PLC网络系统配置指南-100Mbit/s以太网协议结构

有IEEE802.3u所定义的以太网，速度为100Mbit/s，传输介质为双绞线。还有IEEE802.3z所定义的千兆以太网，速度为1000Mbit/s，传输介质为光纤或双绞线。最新的为万兆以太网，速度为10Gbit/s，传输介质为光纤，全双工无需CSMA/CD协议的网络。

1.百兆以太网

1995年9月，IEEE802委员会正式批准了IEEE802.3u标准。百兆以太网就是基于IEEE802.3u标准的以太网，用100M波特率代替10M波特率。

图5-1 100Mbit/s以太网的协议结构

（1）百兆以太网的协议结构

在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层仍使用CSMA/CD方法，只是在物理层作了调整，并将MAC子层和物理层分开。定义了百兆介质专用接口（MII，Media Independent Interface）及新的物理层标准（100BASE-T）。这样，物理层在实现100Mbit/s速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。100BASE-T目前有3种传输介质的标准：100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX。100Mbit/s以太网的协议结构如图5-1所示。

（2）百兆以太网组网方式

依传输介质不同而不同。分别介绍如下：

1）100BASE-TX。100BASE-TX是5类无屏蔽双绞线方案，由10Base-T派生出来的。100BASE-TX类似于10Base-T，但它使用的是两对无屏蔽双绞线（UTP）或150Ω屏蔽双绞线（STP）。使用的两对双绞线中，一对用于发送数据，另一对用于接收数据。由于发送和接收都有独立的通道，所以100BASE-TX支持全双工操作。

100BASE-TX的硬件系统由以下几部分组成：带内置收发器、支持IEEE802.3u标准的网卡，5类无屏蔽双绞线或150Ω屏蔽双绞线，8针RJ-45连接器，100BASE-TX集线器（Hub）。有两类100BASE-TX集线器，Ⅰ类和Ⅱ类。Ⅰ类集线器在输入和输出端口上可以对线路信号重新编码，所以Ⅰ类集线器可以连接使用不同编码技术的介质系统，如100Base-TX和100Base-T4。Ⅱ类集线器的端口没有这种功能，它只是简单地将输入信号转发给其他端口，所以Ⅱ类集线器只能连接使用相同编码方案的介质系统，如100Base-TX和100Base-FX。

100BASE-TX的组网规则如下：

（a）各网络站点须通过Hub（集线器，100M）连入网络中。

（b）传输介质用5类无屏蔽双绞线或150Ω屏蔽双绞线。

（c）双绞线与网卡，或与Hub之间的连接，使用8针RJ-45标准连接器。

（d）网络站点与Hub之间的最大距离为100m。

（e）在一个冲突域中只能连接一个Ⅰ类HUB，网络的最大直径（站点—Hub—站点）为200m。如果使用Ⅱ类Hub，最多可以级连两个Ⅱ类Hub，网络的最大直径（站点—Hub—Hub—站点）为205m。

2）100BASE-FX。100BASE-FX是光纤介质快速以太网标准，采用与100BASE-TX相同的数据链路层和物理层标准协议。它支持全双工通信方式，传输速率可达200Mbit/s。

100BASE-FX的硬件系统包括单模或多模光纤及其介质连接部件、集线器、网卡等部件。用多模光纤时，当站点与站点不经Hub而直接连接，且工作在半双工方式时，两点之间的最大传输距离仅有412m；当站点与Hub连接，且工作在全双工方式时，站点与Hub之间的最大传输距离为2km。若使用单模光纤作为媒体，在全双工的情况下，最大传输距离可达10km。

3）100BASE-T4。100BASE-T4是3类无屏蔽双绞线方案，该方案使用4对3类（或4类、5类）无屏蔽双绞线介质。它能够在3类UTP线上提供100Mbit/s的传输速率。双绞线段的最大长度为100m。目前这种技术没有得到广泛的应用。100BASE-T4的硬件系统与组网规则与100BASE-TX相同。

