數(shù)據傳輸速率不斷提升的以太網技術
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數(shù)據傳輸速率不斷提升的以太網技術
很難想象一種技術利用最初為語音業(yè)務設計的銅線，竟然能幾乎天衣無縫地使帶寬增大2個數(shù)量級。本文闡述當今的以太網（Ethernet）如何像20年前那樣繼續(xù)令人驚奇。
要點
廠商們每年銷售的以太網端口總數(shù)大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網獲得成功的關鍵。
調制技術的發(fā)展使帶寬按數(shù)量級增長。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡直就是一場噩夢。那時的一個典型數(shù)據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過9600波特的RS-232串行總線。結果，終端通信速度很慢，連支持一個小規(guī)模操作所需的接線室實際上也令人費解。擔任施樂公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見到普遍性計算的爆炸性增長，當時正在研究一種以2.94 Mbps的數(shù)據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來的系統(tǒng)。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據包的廣播通信系統(tǒng)，并將其命名為Ethernet——以太網（參考文獻1）。他倆與數(shù)字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開始制定一套與廠商無關的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開發(fā)工作一直延續(xù)至今。
在各廠商每年總共銷售大約3億端口的情況下，以太網已經滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網的方方面面。主要是由于固有的安全問題，自動化工程師很快就會承認以太網在面對現(xiàn)場總線技術時為獲得接納而付出的長期努力。這種情形在過程控制行業(yè)內是個爭論點，因為在這個行業(yè)中，許多部署使得以太網局限于完成數(shù)據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠商都將以太網包含在其微控制器中，因而這項技術會繼續(xù)打入嵌入式系統(tǒng)領域。另一方面，以太網繼續(xù)面對其在城域數(shù)據傳送方面的挑戰(zhàn)，許多廠商提供橋接器芯片，以簡化與廣域網骨干技術，例如SONET/SDH（同步光網絡/同步數(shù)字系統(tǒng)）的連接。而同樣在消費者和專業(yè)用戶之類的市場上，最新的無線以太網也正在急速地侵占有線設備的銷售份額。
如果你正在著手以太網設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線傳輸、以太網供電以及ZigBee之類現(xiàn)代開發(fā)成果，則回顧一下促使以太網在首次商用之后二十年繼續(xù)發(fā)展的技術基礎是非常有益的。你幾乎肯定會對無論是最早的以太網系統(tǒng)為實施者提供的靈活性，還是當前一代開發(fā)者延續(xù)的獨創(chuàng)性感到驚訝萬分。本文著眼于最流行的有線以太網，其目前的數(shù)據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網的特點
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網絡組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開放系統(tǒng)互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務和數(shù)據鏈路層服務（圖1）。這兩層通稱為網絡層，由網絡連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數(shù)據流轉換并傳遞到較高層進一步處理的驅動軟件組成。從這種意義上說，傳統(tǒng)的以太網是一種無連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統(tǒng)。因此，這種協(xié)議將數(shù)據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數(shù)據是否能安全到達；如果應用系統(tǒng)需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網服務映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務。
