什么是以太网？

以太网是一种通信协议，由Robert Metcalfe及其同事于1973年在Xerox PARC创建，它通过有线连接将网络上的计算机连接起来。它是一种广泛使用的局域网(LAN)协议，也称为Alto Aloha Network。它连接本地局域网和广域网中的计算机。打印机和笔记本电脑等众多设备可以通过LAN和WAN在建筑物、家庭甚至小型社区内连接。

无线网络在许多领域取代了以太网，但以太网在有线网络中仍然更常见。Wi-Fi减少了对布线需求，因为它允许用户将智能手机或笔记本电脑连接到网络而无需电缆。与千兆以太网相比，802.11ac Wi-Fi标准提供了更快的最大数据传输速率。然而，与无线网络相比，有线连接更安全，也不易受到干扰。这是许多企业和组织仍在使用以太网的主要原因。

为什么要使用以太网？

以太网仍然是一种常见的网络连接形式，因其高速度、安全性和可靠性而被使用。它用于连接特定组织用于本地网络的设备，例如学校、医院、公司办公室等。

与IBM的令牌环等技术相比，以太网最初因其低成本而广受欢迎。随着网络技术的不断发展，以太网通过保持向后兼容性并能提供更高水平的性能，确保持续的流行。在20世纪90年代中期，以太网最初的每秒10兆比特速度提高到100 Mbps。此外，当前版本的以太网最多可支持每秒400千兆比特。

以太网如何工作

在OSI模型中，以太网促进物理层和数据链路层的运行，并位于开放系统互连(OSI)的较低层。OSI模型中有七层，如下所示：

• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 传输层
• 会话层
• 表示层
• 应用层

应用层是顶层，它使用户能够从邮件客户端或Web浏览器下载和访问数据。用户通过应用程序输入查询，然后将其发送到下一层，该请求被称为“数据包”。数据包包含有关发送方和目标Web地址的信息。在数据包到达最底层（以太网帧）之前，数据包会从应用层传输。最靠近您的设备的一层是第一层或最底层。

不同类型的以太网网络

通过光纤媒体转换器将使用CAT5/CAT6铜缆的以太网设备连接到光纤。通过这种光纤连接扩展，网络的覆盖距离显著增加。下面讨论了几种以太网网络类型：

• 快速以太网：这种类型的以太网通常由双绞线或CAT5电缆支持，数据传输速率约为100 Mbps。如果摄像机、笔记本电脑或其他设备连接到网络，它们在光纤链路的两侧以100Base和10/100Base以太网运行。快速以太网使用光纤电缆和双绞线电缆进行通信。100BASE-TX、100BASE-FX和100BASE-T4是快速以太网的三种类别。
• 千兆以太网：这种类型的以太网网络是快速以太网的升级版，它使用光纤电缆和双绞线电缆进行通信。它可以以1000 Mbps或1Gbps的速率传输数据。如今，千兆以太网更为常见。此网络类型还使用CAT5e或更高级别的电缆，可传输高达10 Gbps的数据。

开发千兆以太网的主要目的是满足用户对更快的数据传输、更快的通信网络等需求。

• 10千兆以太网：这种网络可以以每秒10千兆比特的速率传输数据，被认为是一种更先进、更高速的网络。它使用CAT6a或CAT7双绞线电缆以及光纤电缆。通过使用光纤电缆，此网络可以扩展到近10,000米。
• 交换以太网：这种网络涉及添加交换机或集线器，这有助于提高网络吞吐量，因为此网络中的每个工作站都可以拥有自己的专用10 Mbps连接，而不是共享介质。使用交换机时，使用普通网络电缆而不是交叉线。对于最新的以太网，它支持1000Mbps到10 Gbps，而快速以太网支持10Mbps到100Mbps。