2.千兆以太网

1998年2月，IEEE802委员会正式批准了IEEE802.3z标准。千兆以太网就是基于IEEE802.3z标准的以太网。数据传输率达到1000Mbit/s。

（1）千兆以太网的体系结构

在LLC子层使用IEEE802.2标准，在MAC子层使用CSMA/CD方法。只是在物理层作了的调整，并将MAC子层与物理层分开。它定义了定义了千兆介质专用接口（GigabitMedia Independent Interface，GMII）及新的物理层标准（1000BASE-T）。这样，物理层在实现1000Mbit/s速率时所使用的传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层。千兆以太网定义了3种传输介质，其中两种是光纤，包括1000Base-SX和1000Base-LX；另一种是铜线，分别为1000Base-CX及1000BASE-T。

（2）千兆以太网的组网方式

针对3种介质分述如下：

1）1000Base-SX是一种在收发器上使用短波激光作为信号源的媒体技术。这种收发器上配置了激光波长为770～860nm（一般为800nm）的光纤激光传输器，不支持单模光纤，仅支持62.5μm和50μm两种多模光纤。对于62.5μm多模光纤，全双工模式下最大传输距离为275m。对于50μm多模光纤，全双工模式下最大传输距离为550m。1000Base-SX标准规定连接光缆所使用的连接器是SC标准光纤连接器。

2）1000Base-LX是一种在收发器上使用长波激光作为信号源的媒体技术。这种收发器上配置了激光波长为1270～1355nm（一般为1300nm）的光纤激光传输器。它可以驱动多模光纤和单模光纤。使用的光纤规格为62.5μm和50μm的多模光纤，9μm的单模光纤。对于多模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离为550m；对于单模光纤，在全双工模式下，最长的传输距离可达5km。连接光缆所使用的是SC标准光纤连接器。(www.xing528.com)

3）1000Base-CX是使用铜缆的两种千兆以太网技术之一。1000Base-CX的媒体是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离达25m，这种屏蔽电缆是一种特殊规格高质量的TW型带屏蔽的铜缆。连接这种电缆的端口上配置9针的D型连接器。1000Base-CX的短距离铜缆适用于交换机间的短距离连接，特别适用于千兆主干交换机与主服务器的短距离连接。

IEEE802.3委员会公布的第二个铜线标准IEEE802.3ab，即1000BASE-T物理层标准。1000BASE-T是使用5类无屏蔽双绞线的千兆以太网标准。1000BASE-T标准使用4对5类无屏蔽双绞线，其最长传输距离为100m，网络直径可达200m。因此，1000BASE-T能与10BASE-T、100BASE-T完全兼容，它们都使用5类UTP介质，从中心设备到站点的最大距离都是100m，这使得千兆以太网应用于桌面系统成为现实。

3.万兆以太网

万兆以太网是一种数据传输速率高达10Gbit/s、通信距离可延伸40km的以太网。万兆以太网继续使用IEEE802.3以太网协议，以及IEEE802.3的帧格式和帧大小。但由于万兆以太网是一种只适用于全双工通信方式，并且只能使用光纤介质的技术，所以它不需使用带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD。

（1）万兆以太网体系结构

10Gbit/s以太网的OSI和IEEE802层次结构仍与传统以太网相同，即OSI层次结构包括了数据链路层的一部分和物理层的全部，IEEE802层次结构包括MAC子层和物理层，但各层所具有的功能与传统以太网相比差别较大，特别是物理层更具有明显的特点。

1）三类物理层结构。在体系结构中定义了10GBase-X、10GBase-R和10GBase-W三种类型的物理层结构。

（a）10Gbase-X是一种与使用光缆的1000BaseX相对应的物理层结构，在PCS子层中使用8B/10B编码，为了保证获得10Gbit/s数据传输率，利用稀疏波分复用技术（CWDM）在1300nm波长附近每隔约25nm间隔配置了4个激光发送器，形成4个发送器/接收器对。为了保证每个发送器/接收器对的数据流速度为2.5Gbit/s，每个发送器/接收器对必须在3.125Gbit/s下工作。