現(xiàn)今最流行的以太網產品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續(xù)的較高速度或不同應用特性而進行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個節(jié)點之間進行仲裁的全雙工網絡，但大多數(shù)工程師還是會立刻將以太網與CSMA/CD聯(lián)系起來。與后來制定的要求每個節(jié)點具有預定義的網絡訪問優(yōu)先級來簡化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區(qū)域網）——不同，所有的以太網節(jié)點都具有同等的訪問權；因此，以太網不適合實時控制用途。當一個傳統(tǒng)以太網節(jié)點打算發(fā)送數(shù)據時，它首先接收網絡的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽階段），如果沒有，這個節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據。如果另一個節(jié)點也同時嘗試發(fā)送數(shù)據，就會發(fā)生數(shù)據沖突，在同軸網絡上產生一個過高的電壓，或者在半雙工雙絞線網絡上同時進行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時，每個節(jié)點都會停止數(shù)據傳送，并發(fā)送一個擁塞模式，通知其它節(jié)點推遲任何即將進行的數(shù)據傳送。這個擁塞模式長度為32位，由一個與幀校驗序列場中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節(jié)點都會丟棄這個毀壞的分組。
圖2，以太網的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時，互相沖突的節(jié)點將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時間。這種補償延遲算法利用每個以太網設備獨特的48位MAC（媒介訪問控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過程就會重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節(jié)點就放棄并標記一個錯誤。由于發(fā)送節(jié)點僅在發(fā)送時才檢測到沖突，所以任何發(fā)送數(shù)據的第一位必須到達各個節(jié)點后，發(fā)送節(jié)點才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規(guī)定了最大電纜長度，以確保每個分組的前64位都傳播過整個電纜。如果沖突在發(fā)送節(jié)點發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數(shù)據丟失所必需的。“末尾沖突”狀況通常表示硬件故障或線纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網通信量隨網絡使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個正常特性。總而言之，你會預料到以太網使用率超過大約80%就會大大降低性能，不過大多數(shù)系統(tǒng)的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網”）技術。（在以太網術語中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數(shù)字表示以百米為單位的最大傳輸長度。）這些早期以太網都采用總線體系結構，兩端各有一個50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術利用一段直徑約為10 mm、取出點不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒有斷點，可避免由于連接器或不同電纜種類造成的阻抗不連續(xù)，并要求使用一種被稱為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
要點
廠商們每年銷售的以太網端口總數(shù)大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網獲得成功的關鍵。
調制技術的發(fā)展使帶寬按數(shù)量級增長。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡直就是一場噩夢。那時的一個典型數(shù)據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過9600波特的RS-232串行總線。結果，終端通信速度很慢，連支持一個小規(guī)模操作所需的接線室實際上也令人費解。擔任施樂公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見到普遍性計算的爆炸性增長，當時正在研究一種以2.94 Mbps的數(shù)據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來的系統(tǒng)。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據包的廣播通信系統(tǒng)，并將其命名為Ethernet——以太網（參考文獻1）。他倆與數(shù)字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開始制定一套與廠商無關的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開發(fā)工作一直延續(xù)至今。
在各廠商每年總共銷售大約3億端口的情況下，以太網已經滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網的方方面面。主要是由于固有的安全問題，自動化工程師很快就會承認以太網在面對現(xiàn)場總線技術時為獲得接納而付出的長期努力。這種情形在過程控制行業(yè)內是個爭論點，因為在這個行業(yè)中，許多部署使得以太網局限于完成數(shù)據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠商都將以太網包含在其微控制器中，因而這項技術會繼續(xù)打入嵌入式系統(tǒng)領域。另一方面，以太網繼續(xù)面對其在城域數(shù)據傳送方面的挑戰(zhàn)，許多廠商提供橋接器芯片，以簡化與廣域網骨干技術，例如SONET/SDH（同步光網絡/同步數(shù)字系統(tǒng)）的連接。而同樣在消費者和專業(yè)用戶之類的市場上，最新的無線以太網也正在急速地侵占有線設備的銷售份額。
