行通信。这是因为笔记本电脑具有以太网连接器，电缆插入其中，另一端连接到路由器。

在建立以太网连接时，大多数以太网设备与慢速设备兼容，但是连接速度将由最弱的组件决定。

无线网络在许多地方已经取代了以太网，但后者在有线网络中仍然更加普遍。有线网络比无线网络更可靠，更不容易受到干扰。这是许多企业和组织继续采用以太网的主要原因。

以太网在 1998 年庆祝成立 25 周年，随着技术的进步，它经历了多次修订。以太网随着其功能的扩展和发展而不断重新设计。今天，它是全球使用最广泛的网络技术之一。

以太网是如何演变的？

以太网于 1970 年初在Xerox Palo Alto Research Center（PARC）由包括David Boggs和Robert Metcalfe在内的一个小组创建。1983年， IEEE将其批准为标准。

Robert Metcalfe在1973年为Xerox PARC撰写的一份文件中提出了以太网的概念，标志着以太网发展的开始。Robert Metcalfe基于Aloha系统构建了以太网，这是1968年在夏威夷大学开始的一项早期网络计划。他在1973年确定该技术已经超越了其最初的名称Alto Aloha Network，并将其更名为以太网。

Metcalfe和Boggs以及他们在Xerox公司的同事Charles Thacker和Butler Lampson将在四年后成功地为以太网技术注册商标。

1980年，Xerox与Digital Equipment Corporation和Intel合作创建了第一个10 Mbps以太网标准。与此同时，IEEE局域网和城域网（LAN/MAN）标准委员会着手制定等效的开放标准。LAN/MAN 委员会成立了一个以太网小组委员会，名称为 802.3。IEEE于1983年通过了第一个以太网802.3标准，并于1985年正式发布。

以太网如何工作？

以太网的工作原理是怎样的？以太网协议采用星形拓扑或线性总线，这是 IEEE 802.3 标准的基础。在 OSI 网络结构中，此协议在物理层和数据链路层（前两个级别）工作。以太网将数据连接层分为两个不同的层：逻辑链路控制层和介质访问控制（MAC）层。

网络系统中的数据连接层主要关注将数据包从一个节点传输到另一个节点。以太网采用称为 CSMA/CD（载波检测多址/冲突检测）的访问机制，使每台计算机能够在通过网络传输数据之前侦听连接。

以太网还使用两个组件传输数据：数据包和帧。帧包含发送的数据有效负载以及以下内容：

发件人和收件人的 MAC 和物理地址用于识别传输故障的纠错数据有关虚拟局域网（VLAN）标记以及服务质量（QoS）的信息

每个帧都封装在包含许多字节数据的数据包中，以设置连接并标识帧的起始点。

以太网连接的关键组件

以太网连接包括以下内容：

以太网协议：该协议由Xerox公司在 1970 年开发。如前所述，它是一系列标准，用于控制以太网组件之间如何发送数据。以太网端口：以太网端口是计算机网络基础设施上的开口，可以插入以太网电缆。它支持带有 RJ-45 连接器的电缆。大多数计算机上的以太网连接器用于将设备连接到有线连接。计算机的以太网端口链接到安装在主板上的以太网网络适配器（也称为以太网卡）。路由器可能包含许多以太网端口，以支持各种有线网络设备。以太网网络适配器：以太网适配器是适合主板上的插槽并允许计算机连接到局域网（LAN）的芯片或卡。过去，这些总是与台式计算机一起使用。以太网现已集成到笔记本电脑和台式机主板的芯片组中。以太网电缆：以太网电缆（通常称为网络电缆）将计算机连接到调制解调器、路由器或以太网交换机。以太网电缆由 RJ45 连接、内部电缆和塑料护套组成。

以太网的主要用途

以太网现在已成为当今高度互联的数字世界中几乎无处不在的技术。这是因为它：

改善消费者的互联网体验：当他们的无线Wi-Fi数据连接速度不足时，家中的许多人会部署以太网连接。以太网通常用于链接局域网（LAN）和广域网（WAN）中的多个设备。提供高带宽连接：以太网提供每秒 10、100、1000、10000、40000 和 100000 兆（Mbps）的数据传输速率。最初创建以太网时，频段以兆每秒（Mbps）为单位定义，但目前以千兆位每秒（Gbps）计算。根据预算、区域和要求提供不同的速度选项：标准以太网的最高速度为 10Mbps，而快速以太网的最高速度为 100Mbps，千兆以太网的最高速度为 1Gbps，而 10 Gb 以太网的最高速度为 10Gbps。在成本和性能之间取得平衡：以太网因其实惠的价格和与任何后续网络设备的兼容性而被广泛使用。以太网速度在1983年约为10Mbps，现在超过400Gbps。以太网因其快速的速度、网络安全和可靠性而被公司、医院、学校、大学和工业领域广泛使用。增强 Wi-Fi 网络的功能：近年来，Wi-Fi 变得越来越流行。由于技术改进，Wi-Fi提高了速度并提供广泛的覆盖范围。Wi-Fi 传输只能同时支持有限数量的设备。在频繁具有Wi-Fi盲区的旧建筑物中，以太网连接是必不可少的。实施更高的安全性：以太网具有比 Wi-Fi 更安全的优势。Wi-Fi 热点范围内的任何人都可以访问通过无线电传输的数据。由于无线电信号传递信息，因此很容易被盗。相比之下，以太网提供的数据只能在局域网上访问。支持直流（DC）电力传输：顾名思义，以太网供电（POE）是通过以太网连接提供能源供应。它为许多设备供电，包括闭路电视摄像机和无线接入点。以太网供电的主要优点之一是不需要不同的电源。这对于将设备放置在远离最近电源的位置特别有用。

即使在高速无线连接时代，特别是随着Wi-Fi 6的出现，以太网仍然具有相关性。对于许多地区来说，它仍然是获得互联网接入的最佳方式，大多数家庭都有连接到路由器或集线器的以太网连接。以太网交换机市场尽管已经存在多年，但仍在不断增长。对于企业而言，以太网是网络基础设施的重要组成部分。通过了解以太网的工作原理，您可以优化有线互联网连接的功能。

