高速以太网：传输速率超100Mbit/s，使用不同传输媒体的性能对比

传输速率为10Mbit/s的以太网称为传统以太网。随着技术不断进步，要求传输速率越来越高，1993年100Mbit/s以太网产品已经问世。进入21世纪后，又陆续推出了千兆以太网（吉比特以太网）和万兆以太网（10吉比特以太网）。为了区分这些不同速率的以太网，我们把100Mbit/s的以太网命名为快速以太网。超过100Mbit/s的以太网统称为高速以太网。

1.100Mbit/s快速以太网（Fast Ethernet）

100Base-T是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE802.3和CSMA/CD协议。媒体（介质）访问控制MAC算法不变，只是将有关的时间参量加速10倍。

共享传输媒体的快速以太网与10Mbit/s传统以太网使用同样的线缆配置、同样的软件，为用户提供了10Base-T平滑过渡到100Mbit/s性能的方案。表4-4是传统以太网与快速以太网的比较。

为提高以太网信道的利用率，这里引用了一个非常有用的参数a，它是总线单程传播延时τ与帧的发送延时T₀之比，即

表4-4 传统以太网与快速以太网的比较

注：1.UTP——Cat5 无屏蔽5类双绞线。

2.STP——屏蔽类双绞线。

3.CSMA/CD——载波监听多址访问/碰撞检测协议。

式中 τ——总线单程的传播延时（s）；

C——数据速率（bit/s）；

L——数据帧长度（bit）。

参数a与信道最大利用率S_max的关系为

从式（4-4）和式（4-5）可以看出，数据帧L越短，则参数a就越大，信道利用率的最大值S_max就越小。图4-29是帧长度L与站数N对信道利用率最大值S_max的影响。

快速以太网的数据速率C比传统以太网的速率提高了10倍，为保持参数a不变，可以将数据帧L的长度增加到10倍，或者将网络电缆的长度（单程传播延时τ）减小到原有数值的1/10。

图4-29 数据帧长度L与站数N对S_max的影响

100Mbit/s快速以太网采用保持最短数据帧长度不变，而是将一个网段的最大电缆长度减小到100m。帧间的时间间隔从原来的9.6μs改少到0.96μs。

快速以太网的编码采用“3电平传输（MLT-3）”的编码方式。

MLT-3是一种三元编码，即用正、负和零三种电平传送信号，这样可使基带信号的主要能量集中在30MHz以内，减少对外辐射的影响，如图4-30所示。

100Base-TX（Base代表传输基带信号，T代表双绞线）使用2对UTP或STP 5类或6类双绞线。其中一对用于发送，另一对用于接收。100Base-FX使用2对光纤的光缆，其中一对用于发送，另一对用于接收。信号编码采用NRZ1不归零编码方法。

100Base-T4使用4对UTP 3类或UTP 5类双绞线，这是为已使用UTP3类线老用户设计的，信号编码采用8B6T-NRZ不归零编码方法。

图4-30 MLT-3编码方法

快速以太网的传输媒体支持结构化布线，包括3类、4类、5类和6类无屏蔽双绞线（UTP）、150Ω屏蔽双绞线（STP）和光纤（FX）。各类传输媒体可通过中继器或交换机连接混用。表4-5是三种不同类型收发器支持的线缆。

表4-5 三种不同类型收发器支持的线缆

3类UTP在100Base-T4中使用时，数字信号的速率仅为25Mbit/s。为能提升到更高的传输速率，在100Base-T4中需用4对这种线缆并联使用。这样就使得原来只能用于100Base-T的无屏蔽双绞线也能在100Base-T4中使用。100Base-FX多模光纤的最大传输距离可达2km。其他各类双绞线缆的收发器都只支持100m距离。

快速以太网可根据用户需求组成不同性能的局域网，并且允许10Mbit/s和100Mbit/s两种不同速率的以太网混合使用。表4-6是4种类型的以太网HUB集线器。

表4-64 种类型的以太网HUB集线器

（续）

10Mbit/s传统以太网升级到100Mbit/s快速以太网非常方便。用户只要更换一张网卡，再配上一台100Mbit/s集线器，不必改变网络的拓扑结构。所有在10Base-T上的应用软件和网络软件都可保持不变。100Base-T的网卡有很强的自适应性，能够自动识别到10Mbit/s和100Mbit/s。

