8.3 以太网
8.3.1 以太网概述
以太网（Ethernet）最初是美国Xerox公司和STANFORD大学合作于1975年推出的一种局域网。后来，由于微机的快速发展，DEC、Intel、Xerox三公司合作于1980年9月第一次公布Ethernet物理层和数据链路层的规范，也称DIX规范。IEEE802.3就是以DIX规范为主要来源而制定的以太网标准。目前已成为国际流行的局域网标准之一。
以太网是一种使用逻辑总线型拓扑和载波侦听多路访问／冲突监测（CSMA / CD）的差错监测和恢复技术的网络形式。它采用基带传输，通过双绞线和传输设备，实现10M/100M/1Gbps的网络传输。从最初的同轴电缆上的共享10Mbps 传输技术，发展到现在的双绞线和光纤上的100Mbps 甚至1Gbps的传输技术、交换技术等，应用非常广泛，技术成熟。
通常我们所说的以太网主要是指以下三种不同的局域网技术：
(1) 以太网/IEEE 802.3：通常采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到10Mbps；
(2) 100Mbps以太网：又称为快速以太网，通常采用双绞线作为网络媒体，传输速率达到100Mbps；
(3) 1000Mbps以太网：又称为千兆以太网，通常采用光缆或双绞线作为网络媒体，传输速率达到1000Mbps（1Gbps）。
8.3.2 以太网的关键技术
以太网采用的是逻辑总线型的拓扑结构，而在这种结构中，应用最广泛的媒体接入控制技术就是基于循环控制方式的冲突检测载波监听多点接入（CSMA/CD）。这一技术成为以太网的基础。CSMA/CD及其几个前身统称为随机接入或争用技术。在这些技术中，任意站发送的时间都无法预测或调度，它们发送数据的时间是随机的，因此需要争用接入媒体的时间。
CSMA/CD最早起源于为分组无线网络研制的ALOHA，ALOHA是一种真正的自由争用技术。它非常简单但也存在很多问题，在这种技术中，冲突（多于一个站在同一时间发送数据）的数量会随着负荷的增加而迅速增长，这使得信道的最大利用率只有18%。为了提高效率，出现了时隙ALOHA，但是这种利用率仍然无法满足局域网中的传输要求。CSMA（载波监听多点接入技术）的出现解决了这个问题，它可以达到的最大利用率远远超过了ALOHA和时隙ALOHA。它的最大利用率取决于帧的长度和传播时延。帧越长或传播时延越短，信道的利用率就越高。
CSMA是基于一种假设：两站间的信息传播时间远小于帧的发送持续时间。在这种情况下，当一个站发送信息时，其它站立即就会知道。如果某个站想要发送消息，而这时它监测到有其它站在发送信息，它就会等这个站发送完再发。这样只有在两个站几乎同时发送信息时，才会产生冲突。而这种情况会很少产生，因此就大大降低了冲突的概率。
在CSMA中，要发送数据的站首先监听信道，判断是否有其他站正在发送数据。如果信道正在被使用，那么它就必须等待。如果信道空闲，没有其它站发送数据，那么它就可以开始发送数据。因为信道空闲时，每个站都可以发送数据，因此就可能有两个或多个站同时要发送数据，从而产生冲突。这时冲突各方的数据会互相干扰，无法被目的站点正确接受。为此，当站发送数据后一段时间内没有收到确认，就假定为发生冲突并且重传。
在CSMA中存在一个显著低效的情况：当两个帧发生冲突时，在两个被破坏帧的发送持续时间内，信道是无法使用的。这样当帧越长，所浪费的带宽就越大。而如果在发送时可以继续监听信道，就可以减少这种浪费，这就是CSMA/CD。在CSMA/CD各个站采用以下算法：
1. 如果信道空闲，则发送，否则转到2；
2. 如果信道忙，继续监听，直到信道空闲，然后立即发送；
3. 如果在发送过程中检测到冲突，发送一个干扰信号，保证所有站都知道发生了冲突，然后停止发送数据。
4. 随机等待一段时间，继续重传（从1开始重复）。
对于基带总线来说，冲突发生时，会产生一个比正常发送的电压更高的摆动，因此，如果某个站在发送分接头点检测到电缆上的信号值超过了单独发送所能产生的最大值，就认为发生了冲突。由于信号在传输过程中会产生衰减，因此，当两个站离得很远的时候，由于衰减的原因，会导致冲突信号的强度无法超过冲突检测的门限值。所以，IEEE规定，限制10BASE5同轴电缆的长度最长不超过500m，10BASE2同轴电缆的长度最长不超过200m。
8.3.3 几种常见以太网
IEEE802.3标准具有灵活性和多样性的特点。为了区别目前的多种实现，IEEE802.3委员会开发了一种协议的表示法：
<数据率（以Mb/s计）><信令方式><最大网段长度（一百米计）>
在10M的以太网中定义了以下几种协议：
10BASE5
10BASE2
10BASE-T
10BASE-F
其中，10BASE-T和10BASE-F不完全满足以上的记法，“T”代表双绞线，“F”代表光纤。
