高速以太网：计算机网络基础

传统以太网（Ethernet）的数据传输速率是10 Mb/s，若局域网中有N 个节点，那么每个节点平均能分配到的带宽为（10/ N）Mb/s。随着网络规模的不断扩大，节点数目的不断增加，平均分配到各节点的带宽将越来越少，这使得网络效率急剧下降。解决的办法是提高网络的数据传输速率，把速率达到或超过100 Mb/s 的局域网称为高速局域网。高速局域网有以下几种。

1.快速以太网

1993年，IEEE 802 委员会将100Base-T 的快速以太网定为正式的国际标准IEEE 802.3u，作为对IEEE 802.3 的补充。它是一个很像标准以太网，但比标准以太网快10 倍的以太网，故称为快速以太网（Fast Ethernet）。100Base-T 的网络拓扑结构和工作模式类似于10 Mb/s 的星状拓扑结构，介质访问控制仍采用CSMD/CD 方法。100Base-T 的一个显著特点是它尽可能地采用了IEEE 802.3 以太网的成熟技术，因而很容易被移植到传统以太网的环境中。

100Base-T 和传统以太网的不同之处在于物理层。原10 Mb/s 以太网的附属单元接口由新的媒体无关接口所代替，接口下采用的物理媒体也相应地发生了变化。

为了方便用户网络从10 Mb/s 升级到100 Mb/s，100Base-T 标准还包括自动速度侦听功能。这个功能使一个适配器或交换机能以10 Mb/s 和100 Mb/s 两种速度发送，并以另一端的设备所能达到的最快速度进行工作。同时也只有交换机端口才可以支持双工高速传输。

IEEE 802.3u 新标准的协议结构如图4.9所示，该标准还规定了以下3 种物理层标准。

图4.9　快速以太网的协议结构

（1）100Base-TX：支持两对5 类非屏蔽双绞线（UTP）或两对一类屏蔽双绞线（STP）。一对5 类UTP 或一对一类STP 用于发送，而另一对双绞线用于接收。因此，100Base-TX 是一个全双工系统，每个节点可以同时以100 Mb/s 的速率发送与接收数据。

（2）100Base-T4：支持4 对3 类非屏蔽双绞线，其中3 对用于数据传输，一对用于冲突检测。

（3）100Base-FX：支持二芯的多模或单模光纤。100Base-FX 主要用于高速主干网，从结点到集线器的距离可以达到2 000 m，它是一种全双工系统。

2.光纤分布式数据接口网

FDDI（光纤分布式数据接口）是100 Mb/s 的作为连接多个局域网的光纤主干环网，如图4.10所示。另外，FDDI 则使用了不同的MAC 层协议，期望提供定时服务以支持对时间敏感的视频和多媒体信息的传输。FFOL（FDDI Folow-On-LAN）则处在发展初期，期望在150 Mb/s～2.4 Gb/s 数据传输率下运行，并提供高速主干网连接。

图4.10　FDDI 作为连接多个局域网的主干环网结构

FDDI 使用定时的、早释放的令牌传送方案。令牌沿着环状网络连续运动，所有的工作站（或称端站，End Station）都有公平获取它的机会。当一个工作站控制着令牌时，可以保证它访问网络。目标令牌运动时间的长短在系统初始化时协商决定，这种协商是十分重要的，因为它允许需要较高带宽的用户比需要较低带宽的用户能更多地控制令牌，从而使高性能的工作站能更多地访问网络（或分享更大的带宽）以传送数据。因为FDDI 网络上的工作站竞争并共享可用带宽，所以FDDI 也是一种共享带宽网络。双环结构也提供了高可靠性和容错能力。

FDDI 主要用于提供不同建筑物之间网络互联的能力，如校园网主干网，可采用多模光纤或单模光纤。采用多模光纤时，两个结点之间最大距离为2 000 m，支持500 个站点，整个环长达200 km，若使用双环，每个环最大100 km，但可用于故障自修复；采用单模光纤时两站之间距离可超过20 km。

FDDI 的优点如下：

（1）双环结构提供了容错功能。

（2）使用了站管理的内建网络管理。

（3）令牌协议提供了有保证的访问和确定的性能。

（4）在现有的100 Mb/s 的网络技术中，其网络直径或覆盖距离为最大。

（5）有很多产品可供选择，如工作站适配器、集线器、桥接器、路由器等。

（6）很多厂商产品的互操作性已经过验证。

（7）可用性广。

但FDDI 有如下制约因素：

（1）它是一种共享带宽网络。

（2）网络协议比较复杂。

（3）安装和管理相对困难。

（4）存在FDDI 会被价格较低廉的快速以太网代替的可能。

3.千兆以太网

在20世纪90年代前期，尽管快速以太网已经具有很多优良特性，如传输速率快、扩展性好、成本低等，能够满足用户的日常应用，但到了20世纪90年代后期，人们面对数据仓库、桌面电视会议、3D 图形与高清晰度图像这些方面的应用，则要求局域网的带宽更高，千兆以太网（Gigabit Ethernet）正是在这种背景下产生的。

从1995年开始，IEEE 802.3 委员会着手制定千兆以太网的标准，在1998年2月正式批准了千兆以太网的IEEE 802.3 标准。该标准在LLC 子层使用IEEE802.2 标准，在MAC 子层使用 CSMD/CD 方法，它只是在物理层做了一些必要的调整，定义了新的物理层标准（1000Base-T）。