如果你正在著手以太網設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線傳輸、以太網供電以及ZigBee之類現(xiàn)代開發(fā)成果，則回顧一下促使以太網在首次商用之后二十年繼續(xù)發(fā)展的技術基礎是非常有益的。你幾乎肯定會對無論是最早的以太網系統(tǒng)為實施者提供的靈活性，還是當前一代開發(fā)者延續(xù)的獨創(chuàng)性感到驚訝萬分。本文著眼于最流行的有線以太網，其目前的數(shù)據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網的特點
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網絡組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開放系統(tǒng)互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務和數(shù)據鏈路層服務（圖1）。這兩層通稱為網絡層，由網絡連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數(shù)據流轉換并傳遞到較高層進一步處理的驅動軟件組成。從這種意義上說，傳統(tǒng)的以太網是一種無連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統(tǒng)。因此，這種協(xié)議將數(shù)據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數(shù)據是否能安全到達；如果應用系統(tǒng)需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網服務映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務。
現(xiàn)今最流行的以太網產品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續(xù)的較高速度或不同應用特性而進行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個節(jié)點之間進行仲裁的全雙工網絡，但大多數(shù)工程師還是會立刻將以太網與CSMA/CD聯(lián)系起來。與后來制定的要求每個節(jié)點具有預定義的網絡訪問優(yōu)先級來簡化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區(qū)域網）——不同，所有的以太網節(jié)點都具有同等的訪問權；因此，以太網不適合實時控制用途。當一個傳統(tǒng)以太網節(jié)點打算發(fā)送數(shù)據時，它首先接收網絡的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽階段），如果沒有，這個節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據。如果另一個節(jié)點也同時嘗試發(fā)送數(shù)據，就會發(fā)生數(shù)據沖突，在同軸網絡上產生一個過高的電壓，或者在半雙工雙絞線網絡上同時進行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時，每個節(jié)點都會停止數(shù)據傳送，并發(fā)送一個擁塞模式，通知其它節(jié)點推遲任何即將進行的數(shù)據傳送。這個擁塞模式長度為32位，由一個與幀校驗序列場中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節(jié)點都會丟棄這個毀壞的分組。
圖2，以太網的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時，互相沖突的節(jié)點將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時間。這種補償延遲算法利用每個以太網設備獨特的48位MAC（媒介訪問控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過程就會重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節(jié)點就放棄并標記一個錯誤。由于發(fā)送節(jié)點僅在發(fā)送時才檢測到沖突，所以任何發(fā)送數(shù)據的第一位必須到達各個節(jié)點后，發(fā)送節(jié)點才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規(guī)定了最大電纜長度，以確保每個分組的前64位都傳播過整個電纜。如果沖突在發(fā)送節(jié)點發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數(shù)據丟失所必需的。“末尾沖突”狀況通常表示硬件故障或線纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網通信量隨網絡使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個正常特性。