快速以太网，是指一组由IEEE802.3委员会开发的标准，它们提供价格低廉、运行在100Mb/s上的，与以太网兼容的局域网。在这些标准中，最外层的设计是100BASE-T。在快速以太网中定义了以下几种协议，用于不同的传输媒体：
100BASE-T4
100BASE-X
100BASE-TX
100BASE-FX
所有100BASE-T的可选项都使用IEEE802.3种的MAC协议和控制格式。100BASE-X的物理层采用光纤分布式数据接口（FDDI）。所有100BASE-X在两个节点间使用两个物理链路，一个用于发送，一个用于接收。100BASE-TX采用列屏蔽双绞线（UTP）。100BASE-FX采用光纤。
1995年底，IEEE802.3委员会成立了一个高速研究小组，研究如何以千兆位的速度传递以太网格式的分组。千兆以太网的策略与快速以太网一样，虽然定义了新的媒体和传输协议，但仍然保留了CSMA/CD协议和以太网的格式。它与100BASE-T和10BASE-T是兼容的，可以保持平滑过渡。
光以太网技术是现在两大主流通信技术的融合和发展：以太网和光网络。它集中了以太网和光网络的优点，如以太网应用普遍、价格低廉、组网灵活、管理简单，光网络可靠性高、容量大。光以太网的高速率、大容量消除了存在于局域网和广域网之间的带宽瓶颈，将成为未来融合话音、数据和视频的单一网络结构。在打造光以太网的众多技术中，10G以太网技术是目前受到业内人士高度关注的链路层技术，IEEE已经于2002年6月正式发布了802.3ae标准，新的标准仍然采用IEEE802.3以太网媒体访问控制（MAC）协议、帧格式和帧长度。
8.3.3.1 10BASE－T双绞线以太网
10BASE－T是1990年由IEEE认可的，编号为IEEE802.3i，T表示采用双绞线，现10BASE－T 采用的是非屏蔽双绞线。在10BASE－T中，定义了星型拓扑结构，一个简单的系统是由一组站点和一个中心节点（多端口转发器）组成。每个站点通过两根双绞线连接到中心节点。中心节点从任意线上接收输入，并且在其他所有线路上转发。由于无屏蔽双绞线的高数据率和低的传输质量，因此链路的长度限制在100m。而如果采用光纤链路的话，最大长度是500m。
10BASE－T的主要技术特性：
(1) 数据传输速率10Mbps基带传输；
(2) 每段双绞线最大长度100m（HUB与工作站间及两个HUB之间）；
(3) 一条通路允许连接HUB数4个；
(4) 拓扑结构星形或总线形；
(5) 访问控制方式CDMA/CD；
(6) 帧长度可变，最大1518个字节；
(7) 最大传输距离500m；
(8) 每个HUB可连接的工作站 96个。
10BASE－T的连接主要以集线器HUB作为枢纽，工作站通过网卡的RJ45插座与RJ45接头相连，另一端HUB的端口都可供RJ45的接头插入，装拆非常方便。10BASE－T由于安装方便，价格比粗缆和细缆都便宜，管理、连接方便，性能优良，所以它一经问世就受到广泛的注意和大量的应用，归结起来，它有如下特点：
(1) 网络建立和扩展十分灵活方便，可以根据每个HUB的端口数量和网络大小，选用不同端口的HUB，构成所需网络；增减工作站可不中断整个网工作；
(2) 可以预先和电话线统一布线，并在房间内预先安装好RJ45插座，所以改变网络布局十分容易；
(3) HUB可将一个网络有效的分成若干互连的段，当发生故障时，管理人员可在较短时间内迅速查出故障点，提高故障排除的速度；
(4) 10BASE－T网与10BASE－2、10BASE－5能很好兼容，所有标准以太网运行软件可不作修改能兼容运行；
(5) 在HUB上都设有粗缆的AUI接口和细缆的BNC接口，所以粗缆或细缆与双绞线10BASE－T 网混合布线连接方便，使用场合较多。
8.3.3.2 100BASE－T快速以太网
100BASE－T的信息包格式、包长度、差错控制及信息管理均与10BASE－T相同，但信息传输速率比10BASE－T提高了10倍。
与10BASE－T不同的主要技术特性有：
(1) 介质传输速率100Mbps基带传输；
(2) 拓扑结构星形；
(3) 从集线器到节点最大距离100m（UTP）或185m（光缆）；
(4) 两个HUB之间的允许距离＜5m
100BASE－T的特点如下；
(1) 性能价格比高，100BASE－T约为10BASE－T价格的两倍，但可取得10倍性能的提高。
(2) 升级容易，它与10BASE－T有很好的兼容性，许多硬件线缆、接头可不必重新投资，若需将10BASE－T升级时只需投入影响带宽的瓶颈部分资金进行更换设备。
(3) 10BASE－T的核心协议即访问控制方式不必变动即可在100BASE－T上使用。
移值方便，10BASE－T上的一些管理软件、网络分析工具都可在100BASE－T上使用。
(4) 易于扩展，它可无缝地连接在10BASE－T的现有局域网中，它还可通过交换器方便地与FDDI主干校园网相接。
