什么是网络直径

原创于 2025-12-06 23:59:02 发布 · 343 阅读

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前言

在介绍CSMA/CD原理的文章中提到，网络直径越大，往返时延越长，超出冲突窗口会导致冲突检测机制失效，所有传统共享式以太网有网络直径限制。那什么是网络直径，为什么共享式以太网的最大网络直径是2500米？今天我们来深入探讨网络直径，回答这两个疑问。

定义

以太网的"网络直径"指网络中任意两节点间最长路径的距离（通常以米为单位）或跳数（经过网络设备的数量），是一个重要的基础概念。它衡量的是一个以太网网络中任意两个节点之间最远的数据传输路径，可以把它想象成网络世界的"最远直线距离"。

因限制原因不同，共享以太网的网络直径主要关注两节点的最大路径距离，交换以太网则关注经过网络设备的数量。

共享式以太网的网络直径

关键限制

在早期的共享式以太网中（比如使用同轴电缆的10Base5或10Base2），所有设备都连接在同一根电缆上，共享同一个传输介质。这种结构带来两个直接影响网络直径的关键限制：

信号衰减：电信号在电缆中传输时会随着距离变远而逐渐减弱，并受到干扰。如果网络直径过大，信号到达远端时可能会过于微弱或失真，导致接收方无法正确识别。
CSMA/CD的要求：CSMA/CD是当时以太网协调设备访问共享介质的核心机制。它要求网络中任何一台设备在发送数据时，必须能够监听到可能发生的"冲突"（即两台设备同时发送数据）。如果网络直径过大，信号从一个端点传播到另一个端点的时间会超过冲突窗口（51.2微秒），可能导致一台设备发送的数据已经结束，但信号还未到达最远的设备，从而无法有效检测到冲突。

因此，早期的以太网标准对网络直径有严格的物理限制。

网络规模与网络直径

下表清晰地列出了不同10Mbps以太网标准下的关键网络规模参数：

以太网线缆标准	传输介质	最大网段长度	最大网络直径（带4个中继器）	关键限制因素
10BASE5	粗同轴电缆	500米	2500米	信号衰减（电缆质量）
10BASE2	细同轴电缆	185米	925米	信号衰减（电缆质量）
10BASE-T	双绞线（UTP）	100米	500米	信号衰减（电缆质量）
10BASE-FL	多模光纤	2000米	取决于中继器	冲突窗口（51.2 µs）

从上表可知最常被引用的“最大网络直径2500米”特指的是使用粗同轴电缆（10BASE5） 并遵守 “5-4-3规则” 的经典大型以太网。

为什么是2500米？(5-4-3规则)

这个2500米的限制来源于经典的网络设计规则——5-4-3规则：

5：网络最多可以有 5 个网段。
4：最多可以使用 4 个中继器（Repeater，早期集线器的前身）。
3：最多只能有 3 个网段可以连接设备（“主干”网段），另外2个网段仅用于延长距离（“链路段”）。

计算过程：

每个10BASE5网段的最大长度是 500米。
使用4个中继器连接5个网段。
最大网络直径 = 5个网段 × 500米/段 = 2500米。

这个规则的核心目的，正是为了确保整个网络任意两点的最坏情况往返时延不会超过CSMA/CD协议规定的冲突窗口（51.2微秒），更准确地说2500米是保证以太网稳定运行的工程安全值。

网络直径理论值与工程安全值

如果2500米是工程安全值，那网络直径理论值最大是多少呢？让我们尝试计算一下，首先网络直径理论最大值等于冲突窗口乘于传播速率。其次，在CSMA/CD原理介绍中，已经知道冲突窗口时51.2微秒（0.0000512 s）。然后，查询资料得到电信号在以太网介质中的速率是0.65的光速（200000000 m/s，约等于20万公里每秒。最终的计算公式是：

网络直径理论最大值=0.0000512 s * 200000000 m/s = 5120m

可见理论最大值是工程安全值的两倍有余。因此，2500米是一个保守的、确保网络在任何情况下都能稳定运行的工程安全值，而非物理理论的极限值。剩余安全余量用于补偿以下现实世界的损耗和延迟，例如中继器延迟、传播速度的不确定性、设备接口延迟等等。

交换式以太网的网络直径

在交换式以太网中，交换机为每个端口提供一个独立的冲突域，设备与交换机之间的连接通常是点对点的。这意味着原本一个庞大的共享介质被分割成了无数个小型的、独立的连接。因此，CSMA/CD机制在很多场景下不再必要，物理上的距离限制在很大程度上被打破。在交换式以太网中，相对于物理上的最远距离。工程师更关注数据包从源到目的地需要经过的设备数量（即跳数），因为每个网络设备引入时延并导致TTL递减，使端到端时延就超出了可接受范围，甚至因TTL递减到零导致数据包被丢弃。

时延

在时延的介绍文章中，我们知道现在的网络设备（包括交换机、路由器等等）主要是存储转发机制。这样数据帧每经过一个网络设备，网络设备都会经过存储、校验、寻路、转发等等一系列流程，引入发送时延、处理时延和排队时延等等。网络设备就像我们通勤路上的路口，每经过一个路口就会因为红绿灯增加通勤时长。当经过网络设备数量太多（跳数），端到端的时延就超出可接受的范围，严重影响业务运行，特别是语音通话、视频会议、在线游戏等等对时延敏感的业务。所以互联网企业往往会将业务服务器尽量靠近运营商的机房，甚至直接租用运营商的机房或云资源，以缩短服务器与用户之间的网络直径，尽可能降低时延，提高提高服务体验。

TTL

TTL（生存时间） 是IP报文头部的一个8比特字段，其值为0到255之间的整数，核心作用是 防止数据包在网络中因路由环路等原因无限循环下去，从而消耗网络资源。数据包每经过一个三层路由设备（如路由器、三层交换机），该设备在转发数据包之前，会将数据包中的TTL值减1。如果TTL > 1，设备正常转发数据包；如果TTL = 0：设备丢弃该数据包，并通常向数据的原始发送方发送一个 ICMP超时消息（Type 11, "Time Exceeded"）。这样确保数据包在经过一定数量的“跳”后，即使找不到目的地也会被清除。由于TTL的限制，网络直径不能超过常见的TTL值（如64、128），否则就会因为TTL递减为零导致数据包被丢弃，无法访问网络目标。

总结

总的来说，以太网的"网络直径"指网络中任意两节点间最长路径的距离或跳数，早期的共享式以太网中理论值最大可以达到5120米，不过为了确保网络在任何情况下都安全运行，最大网络直径被限制为2500米。在现代的交换以太网中，因时延和TTL限制更关注跳数，工程师需要通过精心的网络规划控制网络直径。至此，开头的两个疑问都得到解答。

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