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電腦區域網絡技術 来自维基百科，自由的百科全书
以太網（英語：Ethernet）是一種計算機局域網技術。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網的技術標準，它規定了包括物理層的連線、電子信號和介質訪問控制的內容。以太網是目前應用最普遍的局域網技術，取代了其他局域網標準如令牌環、FDDI和ARCNET。
以太網的標準拓撲結構為總線型拓撲，但目前的快速以太網（100BASE-T、1000BASE-T標準）為了減少衝突，將能提高的網絡速度和使用效率最大化，使用交換機（Switch hub）來進行網絡連接和組織。如此一來，以太網的拓撲結構就成了星型；但在邏輯上，以太網仍然使用總線型拓撲和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重存取/碰撞偵測）的總線技術。
以太網技術起源於施樂帕洛阿爾托研究中心的先鋒技術項目。人們通常認為以太網發明於1973年，當年鮑勃·梅特卡夫（Bob Metcalfe）給他PARC的老闆寫了一篇有關以太網潛力的備忘錄。但是梅特卡夫本人認為以太網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〈以太網：區域計算機網絡的分布式封包交換技術〉的文章。
1979年，梅特卡夫為了開發個人電腦和局域網離開了施樂（Xerox），成立了3Com公司。3Com對DEC、英特爾和施樂進行遊說，希望與他們一起將以太網標準化、規範化。這個通用的以太網標準於1980年9月30日提出。當時業界有兩個流行的非公用網絡標準令牌環網和ARCNET，在以太網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，在理論上令牌環網要比以太網優越。受到此結論的影響，很多電腦廠商或猶豫不決或決定不把以太網接口做為機器的標準配置，這樣3Com才有機會從銷售以太網網卡大賺。這種情況也導致了另一種說法「以太網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，網絡中實際的數據流特性與人們在局域網普及之前的估計不同，而正是因為以太網簡單的結構才使局域網得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾經在麻省理工學院MAC項目（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，在此期間奠定了以太網技術的理論基礎。[來源請求]
以太網實作了網絡上無線電系統多個節點發送信息的想法，每個節點必須取得電纜或者通道才能傳送信息，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位地址也就是製造商分配給網卡的MAC地址，以保證以太網上所有節點能互相鑑別。由於以太網十分普遍，許多製造商把以太網卡直接集成進計算機主板。
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。這個方法要比令牌環網或者主控制網簡單。當某台電腦要發送信息時，在以下行動與狀態之間進行轉換：
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。延遲的時間通過截斷二進位指數後移（truncated binary exponential backoff）演算法來實現。
最初的以太網是採用同軸電纜來連接各個設備的。電腦透過一個叫做附加單元接口（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絡來說很可靠，而對於大型網絡來說，某處線路的故障或某個連接器的故障，都會造成以太網某個或多個網段的不穩定。
因為所有的通信信號都在共用線路上傳輸，即使信息只是想發給其中的一個終端（destination），卻會使用廣播的形式，發送給線路上的所有電腦。在正常情況下，網絡接口卡會濾掉不是發送給自己的信息，接收到目標地址是自己的信息時才會向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」的特質是共享介質以太網在安全上的弱點，因為以太網上的一個節點可以選擇是否監聽線路上傳輸的所有信息。共享電纜也意味着共享帶寬，所以在某些情況下以太網的速度可能會非常慢，比如電源故障之後，當所有的網絡終端都重新啟動時。
在以太網技術的發展中，以太網集線器（Ethernet Hub）的出現使得網絡更加可靠，接線更加方便。
因為信號的衰減和延時，根據不同的介質以太網段有距離限制。例如，10BASE5同軸電纜最長距離500米 （1,640英尺）。最大距離可以透過以太網中繼器實現，中繼器可以把電纜中的信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個設備（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，所有這個段上的設備就無法通訊，中繼器可以保證其他網段正常工作。
類似於其他的高速總線，以太網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：總線上的AC信號當到達終端時將被反射，而不能消散。被反射的信號將被認為是衝突，從而使通信無法繼續。中繼器可以將連在其上的兩個網段進行電氣隔離，增強和同步信號。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。
隨着應用的拓展，人們逐漸發現星型的網絡拓撲結構最為有效，於是設備廠商們開始研製有多個端口的中繼器。多端口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絡。
第一個集線器被認為是「多端口收發器」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連接器的主機共用一個收發器。集線器也導致了不使用同軸電纜的小型獨立以太網網段的出現。
像DEC和SynOptics這樣的網絡設備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。
非屏蔽雙絞線（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先應用在星型局域網中，之後也在10BASE-T中應用，最後取代了同軸電纜成為以太網的標準。這項改進之後，RJ45電話接口代替了AUI成為電腦和集線器的標準線路，非屏蔽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設備的故障不會影響到整個網絡，提高了以太網的可靠性。雙絞線以太網把每一個網段點對點地連起來，這樣終端就可以做成一個標準的硬件，解決了以太網的終端問題。