1000Base-T 标准定义了千兆介质专用接口GMII（Gigabit Media Independent Interface），它将MAC 子层与物理层分隔开，这样，物理层在实现1 000 Mb/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。它的主要目标是制定一个千兆位以太网标准。其协议结构如图4.11所示。IEEE 802.3 标准的主要任务如下：(www.xing528.com)

图4.11　千兆以太网协议结构

（1）允许以1 000 Mb/s 的速率进行半双工和全双工操作。

（2）使用IEEE 802.3 以太网帧格式。

（3）使用CSMD/CD 访问方式，提供为每个冲突域分配一个转发器的支持。

（4）使用10Base-T 和100Base-T 技术，提供向后兼容性。

千兆以太网的传输速率比快速以太网快10 倍，数据传输速率达到1 000 Mb/s。千兆以太网保留了传统以太网的所有特征——相同的数据帧格式、相同的介质访问控制方法、相同的组网方法等，只是将传统以太网中每个比特的发送时间由100 ns 降低到1ns。

1000Base-T 标准可以支持多种传输介质，其中有以下4 种有关传输介质的标准：

（1）1000Base-T，使用5 类非屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到100 m。

（2）1000Base-CX，使用屏蔽双绞线，双绞线长度可以达到25 m。

（3）1000Base-LX，使用波长为1 300 nm 的单模光纤，光纤长度可达3 000 m。

（4）1000Base-SX，使用波长为850 nm 的多模光纤，长度可达300～550 m。

4.万兆以太网

随着网络应用的快速发展，高分辨率图像、视频和其他大数据量的数据都需要在网上传输，促使对带宽的需求日益增长，并给计算机、服务器、集线器和交换机造成的压力越来越大。

1999年3月开始，经过3年多的工作，IEEE 协会在2002年6月12日，批准了10 Gb/s以太网的正式标准—IEEE 802.3ae，全称是“10 Gb/s 工作的介质接入控制参数、物理层和管理参数”。

万兆以太网是在以太网技术的基础上发展起来的，它适用于新型的网络结构，能够实现全网技术统一。这种以太网采用IEEE 802.3ae 以太网介质访问控制（MAC）协议、帧格式和帧长度。

万兆以太网与快速以太网和千兆以太网一样，是全双工的，因此它本身没有距离限制。它的优点是减少了网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，同时有望降低系统费用，并提供更快、更新的数据业务。

不过，因为工作速率大大提高，适用范围有了很大的变化，所以它与原来的以太网技术相比也有很大的差异，主要表现在物理层实现方式、帧格式和MAC 的工作速率及适配策略方面。

10 Gb/s 局域以太网物理层的特点是：支持IEEE 802.3 MAC 全双工工作方式，允许以太网复用设备同时携带10 路1 Gb/s 信号，帧格式与以太网的帧格式一致，工作速率为10 Gb/s。

10 Gb/s 局域网可用最小的代价升级现有的局域网，并与10/100/1 000 Mb/s 兼容，使局域网的网络范围最大达到40 km。

10 Gb/s 广域网物理层的特点是采用 OC-192c 帧格式在线路上传输，传输速率为9.584 64 Gb/s，所以10 Gb/s 广域以太网MAC 层必须有速率匹配功能。当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300 km；采用多模光纤时，可达40 km。10 Gb/s 广域网物理层还可选择多种编码方式。

在帧格式方面，由于万兆以太网实质是高速以太网，因此为了与以前的所有以太网兼容，必须采用以太网的帧格式承载业务。为了达到10 Gb/s 的高速率，并实现与骨干网无缝连接，在线路上采用OC-192c 帧格式传输。

万兆以太网标准包括10GBase-X，10GBase-R 和10GBase-W 3 种类型。10GBase-X 使用一种特紧凑包装，含有1 个较简单的WDM 器件、4 个接收器和4 个在1 300 nm 波长附近以大约25 nm 为间隔工作的激光器，每一对发送器/接收器在3.125 Gb/s 速率（数据流速度为2.5 Gb/s）下工作。10GBase-R 是一种使用64B/66B 编码（不是在千兆以太网中所用的8B/10B）的串行接口，数据流为10 Gb/s，因而产生的时钟速率为10.3 Gb/s。10GBase-W 是广域网接口，与SONETOC-192 兼容，其时钟为9.953 Gb/s，数据流为9.585 Gb/s。

万兆以太网的主要特点如下：

（1）保留IEEE802.3 以太网的帧格式。

（2）保留IEEE802.3 以太网的最大帧长和最小帧长。

（3）只使用全双工工作方式，彻底改变了传统以太网的半双工的广播工作方式。

（4）使用光纤作为传输介质（而不使用铜线）。

（5）使用点到点链路，支持星状结构。

（6）数据传输率非常高，不直接和端用户相连。

（7）创造了新的光物理介质相关（PMD）子层。

总之，万兆以太网技术基本上承袭了过去的以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及率、使用的方便性、网络的互操作性及简易性上都占有很大的优势。在升级到万兆以太网解决方案时，用户无须担心既有的程序或服务会受到影响，因此升级的风险是非常低的。这不仅在以往的以太网升级到千兆以太网中得到了体现，同时在升级到万兆以太网，甚至4 万兆（40 Gb/s）～10 万兆（100 Gb/s）以太网时，都将是一个明显的优势，这也意味着其未来一定会有广阔的市场前景。