總而言之，你會預料到以太網使用率超過大約80%就會大大降低性能，不過大多數(shù)系統(tǒng)的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網”）技術。（在以太網術語中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數(shù)字表示以百米為單位的最大傳輸長度。）這些早期以太網都采用總線體系結構，兩端各有一個50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術利用一段直徑約為10 mm、取出點不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒有斷點，可避免由于連接器或不同電纜種類造成的阻抗不連續(xù)，并要求使用一種被稱為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
很難想象一種技術利用最初為語音業(yè)務設計的銅線，竟然能幾乎天衣無縫地使帶寬增大2個數(shù)量級。本文闡述當今的以太網（Ethernet）如何像20年前那樣繼續(xù)令人驚奇。
要點
廠商們每年銷售的以太網端口總數(shù)大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網獲得成功的關鍵。
調制技術的發(fā)展使帶寬按數(shù)量級增長。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡直就是一場噩夢。那時的一個典型數(shù)據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過9600波特的RS-232串行總線。結果，終端通信速度很慢，連支持一個小規(guī)模操作所需的接線室實際上也令人費解。擔任施樂公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見到普遍性計算的爆炸性增長，當時正在研究一種以2.94 Mbps的數(shù)據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來的系統(tǒng)。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據包的廣播通信系統(tǒng)，并將其命名為Ethernet——以太網（參考文獻1）。他倆與數(shù)字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開始制定一套與廠商無關的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開發(fā)工作一直延續(xù)至今。
在各廠商每年總共銷售大約3億端口的情況下，以太網已經滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網的方方面面。主要是由于固有的安全問題，自動化工程師很快就會承認以太網在面對現(xiàn)場總線技術時為獲得接納而付出的長期努力。這種情形在過程控制行業(yè)內是個爭論點，因為在這個行業(yè)中，許多部署使得以太網局限于完成數(shù)據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠商都將以太網包含在其微控制器中，因而這項技術會繼續(xù)打入嵌入式系統(tǒng)領域。另一方面，以太網繼續(xù)面對其在城域數(shù)據傳送方面的挑戰(zhàn)，許多廠商提供橋接器芯片，以簡化與廣域網骨干技術，例如SONET/SDH（同步光網絡/同步數(shù)字系統(tǒng)）的連接。而同樣在消費者和專業(yè)用戶之類的市場上，最新的無線以太網也正在急速地侵占有線設備的銷售份額。
如果你正在著手以太網設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線傳輸、以太網供電以及ZigBee之類現(xiàn)代開發(fā)成果，則回顧一下促使以太網在首次商用之后二十年繼續(xù)發(fā)展的技術基礎是非常有益的。你幾乎肯定會對無論是最早的以太網系統(tǒng)為實施者提供的靈活性，還是當前一代開發(fā)者延續(xù)的獨創(chuàng)性感到驚訝萬分。本文著眼于最流行的有線以太網，其目前的數(shù)據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網的特點
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網絡組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開放系統(tǒng)互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務和數(shù)據鏈路層服務（圖1）。這兩層通稱為網絡層，由網絡連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數(shù)據流轉換并傳遞到較高層進一步處理的驅動軟件組成。從這種意義上說，傳統(tǒng)的以太網是一種無連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統(tǒng)。因此，這種協(xié)議將數(shù)據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數(shù)據是否能安全到達；如果應用系統(tǒng)需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網服務映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務。
