计算机网络（19）扩展的以太网

前言

以太网（Ethernet）是一种局域网（LAN）技术，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网技术不断演进，从最初的10Mbps到如今的10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps等，已成为最常见、最广泛使用的局域网技术之一。在计算机网络中，扩展以太网是提高网络覆盖范围和性能的重要手段。

一、以太网基础

以太网最初由美国施乐（Xerox）公司的Palo Alto研究中心（PARC）于1975年研制成功，后经过电气和电子工程师协会（IEEE）标准化为IEEE 802.3标准。以太网采用载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）协议来管理数据的发送，结合了载波监听和碰撞检测来协调网络中的数据传输。它使用曼彻斯特编码提取位同步信号，并支持单播、广播和多播等多种通信方式。

二、以太网扩展技术

1. 物理层扩展

物理层扩展主要是通过增加传输介质和集线器等设备来扩大网络的覆盖范围。

使用光纤扩展：光纤是光纤通信的传输媒体，具有传输损耗低、传输距离远等优点。因此，可以使用光纤和光纤调制解调器将主机与几公里以外的集线器相连接，从而扩展以太网的覆盖范围。
使用集线器扩展：集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大转发，以扩大网络的传输距离。通过集线器，可以将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网。但需要注意的是，使用集线器扩展会增加碰撞域，但总的吞吐量并未提高。

2. 数据链路层扩展

数据链路层扩展主要是通过网桥和交换机等设备来实现不同以太网段之间的互连。

网桥：网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能，可以扩大以太网的物理范围并提高可靠性。但网桥存在存储转发增加时延、不适用于用户数过多或通信量过大的局域网等缺点。
交换机：交换机实质上是一个多接口的网桥，它工作在数据链路层，每个接口都直接与主机相连。交换机采用专用的交换结构芯片，通过硬件来转发数据帧，速度比网桥快得多。交换机具有自学习功能，可以自动维护转发表。使用交换机扩展以太网时，每个站点独享带宽，增加了交换机总带宽。此外，交换机采用的是星型以太网结构，不使用共享总线，没有碰撞问题，不必使用CSMA/CD协议，且采用全双工模式工作。

三、以太网扩展的应用场景

1.企业局域网：在企业内部，通过以太网连接各办公设备（如计算机、打印机等），实现高效数据传输。随着企业规模的扩大和办公设备的增加，可以使用集线器或交换机等设备扩展以太网，以满足企业的网络需求。

2.数据中心：数据中心需要构建高速、稳定的网络环境来保障数据存储和处理的效率。万兆以太网等高速以太网技术广泛应用于数据中心中，以满足大数据传输和高性能计算的需求。