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以太网（Ethernet） - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册以太网（Ethernet）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（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连…查看全部内容关注话题管理分享百科讨论精华视频等待回答详细内容以太网（英语：Ethernet）是一种计算机局域网技术。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控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。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（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch 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；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。概述：1990年代的以太网网卡或叫NIC（Network Interface Card，以太网适配器）。这张卡可以支持基于同轴电缆的10BASE2 (BNC连接器，左)和基于双绞线的10BASE-T（RJ-45，右）。以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道才能传送信息，有时也叫作以太（Ether）。这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体——光以太。每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。以太网通讯具有自相关性的特点，这对于电信通讯工程十分重要。CSMA/CD共享介质以太网：带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台电脑要发送信息时，在以下行动与状态之间进行转换：开始 - 如果线路空闲，则启动传输，否则跳转到第4步。发送 - 如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小回报时间（min echo receive interval）以确保所有其他转发器和终端检测到冲突，而后跳转到第4步。成功传输 - 向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式。线路繁忙 - 持续等待直到线路空闲。线路空闲 - 在尚未达到最大尝试次数之前，每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。超过最大尝试传输次数 - 向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式。就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都通过一个共同的介质（空气）来相互交谈。每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。如果两个客人同时开始讲话，那么他们都停下来，分别随机等待一段时间再开始讲话。这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。如果传输失败超过一次，将延迟指数增长时间后再次尝试。延迟的时间通过截断二进制指数后移（英语：Exponential_backoff）（truncated binary exponential backoff）算法来实现。最初的以太网是采用同轴电缆来连接各个设备的。电脑通过一个叫做附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收发器连接到电缆上。一条简单网路线对于一个小型网络来说很可靠，而对于大型网络来说，某处线路的故障或某个连接器的故障，都会造成以太网某个或多个网段的不稳定。因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端（destination），却会使用广播的形式，发送给线路上的所有电脑。在正常情况下，网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息，接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求，除非网卡处于混杂模式（Promiscuous mode）。这种“一个说，大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点，因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽，所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢，比如电源故障之后，当所有的网络终端都重新启动时。以太网中继器和集线器：在以太网技术的发展中，以太网集线器（Ethernet Hub）的出现使得网络更加可靠，接线更加方便。因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米（1,640英尺）。最大距离可以通过以太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4个中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。类似于其他的高速总线，以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，如果不这么做，就会发生类似电缆断掉的情况：总线上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。随着应用的拓展，人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器就是众所周知的集线器（Hub）。集线器可以连接到其他的集线器或者同轴网络。第一个集线器被认为是“多端口收发器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使许多台具有AUI连接器的主机共享一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立以太网网段的出现。像DEC和SynOptics这样的网络设备制造商曾经出售过用于连接许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。非屏蔽双绞线（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先应用在星型局域网中，之后也在10BASE-T中应用，最后取代了同轴电缆成为以太网的标准。这项改进之后，RJ45电话接口代替了AUI成为电脑和集线器的标准线路，非屏蔽3类双绞线/5类双绞线成为标准载体。集线器的应用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网络，提高了以太网的可靠性。双绞线以太网把每一个网段点对点地连起来，这样终端就可以做成一个标准的硬件，解决了以太网的终端问题。采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连接速度的限制（10或100 Mbit/s），这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网络负载过重时，冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网络的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前尽量提高网络的负载，通常会先做一些设定以避免类似情况发生。桥接和交换：尽管中继器在某些方面分隔了以太网网段，使得电缆断线的故障不会影响到整个网络，但它向所有的以太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个以太网网络上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题，桥接方法被采用，在工作在物理层的中继器之基础上，桥接工作在数据链路层。通过网桥时，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段；冲突和数据包错误则都被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什么位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。像生成树协议这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。早期的网桥要检测每一个数据包，因此当同时处理多个端口的时候，数据转发比Hub（中继器）来得慢。1989年网络公司Kalpana发明了EtherSwitch，第一台以太网交换机。以太网交换机把桥接功能用硬件实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。大多数现代以太网用以太网交换机代替Hub。尽管布线方式和Hub以太网相同，但交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势，例如更大的带宽和更好的异常结果隔离设备。交换网络典型的使用星型拓扑，虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网，但10BASE-T和以后的标准皆为全双工以太网，不再是共享介质系统。交换机启动后，一开始也和Hub一样，转发所有数据到所有端口。接下来，当它记录了每个端口的地址以后，他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。因此线速以太网交换可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通讯互不干扰。因为数据包一般只是发送到他的目的端口，所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。然而，交换式以太网仍然是不安全的网络技术，因为它很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。当只有简单设备（除Hub之外的设备）连接交换机端口时，整个网络可能处于全双工模式。如果一个网段只有2个设备，那么冲突探测也不需要了，两个设备可以随时收发数据。这时总带宽是链路的2倍，虽然双方的带宽相同，但没有发生冲突就意味着几乎能利用到100%的带宽。交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性，即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而，如果自动协商功能被关闭或者设备不支持，则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因（设备被设置为半双工会报告迟发冲突，而设备被设为全双工则会报告runt）。许多较低层级的交换机没有手工进行速率和双工设置的能力，因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时（例如其他设备不支持），自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的，因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时（反之亦然）则会导致双工错配。即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商，错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于预期，应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置为100Mbit，则可以手动强制设置成正确模式。.当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率（例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps）通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率，以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路，因此如果速率过高就会导致链路失效。解决方案为强制通讯端降低到电缆支持的速率。以太网类型：除了以上提到的不同帧类型以外，各类以太网的差别仅在速率和配线。因此，同样的网络协议栈软件可以在大多数以太网上执行。以下的章节简要综述了不同的正式以太网类型。除了这些正式的标准以外，许多厂商因为一些特殊的原因，例如为了支持更长距离的光纤传输，而制定了一些专用的标准。很多以太网卡和交换设备都支持多速率，设备之间通过自动协商设置最佳的连接速度和双工方式。如果协商失败，多速率设备就会探测另一方使用的速率但是默认为半双工方式。10/100以太网端口支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。部分以太网类型局域网（英语：Local Area Network，简称LAN）是连接住宅、学校、实验室、大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的计算机网络。相比之下，广域网（WAN）不仅覆盖较大的地理距离，而且还通常涉及固接专线和对于互联网的链接。相比来说互联网则更为广阔，是连接全球商业和个人电脑的系统。在历经使用了链式局域网（英语：ARCNET）、令牌环与AppleTalk技术后，以太网和Wi-Fi（无线网络连接）是现今局域网最常用的两项技术。机理：局域网（Local Area Network, LAN），又称内网。指覆盖局部区域（如办公室或楼层）的计算机网络。按照网络覆盖的区域（距离）不同，其他的网络类型还包括个人网、城域网、广域网等。早期的局域网网络技术都是各不同厂家所专有，互不兼容。后来，电机电子工程师学会推动了局域网技术的标准化，由此产生了IEEE 802系列标准。这使得在建设局域网时可以选用不同厂家的设备，并能保证其兼容性。这一系列标准覆盖了双绞线、同轴电缆、光纤和无线等多种传输介质和组网方式，并包括网络测试和管理的内容。随着新技术的不断出现，这一系列标准仍在不断的更新变化之中。以太网（IEEE 802.3标准）是最常用的局域网组网方式。以太网使用双绞线作为传输介质。在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1000Mb/s和10Gb/s的速率。其他主要的局域网类型有令牌环和FDDI（光纤分布数字接口，IEEE 802.8）。令牌环网络采用同轴电缆作为传输介质，具有更好的抗干扰性；但是网络结构不能很容易的改变。FDDI采用光纤传输，网络带宽大，适于用作连接多个局域网的骨干网。近两年来，随着802.11标准的制定，无线局域网的应用大为普及。这一标准采用2.4GHz 和5.8GHz 的频段，数据传输速度最高可以达到300Mbps和866Mbps。局域网标准定义了传输介质、编码和介质访问等底层（一二层）功能。要使数据通过复杂的网络结构传输到达目的地，还需要具有寻址、路由和流量控制等功能的网络协议的支持。TCP/IP（传输控制协议/互联网络协议）是最普遍使用的局域网网络协议。它也是互联网所使用的网络协议。其他常用的局域网协议包括，IPX、AppleTalk等。在无线 LAN 中，用户可以在覆盖区域内不受限制地移动。无线网络因其易于安装而在住宅和小型企业中流行起来。大多数无线局域网都使用 Wi-Fi，因为它内置于智能手机、平板电脑和笔记本电脑中。客人通常可以通过热点服务上网。网络拨接互联网（英语：Internet）是指20世纪末期兴起电脑网络与电脑网络之间所串连成的庞大网络系统。这些网络以一些标准的网络协议相连。它是由从地方到全球范围内几百万个私人、学术界、企业和政府的网络所构成，通过电子、无线和光纤网络技术等等一系列广泛的技术联系在一起。互联网承载范围广泛的信息资源和服务，比方说相互关系的超文本文件，还有万维网（WWW）的应用、电子邮件、通话，以及文件共享服务。互联网的起源可以追溯到1960年代美国联邦政府委托进行的一项研究，目的是创建容错与电脑网络的通信。互联网的前身ARPANET最初在1980年代作为区域学术和军事网络连接的骨干。1980年代，NSFNET（英语：NSFNET）成为新的骨干而得到资助，以及其他商业化扩展得到了私人资助，这导致了全世界网络技术的快速发展，以及许多不同网络的合并结成更大的网络。到1990年代初，商业网络和企业之间的连接标志着向现代互联网的过渡。尽管互联网在1980年代只被学术界广泛使用，但商业化的服务和技术，令其极快的融入了现代每个人的生活。互联网并不等同万维网，互联网是指凡是能彼此通信的设备组成的网络就叫互联网，指利用TCP/IP通讯协定所创建的各种网络，是国际上最大的互联网，也称“国际互联网”。万维网是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过互联网访问。在此定义下，万维网是互联网的一项服务。不过多数民众并不区分两者，常常混用。连接技术：任何需要使用互联网的计算机必须通过某种方式与互联网进行连接。互联网接入技术的发展非常迅速，带宽由最初的14.4Kbps发展到目前的100Mbps甚至1Gbps带宽，接入方式也由过去单一的电话拨号方式，发展成现在多样的有线和无线接入方式，接入终端也开始朝向移动设备发展。并且更新更快的接入方式仍在继续地被研究和开发。架构：最顶层的是一些应用层协议，这些协议定义了一些用于通用应用的数据报结构，包括FTP及HTTP等。中间层是UDP协议和TCP协议，它们用于控制数据流的传输。UDP是一种不可靠的数据流传输协议，仅为网络层和应用层之间提供简单的接口。而TCP协议则具有高的可靠性，通过为数据报加入额外信息，并提供重发机制，它能够保证数据不丢包、没有冗余包以及保证数据包的顺序。对于一些需要高可靠性的应用，可以选择TCP协议；而相反，对于性能优先考虑的应用如流媒体等，则可以选择UDP协议。最底层的是互联网协议，是用于报文交换网络的一种面向数据的协议，这一协议定义了数据包在网际传送时的格式。目前使用最多的是IPv4版本，这一版本中用32位定义IP地址，尽管地址总数达到43亿，但是仍然不能满足现今全球网络飞速发展的需求，因此IPv6版本应运而生。在IPv6版本中，IP地址共有128位，“几乎可以为地球上每一粒沙子分配一个IPv6地址”。IPv6目前并没有普及，许多互联网服务提供商并不支持IPv6协议的连接。但是，可以预见，将来在IPv6的帮助下，任何家用电器都有可能连入互联网。互联网承载着众多应用程序和服务，包括万维网、社交媒体、电子邮件、移动应用程序、多人电子游戏、互联网通话、文件分享和流媒体服务等。提供这些服务的大多数服务器托管于数据中心，并且通过高性能的内容分发网络访问。万维网（英语：World Wide Web）亦作WWW、Web、全球广域网，是一个透过互联网访问的，由许多互相链接的超文本组成的信息系统。英国科学家蒂姆·伯纳斯-李于1989年发明了万维网。1990年他在瑞士CERN的工作期间编写了第一个网页浏览器。网页浏览器于1991年1月向其他研究机构发行，并于同年8月向公众开放。罗伯特·卡里奥设计的Web图标万维网是信息时代发展的核心，也是数十亿人在互联网上进行交互的主要工具。网页主要是文本文件格式化和超文本置标语言（HTML）。除了格式化文字之外，网页还可能包含图片、视频、声音和软件组件，这些组件会在用户的网页浏览器中呈现为多媒体内容的连贯页面。万维网并不等同互联网，万维网只是互联网所能提供的服务其中之一，是靠着互联网运行的一项服务。参考文献： Wendell Odom. CCENT/CCNA ICND1 100-105 Official Cert Guide. Cisco Press. 2016: 43页. ISBN 978-1-58720-580-4.Internet协议观念与实现ISBN 9577177069Internet协议观念与实现ISBN 9577177069IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111网络化生存，乔岗，中国城市出版社，1997年，ISBN 978-7-5074-0930-7Richard J. Smith, Mark Gibbs, Paul McFedries 著，毛伟、张文涛译，Internet漫游指南，人民邮电出版社，1998年. ISBN 978-7-115-06663-3世界是平的，汤马斯·佛里曼著，2005年出版. ISBN 978-986-80180-9-9内容采用CC BY-SA 3.0授权。浏览量2690 万讨论量9728 帮助中心知乎隐私保护指引申请开通机构号联系我们举报中心涉未成年举报网络谣言举报涉企侵权举报更多关于知乎下载知乎知乎招聘知乎指南知乎协议更多京 ICP 证 110745 号 · 京 ICP 备 13052560 号 - 1 · 京公网安备 11010802020088 号 · 京网文[2022]2674-081 号 · 药品医疗器械网络信息服务备案（京）网药械信息备字（2022）第00334号 · 广播电视节目制作经营许可证:（京）字第06591号 · 服务热线：400-919-0001 · Investor Relations · © 2024 知乎北京智者天下科技有限公司版权所有 · 违法和不良信息举报：010-82716601 · 举报邮箱：jubao@zhihu.