2.千兆以太网

千兆以太网的数据速率在1 Gbit/s以下（1 Gbit/s=1000Mbit/s），故又称吉比特以太网。千兆以太网遵守同样的以太网通信规程，即采用CSMA/CD控制方法，仍然是一种共享传输媒体的局域网。发送到网上的信号是广播式的，接收站根据目的地址接收信号。网络接口硬件能监听线路上是否存在信号，避免发生数据碰撞，在线路空闲时重发数据。可半双工通信，也可设计成全双工通信。图4-31表明在不同速率下IEEE802.3以太网的参考模型。

图4-31 不同速率的IEEE802.3以太网参考模型

千兆以太网的传输媒体有铜缆和光纤两种标准。1000Base-CX（CX表示铜缆）。使用两对短距离的STP屏蔽双绞线电缆，最大传输距离为25m。1000Base-T是使用4对超5类UTP无屏蔽双绞线电缆，最大传输距离为100m。表4-7是四种传输媒体在三种以太网中的最大传输距离。

表4-7 三种以太网使用不同传输媒体的性能

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注：1.ha：半双工。

2.fd：全双工。

1000Base-SX（850nm波长）多模光纤可支持300m传输距离。1000Base-LX（1300nm波长）多模光纤可支持550m传输距离。单模光纤可支持更远传输距离。

千兆以太网工作在半双工方式时，必须采用CSMA/CD。由于它的数据率比快速以太网又提高了10倍，为使参数a保持较小的数值，要把一个网段的最大电缆长度减小到10m，那么这个网络也就失去了实用价值。如果把最短数据帧的长度提高10倍，即640字节，则发送短数据时的开销又太大了。为此，千兆以太网采用了一种新的“载波延伸（Carrier extension）方法，使最短数据帧长度仍为64字节（这样还可保持兼容性）和保持一个网段的最大长度仍为100m。载波延伸法是将争用期时间增大到512字节。凡发送的MAC帧的长度不足512字节时，就用一些特殊的字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大到512字节，如图4-32所示。接收端收到以太网的MAC帧后，把填充的特殊字符删除后再向高层交付。

图4-32 在短MAC帧后面加上载波延伸

为了便于发送很多短帧，千兆以太网还增加了一种称为分组突发（Packet bursting）的功能。当需要发送很多短帧时，第一个短帧需采用上面所说的载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可以一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的最小帧间间隔即可。这样就形成了一串分组突发，直到1500字节为止，如图4-33所示。

图4-33 分组突发的数据帧

千兆以太网以全双工方式工作时，不使用载波延伸和分组突发。千兆以太网的交换机可以直接与多个图形工作站相连，也可用作百兆以太网的主干网，与几个100Mbit/s（或1Gbit/s）以太网集线器相连，然后再与大型服务器相连在一起，如图4-34所示。

图4-34 千兆以太网的配置举例

3.万兆以太网

著名的Moore（摩尔）定律告诉我们，集成电路芯片的集成度每18个月提高一倍，随之引起的PC处理能力也以同样的速度增长。反映网络发展速度的Metcalfe定律表明网络性能的增长速度为网上PC数量的二次方，也就是说网络的带宽每年提高了3倍。

万兆以太网又称10吉比特以太网，它的数据速率为10Gbit/s。10吉比特以太网并非将吉比特以太网的速率简单地提高10倍，这里有许多技术问题需解决。1999年3月，IEEE成立了HSSG（High Speed Study Group）高速研究组，致力于10吉比特以太网的研究。2002年完成了10吉比特标准的制订。10吉比特以太网的主要特点如下：

（1）10吉比特以太网的数据帧格式与10Mbit/s、100Mbit/s和1 Gbit/s以太网的帧格式完全相同。它保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于用户升级使用。

（2）10吉比特以太网不再使用铜缆，只使用光纤作为传输媒体。采用长距离（超过40km）的光收发器和单模光纤接口。也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离仅为65～300m。

