什么是以太網？以太網是當下企業網、數據中心網絡主流的高速網絡。

以太網是在1972年開創的，Bob Metcalfe（被尊稱為“以太網之父”）被Xerox雇用為網絡專家，BobMetcalfe來到Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）的第一個任務是把PaloAlto的計算機連接到ARPANET（Internet的前身）上。

1972年年底，BobMetcalfe設計了一個網絡，把Palo Alto的計算機連接起來。在研制過程中，因為該網絡是以ALOHA系統（一種無線電網絡系統）為基礎的，而且連接了眾多PaloAlto的計算機，所以Metcalfe把它命名為ALTO ALOHA網絡。

ALTO ALOHA網絡于1973年5月開始運行，Metcalfe將該網絡正式改名為以太網（Ethernet），這就是最初的以太網實驗原型，該網絡運行的速率為2.94 Mbps，網絡運行的介質為粗同軸電纜。

1976年6月，Metcalfe和Boggs發表了題為《以太網：局域網的分布型信息包交換》的著名論文。

1977年年底，Metcalfe和他的3位合作者獲得了“具有沖突檢測的多點數據通信系統”的專利，多點傳輸系統被稱為CSMA/CD（CarrierSense Multiple Access with Collision Detection，載波偵聽多路訪問／沖突檢測）系統。從此，以太網就正式誕生了。

20世紀70年代末，涌現出了數十種局域網技術，以太網正式成為其中一員。

1979年，DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel公司與Xerox公司聯盟，促進了以太網的標準化。

1980年9月30日，DEC、Intel和Xerox公布了第三稿的《以太網——一種局域網：數據鏈路層和物理層規范1.0版》，這就是現在著名的以太網藍皮書，也被稱為DIX（取3家公司名字的首字母組成的）版以太網1.0規范。如前所述，最初的實驗原型以太網工作在2.94 Mbps，而DIX規范定義的以太網工作在10 Mbps。

1982年，DIX聯盟發布了以太網的第二個版本，即Ethernet II。20世紀90年代初，出現了多端口網橋，用于多個LAN的互聯。共享式以太網逐漸向LAN交換機發展。

1993年，Kalpana公司使以太網技術有了另外一個突破——全雙工以太網。全雙工的優點很明顯，可同時發送和接收數據，這在理論上可以使傳輸速度翻一番。

20世紀90年代初，隨著網絡的發展，10 Mbps的速率限制了一些大網絡的運行，此時以太網受到了FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纖分布式數據接口）技術的巨大沖擊。FDDI是一種基于100 Mbps光纜的LAN技術。

1995年3月，隨著IEEE 802.3u規范的通過，快速以太網的時代來臨了。1995年年末，由于各廠商不斷推出新的快速以太網產品，使快速以太網發展迎來了黃金時代。

1998年，IEEE發布了IEEE 802.3z，這是1000 Mbps的以太網標準。

2002年，10 Gbps以太網標準IEEE 802.3ae正式發布。與1000 Mbps以太網相比，10 Gbps以太網只支持全雙工，當時只支持光纖作為傳輸介質，當下40Gbps、100 Gbps、400 Gbps以太網已經被廣泛應用。

1、沖突域

沖突域是一個以太網術語，指的是一種網絡場景，即當物理網段中的一臺設備傳輸數據時，該物理網段上的其他所有設備都必須進行偵聽而不能傳輸數據，原因是如果同一個物理網段中的多個設備同時傳輸數據，將發生信號沖突（即兩臺設備的數字信號將在鏈路上相互干擾），導致數據無法正常傳輸，信號沖突對網絡性能有嚴重的負面影響，因此需要避免網絡中的信號沖突。

沖突域中的典型網絡設備就是集線器，集線器是一種多端口的轉發器，集線器的物理組網拓撲看上去是星狀拓撲，但實際上它的內部轉發機制是總線類型的。

集線器在接收信號后對其進行放大或重建，然后將信號從除接收端口以外的其他端口轉發出去，而不查看信號表示的數據。由于集線器的內部轉發為總線形轉發，所有的信號都在一條總線上發送。