把Ethernet（以太网）基本工作原理说清楚_冲突信号等于多台发送主机中一台主机的信号波形-CSDN博客

把Ethernet（以太网）基本工作原理说清楚

最新推荐文章于 2023-08-07 16:23:15 发布

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Ethernet 数据发送流程（1）载波侦听过程（2）冲突检测方法发现冲突、停止发送随机延迟重发

Ethernet帧结构Ethernet V2.0标准和 IEEE 802.3标准的Ethernet帧结构的区别前导码类型字段和长度字段

Ethernet帧结构分析目的地址和源地址字段帧校验字段

Ethernet接收流程分析Ethernet网卡

“以太”来源于19世纪物理学家解释光在空间中传播的介质：“以太”

以太网采用的介质控制方法是：CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）

Ethernet 数据发送流程

CMSA/CD的发送流程可以简单概况为4步：先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发。

（1）载波侦听过程

每个主机在发送数据帧之前，首先要侦听总线的【忙/闲】状态。 Ethernet网卡的收发器一直在接收总线上的信号，如果总线上有其他主机发送的信号，那么曼彻斯特解码器的解码时钟一直有输出；如果总线上没有信号发送，那么曼彻斯特（Manchester）解码器的时钟输出为0。

Manchester解码器是网卡上的一个组件，解码时钟会根据线路上的信号以曼彻斯特编码解码。

曼彻斯特编码：

因此，Manchester解码器的时钟信号可以反映出总线的【忙/闲】状态。

（2）冲突检测方法

载波侦听并不能完全消除冲突。

电磁波在同轴电缆中传播速度约为 2×108 m/s，如果局域网中两个【相隔最远】主机A和B相距 1000m，那主机A向主机B发送一帧数据要经过

1000

−

t = \frac{1000}{2×10^8} = 5×10^{-6} s = 5 μs

t=2×1081000=5×10−6s=5μs 主机A发送数据后，要经过t后，主机B才接收到这个数据帧。在这5μs的时间内，主机B不知道主机A已经发送数据，它就有可能也向主机A发送数据。出现这种情况，主机A和主机B的这次发送就发生【冲突】。

比较极端的冲突是：主机A向主机B发送数据，当数据信号快要到达主机B时，主机B也发送了数据。等到冲突信号传送回主机A时，已经经过了两倍的传播延迟2τ（τ=D/V，D为总线传输介质的最大长度，V是电磁波在介质中的传播速度）。冲突冲突的数据帧可以传遍整个缆段，缆段上的主机都可以检测到冲突。缆段被称为【冲突域】，如果超过2τ的时间没有检测出冲突，则该主机已取得【总线访问权】，因此将 2τ定义为【冲突窗口】。冲突窗口是连接在一个缆段上所有主机能检测到冲突发生的最短时间。由于Ethernet物理层协议规定了总线最大长度，电磁波在介质中的传播速度是确定的，因此冲突窗口的大小也是确定的。最小帧长度与总线长度、发送速率之间的关系

为了保证主机在发送一帧的过程可以检测到冲突，就要求发送一个最短帧的时间要超过冲突窗口的时间。

因为帧发送并不是一瞬间全部发送完成，发送延迟 t = 帧长度/发送速率，发送速率一般不会改变，因此要在发送的过程中能检测到冲突需要规定一个最小帧长度

最短帧长度为Lmin，主机发送速率为S，发送短帧所需的时间为Lmin/S，冲突窗口的值为2D/V

≥

\frac{L_{min}}{S} ≥ \frac{2D}{V}

SLmin≥V2D 所以可以根据总线长度、发送速率和电磁波传播速度估计最小帧长度。

冲突是指总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，它们叠加后的信号波形不等于任何一个主机输出的信号波形。冲突检测有两种方法：比较法和编码违例判决法

比较法：主机在发送帧的同时，将其发送信号波形与总线上接收到的信号波形进行比较（信号在总线上是双向传播的，比如主机A、B、C，B发送信号A与C都能接收到）。如果两个信号波形不一致，说明冲突发生。

编码违例判决法：检查从总线上接收的信号波形是否符合曼彻斯特编码规律，不符合则说明发生冲突。

64B是Ethernet的最小帧长度：如果一个主机发送一个最小帧，或者一个帧的前64个字节没有检测到冲突，说明该主机已经取得总线发送权，冲突窗口期又称为争用期

发现冲突、停止发送

如果主机在发送过程中检测到冲突，主机要进入停止发送，随机延迟后重发的流程。随机延迟重发的第一步是：发送冲突加强干扰序列，保证有足够的冲突持续时间，使局域网中的所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。冲突加强干扰序列信号长度为32bit

随机延迟重发

Ethernet规定一个帧的最大重发次数为16。后退延迟算法是：截止二进制指数后退延迟

算法可表示为：

⋅

τ = 2^k·R·a

τ=2k⋅R⋅a τ：重新发送所需的后退延迟时间。

a：冲突窗口的值。

R：随机数，以主机地址为初始值生成随机数R。

k：k=min(n,10)，如果重发次数n小于10，则k=n，n≥10，则k=10.

后退延迟时间τ到达后，节点将查询判断总线忙、闲状态，重新发送，如果再次遇到冲突，则重发次数+1，如果重发次数超过16时，表示发送失败，放弃发送该帧。 CSMA/CD方法被定义为一种随机争用型介质控制访问方法。

Ethernet帧结构

Ethernet V2.0标准和 IEEE 802.3标准的Ethernet帧结构的区别

Ethernet V2.0是在DEC、Intel（英特尔）、Xeror公司合作研究的，所以也称Ethernet V2.0帧结构为DIX帧结构（公司首字母）

IEEE802.3标准对Ethernet帧结构也做出了规定，通常称之为 802.3帧

前导码

DIX帧的前8B是前导码，每个字节都是10101010。接收电路通过提取曼彻斯特编码的自含时钟，实现收发双方的比特同步。

说人话就是：编码时故意搞个特别的码在前面,通过长度告知解码器后面有货送来,注意接收。通过前导码就可判断信号是有用信号还是干扰信号,否则忽略不解码。

802.3帧的前导码，每个字节都是10101010。但是有一个10101011的帧前定界符。前56位（7B×8）前导码是为了保证在接收【目的地址】时，已经进入【稳定接收状态（识别出这个是有用信号）】在62位1010…1010比特序列后出现两个11，两个11后就是Ethernet帧的目的地址字段。前导码只是为了实现收发双方的比特同步与帧同步，在接收后不需要保留，也不计入帧头长度。

类型字段和长度字段

DIX帧的类型字段表示网络层使用的协议类型。

例如：类型字段=0x0800表示网络层使用IPv4协议、类型字段=0x86DD表示网络层使用IPv6协议。

Ethernet帧最小长度为64B，除去帧头（目的地址+源地址+源地址），数据字段最短为46B。数据字段最长为1500B，因此数据字段长度在46~1500B之间。 DIX帧没有长度字段，所以接收端等待物理线路上没有电平的跳变（帧发送结束），除去4B的校验字段，就能取出数据字段。

Ethernet帧结构分析

前导码、类型、数据字段分析过了，不再赘述。

目的地址和源地址字段

目的地址和源地址表示帧的接收节点和发送节点的硬件地址。硬件地址也叫物理地址、MAC地址、Ethernet地址。源地址必须是6B的MAC地址。目的地址可以是单播地址（发送给单一主机）、多播地址（发送给一部分主机）、广播地址（发送给所有主机）。

帧校验字段

帧校验字段FCS（ Frame Check Sequence）采用32位的CRC校验。 CRC校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC（Logical Link Control：逻辑链路控制）数据等字段。