以太网帧结构

理解以太网帧格式有助于理解以太网上的数据传输过程。1. 1. 帧处理涉及形成系统化的数据单元，这对于网络上的整个传输过程至关重要。

在以太网网络中，数据被组织成帧，帧是系统化的数据单元，包含传输所需的所有必要组成部分。

1. 前导码（7字节）：这是一系列交替的1和0，对于设备间的通信同步至关重要。
2. 帧起始定界符（1字节）：此字节告诉帧的读取者，接下来的数据将包含实际消息。
3. 目标MAC地址（6字节）：这是接收帧的设备的物理地址。
4. 源MAC地址（6字节）：发送帧的设备维护此地址作为设备的物理地址。
5. EtherType/长度（2字节）：这可以表示有效载荷中协议的类型（例如，IPv4、IPv6）或其数据字段的长度。
6. 有效载荷（46-1500字节）：这是要发送的数据。它可以是来自上层协议的数据包。
7. 帧校验序列（FCS）（4字节）：用于错误检测的校验和。它确保数据准确且在传输过程中未损坏。

对于网络和系统管理员对通信和网络问题进行故障排除，以太网帧结构非常重要。它有助于跟踪通信错误、格式错误的包以及系统内的数据流。

通过使用Wireshark，可以在网络性能评估期间实时捕获和分析以太网帧，从而产生性能指标和问题。理解帧结构不仅有助于诊断，还有助于优化和保护基于以太网的通信系统。

常见的以太网电缆及其区别

以太网电缆在有线网络中很重要，因为它们在计算机、路由器和交换机等不同设备之间传输数据。以太网电缆的选择对网络的速度、带宽、范围和性能有很大影响。随着技术的进步，以太网电缆的功能也在不断发展。

以下是最常用的以太网电缆及其区别

• CAT5（Category 5）：CAT5是最早用于网络的以太网电缆之一，支持高达100 Mbps的数据速度和100 MHz的带宽。CAT5曾经在家居和办公室都很常见，现在被认为已经过时，只能在旧系统中看到。建议CAT5在100米以内使用，超过此距离，信号可能会劣化。
• CAT5e（Category 5 enhanced）：CAT5e是CAT5的升级版，支持高达1 Gbps的速度，带宽仍为100 MHz。由于其成本和1 Gbps的速度足以满足常见应用，它仍然是家庭和小型企业最常用的布线。与CAT5一样，它仍然可以在100米内使用。
• CAT6（Category 6）：除了高达10 Gbps的速度外，CAT6的传输距离为55米，这仍然是一个短距离。它具有更高的250 MHz带宽，性能更好，串扰比CAT5e更少。它用于高速数据中心环境或处理大文件传输的网络。这些电缆根据用途提供带屏蔽或不带屏蔽的版本。
• CAT6a（Augmented Category 6）：作为CAT6的升级版，CAT6a在整个100米长度上完全支持10 Gbps的速度。它始终进行屏蔽以防止外部干扰，包括高EMI（电磁干扰）区域，因此适用于工业或商业网络。此外，它具有500 MHz的带宽。
• CAT7/CAT7a：专为工业或专业用途设计，这些电缆的数据速度能力为10 Gbps，带宽为600 MHz至1000 MHz。CAT7和CAT7a电缆为每个线对以及整个电缆都配备了单独的屏蔽，确保它们免受噪声和干扰的影响。在100米内性能稳定。
• CAT8：CAT8专为数据中心以及数据基础设施的主干而设计。CAT8是最新的标准，支持高达40 Gbps。CAT8电缆有一个缺点，即覆盖距离只有30米。这些电缆也完全屏蔽，以防止任何电磁泄漏。CAT8在高达2000 MHz的带宽下运行。

以太网的历史

1970年代初，以太网在夏威夷大学的ALOHAnet基础上发展了数年。随后，于1976年进行了测试，并由Metcalfe与David Boggs共同发表了科学论文。1977年末，Xerox公司为此技术申请了专利。

以太网作为标准是由Xerox、Intel和Digital Equipment Corporation（DEC）这几家公司建立的；这些公司首先在1979年联合起来改进以太网，然后在1980年发布了第一个标准。在此过程中，还开发了CSMA/CD协议等其他技术，后来被称为IEEE 802.3。此过程还促成了令牌总线（802.4）和令牌环（802.5）的创建。