現(xiàn)今最流行的以太網產品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續(xù)的較高速度或不同應用特性而進行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個節(jié)點之間進行仲裁的全雙工網絡，但大多數(shù)工程師還是會立刻將以太網與CSMA/CD聯(lián)系起來。與后來制定的要求每個節(jié)點具有預定義的網絡訪問優(yōu)先級來簡化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區(qū)域網）——不同，所有的以太網節(jié)點都具有同等的訪問權；因此，以太網不適合實時控制用途。當一個傳統(tǒng)以太網節(jié)點打算發(fā)送數(shù)據時，它首先接收網絡的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽階段），如果沒有，這個節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據。如果另一個節(jié)點也同時嘗試發(fā)送數(shù)據，就會發(fā)生數(shù)據沖突，在同軸網絡上產生一個過高的電壓，或者在半雙工雙絞線網絡上同時進行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時，每個節(jié)點都會停止數(shù)據傳送，并發(fā)送一個擁塞模式，通知其它節(jié)點推遲任何即將進行的數(shù)據傳送。這個擁塞模式長度為32位，由一個與幀校驗序列場中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節(jié)點都會丟棄這個毀壞的分組。
圖2，以太網的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時，互相沖突的節(jié)點將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時間。這種補償延遲算法利用每個以太網設備獨特的48位MAC（媒介訪問控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過程就會重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節(jié)點就放棄并標記一個錯誤。由于發(fā)送節(jié)點僅在發(fā)送時才檢測到沖突，所以任何發(fā)送數(shù)據的第一位必須到達各個節(jié)點后，發(fā)送節(jié)點才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規(guī)定了最大電纜長度，以確保每個分組的前64位都傳播過整個電纜。如果沖突在發(fā)送節(jié)點發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數(shù)據丟失所必需的?！澳┪矝_突”狀況通常表示硬件故障或線纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網通信量隨網絡使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個正常特性。總而言之，你會預料到以太網使用率超過大約80%就會大大降低性能，不過大多數(shù)系統(tǒng)的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網”）技術。（在以太網術語中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數(shù)字表示以百米為單位的最大傳輸長度。）這些早期以太網都采用總線體系結構，兩端各有一個50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術利用一段直徑約為10 mm、取出點不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒有斷點，可避免由于連接器或不同電纜種類造成的阻抗不連續(xù)，并要求使用一種被稱為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
要點
廠商們每年銷售的以太網端口總數(shù)大約為3億件。
后向兼容性和可擴展性是以太網獲得成功的關鍵。
調制技術的發(fā)展使帶寬按數(shù)量級增長。
早在二十世紀七十年代，要把計算機連接到外圍設備或者其它計算機簡直就是一場噩夢。那時的一個典型數(shù)據處理中心是由一臺中央小型機或大型機以及許多簡易終端和行式打印機組成。中央處理器與其外圍設備之間的連接幾乎總是采用速度超不過9600波特的RS-232串行總線。結果，終端通信速度很慢，連支持一個小規(guī)模操作所需的接線室實際上也令人費解。擔任施樂公司Palo Alto研究中心研究員的Bob Metcalfe和David Boggs，由于預見到普遍性計算的爆炸性增長，當時正在研究一種以2.94 Mbps的數(shù)據傳輸速率，把該公司的多臺計算機和打印機連接起來的系統(tǒng)。他倆在1976年發(fā)表的一篇論文描述了這種在本地分布的計算機系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據包的廣播通信系統(tǒng)，并將其命名為Ethernet——以太網（參考文獻1）。他倆與數(shù)字設備公司（DEC）和英特爾公司（Intel）合作，開始制定一套與廠商無關的標準，這套標準隨后被IEEE接納為802系列標準之一，這方面的標準開發(fā)工作一直延續(xù)至今。