Ethernet接收流程分析

主机主要不发送数据帧就处于接收状态。帧目的地址检查：

目的地址是单一主机的物理地址，并且是本主机地址—>接收。目的地址是组地址，并且本主机属于该组—>接收。目的地址是广播地址—>接收。如果以上3种目的地址都与本主机地址不匹配，丢弃该接收帧。帧接收：

CRC校验正确。帧长度正确。如果1、2都正确，将帧中的数据发送到网络层，否则报告”接收失败“进入帧结束状态。帧校验：

CRC校验正确，但是帧长度不对，则报告“帧长度错”。如果校验出错，判断接收帧是不是8bit的整数倍（字段长度的单位是字节，1B=8bit，接收帧长度正常的话肯定是8bit的整数倍）

如果不是8bit的整数倍，则报告“帧比特出错”。如果没有发现比特丢失或者比特位对位错，则报告“帧校验错”。进入结束状态。帧间最小间隔

为了保证网卡能正确、连续的处理接收帧，要规定一个帧间最小间隔（网卡处理接收帧要时间、虽然很短）。规定Ethernet帧的最小间隔为9.6μs

Ethernet网卡

网卡由三部分组成：网卡与传输介质的接口（RJ45）、Ethernet数据链路控制器、网卡与主机的接口（主板的I/O扩展槽）。 Ethernet数据链路控制器的功能：实现发送数据编码、接收数据解码、CRC产生与校验、曼彻斯特编码与解码、CSMA/CD介质访问控制。网卡的物理地址写入网卡的只读存储器中，不会与世界上任何一台其他的计算机重复。

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文章目录Ethernet 数据发送流程（1）载波侦听过程（2）冲突检测方法发现冲突、停止发送随机延迟重发Ethernet帧结构Ethernet V2.0标准和 IEEE 802.3标准的Ethernet帧结构的区别前导码类型字段和长度字段Ethernet帧结构分析目的地址和源地址字段帧校验字段Ethernet接收流程分析Ethernet网卡“以太”来源于19世纪物理学家解释光在空间中传播的介质：“以太”以太网采用的介质控制方法是：CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）Etherne

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序言

1歷史

2概述

3CSMA/CD共享媒介乙太網路

4乙太網路中繼器和集線器

5橋接和交換

6類型

切換類型子章節

6.1早期的乙太網路

6.210Mbps乙太網

6.3100Mbps乙太網路（快速乙太網路）

6.41Gbps乙太網路

6.510Gbps乙太網路

6.6100Gbps乙太網路

7參考文獻

8參見

9外部連結

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星際網際網路（IPN）

閱論編

「Ethernet」的各地常用名稱筆記型電腦上已插上網路線的乙太網路介面中國大陸以太網臺灣乙太網路

乙太網路（英語：Ethernet）是一種電腦區域網路技術。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了乙太網路的技術標準，它規定了包括實體層的連線、電子訊號和媒介訪問控制的內容。乙太網路是目前應用最普遍的區域網路技術，取代了其他區域網路標準如權杖環、FDDI和ARCNET。

乙太網路的標準拓撲結構為匯流排型拓撲，但目前的快速乙太網路（100BASE-T、1000BASE-T標準）為了減少衝突，將能提高的網路速度和使用效率最大化，使用交換器（Switch hub）來進行網路連接和組織。如此一來，乙太網路的拓撲結構就成了星型；但在邏輯上，乙太網路仍然使用匯流排型拓撲和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重存取/碰撞偵測）的匯流排技術。

歷史[編輯]

乙太網路技術起源於全錄帕洛阿爾托研究中心的先鋒技術專案。人們通常認為乙太網路發明於1973年，當年鮑勃.梅特卡夫（Bob Metcalfe）給他PARC的老闆寫了一篇有關乙太網路潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為乙太網路是之後幾年才出現的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為〈乙太網路：區域電腦網路的分散式封包交換技術〉的文章。

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Ethernet

DSL

ISDN

FDDI

更多...

閱論編

1979年，梅特卡夫為了開發個人電腦和區域網路離開了全錄（Xerox），成立了3Com公司。3Com對DEC、英特爾和全錄進行遊說，希望與他們一起將乙太網路標準化、規格化。這個通用的乙太網路標準於1980年9月30日提出。當時業界有兩個流行的非公用網路標準權杖環網和ARCNET，在乙太網路浪潮的衝擊下他們很快萎縮並被取代。而在此過程中，3Com也成了一個國際化的大公司。

梅特卡夫曾經開玩笑說，Jerry Saltzer為3Com的成功作出了貢獻。Saltzer在一篇[哪個／哪些？]與他人合著的很有影響力的論文中指出，在理論上權杖環網要比乙太網路優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把乙太網路介面做為機器的標準組態，這樣3Com才有機會從銷售乙太網路網卡大賺。這種情況也導致了另一種說法「乙太網路不適合在理論中研究，只適合在實際中應用」。也許只是句玩笑話，但這說明了這樣一個技術觀點：通常情況下，網路中實際的資料流特性與人們在區域網路普及之前的估計不同，而正是因為乙太網路簡單的結構才使區域網路得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC專案（Project MAC）的同一層樓工作，當時他正在做自己的哈佛大學畢業論文，在此期間奠定了乙太網路技術的理論基礎。[來源請求]

概述[編輯]

1990年代的乙太網路網卡或叫NIC（Network Interface Card，乙太網路配接器）。這張卡可以支援基於同軸電纜的10BASE2 (BNC連接器，左)和基於雙絞線的10BASE-T（RJ-45，右）。

乙太網路實作了網路上無線電系統多個節點傳送資訊的想法，每個節點必須取得電纜或者通道才能傳送資訊，有時也叫作以太（Ether）。這個名字來源於19世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體——光以太。每一個節點有全球唯一的48位元位址也就是製造商分配給網卡的MAC位址，以保證乙太網路上所有節點能互相鑑別。由於乙太網路十分普遍，許多製造商把乙太網路卡直接整合進電腦主機板。

乙太網路通訊具有自相關性的特點，這對於電信通訊工程十分重要。

CSMA/CD共享媒介乙太網路[編輯]

帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）技術規定了多台電腦共享一個通道的方法。這項技術最早出現在1960年代由夏威夷大學開發的ALOHAnet，它使用無線電波為載體。這個方法要比權杖環網或者主控制網簡單。當某台電腦要傳送資訊時，在以下行動與狀態之間進行轉換：

開始 - 如果線路空閒，則啟動傳輸，否則跳轉到第4步。

傳送 - 如果檢測到衝突，繼續傳送資料直到達到最小回報時間（min echo receive interval）以確保所有其他轉發器和終端檢測到衝突，而後跳轉到第4步。

成功傳輸 - 向更高層的網路協定報告傳送成功，退出傳輸模式。

線路繁忙 - 持續等待直到線路空閒。

線路空閒 - 在尚未達到最大嘗試次數之前，每隔一段隨機時間轉到第1步重新嘗試。

超過最大嘗試傳輸次數 - 向更高層的網路協定報告傳送失敗，退出傳輸模式。

就像在沒有主持人的座談會中，所有的參加者都透過一個共同的媒介（空氣）來相互交談。每個參加者在講話前，都禮貌地等待別人把話講完。如果兩個客人同時開始講話，那麼他們都停下來，分別隨機等待一段時間再開始講話。這時，如果兩個參加者等待的時間不同，衝突就不會出現。如果傳輸失敗超過一次，將延遲指數增長時間後再次嘗試。延遲的時間透過截斷二進位指數後移（英語：Exponential_backoff）（truncated binary exponential backoff）演算法來實現。

最初的乙太網路是採用同軸電纜來連接各個裝置的。電腦透過一個叫做附加單元介面（Attachment Unit Interface，AUI）的收發器連接到電纜上。一條簡單網路線對於一個小型網路來說很可靠，而對於大型網路來說，某處線路的故障或某個連接器的故障，都會造成乙太網路某個或多個網段的不穩定。

因為所有的通訊訊號都在共享線路上傳輸，即使資訊只是想發給其中的一個終端（destination），卻會使用廣播的形式，傳送給線路上的所有電腦。在正常情況下，網路介面卡會濾掉不是傳送給自己的資訊，接收到目標位址是自己的資訊時才會向CPU發出中斷請求，除非網卡處於混雜模式（Promiscuous mode）。這種「一個說，大家聽」的特質是共享媒介乙太網路在安全上的弱點，因為乙太網路上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有資訊。共享電纜也意味著共享頻寬，所以在某些情況下乙太網路的速度可能會非常慢，比如電源故障之後，當所有的網路終端都重新啟動時。

乙太網路中繼器和集線器[編輯]

在乙太網路技術的發展中，乙太網路集線器（Ethernet Hub）的出現使得網路更加可靠，接線更加方便。

因為訊號的衰減和延時，根據不同的媒介乙太網路段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500公尺（1,640英尺）。最大距離可以透過乙太網路中繼器實現，中繼器可以把電纜中的訊號放大再傳送到下一段。中繼器最多連接5個網段，但是只能有4個裝置（即一個網段最多可以接4個中繼器）。這可以減輕因為電纜斷裂造成的問題：當一段同軸電纜斷開，所有這個段上的裝置就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。