1983年，IEEE技术成为标准，802.3标准在802.11之前诞生。由于单芯片以太网控制器的发明，以太网卡变得非常便宜，许多现代PC开始将以太网卡集成到主板上。因此，以太网网络的使用开始由一些小型公司在工作场所推广，但仍然通过基于电话的四线制线路使用。

直到1990年代初，通过双绞线和光纤电缆建立以太网连接尚未成熟。这导致了1995年100 MB/s标准的开发。

以太网标准

有不同的以太网标准，下面将讨论它们以及每个标准的附加信息。

Ethernet II / DIX / 802.3

以太网的一个研究版本，Ethernet II，也称为DIX。DIX代表Digital、Intel和Xerox。而802.3是由Digital Equipment Corp、Xerox和Intel重写的。

快速以太网 / 100BASE-T / 802.3u

快速以太网（100BASE-T或802.3u）是一种通信协议，通常由双绞线或CAT5电缆支持。

100BASE-T标准有两种类型。100BASE-T是第一个使用CSMA/CD的标准。

100BASE-T有三种不同的电缆技术。

1. 100BASE-T4：用于需要低质量双绞线的100 Mbps以太网网络。
2. 100BASE-TX：它使用双线数据级双绞线，由ANSI 100BASE-TX开发，也称为100BASE-TX和100BASE-X。
3. 100BASE-FX：它使用2芯光纤电缆，由ANSI开发。

千兆以太网 / 1000BASE-T / 802.3z / 802.ab

千兆以太网能够传输高达1 Gbps的数据，它使用类别5中的所有四根铜线，也称为1000BASE-T或802.3z / 802.3ab。

10千兆以太网 / 802.3ae

10千兆以太网（10GE或10 GbE或10 GigE）是一个新标准，仅定义全双工点对点链路。它支持高达10 Gb/s的传输，于2002年发布，也称为802.3ae。在10 GbE中不存在集线器、CSMA/CD和半双工操作。

如何连接或插入以太网电缆

无论您是连接以太网电缆到计算机还是设置家庭网络，过程都是相同的。如下图所示，它看起来像一个大的电话线插孔。找到它后，将其插入端口，直到听到“咔哒”一声。如果另一端的连接已正确建立，您会看到一个绿灯，表示已找到信号。

使用以太网的优点

使用以太网的优点：以太网经济高效且易于实施，在技术和运营业务方面都具有优势。难怪以太网是不同环境中首选的网络解决方案。

• 高吞吐量：现代以太网网络可以实现400 Gbps的数据传输。通过此功能可以执行的一些数据密集型任务包括视频流、在线游戏、大文件传输，甚至是高要求的企业运营。
• 一致性和可靠性：以太网连接通常提供不间断的数据流，为运营提供稳定的环境。与Wi-Fi不同，以太网不受附近设备产生的射频干扰以及墙壁和家具等物理障碍物的干扰，这使得连接更加稳定。
• 可扩展性：随着支持速度从10 Mbps到400 Gbps的范围不断扩大，以太网技术可以适应不断扩展的网络范围。这种在小型和大型部署中的灵活性使以太网成为未来的一种多功能选择。
• 安全性：通过有线介质（如以太网网络）传输的数据比无线网络更难被拦截。因此，以太网提供了更高的安全性，防止黑客攻击和未经授权的访问。