在各廠商每年總共銷售大約3億端口的情況下，以太網已經滲透到商業(yè)和局域聯(lián)網的方方面面。主要是由于固有的安全問題，自動化工程師很快就會承認以太網在面對現(xiàn)場總線技術時為獲得接納而付出的長期努力。這種情形在過程控制行業(yè)內是個爭論點，因為在這個行業(yè)中，許多部署使得以太網局限于完成數(shù)據采集和后臺辦公職責。但是，很多硅半導體廠商都將以太網包含在其微控制器中，因而這項技術會繼續(xù)打入嵌入式系統(tǒng)領域。另一方面，以太網繼續(xù)面對其在城域數(shù)據傳送方面的挑戰(zhàn)，許多廠商提供橋接器芯片，以簡化與廣域網骨干技術，例如SONET/SDH（同步光網絡/同步數(shù)字系統(tǒng)）的連接。而同樣在消費者和專業(yè)用戶之類的市場上，最新的無線以太網也正在急速地侵占有線設備的銷售份額。
如果你正在著手以太網設計，或者只是想鑒賞諸如Gbps銅線傳輸、以太網供電以及ZigBee之類現(xiàn)代開發(fā)成果，則回顧一下促使以太網在首次商用之后二十年繼續(xù)發(fā)展的技術基礎是非常有益的。你幾乎肯定會對無論是最早的以太網系統(tǒng)為實施者提供的靈活性，還是當前一代開發(fā)者延續(xù)的獨創(chuàng)性感到驚訝萬分。本文著眼于最流行的有線以太網，其目前的數(shù)據傳輸速率為10 Mbps～10 Gbps不等。
CSMA/CD成為以太網的特點
最初的DIX（DEC/Intel/Xerox）以太網標準在獲得批準之前，曾由IEEE于1983年加以修訂。該標準描述了一種采用CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路存?。﹨f(xié)議10-Mbps半雙工通信媒體。這種網絡組件適合于ISO（國際標準化組織）的OSI（開放系統(tǒng)互連）模型（ISO/IEC 7498-1:1994）的較低兩層，用以提供物理層服務和數(shù)據鏈路層服務（圖1）。這兩層通稱為網絡層，由網絡連接媒體（例如電纜）、通信硬件（例如收發(fā)器IC）以及將物理層數(shù)據流轉換并傳遞到較高層進一步處理的驅動軟件組成。從這種意義上說，傳統(tǒng)的以太網是一種無連接的、不可靠的或“盡力傳送”的系統(tǒng)。因此，這種協(xié)議將數(shù)據分組并試圖將其傳送到預期的目的地，而不是首先檢查目的地是否有空或者數(shù)據是否能安全到達；如果應用系統(tǒng)需要，則高級軟件可完成這些功能。
圖1，以太網服務映射到標準的ISO/OSI模型的較低層，以提供與獨立于媒體的通信服務。
現(xiàn)今最流行的以太網產品仍然采用最初的幀格式（圖2）和CSMA/CD機制，為了適應后續(xù)的較高速度或不同應用特性而進行的調整較少。盡管有不需要的存在免除在兩個節(jié)點之間進行仲裁的全雙工網絡，但大多數(shù)工程師還是會立刻將以太網與CSMA/CD聯(lián)系起來。與后來制定的要求每個節(jié)點具有預定義的網絡訪問優(yōu)先級來簡化確定性響應的協(xié)議——例如CAN（控制區(qū)域網）——不同，所有的以太網節(jié)點都具有同等的訪問權；因此，以太網不適合實時控制用途。當一個傳統(tǒng)以太網節(jié)點打算發(fā)送數(shù)據時，它首先接收網絡的信息，以確定媒體是否被占用（載波偵聽階段），如果沒有，這個節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據。如果另一個節(jié)點也同時嘗試發(fā)送數(shù)據，就會發(fā)生數(shù)據沖突，在同軸網絡上產生一個過高的電壓，或者在半雙工雙絞線網絡上同時進行發(fā)送/接收。檢測到這種異常情況時，每個節(jié)點都會停止數(shù)據傳送，并發(fā)送一個擁塞模式，通知其它節(jié)點推遲任何即將進行的數(shù)據傳送。這個擁塞模式長度為32位，由一個與幀校驗序列場中CRC值不一致的任意序列（通常全為“1”）組成。因此，所有接收節(jié)點都會丟棄這個毀壞的分組。
圖2，以太網的原始幀格式從10 Mbps到10 Gbps保持不變。
同時，互相沖突的節(jié)點將其發(fā)送嘗試延遲一段隨機時間。這種補償延遲算法利用每個以太網設備獨特的48位MAC（媒介訪問控制）地址作為其隨機化程序的一部分；如果這些設備仍然互相沖突，則這一過程就會重復嘗試多達16次發(fā)送嘗試——然后發(fā)送節(jié)點就放棄并標記一個錯誤。由于發(fā)送節(jié)點僅在發(fā)送時才檢測到沖突，所以任何發(fā)送數(shù)據的第一位必須到達各個節(jié)點后，發(fā)送節(jié)點才停止發(fā)送。相應地，協(xié)議規(guī)定了最大電纜長度，以確保每個分組的前64位都傳播過整個電纜。如果沖突在發(fā)送節(jié)點發(fā)送了最后一位之后發(fā)生，協(xié)議就檢測不出錯誤；因此，較高層功能是檢測數(shù)據丟失所必需的?！澳┪矝_突”狀況通常表示硬件故障或線纜配置有誤。但是，沖突是反映以太網通信量隨網絡使用率增加而增加并不可避免地降低吞吐量的一個正常特性。總而言之，你會預料到以太網使用率超過大約80%就會大大降低性能，不過大多數(shù)系統(tǒng)的使用率大約為30%～40%。
采用更小且便宜得多的RG-58同軸電纜的10Base2很快就取代采用工業(yè)強度的RG-8同軸電纜的10Base5（即“粗以太網”）技術。（在以太網術語中，前面的“10”表示速度為10 Mbps，“base”表示基帶，而最后的數(shù)字表示以百米為單位的最大傳輸長度。）這些早期以太網都采用總線體系結構，兩端各有一個50Ω端接電阻器，并且一端接地。10Base5技術利用一段直徑約為10 mm、取出點不近于2.5m的電纜，可達到500m有效通信距離。電纜沒有斷點，可避免由于連接器或不同電纜種類造成的阻抗不連續(xù)，并要求使用一種被稱為“吸血鬼抽頭”的絕緣層剝離連接器
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