類似於其他的高速匯流排，乙太網路網段必須在兩頭以電阻器作為終端。對於同軸電纜，電纜兩頭的終端必須接上被稱作「終端器」的50歐姆的電阻和散熱器，如果不這麼做，就會發生類似電纜斷掉的情況：匯流排上的AC訊號當到達終端時將被反射，而不能消散。被反射的訊號將被認為是衝突，從而使通訊無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步訊號。大多數中繼器都有被稱作「自動隔離」的功能，可以把有太多衝突或是衝突持續時間太長的網段隔離開來，這樣其他的網段不會受到損壞部分的影響。中繼器在檢測到衝突消失後可以恢復網段的連接。

隨著應用的拓展，人們逐漸發現星型的網路拓撲結構最為有效，於是裝置廠商們開始研製有多個埠的中繼器。多埠中繼器就是眾所周知的集線器（Hub）。集線器可以連接到其他的集線器或者同軸網路。

第一個集線器被認為是「多埠收發器」或者叫做「fanouts」。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使許多台具有AUI連接器的主機共享一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立乙太網路網段的出現。

像DEC和SynOptics這樣的網路裝置製造商曾經出售過用於連接許多10BASE-2細同軸線網段的集線器。

無遮蔽雙絞線（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先應用在星型區域網路中，之後也在10BASE-T中應用，最後取代了同軸電纜成為乙太網路的標準。這項改進之後，RJ45電話介面代替了AUI成為電腦和集線器的標準線路，無遮蔽3類雙絞線/5類雙絞線成為標準載體。集線器的應用使某條電纜或某個裝置的故障不會影響到整個網路，提高了乙太網路的可靠性。雙絞線乙太網路把每一個網段對等地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬體，解決了乙太網路的終端問題。

採用集線器組網的乙太網路儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是匯流排型的，半雙工的通訊方式採用CSMA/CD的衝突檢測方法，集線器對於減少封包衝突的作用很小。每一個封包都被傳送到集線器的每一個埠，所以頻寬和安全問題仍沒有解決。集線器的總傳輸量受到單個連接速度的限制（10或100 Mbit/s），這還是考慮在前同步碼、傳輸間隔、檔頭、檔尾和封裝上都是最小花費的情況。當網路負載過重時，衝突也常常會降低傳輸量。最壞的情況是，當許多用長電纜組成的主機傳送很多非常短的訊框(frame)時，可能因衝突過多導致網路的負載在僅50%左右程度就滿載。為了在衝突嚴重降低傳輸量之前儘量提高網路的負載，通常會先做一些設定以避免類似情況發生。

橋接和交換[編輯]

儘管中繼器在某些方面分隔了乙太網路網段，使得電纜斷線的故障不會影響到整個網路，但它向所有的乙太網路裝置轉發所有的資料。這嚴重限制了同一個乙太網路網路上可以相互通訊的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在實體層的中繼器之基礎上，橋接工作在資料鏈路層。透過橋接器時，只有格式完整的封包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和封包錯誤則都被隔離。透過記錄分析網路上裝置的MAC位址，橋接器可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目標裝置所在的網段傳遞封包。像生成樹協定這樣的控制機制可以協調多個交換器共同工作。

早期的橋接器要檢測每一個封包，因此當同時處理多個埠的時候，資料轉發比Hub（中繼器）來得慢。1989年網路公司Kalpana發明了EtherSwitch，第一台乙太網路交換器。乙太網路交換器把橋接功能用硬體實現，這樣就能保證轉發資料速率達到線速。

大多數現代乙太網路用乙太網路交換器代替Hub。儘管布線方式和Hub乙太網路相同，但交換式乙太網路比共享媒介乙太網路有很多明顯的優勢，例如更大的頻寬和更好的異常結果隔離裝置。交換網路典型的使用星型拓撲，雖然裝置在半雙工模式下運作時仍是共享媒介的多節點網，但10BASE-T和以後的標準皆為全雙工乙太網路，不再是共享媒介系統。

交換器啟動後，一開始也和Hub一樣，轉發所有資料到所有埠。接下來，當它記錄了每個埠的位址以後，他就只把非廣播資料傳送給特定的目的埠。因此線速乙太網路交換可以在任何埠對之間實現，所有埠對之間的通訊互不干擾。

因為封包一般只是傳送到他的目的埠，所以交換式乙太網路上的流量要略微小於共享媒介式乙太網路。然而，交換式乙太網路仍然是不安全的網路技術，因為它很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓，同時網路管理員也可以利用監視功能抓取網路封包。

當只有簡單裝置（除Hub之外的裝置）連接交換器埠時，整個網路可能處於全雙工模式。如果一個網段只有2個裝置，那麼衝突探測也不需要了，兩個裝置可以隨時收發資料。這時總頻寬是鏈路的2倍，雖然雙方的頻寬相同，但沒有發生衝突就意味著幾乎能利用到100%的頻寬。

交換器埠和所連接的裝置必須使用相同的雙工設定。多數100BASE-TX和1000BASE-T裝置支援自動協商特性，即這些裝置透過訊號來協調要使用的速率和雙工設定。然而，如果自動協商功能被關閉或者裝置不支援，則雙工設定必須透過自動檢測進行設定或在交換器埠和裝置上都進行手工設定以避免雙工錯配——這是乙太網路問題的一種常見原因（裝置被設定為半雙工會報告遲發衝突，而裝置被設為全雙工則會報告runt）。許多較低層級的交換器沒有手工進行速率和雙工設定的能力，因此埠總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時（例如其他裝置不支援），自動協商會將埠設定為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個10BASE-T裝置連接到一個啟用了自動協商的10/100交換埠上時將可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連接。但是將一個組態為全雙工100Mb工作的裝置連接到一個組態為自動協商的交換埠時（反之亦然）則會導致雙工錯配。

即使電纜兩端都設定成自動速率和雙工模式協商，錯誤猜測還是經常發生而退到10Mbps模式。因此，如果效能差於預期，應該檢視一下是否有電腦設定成10Mbps模式了，如果已知另一端組態為100Mbit，則可以手動強制設定成正確模式。

當兩個節點試圖用超過電纜最高支援資料速率（例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps）通訊時就會發生問題。不像ADSL或者傳統的撥號Modem透過詳細的方法檢測鏈路的最高支援資料速率，乙太網路節點只是簡單的選擇兩端支援的最高速率而不管中間線路，因此如果速率過高就會導致鏈路失效。解決方案為強制通訊端降低到電纜支援的速率。

類型[編輯]

除了以上提到的不同訊框類型以外，各類乙太網路的差別僅在速率和配線。因此，同樣的網路協定棧軟體可以在大多數乙太網路上執行。

以下的章節簡要綜述了不同的正式乙太網路類型。除了這些正式的標準以外，許多廠商因為一些特殊的原因，例如為了支援更長距離的光纖傳輸，而制定了一些專用的標準。

很多乙太網路卡和交換裝置都支援多速率，裝置之間透過自動協商設定最佳的連接速度和雙工方式。如果協商失敗，多速率裝置就會探測另一方使用的速率但是預設為半雙工方式。10/100乙太網路埠支援10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支援10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。

部分乙太網路類型[1]

速度

常用名稱

非正式的IEEE標準名稱

正式的IEEE標準名稱

線纜類型

最大傳輸距離

10Mbps

乙太網路

10BASE-T

802.3

雙絞線

100m

100Mbps

快速乙太網路

100BASE-T

802.3u

雙絞線

100m

1Gbps

十億位元乙太網路

1000BASE-LX

802.3z

光纖

5000m

1Gbps

十億位元乙太網路

1000BASE-T

802.3ab

雙絞線

100m

10Gbps

10十億位元乙太網路

10GBASE-T

802.3an

雙絞線

100m

早期的乙太網路[編輯]

參見：兆位元乙太網路

全錄乙太網路（Xerox Ethernet，又稱「全錄乙太網」）──是乙太網的雛型。最初的2.94Mbit/s乙太網路僅在全錄公司裡內部使用。而在1982年，Xerox與DEC及Intel組成DIX聯盟，並共同發表了Ethernet Version 2（EV2）的規格，並將它投入商場市場，且被普遍使用。而EV2的網路就是目前受IEEE承認的10BASE5。[2]

10BROAD36 ──已經過時。一個早期的支援長距離乙太網路的標準。它在同軸電纜上使用，以一種類似線纜數據機系統的寬頻調製技術。

1BASE5 ──也稱為星型區域網路，速率是1Mbit/s。在商業上很失敗，但同時也是雙絞線的第一次使用。

10Mbps乙太網[編輯]

10BASE-T電纜

參見：十兆乙太網路

10BASE5（又稱粗纜（Thick Ethernet）或黃色電纜）──最早實現10 Mbit/s以太網。早期IEEE標準，使用單根RG-11同軸電纜，最大距離為500公尺，並最多可以連接100台電腦的收發器，而纜線兩端必須接上50歐姆的終端電阻。接收端透過所謂的「插入式分接頭」插入電纜的內芯和封鎖層。在電纜終結處使用N型連接器。儘管由於早期的大量布設，到現在還有一些系統在使用，這一標準實際上被10BASE2取代。

10BASE2（又稱細纜（Thin Ethernet）或類比網路）── 10BASE5後的產品，使用RG-58同軸電纜，最長轉輸距離約200公尺（實際為185公尺），僅能連接30台計算機，計算機使用T型適配器連接到帶有BNC連接器的網卡，而線路兩頭需要50歐姆的終結器。雖然在能力、規格上不及10BASE5，但是因為其線材較細、佈線方便、成本也便宜，所以得到更廣泛的使用，淘汰了10BASE5。由於雙絞線的普及，它也被各式的雙絞線網路取代。