以太网的缺点

虽然以太网提供了无与伦比的速度、可靠性和安全性，但其一系列缺点限制了它在某些环境中的使用。在寻找布线解决方案时，务必了解这些限制。

• 移动性受限：以太网对设备的有线连接施加了最显著的限制。必须通过电缆连接设备，这限制了灵活性和移动性。这使得以太网不适合需要无线访问或经常移动的用户，例如在开放式办公环境或协作式工作空间中。
• 设置复杂：以太网网络的安装可能是一项艰巨的任务，尤其是在没有组织布线的老式建筑物中。在穿过墙壁、天花板或地板布线时，最好有人提供经验丰富的帮助。在大型设置中，由于需要实施交换机、路由器、配线架和网络机柜，复杂性会增加。
• 基础设施成本：较小的住宅级设置更容易维护和部署。然而，当谈到大型商业安装时，其相关成本可能会飙升。这会增加安装和维护成本。在企业中，管理费用总是超过运行高性能电缆、交换机、配线架和带有组织布线管理的内置网络机柜的成本，这会带来重大问题。
• 缺乏实时保证：标准以太网不提供确定性指标。实时指标对于工业自动化领域的应用至关重要。机器人技术和音视频同步也需要对时间敏感的数据包进行优先排序。如果没有额外的协议，由于缺乏优先级，无法避免时间敏感的操作，如关键数据包延迟或冲突。

故障排除以太网连接

尽管以太网连接通常是可靠的，但与其他系统一样，它们有时也会出现故障。解决这些问题需要进行物理检查、配置审查和诊断工具。尽快解决问题可以防止长时间的停机。

1. 电缆松动或损坏

松动或断裂的以太网电缆通常是最常见也是最容易被忽视的问题。确认电缆两端都已牢固且正确地插入设备（如打印机或计算机）以及路由器、调制解调器或交换机。另外，检查电缆是否有磨损和损坏，如切割、弯曲或断裂的卡扣。

2. 端口不活动或被禁用

在托管设备上，某些端口可能默认不活动。检查LED指示灯是否亮起或熄灭。如果它们熄灭，表示端口不活动，如果它们亮起，表示端口活动。请务必检查路由器或交换机的管理面板，查看活动端口设置，并在必要时将其切换为启用。

3. 网络接口卡（NIC）故障

如果您的设备在端口和电缆完全正常的情况下仍无法连接，则可能是您的设备的网络接口卡（NIC）已损坏。您可以通过用另一台设备测试电缆来检查。如果第二台设备可以连接，则您的主要设备可能需要驱动程序更新或更换NIC。

4. IP配置问题

没有正确的IP地址，就无法进行网络访问。使用DHCP，确保设备配置为自动获取IP地址。在Windows上，使用ipconfig命令检查IP配置。在Linux或macOS上，使用ifconfig或netstat检查。错误的IP地址可能导致零连接或冲突。

5. 间歇性或不稳定连接

以太网连接频繁断开可能是由于布线不良、交换机故障或其他电气设备干扰引起的。将大功率设备移离其他设备或更换有问题的硬件通常会有所帮助。

以太网在现代应用中的作用

以太网在当今的作用：尽管无线技术迅速兴起，以太网仍然是当代网络环境中的重要组成部分。由于其有效性、速度和安全性，它在行业和家庭中都有应用。

1. 办公室和公司

由于其速度和安全性，商业环境广泛使用以太网。它能够实现快速的文件交换，支持VoIP（互联网语音协议）电话，并提供低延迟通信，这对于保持整个组织的生产力至关重要。

2. 数据中心

以太网，特别是光纤和CAT8电缆，对于数据中心至关重要，因为它们需要超快速、低延迟的连接。这些类型的以太网连接使得云计算、虚拟化和大规模数据处理成为可能。这些数据中心对400 Gbps连接有严格的要求。

3. 学校和大学

以太网在教室、实验室和办公室提供关键且一致的互联网访问。在在线考试和虚拟课堂期间，访问在线资源尤为重要，与WiFi不同，以太网能够支持多个并发用户，并保证低拥塞。

4. 工业环境

以太网在工业自动化领域越来越受欢迎，并使用EtherCAT和PROFINET等特殊协议。这些系统需要实时通信，如果设置得当，以太网可以提供，这将提高制造设备和控制系统的功能。

5. 智能家居

如今的家庭配备了智能玩具、电视、游戏机、家庭助手，甚至安全摄像头。智能设备现在已在家中普及。与Wi-Fi不同，以太网在流媒体和游戏方面具有低延迟和更快的速度的优势。