就好比一條單行道，所有的汽車都在上面跑一樣，這樣會造成信號的沖突，造成網絡利用率下降。CSMA/CD（Carrier Sense MultipeAccess with Collision Detection，載波偵聽多路訪問／沖突檢測）協議打破了這一僵局，這是一種幫助設備均衡的共享帶寬的協議，可以避免多臺設備同時在網絡介質上傳輸數據造成的沖突問題，CSMA/CD協議工作原理將在后續章節進行詳細介紹。

2、廣播域

說到廣播域，可以先舉個簡單的例子，比如在一個大教室中，所有的學生都在聽老師講課，老師講課的內容班里的每一位同學都是可以聽到的，而隔壁班的同學肯定是聽不到的，原因是班級將學生進行了隔離。

廣播域也是同樣的概念，將多臺設備放到同一個組中就形成了廣播域，在同一個廣播域中的任何一臺設備發送的廣播幀，其他設備都可以收到。廣播域過大會造成較大的故障域，難以管理和排錯。同時在網絡中會充斥著廣播幀，造成網絡利用率下降。

廣播域中的典型設備是交換機，交換機實現了沖突域的劃分，每一個端口都是一個沖突域，但是交換機自身還是屬于同一個廣播域。那如何劃分廣播域呢?可以通過三層設備（如路由器）和二層VLAN技術劃分廣播域，減小廣播范圍。

3、CSMA/CD協議

CSMA/CD協議是一種在沖突域中避免數據信號沖突的協議，可以幫助設備更合理地利用帶寬，CSMA/CD協議的工作原理如下所述。

當主機想通過網絡傳輸數據時，它首先會檢查線路上是否有信號在傳輸。如果沒有則該主機開始傳輸數據，但是這樣還還夠，該主機將持續地監視線路，確保沒有其他主機在傳輸信號。

如果檢測到其他信號，該主機將發送一個擁塞信號，使網段上的所有主機都不再傳輸數據，檢測到擁塞信號后，其他主機將會執行退避算法并啟動一個隨機的退避定時器，在該定時器有效期內不傳輸任何數據，當該定時器超時后會再次嘗試傳輸數據。如果連續15次嘗試傳輸數據都導致沖突，嘗試傳輸數據的主機的定時器將超時。CSMA/CD協議的工作原理如圖1所示。

圖1 CSMA/CD協議的工作原理

當以太網中發生沖突后，將出現以下情況：

●發送擁塞信號，告訴所有設備發生了沖突；

●沖突激活隨機退避算法；

●以太網網段中的每臺設備都暫停傳輸數據，直到退避定時器到期；

●當退避定時器到期后，所有設備的傳輸優先級都相同。

當CSMA/CD網絡持續發送嚴重沖突時，將會導致以下結果：

●延遲；

●吞吐量降低；

●擁塞。

4、半雙工和全雙工

半雙工和全雙工以太網是在最初的以太網規范IEEE 802.3中定義的，半雙工的工作原理就像一條單行通道，在一條通道上同時發送和接收數據，這樣會造成數據沖突。

半雙工以太網使用CSMA/CD協議來避免沖突，并支持在發生沖突時重傳，CSMA/CD協議避免沖突的方法是在同一時間點，只能發送或者接收數據。

就像我們生活中的對講機一樣，同一時間只能說話或者收聽。由于半雙工存在沖突，網絡利用率很低，只能利用30%～40%的帶寬。

全雙工相對于半雙工來說就是一條雙向通道，發送和接送是分開的，互不沖突。舉個生活中的例子，就是打電話，聽的同時還能說話。

由于全雙工不存在沖突問題，所以兩個通道上的利用率都是100%。例如，在采用全雙工的100 Mbps以太網中，傳輸速率就是200 Mbps，雙向通道同時傳輸，傳輸速率也會成倍增加。如今半雙工網絡正逐漸消失，有些網絡（比如10 Gbps網絡）要求必須是全雙工網絡。