StarLAN ──第一個雙絞線上實現的以太網路標準10 Mbit/s。後發展成10BASE-T。

10BASE-T ──使用3類雙絞線、4類雙絞線、5類雙絞線的4根線（兩對雙絞線）100公尺。以太網集線器或以太網交換機位於中間連接所有節點。

FOIRL ──光纖中繼器鏈路。光纖以太網路原始版本。

10BASE-F ── 10Mbps以太網光纖標準通稱，2公里。只有10BASE-FL應用比較廣泛。

10BASE-FL ── FOIRL標準一種升級。

10BASE-FB ──用於連接多個Hub或者交換機的骨幹網技術，已廢棄。

10BASE-FP ──無中繼被動星型網，沒有實際應用的案例。

100Mbps乙太網路（快速乙太網路）[編輯]

參見：百兆乙太網路

快速乙太網路（Fast Ethernet）為IEEE在1995年發表的網路標準，能提供達100Mbps的傳輸速度。[2]

100BASE-T -- 下面三個100 Mbit/s雙絞線標準通稱，最遠100公尺。

100BASE-TX -- 類似於星型結構的10BASE-T。使用2對電纜，但是需要5類電纜以達到100Mbit/s。

100BASE-T4 -- 使用3類電纜，使用所有4對線，半雙工。由於5類線普及，已廢棄。

100BASE-T2 -- 無產品。使用3類電纜。支援全雙工使用2對線，功能等效100BASE-TX，但支援舊電纜。

100BASE-FX -- 使用多模光纖，最遠支援400公尺，半雙工連接（保證衝突檢測），2km全雙工。

100VG AnyLAN -- 只有惠普支援，VG最早出現在市場上。需要4對三類電纜。也有人懷疑VG不是乙太網路。

蘋果的千兆乙太網路介面

1Gbps乙太網路[編輯]

參見：十億位元乙太網路

1000BASE-SX的光訊號與電氣訊號轉換器

1000BASE-T -- 1 Gbit/s媒介超五類雙絞線或6類雙絞線。

1000BASE-SX -- 1 Gbit/s多模光纖（取決於頻率以及光纖半徑，使用多模光纖時最長距離在220M至550M之間）。[3]

1000BASE-LX -- 1 Gbit/s多模光纖（小於550M）、單模光纖（小於5000M）。[4]

1000BASE-LX10 -- 1 Gbit/s單模光纖（小於10KM）。長距離方案

1000BASE-LHX --1 Gbit/s單模光纖（10KM至40KM）。長距離方案

1000BASE-ZX --1 Gbit/s單模光纖（40KM至70KM）。長距離方案

1000BASE-CX -- 銅纜上達到1Gbps的短距離（小於25 m）方案。早於1000BASE-T，已廢棄。

10Gbps乙太網路[編輯]

參見：10吉位元乙太網路

新的萬兆乙太網路標準包含7種不同類型，分別適用於區域網路、都會網路和廣域網路。目前使用附加標準IEEE 802.3ae，將來會合併進IEEE 802.3標準。

10GBASE-CX4 -- 短距離銅纜方案用於InfiniBand 4x連接器和CX4電纜，最大長度15公尺。

10GBASE-SR -- 用於短距離多模光纖，根據電纜類型能達到26-82公尺，使用新型2GHz多模光纖可以達到300公尺。

10GBASE-LX4 -- 使用波分復用支援多模光纖240－300公尺，單模光纖超過10公里。

10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 透過單模光纖分別支援10公里和40公里

10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用於廣域網路PHY、OC-192 / STM-64 同步光纖網/SDH裝置。實體層分別對應10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER，因此使用相同光纖支援距離也一致。（無廣域網路PHY標準）

10GBASE-T -- 使用封鎖或無遮蔽雙絞線，使用CAT-6A類線至少支援100公尺傳輸。CAT-6類線也在較短的距離上支援10GBASE-T。

100Gbps乙太網路[編輯]

參見：100十億位元乙太網路

新的40G/100G乙太網路標準在2010年中制定完成，包含若干種不同的節制類型。目前使用附加標準IEEE 802.3ba。

40GBASE-KR4 -- 背板方案，最少距離1公尺。

40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距離銅纜方案，最大長度大約7公尺。

40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用於短距離多模光纖，長度至少在100公尺以上。

40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用單模光纖，距離超過10公里。

100GBASE-ER4 -- 使用單模光纖，距離超過40公里。

參考文獻[編輯]

^ Wendell Odom. CCENT/CCNA ICND1 100-105 Official Cert Guide. Cisco Press. 2016: 43頁. ISBN 978-1-58720-580-4.

^ 2.0 2.1 Internet協定觀念與實作ISBN 9577177069

^ IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109

^ IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111

參見[編輯]

5類雙絞線

RJ45

Power over Ethernet

MII and PHY

網路喚醒

1G乙太網路

10G乙太網路

100G乙太網路

1000G乙太網路

虛擬區域網路

生成樹協定

通訊

Internet

乙太網路訊框格式

外部連結[編輯]

IEEE 802.3 2002年標準（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

萬兆乙太網路（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

乙太網路訊框格式（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

萬兆IP乙太網路白皮書

千兆乙太網路(1000BaseT)（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

閱論編區域網路技術之乙太網路家族速度

10Mbit/s

雙絞線乙太網路

100Mbit/s

1Gbit/s

2.5和5Gbit/s

10Gbit/s

25和50Gbit/s（英語：25 Gigabit Ethernet）

40和100Gbit/s

200Gbit/s和400Gbit/s

常規

IEEE 802.3

乙太網路實體層（英語：Ethernet physical layer）

自動協商（英語：Autonegotiation）

乙太網路供電

以太類型

乙太網路聯盟（英語：Ethernet Alliance）

流控制

訊框

巨型訊框

歷史

CSMA/CD

StarLAN（英語：StarLAN）

10BROAD36（英語：10BROAD36）

10BASE-FB（英語：10BASE-FB）

10BASE-FL（英語：10BASE-FL）

10BASE5（英語：10BASE5）

10BASE2（英語：10BASE2）

100BaseVG（英語：100BaseVG）

LattisNet（英語：LattisNet）

長距離（英語：Long Reach Ethernet）

應用程式

音訊（英語：Audio over Ethernet）

運營商（英語：Carrier Ethernet）

資料中心（英語：Data center bridging）

高能效乙太網路

第一英里（英語：Ethernet in the first mile）

10G-EPON（英語：10G-EPON）

工業以太網

乙太網路供電

同步（英語：Synchronous Ethernet）

收發器

MAU（英語：Medium Attachment Unit）

GBIC

SFP

XENPAK

XFP

SFP+

QSFP（英語：QSFP）

CFP（英語：C Form-factor Pluggable）

介面

AUI（英語：Attachment Unit Interface）

MDI

MII

GMII

XGMII

XAUI

分類

維基共享

閱論編網際網路存取有線網路

線纜（英語：Cable Internet access）

撥號

DOCSIS

DSL

乙太網路

FTTx

G.hn（英語：G.hn）

HD-PLC

HomePlug

HomePNA（英語：HomePNA）

IEEE 1901（英語：IEEE 1901）

ISDN

MoCA（英語：Multimedia over Coax Alliance）

PON

電力線

寬頻

無線個人區域網路

藍牙

Li-Fi

無線USB

無線區域網路

Wi-Fi

無線廣域網路

DECT

EV-DO

GPRS

HSPA

HSPA+

iBurst（英語：iBurst）

LTE

MMDS

Muni Wi-Fi

WiMAX

WiBro

衛星上網

閱論編IEEE標準當前標準

488

754

Revision（英語：IEEE 754 revision）

829

830

1003

1014-1987（英語：VMEbus）

1016

1076

1149.1

1164（英語：IEEE 1164）

1219

1233

1275（英語：Open Firmware）

1278（英語：Distributed Interactive Simulation）

1284（英語：IEEE 1284）

1355（英語：IEEE 1355）

1364

1394

1451（英語：IEEE 1451）

1471（英語：IEEE 1471）

1491

1516（英語：High-level architecture (simulation)）

1541-2002

1547（英語：IEEE 1547）

1584（英語：IEEE 1584）

1588（英語：Precision Time Protocol）

1596（英語：Scalable Coherent Interface）

1603（英語：IEEE 1603）

1613（英語：IEEE 1613）

1667（英語：IEEE 1667）

1675（英語：IEEE 1675-2008）

1685（英語：IP-XACT）

1800

1801（英語：Unified Power Format）

1900（英語：DySPAN）

1901（英語：IEEE 1901）

1902（英語：RuBee）

11073（英語：ISO/IEEE 11073）

12207（英語：IEEE 12207）

2030（英語：IEEE 2030）

14764

16085

16326

42010（英語：ISO/IEC 42010）

802系列802.1

Qat（英語：Stream Reservation Protocol）

Qay（英語：Provider Backbone Bridge Traffic Engineering）

AE（英語：IEEE 802.1AE）

ag（英語：IEEE 802.1ag）

ah（英語：IEEE 802.1ah-2008）

ak（英語：Multiple Registration Protocol）

802.11

Legacy

d（英語：IEEE 802.11d-2001）

e（英語：IEEE 802.11e-2005）

f（英語：Inter-Access Point Protocol）

h（英語：IEEE 802.11h-2003）

i（英語：IEEE 802.11i-2004）

j（英語：IEEE 802.11j-2004）

k（英語：IEEE 802.11k-2008）

n (Wi-Fi 4)

u（英語：IEEE 802.11u）

v（英語：IEEE 802.11v）

w（英語：IEEE 802.11w-2009）

y（英語：IEEE 802.11y-2008）

ac (Wi-Fi 5)

ad (WiGig)

ax (Wi-Fi 6)

ay (WiGig 2)

be (Wi-Fi 7)

