以太网的设计考虑因素

 带宽和吞吐量

 

以太网 802.3 网络的主要缺点是冲突。当两台主机同时传送帧时，冲突就会发生。当冲突发生时，传送的帧可能遭到干扰或破坏。发送主机将根据以太网 802.3 的 CSMA/CD 规则在一段随机的时间内停止发送后续帧。

 

由于以太网无法控制在任意时刻哪个节点将进行发送，因此当多个节点试图获得网络的访问权时，就会发生冲突。以太网不会立即解决冲突。此外，涉及冲突的节点要在问题解决之后才能开始传送。随着更多设备添加到共享介质，冲突的可能性也随之上升。因此，虽然我们说以太网络的带宽为 10 Mb/s，但实际上只有在所有冲突都已解决之后，才可利用全部带宽来传输流量。当需要使用网络的节点数量增加时，节点端口的网络吞吐量（有效传送的平均数据量）将随之明显降低。集线器没有提供消除或减少这些冲突的机制，任何节点赖以传输的可用带宽将相应减少。因此，共享以太网络的节点数量将影响网络的吞吐量或效率。

 

冲突域

 

扩大以太网 LAN 以容纳更多用户时，将产生更高的带宽需求，发生冲突的可能性会增加。要减少特定网段上的节点数量，可以创建单独的物理网段，称为冲突域。

 

冲突域是指发出的帧可能产生冲突的网络区域。所有共享介质环境（例如使用集线器创建的介质环境）都是冲突域。当主机连接到交换机端口时，交换机将创建一条专用连接。因为相关流量与所有其它流量分离，消除了冲突的可能性，此连接被视为独立冲突域。

 

广播域

 

虽然交换机基于 MAC 地址过滤大多数帧，但是它们不过滤广播帧。LAN 上的其它交换机如需获得广播帧，交换机必须转发广播帧。相连交换机的集合构成了一个广播域。只有第 3 层实体，如路由器或虚拟局域网 (VLAN) 才能阻隔第 3 层的广播域。路由器和 VLAN 用于分割冲突域和广播域。使用 VLAN 分割广播域将在下一章讨论。

 

当设备希望发出第 2 层广播时，帧中的目的 MAC 地址将设置为全 1。在将目的地设置为此值后，所有设备都会接受并处理该广播帧。

 

第 2 层广播域称为 MAC 广播域。当一台主机向 LAN 上的所有其它机器发送帧广播时，LAN 上收到该帧广播的所有设备即构成了 MAC 广播域。动画的前半部分对此做了演示。

 

当交换机收到广播帧时，它将该帧转发到自己的每一个端口（接收该广播帧的传入端口除外）。每一个连接的设备识别该广播帧，并处理该帧。由于带宽用于传播广播流量，导致网络效率下降。

 

网络延时

 

延时是一个帧或一个数据包从源工作站到达最终目的地所用的时间。网络应用程序用户对延时的体验是，必须等待很长时间才能访问存储在数据中心中的数据，或者网站需要很长时间才能加载到浏览器。延时有至少三个来源。

 

第一，源网卡在导线上发送电压脉冲需要时间，而目的网卡解释这些脉冲也需要时间。这有时称为网卡延迟，10BASE-T 网卡的延迟通常为大约 1 毫秒。

 

第二，信号在电缆上传输需要时间，因此存在实际的传播延迟。通常情况下，5 类 UTP 的传播延迟为每百米 0.556 毫秒。电缆越长，标称传播速度 (NVP) 越低，则传播延迟越长。

 

第三，当两台设备之间的路径中网络设备增加时，延时也会随之延长。这些设备可以是第 1 层设备、第 2 层设备，或者第 3 层设备。从动画中可以清楚得看到帧在通过网络上时存在的这三种延时因素。

 

延时不单单取决于设备的距离和数量。例如，如果用三台配置正确的交换机分隔两台计算机，那么这两台计算机遇到的延时将比用两台配置正确的路由器分隔时低。这是因为路由器要执行更复杂、更耗时的功能。例如，路由器必须分析第 3 层数据，而交换机只需要分析第 2 层数据。由于第 2 层数据在帧结构中早于第 3 层数据出现，因此交换机可更快地处理帧。通过采用专用集成电路 (ASIC) 来为多种网络任务提供硬件支持，交换机还支持语音、视频和数据网络的高传输速率。基于端口的内存缓冲、端口级 QoS 以及拥塞管理等其它交换机功能也有助于降低网络延时。

 

基于交换机的延时还可能是因为交换结构负担过度造成的。很多入门级交换机没有足够的内部吞吐量来同时管理所有端口上的全部带宽容量。交换机需要能够管理网络上预期的高峰数据量。随着交换技术的不断改进，交换机造成的延时将不再是问题。交换 LAN 中网络延时的主导原因更大程度上还是在于传输的介质、使用的路由协议以及在网络上运行的应用程序的类型。

 

网络拥塞

 

将 LAN 分割成多个更小部分的主要原因是为了隔离流量以及使每位用户更好地利用带宽。如果没有分段，LAN 很快就会被流量和冲突堵塞。

 

LAN 分段

 

使用路由器和交换机可以将 LAN 分割成很多更小的冲突域和广播域。过去曾经使用过网桥，但是在现代交换 LAN 中，这类网络设备已经相当少见。图中显示了如何用路由器和交换机来分割 LAN。