8.3.3.3 千兆位以太网
千兆位以太网是一种新型高速局域网，可以提供1Gb／s的通信带宽，采用和传统10／100 M以太网同样的CSMA／CD协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级，从而能最大限度地保护用户以前的投资。
在千兆位以太网协议中，共享媒体集线器模式比基础的CSMA/CD模式有两大提高：
(1) 载波扩充：载波扩充是在短的MAC帧的末尾加上了一组特殊的符号，使每一帧从10Mb/s和100Mb/s的最小的512比特提高到至少4096比特。从而保证一次传输的帧长度超过1Gb/s时的传输时间。
(2) 帧突发：帧突发是允许连续发送某个限制内的多个短帧，从而无需在每个帧之间放弃对CSMA／CD的控制。帧突发可以避免当某个站点有多个小帧要发送时，载波扩充所产生的耗费。
对于提供对媒体的专用接入的交换集线器来说，不需要载波扩充和帧突发技术。因为在站点上，数据传输和接收可以通过交换集线器同时进行，不存在对共享媒体的争用。
图8-18是一个千兆以太网的典型应用。一个1Gb/s的交换集线器为中央服务器和高速工作组提供与主干网的连接。每个工作组的集线器既支持以1Gb/s的链路连接到主干网集线器上，来支持高性能的工作组服务器。同时又支持以100Mb/s的链路连接到主干网集线器上，来支持高性能的工作站、服务器。
图8-18千兆位以太网的配置实例
8.3.3.4 10G以太网
随着10G以太网标准（IEEE 802.3ae）的形成，人们相信以太网的应用范围必将得以从局域网延伸到城域网和广域网。光以太网概念的提出，首先将给城域网带来革命性的变化。现在的城域网是基于SDH的体系结构。SDH最初是面向低速、电路交换的话音业务而设计的，虽然其同步机制可保证良好的QoS性能，提供50ms的电路保护倒换时间，缺点是SDH设备价格昂贵，用于数据业务时不够灵活、效率低下。光以太网基于现在应用非常普遍、技术成熟的以太网技术，并对网管和流量工程等方面的功能进行了加强，以便应用于现在的电信网络，满足城域网对数据速率和传输链路可靠性的要求。
在光以太网的众多技术中，10G以太网技术是目前受到业内人士高度关注的链路层技术，IEEE已经于2002年6月正式发布了802.3ae标准，新的标准仍然采用IEEE802.3以太网媒体访问控制（M AC）协议、帧格式和帧长度，它和以往的以太网标准相比主要有以下几点区别：
(1) 全新的64B/66B编码方式引入；
(2) 全新定义的物理层介质类型（LAN/WAN两大类，八种介质类型）；
(3) 仅定义光纤介质类型；
(4) 仅支持全双工的MAC层操作；
(5) 在WAN类型中引入WIS接口子层，提供MAC帧到OC-192帧的映射和速率匹配机制，通道开销、线路开销、段开销字节被大量简化;
(6) 在 XGMII 接口下附加XAUI接口选项，采用4路8对低电压差分串行信号线传输，传输信号经过8B/10B编码，信号自带时钟；使MAC层芯片到PHY芯片的布线距离延长至50cm，尤其适合于分布式机架系统；
(7) 支持无中继链路距离超过40km（SMF/1550nm） ，适合城域网应用。
10G以太网的优点是减少网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，降低了系统费用，并提供更快、更新的数据业务。是一种融合LAN/MAN/WAN的一种链路技术，可构建端到端的以太网链路。归纳起来10G以太网在LAN/MAN/WAN中的应用包括：
(1) 局域网应用：这种应用是传统的局域网应用，针对运营商数据中心和企业网，包括骨干层中的LAN交换机上行10Gbps汇聚，服务器到交换机间的高速数据链路，数据中心服务器池的数据交换以及连接不同楼宇间的交换设备。
(2) 城域网应用：城域网应用可采用裸光纤和DWDM设备两种传输形式，前者采用10G路由交换机作为节点设备，直接采用城市中铺设的暗光纤，可直接构建格状网络（采用单模光纤，端口链路距离可长达40km），后者采用城域DWDM设备，通常是环网方式组网，提供光层的业务上/下路和网络自愈恢复保护，对企业/园区骨干网，可实现无服务器建筑、远程备份/系统容灾，对运营商而言，该方式成本大大低于采用T3或OC-3传输设备的组网方案。
(3) 广域网应用：这是一个新兴的应用场合，连接ISP（Internet Service Provider）的电信级以太网交换机和NSP（Networks Service Provider） DWDM光纤传输设备的链路可以是极具成本优势的以太网链路，代替传统方式的昂贵的ATM交换机。考虑到骨干网中SDH传输设备大量存在的事实，IEEE802.3ae中定义的10GbE WAN接口采用速率匹配和直接映射的方式，将10GbE MAC帧封装入OC-192c的净荷中传输，确保和现有SDH设备的无缝连接。