（3）10吉比特以太网只允许工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议，使它的传输距离不再受到碰撞检测的限制。

（4）10吉比特以太网没有同步光纤网SONET/SDH（Synchronous Optical Network）的同步接口，只有异步以太网接口。因此与SONET/SDH网连接时并不是全部都能兼容。

由于10吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。端到端的以太网连接，使帧的格式全部都是以太网的格式，不需要再进行帧格式的转换，简化了操作和管理。

以太网从10Mbit/s到10Gbit/s的发展，证明了以太网具有以下特点：

（1）可扩展性（从10Mbit/s、100Mbit/s、1 Gbit/s到10Gbit/s）。

（2）灵活性（多种传输媒体、全双工/半双工和共享/交换）。

（3）易于安装。

（4）稳定性好。

（5）性能价格比高（比令牌环网、FDDI网等的性价比高）。

千兆以太网和万兆以太网的问世，使以太网的市场占有率进一步得到了提高。使ATM网在城域网和广域网中的地位受到更加严峻的挑战。

4.以太网传输距离扩展

考虑到电缆的衰减和延时等因素，在802.3标准中对传输系统的要求做了详细的规定。例如，任意两个站之间最多可以有三个同轴电缆段。图4-35是由3个同轴电缆网段组成的一个扩展的以太网。802.3标准还规定，转发器点到点链路的总长度不能超过1000m。在图4-35中，网段1和网段2各通过一个转发器经过750m同轴电缆组成点到点相连的链路。网段2和网段3各通过一个转发器经过250m同轴电缆组成点到点相连的链路。此外，还有3段500m长的连接同轴电缆和在6个连接点上各有50m长的连接电缆，因此从通信点A到通信点B之间的总长度可达到2.8km。为减少两个转发器之间较长链路带来的干扰，转发器之间还可采用光纤链路。

图4-35 用转发器扩展以太网的传输距离

以太网还规定每个同轴电缆网段最多只能安装100个站。还规定一个以太网上的最大站数为1024个，实际上还达不到这个数量。

为克服10Base 5粗同轴电缆以太网的价格高和安装不便等缺点，1985年以后，由10Base 5细同轴电缆代替10Base 5开始风行。直径为5mm、特性阻抗为50Ω的细同轴电缆不仅价格便宜、便于小角度转弯，并可直接连接到机箱。每个网段的最大长度为185m（粗同轴电缆网段的最大长度为500m）。细同轴电缆可直接用标准BNCT型接头与网卡上的BNC连接器连接。1990年，IEEE又制定了采用10Base-T无屏蔽双绞线星形网络标准802.3i。10Base-T的通信距离较短，每个站到集线器的距离不超过100m。但是它安装简单，成本低廉，可靠性高，它的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，也为以太网能在局域网中保持统治地位奠定了牢固的基础。图4-36列出了办公室采用三种不同方式的布线方案。

（1）价格方面，粗缆以太网最贵，双绞线以太网最便宜，施工也最方便，因此得到广泛应用。

（2）粗电缆以太网通常是在紧靠办公室走廊的顶棚上安装同轴电缆。

（3）如果收发器出现故障需进行检查或修理是很困难的。而且如果前面的接头不好，会影响后面的计算机工作。

（4）细电缆以太网：电缆的接头就在计算机旁边，维修和检查较方便。由于接头太多，而且只要有一个接头接触不良就会导致全网瘫痪。

图4-36 三种不同方式的办公室布线方案

a）粗缆以太网 b）细缆以太网 c）使用双绞线

（5）双绞线以太网：采用星形网络，集线器的每个端口通过双绞线与计算机单独连接，因此如果某条线路出了故障，不会影响全局，只是影响对应的一台计算机。

以太网低廉的端口价格和优越的性能，使得以太网占据了整个局域网的85%左右，而基于以太网的网桥、集线器、交换机和路由器则构成了互联网体系相当重要的组成部分。近十几年来，消费者对于以太网上的多媒体应用的需求与日俱增，这对网络的带宽及服务质量都提出了更高的要求。