採用集線器組網的以太網儘管在物理上是星型結構，但在邏輯上仍然是總線型的，半雙工的通信方式採用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。每一個數據包都被發送到集線器的每一個端口，所以帶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。當網絡負載過重時，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絡的負載在僅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絡的負載，通常會先做一些設定以避免類似情況發生。
儘管中繼器在某些方面分隔了以太網網段，使得電纜斷線的故障不會影響到整個網絡，但它向所有的以太網設備轉發所有的數據。這嚴重限制了同一個以太網網絡上可以相互通信的機器數量。為了減輕這個問題，橋接方法被採用，在工作在物理層的中繼器之基礎上，橋接工作在數據鏈路層。透過橋接器時，只有格式完整的數據包才能從一個網段進入另一個網段；衝突和數據包錯誤則都被隔離。透過記錄分析網絡上設備的MAC地址，網橋可以判斷它們都在什麼位置，這樣它就不會向非目標設備所在的網段傳遞數據包。像生成樹協議這樣的控制機制可以協調多個交換機共同工作。
早期的網橋要檢測每一個數據包，因此當同時處理多個端口的時候，數據轉發比Hub（中繼器）來得慢。1989年網絡公司Kalpana發明了EtherSwitch，第一台以太網交換機。以太網交換機把橋接功能用硬件實現，這樣就能保證轉發數據速率達到線速。
大多數現代以太網用以太網交換機代替Hub。儘管布線方式和Hub以太網相同，但交換式以太網比共享介質以太網有很多明顯的優勢，例如更大的帶寬和更好的異常結果隔離設備。交換網絡典型的使用星型拓撲，雖然設備在半雙工模式下運作時仍是共享介質的多節點網，但10BASE-T和以後的標準皆為全雙工以太網，不再是共享介質系統。
交換機啟動後，一開始也和Hub一樣，轉發所有數據到所有端口。接下來，當它記錄了每個端口的地址以後，他就只把非廣播數據發送給特定的目的端口。因此線速以太網交換可以在任何端口對之間實現，所有端口對之間的通訊互不干擾。
因為數據包一般只是發送到他的目的端口，所以交換式以太網上的流量要略微小於共享介質式以太網。然而，交換式以太網仍然是不安全的網絡技術，因為它很容易因為ARP欺騙或者MAC滿溢而癱瘓，同時網絡管理員也可以利用監控功能抓取網絡數據包。
當只有簡單設備（除Hub之外的設備）連接交換機端口時，整個網絡可能處於全雙工模式。如果一個網段只有2個設備，那麼衝突探測也不需要了，兩個設備可以隨時收發數據。這時總帶寬是鏈路的2倍，雖然雙方的頻寬相同，但沒有發生衝突就意味着幾乎能利用到100%的帶寬。
交換機端口和所連接的設備必須使用相同的雙工設置。多數100BASE-TX和1000BASE-T設備支持自動協商特性，即這些設備透過信號來協調要使用的速率和雙工設置。然而，如果自動協商功能被關閉或者設備不支持，則雙工設置必須透過自動檢測進行設置或在交換機端口和設備上都進行手工設置以避免雙工錯配——這是以太網問題的一種常見原因（設備被設置為半雙工會報告遲發衝突，而設備被設為全雙工則會報告runt）。許多較低層級的交換機沒有手工進行速率和雙工設置的能力，因此端口總是會嘗試進行自動協商。當啟用了自動協商但不成功時（例如其他設備不支持），自動協商會將端口設置為半雙工。速率是可以自動感測的，因此將一個10BASE-T設備連接到一個啟用了自動協商的10/100交換端口上時將可以成功地建立一個半雙工的10BASE-T連接。但是將一個配置為全雙工100Mb工作的設備連接到一個配置為自動協商的交換端口時（反之亦然）則會導致雙工錯配。
即使電纜兩端都設置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，如果性能差於預期，應該查看一下是否有計算機設置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置為100Mbit，則可以手動強制設置成正確模式。
當兩個節點試圖用超過電纜最高支持數據速率（例如在3類線上使用100Mbps或者3類/5類線使用1000Mbps）通信時就會發生問題。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持數據速率，以太網節點只是簡單的選擇兩端支持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持的速率。
除了以上提到的不同幀類型以外，各類以太網的差別僅在速率和配線。因此，同樣的網絡協議棧軟件可以在大多數以太網上執行。
以下的章節簡要綜述了不同的正式以太網類型。除了這些正式的標準以外，許多廠商因為一些特殊的原因，例如為了支持更長距離的光纖傳輸，而制定了一些專用的標準。
很多以太網卡和交換設備都支持多速率，設備之間透過自動協商設置最佳的連接速度和雙工方式。如果協商失敗，多速率設備就會探測另一方使用的速率但是默認為半雙工方式。10/100以太網端口支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。
| 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 | 以太網 十兆以太網 |
10BASE-T | 802.3 | 雙絞線 | 100m |
| 100Mbps | 快速以太網 百兆以太網 |
100BASE-T | 802.3u | 雙絞線 | 100m |
| 1Gbps | 吉比特以太網 千兆以太網 |
1000BASE-LX | 802.3z | 光纖 | 5000m |
| 1Gbps | 吉比特以太網 千兆以太網 |
1000BASE-T | 802.3ab | 雙絞線 | 100m |
| 10Gbps | 10吉比特以太網 萬兆以太網 |
10GBASE-T | 802.3an | 雙絞線 | 100m |
快速以太網（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]
新的萬兆以太網標準包含7種不同類型，分別適用於局域網、城域網和廣域網。目前使用附加標準IEEE 802.3ae，將來會合併進IEEE 802.3標準。
新的40G/100G以太網標準在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。
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