.6（英語：IEEE 802.6）

.7（英語：IEEE 802.7）

.9（英語：IEEE 802.9）

.10（英語：IEEE 802.10）

.12（英語：IEEE 802.12）

.15

.15.4（英語：IEEE 802.15.4）

.15.4a（英語：IEEE 802.15.4a）

.16

.18（英語：IEEE 802.18）

.20（英語：IEEE 802.20）

.21（英語：IEEE 802.21）

.22建議標準

P1363（英語：IEEE P1363）

P1619

P1823（英語：Universal Power Adapter for Mobile Devices）

過時標準

754-1985（英語：IEEE 754-1985）

854-1987（英語：IEEE 854-1987）

另見

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顯示器

螢幕

盲文顯示機

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音效卡

顯示卡

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GND: 4127501-9

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Metcalfe的学生获得麻省理工学院的学士学位后，搬到河对岸的哈佛大学攻读博士学位之后。在他学习期间，他接触到了Abramson的工作，他对此很感兴趣。从哈佛毕业之后，他决定前往施乐帕洛阿尔托研究中心正式工作之前留在夏威夷度假，以便帮助Abramson工作。当他到帕洛阿尔托研究中心，他看到那里的研究人员已经设计并建造出后来称为个人计算机的机器，但这些机器都是孤零零的；他便运用帮助Abramson工作获得的知识与同事David Boggs 设计并实现了第一个局域网。该局域网采用一个长的粗同轴电缆，以3Mbps速率运行。 [1]他们把这个系统命名为以太网，人们曾经认为通过它可以传播电磁辐射。 [1]类型介绍播报编辑早期的以太网兆比特以太网施乐以太网（Xerox Ethernet，又称“施乐以太网”）──是以太网的雏型。最初的2.94Mbit/s以太网仅在施乐公司里内部使用。而在1982年，Xerox与DEC及Intel组成DIX联盟，并共同发表了Ethernet Version 2（EV2）的规格，并将它投入商场市场，且被普遍使用。而EV2的网络就是受IEEE承认的10BASE5。10BROAD36──已经过时。一个早期的支持长距离以太网的标准。它在同轴电缆上使用，以一种类似线缆调制解调器系统的宽带调制技术。1BASE5──也称为星型局域网，速率是1Mbit/s。在商业上很失败，但同时也是双绞线的第一次使用。10Mbps以太网10BASE5（又称粗缆（Thick Ethernet）或黄色电缆）──最早实现10 Mbit/s以太网。早期IEEE标准，使用单根RG-11同轴电缆，最大距离为500米，并最多可以连接100台计算机的收发器，而缆线两端必须接上50欧姆的终端电阻。接收端透过所谓的“插入式分接头”插入电缆的内芯和屏蔽层。在电缆终结处使用N型连接器。尽管由于早期的大量布设，到现在还有一些系统在使用，这一标准实际上被10BASE2取代。10BASE2（又称细缆（Thin Ethernet）或模拟网上）── 10BASE5后的产品，使用RG-58同轴电缆，最长转输距离约200米（实际为185米），仅能连接30台计算器，计算器使用T型适配器连接到带有BNC连接器的网卡，而线路两头需要50欧姆的终结器。虽然在能力、规格上不及10BASE5，但是因为其线材较细、布线方便、成本也便宜，所以得到更广泛的使用，淘汰了10BASE5。由于双绞线的普及，它也被各式的双绞线网络取代。StarLAN──第一个双绞线上实现的以太网上标准10 Mbit/s。后发展成10BASE-T。10BASE-T──使用3类双绞线、4类双绞线、5类双绞线的4根线（两对双绞线）100米。以太网集线器或以太网交换机位于中间连接所有节点。FOIRL ──光纤中继器链路。光纤以太网上原始版本。10BASE-F ── 10Mbps以太网光纤标准通称，2公里。只有10BASE-FL应用比较广泛。10BASE-FL ── FOIRL标准一种升级。10BASE-FB ──用于连接多个Hub或者交换机的骨干网技术，已废弃。10BASE-FP ──无中继被动星型网，没有实际应用的案例。100Mbps以太网（快速以太网）参见：百兆以太网快速以太网（Fast Ethernet）为IEEE在1995年发表的网上标准，能提供达100Mbps的传输速度。100BASE-T-- 下面三个100 Mbit/s双绞线标准通称，最远100米。100BASE-TX-- 类似于星型结构的10BASE-T。使用2对电缆，但是需要5类电缆以达到100Mbit/s。100BASE-T4 -- 使用3类电缆，使用所有4对线，半双工。由于5类线普及，已废弃。100BASE-T2 -- 无产品。使用3类电缆。支持全双工使用2对线，功能等效100BASE-TX，但支持旧电缆。100BASE-FX-- 使用多模光纤，最远支持400米，半双工连接（保证冲突检测），2km全双工。100VG AnyLAN -- 只有惠普支持，VG最早出现在市场上。需要4对三类电缆。也有人怀疑VG不是以太网。 [2]1Gbps以太网1000BASE-T-- 1 Gbit/s介质超五类双绞线或6类双绞线。1000BASE-SX-- 1 Gbit/s多模光纤（取决于频率以及光纤半径，使用多模光纤时最长距离在220M至550M之间）。1000BASE-LX-- 1 Gbit/s多模光纤（小于550M）、单模光纤（小于5000M）。1000BASE-LX10-- 1 Gbit/s单模光纤（小于10KM）。长距离方案1000BASE-LHX--1 Gbit/s单模光纤（10KM至40KM）。长距离方案1000BASE-ZX--1 Gbit/s单模光纤（40KM至70KM）。长距离方案1000BASE-CX-- 铜缆上达到1Gbps的短距离（小于25 m）方案。早于1000BASE-T，已废弃。10Gbps以太网参见：10吉比特以太网新的万兆以太网标准包含7种不同类型，分别适用于局域网、城域网和广域网。使用附加标准IEEE 802.3ae，将来会合并进IEEE 802.3标准。10GBASE-CX4 -- 短距离铜缆方案用于InfiniBand4x连接器和CX4电缆，最大长度15米。10GBASE-SR -- 用于短距离多模光纤，根据电缆类型能达到26-82米，使用新型2GHz多模光纤可以达到300米。10GBASE-LX4 -- 使用波分复用支持多模光纤240－300米，单模光纤超过10公里。10GBASE-LR和10GBASE-ER -- 透过单模光纤分别支持10公里和40公里10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW。用于广域网PHY、OC-192 / STM-64同步光纤网/SDH设备。物理层分别对应10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER，因此使用相同光纤支持距离也一致。（无广域网PHY标准）10GBASE-T-- 使用屏蔽或非屏蔽双绞线，使用CAT-6A类线至少支持100米传输。CAT-6类线也在较短的距离上支持10GBASE-T。100Gbps以太网参见：100G以太网新的40G/100G以太网标准在2010年中制定完成，包含若干种不同的节制类型。使用附加标准IEEE 802.3ba。40GBASE-KR4 -- 背板方案，最少距离1米。40GBASE-CR4 / 100GBASE-CR10 -- 短距离铜缆方案，最大长度大约7米。40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 -- 用于短距离多模光纤，长度至少在100米以上。40GBASE-LR4 / 100GBASE-LR10 -- 使用单模光纤，距离超过10公里。100GBASE-ER4 -- 使用单模光纤，距离超过40公里。 [2]经典以太网播报编辑经典以太网用一个长电缆蜿蜒围绕着建筑物，这根电缆连接着所有的计算机。经典以太网的体系结构如下图《以太网》所示：以太网物理层以太网的每个版本都有电缆的最大长度限制（即无须放大的长度），这个范围内的信号可以正常传播，超过这个范围信号将无法传播。为了允许建设更大的网络，可以用中继器把多条电缆连接起来。中继器是一个物理层设备，它能接收、放大并在两个方向上重发信号。 [1]在这些电缆上，信息的发送使用曼彻斯特编码。 [1]MAC子层经典以太网使用1-坚持CSMA/CD算法，即当站有帧要发送时要侦听介质，一旦介质变为空闲便立即发送。在它们发送的同时监测信道上是否有冲突。如果有冲突，则立即终止传输，并发出一个短冲突加强信号，再等待一段随机时间后重发。 [1]交换式以太网播报编辑以太网的发展很快，从单根长电缆的典型以太网结构开始演变。单根电缆存在的问题，比如找出断裂或者松动位置等连接相关的问题，驱使人们开发出一种不同类型的布线模式。在这种模式中，每个站都有一条专用电线连接到一个中央集线器。集线器只是在电气上简单地连接所有连接线，就像把它们焊接在一起。集线器不能增加容量，因为它们逻辑上等同于单根电缆的经典以太网。随着越来越多的站加入，每个站获得的固定容量共享份额下降。最终，LAN将饱和。 [1]还有另一条出路可以处理不断增长的负载：即交换式以太网。交换式以太网的核心是一个交换机，它包含一块连接所有端口的高速背板。从外面看交换机很像集线器，它们都是一个盒子，通常拥有4-48个端口，每个端口都有一个标准的RJ-45连接器用来连接双绞电缆。交换机只把帧输出到该帧想去的端口。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成添加或者删除一台机器，而且由于片状电缆或者端口通常只影响到一台机器，因此大多数错误都很容易被发现。这种配置模式仍然存在一个共享组件出现故障的问题，即交换机本身的故障：如果所有站都失去了网络连接，则IT人员知道该怎么解决这个问题：更换整个交换机。 [1]交换式以太网体系结构如下：以太网结构相关技术播报编辑共享介质带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术规定了多台计算机共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台计算机要发送信息时，在以下行动与状态之间进行转换：1.开始- 如果线路空闲，则启动传输，否则跳转到第4步。2.发送- 如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小回报时间（min echo receive interval）以确保所有其他转发器和终端检测到冲突，而后跳转到第4步。3.成功传输- 向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式。4.线路繁忙- 持续等待直到线路空闲。5.线路空闲- 在尚未达到最大尝试次数之前，每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。6.超过最大尝试传输次数- 向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式。因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端（destination），却会使用广播的形式，发送给线路上的所有计算机。在正常情况下，网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息，接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求，除非网卡处于混杂模式（Promiscuous mode）。这种“一个说，大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点，因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽，所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢，比如电源故障之后，当所有的网络终端都重新启动时。中继器因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米（1,640英尺）。最大距离可以通过以太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4个中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。类似于其他的高速总线，以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，如果不这么做，就会发生类似电缆断掉的情况：总线上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。集线器采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连接速度的限制（10或100 Mbit/s），这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网络负载过重时，冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网络的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前尽量提高网络的负载，通常会先做一些设定以避免类似情况发生。以太网交换机播报编辑测试项目性能指标使用专用的以太网测试仪器进行测试，这些性能指标的测试结果还可以评估LAN系统是否满足验收要求。从GBT21671-2008“基于以太网的LAN系统验收评估规范”可以了解到局域网还可以通过测量诸如网络吞吐量，传输延迟和丢包率等性能指标来判断性能。以太网测试仪是一款适合现场使用的坚固耐用的测试平台。它具有完整的以太网测试功能，双光口和双电口，以太网服务接口模块，HST-3000支持多种数据流测试。包括10/100/1000M以太网链路的流量生成和故障排除，它可以测试高达1Gbit/s的电气和光纤端口链路。由于验收检查中的各种条件的限制，可以支持点对点或路由网络的测试以用于交换机的例行测试。 [3]存在的问题现代测试仪器的整体特性是高可靠性，高性能和高适用性。因此，国内测试产品与国外产品之间的差距反映在这方面。虽然国内某些测试设备在一定的性能指标上接近国际先进水平，但具有达到国际标准的综合设备性能指标的产品普遍较少。此外，国内测试仪器大多是常见的规格，不能满足某些特殊环境下的测试工作。低度自动化测试也是一个常见问题。 [3]交换机测试技术如今，交换机以应用需求为向导对交换机的性能提出了新的要求。在网络综合服务、安全性、智能化等方面有了新的发展。协议测试是一种基本交换机测试技术，网络协议是为了提高测试的效率和沟通的有效性提出的为了保障通信的规则。在网络通信日益膨胀的年代，网络协议也必不可少，网络协议的基本要求是功能正确、互通性好和性能优越。协议测试最初的原型为软件测试，主要的分类有黑盒测试、白盒测试和灰盒测试。 [3]存在的问题播报编辑吞吐量是以太网测试的一项重要指标。很多工程师认为以太网交换吞吐量应该为其线速率，即100%流量下不能出现丢包，并且认为以太网帧间隔IFG小于96bits是非法的。但在以太网交换吞吐量及丢包率测试中，经常在线速条件下长时间误码测试会出现少量的丢包，究其原因为以太网跨时钟域架构所导致的。 [4]工业以太网技术的迅速发展和应用的同时，伴随出现了大量的网络问题。根据西门子公司提供的统计数据，网络通信故障率占70%以上，网络设备故障率不足30%。网络故障导致系统停机后，故障诊断和定位所需的时间占系统停机总时间的80%以上，而维护措施所占时间不足20%。因此网络流量实时监控和分析是工业以太网发展和应用中面临的重大问题，实时监控和分析工业以太网网络流量，及时发现和定位网络问题对提高整个系统的稳定运行起到了至关重要的作用。 [5]车载以太网播报编辑传统以太网协议由于采用的是载波监听多路访问及冲突检测技术。因此，在数据包延时、排序和可靠性上达不到车载网络实时性要求，所以，常见的车载局域网仍是基于CAN的实时现场总线协议。但随着汽车电子技术的爆发式发展，ECU数量不断增长，影音娱乐信号也纳入车内通信，这使得高实时、低带宽的传统车载总线开始不适应汽车电子发展趋势。 [6]国际电子电气工程师协会(IEEE)经过长期研究在2016年批准了第一个车载以太网标准 “100BASE-T1”，其基于博通公司的BroadR.Reach 解决方案，在物理层用单对非屏蔽双绞线电缆，采用更加优化的扰码算法来减弱信号相关性增加实时性，可在车内提供100Mbps高实时带宽。 [6]高速以太网在汽车干扰环境下的通信质量是需要重点考查的问题。特别对于100BASE.T1网络采用的是非屏蔽的电缆，更容易受到电流浪涌、电磁干扰的影响，导致其性能不稳定甚至功能失效。有基于以太网物理层的一致性测试方法，用于测试信号发射设备的回波损耗、定时抖动和最大输出跌落等性能；RFC2544标准提供了以太网时延、吞吐量和丢包率等主要性能指标的测试方法；但这些常见方法都是基于传统以太网，不支持 100BASE-TI车载以太网，并且没有考虑到车载环境的干扰特征。 [6]工业以太网播报编辑工业以太网技术源自于以太网技术，但是其本身和普通的以太网技术又存在着很大的差异和区别。工业以太网技术本身进行了适应性方面的调整，同时结合工业生产安全性和稳定性方面的需求，增加了相应的控制应用功能，提出了符合特定工业应用场所需求的相应的解决方案。工业以太网技术在实际应用中，能够满足工业生产高效性、稳定性、实时性、经济性、智能性、扩展性等多方面的需求，可以真正延伸到实际企业生产过程中现场设备的控制层面，并结合其技术应用的特点，给予实际企业工业生产过程的全方位控制和管理，是一种非常重要的技术手段。 [7]工业以太网技术应用的优势分析如下：第一，工业以太网技术具有广泛的应用范围。以太网技术本身作为重要的基础性计算机网络技术，其本身能够兼容多种不同的编程语言。例如，常见的JAVA、C++等编程语言都支持以太网方面的应用开发。 [7]第二，工业以太网技术具有良好的应用经济性。相对于以往传统工业生产当中现场总线网卡的基础设施方面的投入，以太网的网卡成本方面具有十分显著的优势。在当前以太网技术不断发展的今天，整体以太网技术的设计、应用方面已经十分成熟。在具体技术开发方面，有着很多现有的资源和设计案例进行应用，这也进一步降低了系统的开发和推广成本，同时也让后续培训工作的开展变得更加有效率。可以说，经济性强、成本低廉、应用效率高、过渡短、方案成熟，这是工业以太网技术的一个显著优势特征。 [7]第三，工业以太网技术具有较高的通信速率。相对现场总线来说，工业以太网的通信速率较高，1Gb/s的技术应用也变得十分成熟。在当前不断增长的工业控制网络性能吞吐需求的前提下，这种速率上的优势十分明显，其能够更好地满足当前的带宽标准，是新时期现代工业生产网络工程的重要发展方向。相对上也控制网络来说，工业控制网络内部不同节点的实时数据了相对较少，但是其对于传输的实时性方面要求很高。以太网技术本身的网络负载方面有着显著的优势，这也让整个通信过程的实时性需求得到了更好的满足。良好的通信速率标准，可以进一步降低网络负荷，减少网络传输延时，从而最大限度规避忘了碰撞的概率，保障工业生产的安全性与可靠性。 [7]第四，工业以太网技术具有良好的共享能力。随着当前网络技术的不断发展和成熟化，整个互联网体系变得更加成熟，任何一个接入到网络当中的计算机，都可以实现对工业控制现场相关数据的浏览和调用，这对于远程管控应用来说具有良好的优势，同时这也超越了以往现场总线管理模式的便利性，是实现现代化工业生产管理的重要基础性依据。 [7]第五，工业以太网技术具有良好的发展空间。通过工业以太网技术的应用，整个工业网络控制系统本身会具备一个更加广阔的发展空间和前景。在后续技术改造和升级的过程中，以太网技术能够为其提供一个良好的基础平台，这种扩展性方面的优势相比于现场总线技术来说是十分明显的。与此同时，在当前人工智能等相关技术发展的环境下，网络通信质量和效率本身的标准更高，很多新通信协议的应用，这也需要工业以太网技术给予相应的支持。 [7]新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号京公网安备110000020000

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