（b）10GBase-R是在PCS子层中使用64B/66B编码的物理层结构，为了获得10Gbit/s数据传输率，其时钟速率必须配置在10.3Gbit/s。

（c）10GBase-W是一种工作在广域网方式下的物理层结构，在PCS子层中采用了64B/66B编码，定义的广域网方式为SONETOC-192，因此其数据流的传输率必须与OC—192兼容，即为9.686Gbit/s，则其时钟速率为9.953Gbit/s。

2）物理层各个子层的功能。物理层各个子层及功能如下所述。

（a）物理媒体。10Gbit/s以太网的物理媒体包括多模光纤MMF和单模光纤SMF两类，MMF又分50μm和62.5μm两种。由PMD子层通过媒体相关接口MDI连接光纤。

（b）物理媒体相关（PMD）子层。其主要的功能一方面是向（从）物理媒体上发送（接收）信号。在PMD子层中包括了多种激光波长的PMD发送源设备。PMD子层另一个主要功能是把上层PMA所提供的代码位符号转换成适合光纤媒体上传输的信号或反之。

（c）物理媒体连接（PMA）子层。PMA子层的主要功能是提供与上层之间的串行化服务接口以及接收来自下层PMD的代码位信号，并从代码位信号中分离出时钟同步信号；在发送时，PMA把上层形成的相应的编码与同步时钟信号融合后，形成媒体上所传输的代码位符号送至下层PMD。

（d）广域网接口（WIS）子层。WIS子层是处在PCS和PMA之间的可选子层，它可以把以太网数据流适配ANSI所定义的SONETSTS-192c或ITU所定义的SDHVC-4-64c传输格式的以太网数据流。该数据流所反映的广域网数据可以直接映射到传输层。

（e）物理编码（PCS）子层。PCS子层处在上层RS和下层PMA之间，PCS和上层的接口通过10Gbit/s媒体无关接口XGMII连接，与下层连接通过PMA服务接口。PCS的主要功能是把正常定义的以太网MAC代码信号转换成相应的编码和物理层的代码信号。

（f）协调（RS）子层和10Gbit/s媒体无关接口（XGMII）。RS和XGMII实现了MAC子层与PHY层之间的逻辑连接，即MAC子层可以连接到不同类型的PHY层（10GBase-X、10GBase-R和10Gbase-W）上。显然，对于10GBase-W类型来说，RS子层的功能要求是最复杂的。

（2）万兆以太网的技术特点

万兆以太网与传统的以太网比较具有以下几方面的特点。

1）MAC子层和物理层实现10Gbit/s传输速率。

2）MAC子层的帧格式不变，并保留IEEE802.3标准最小和最大帧长度。

3）不支持共享型，只支持全双工，即只可能实现全双工交换型10Gbit/s以太网，因此10Gbit/s以太网媒体的传输距离不会受到传统以太网CSMA/CD机理制约，而仅仅取决于媒体上信号传输的有效性。

4）支持星型局域网拓扑结构，采用点到点连接和结构化布线技术。

5）在物理层上分别定义了局域网和广域网两种系列，并定义了适应局域网和广域网的数据传输机制。

6）不能使用双绞线，只支持多模和单模光纤，并提供连接距离的物理层技术规范。

（3）万兆以太网在局域网中的应用

10Gbit/s以太网用做局域网，通常是组成主干网。例如，利用10Gbit/s以太网实现交换机到交换机、交换机到服务器以及城域网和广域网的连接。10Gbit/s以太网在局域网中的应用如图5-2所示。图中主干线路使用10Gbit/s以太网，校园A、校园B、数据中心和服务器群之间用10Gbit/s以太网交换机的模块分别连接。