以太网的未来

以太网主线保持不变，随着数字化的转变，它仍在不断发展。如今，云计算、AI、机器学习、VR、流媒体服务等新技术不断涌现，这些都对网络提出了巨大要求，正在真正改变基础设施的建设方式。

以太网不断升级，以提供以前认为不可能的速度。每天，以太网标准都在不断更新，以达到新的速度、容量和性能高度。

1. IEEE 802.3bz (2.5G/5GBASE-T)：此新标准将在某些条件下提供2.5 Gbps和5Gbps的以太网速度，从而可以避免使用CAT6a或CAT7等现代布线。寻求高速网络升级的教育、小型企业和办公环境将发现这尤其有用，因为它可以在利用现有CAT5e和CAT6电缆的同时提高性能。
2. IEEE 802.3by和IEEE 802.3cd：这两个标准分别提供25 Gbps和50 Gbps速度的以太网链路。它们主要应用于数据中心，这些数据中心需要以太网网络来进行虚拟化和云存储，以及大量数据传输。这些速度对于消除瓶颈和提高系统效率至关重要。
3. 400千兆以太网（400GbE）：400GbE是以太网演进的新里程碑，已获IEEE 802.3bs批准。主要面向超大规模数据中心、大型企业和电信公司，400GbE为它们提供超大数据处理服务。它还支持5G和视频流服务。此标准旨在利用多条光纤通道以实现高带宽。
4. 800GbE和1.6TbE（太比特以太网）：这些是正在进行的先进以太网标准，旨在提供800 Gbps和1.6 Tbps的数据传输。它们对于由AI、云基础设施、大数据和高频交易驱动的未来系统至关重要。Google、Amazon和Microsoft正在推动这一领域的进步，以满足需求。

光纤以太网

以太网不仅使用铜缆。光纤线路应用于以太网，以满足高速和长距离的需求。

光纤以太网的优势

• 更长的范围：数据可以在几公里上传输而不会有信号质量损失。
• 更大的带宽：比铜缆的带宽大得多。
• 抗干扰性：最适合户外或工业使用。

最常见的两种光纤以太网类型是：

1. 单模光纤（SMF）：主要用于长距离、高速数据传输。
2. 多模光纤（MMF）：用于较短距离，但仍然比铜缆快。

光纤媒体转换器能够将传统以太网设备连接到光纤网络。

常见问题解答 - 以太网

1. 什么是以太网，它是如何工作的？

它是一种有线网络技术，用于在局域网（LAN）中连接计算机、打印机和路由器等设备。与其他任何网络技术一样，以太网在OSI模型的某个层上运行。在这种情况下，数据以帧的形式传输，帧是包含源/目标地址和一些错误检查数据的结构化单元。

2. 以太网网络有哪些不同类型？

与其他任何网络技术一样，以太网网络根据速度和使用的技术进行分类：

• 快速以太网支持高达100 Mbps，通常使用CAT5电缆。
• 千兆以太网提供高达1 Gbps的速度，使用CAT5e或CAT6电缆。
• 10千兆以太网可以使用CAT6a、CAT7或光纤电缆以10 Gbps的速度传输数据。
• 交换以太网通过添加交换机来提高性能，为每个设备提供专用连接。

3. 哪些以太网电缆最常用？

有几种以太网电缆类别：

• CAT5和CAT5e适用于高达1 Gbps的速度。
• CAT6和CAT6a支持更高的速度（高达10 Gbps）。
• CAT7和CAT8是用于高性能或工业环境的屏蔽电缆，CAT8在短距离内支持40 Gbps。

4. 以太网的优点是什么？

以太网提供高速、安全和稳定的连接。对于流媒体、游戏、文件传输和企业应用程序来说，它是可靠的。与Wi-Fi不同，以太网不受物理障碍物和射频干扰的影响，非常适合关键或高性能网络。

5. 以太网的缺点是什么？

以太网依赖于物理电缆，这限制了移动性。在大型建筑物中安装也可能成本高昂且具有挑战性。对于敏感应用，缺乏实时通信保证可能是一个问题，除非使用专门的以太网协议。