第二章 以太网与环网技术 目 录第二章 以太网与环网技术以太网技术 共享式以太网与交换式以太网环网2.1 以太网技术2.1.1 标准以太网从20世纪80年代至今，随着信息技术的发展，以太网标准及其产品不断地更新和扩展，在拓扑结构、传输速率和相应的传输介质方面有了很大的变化其主要技术及标准，见表2-1表2-1 以太网的标准与相关技术2.1.1 标准以太网1.10BASE5(粗缆以太网)粗缆Ethernet又称标准的Ethernet，因为这是最初实现的一种如图2-1所示，既为一个粗电缆Ethernet布线方案粗缆Ethernet干线上的每个站点使用一个转发器和电缆连接该转发器与那些用于细缆Ethernet的BNC连接器不同，它是一个提供工作站与粗缆电气隔离的小盒子 图2-1 10BASE-5网络的组成2.1.1 标准以太网2.10BASE2 (细缆以太网)细缆Ethernet的电缆在物理上较粗缆Ethernet电缆容易处理，它不需要站点使用收发器它的电缆便宜，但干线段的长度不如粗缆Ethernet那么长，如图2-2所示为一个细缆Ethernet网络图2-2 10BASE-2网络的组成2.1.1 标准以太网3.10BaseT(双绞线以太网)10BaseT网络所使用的硬件，如图2-3所示。
带有RJ-45插座的以太网卡，它插在计算机的扩展槽中，使该计算机成为网络的一个结点，以便连接入网3类以上的UTP电缆（双绞线），这是10BaseT网络定义的传输介质电缆两端各接一个RJ-45连接器，一端连接网卡，另一端连接集线器；10Base-T集线器是10Base-T网络技术的核心集线器是一个具有中继器特性的有源多口转发器，其功能是接收从某一端口发送来的信号，进行重新整形再转发给其他端口集线器有8口、12口、16口和24口等多种类型有些集线器除了提供多个RJ-45端口外，还提供BNC和AUI插座，支持UTP、细同轴电缆和粗同轴电缆的混合连接图2-3 10BASET以太网系统结构2.1.1 标准以太网4.10BaseF(光纤以太网) 10BaesF是10Mbps 光纤以太网，它使用多模光纤传输介质，在介质上传输的是光信号，而不是电信号因此，10BaseF具有传输距离长、安全可靠、可避免电击的危险等优点由于光纤适宜连接相距较远的站点，所以10BaseF常用于建筑物间的连接，它能够构建园区主干网（如北京大学早期的校园主干网采用就是10BaseF技能），并能实现工作组级局域网与主干网的连接因为号传输的特点是背单方向，适合于端到端式的通信，因此10BaseF以太网呈星状或放射状结构。
2.1.2 快速以太网1.快速以太网的分类（1）100BASET2 可使用2对音频或者数据3、4、5类UTP电缆一对用于发送数据，一对用户接收数据，可以实现全双工操作；符合EIA586结构化布线标准；使用10BASET相同的RJ-45连接器；它的最大网段长度为100米2）100BASET4 一种可使用3、4、5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术，它使用4对双绞线，3对用于传送数据，1对用于检测冲突信号在传输中使用8b/6t编码方式，信号频率为25MHz，符合EIA586结构化布线标准使用同10BASET相同的RJ-45连接器它的最大网段长度为100米3）100BASE-TX 一种用5类数据非屏蔽双绞线的快速以太网技术使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz符合EIA586的5类布线标准和IBM的STP 1类布线标准使用同10BASE-T相同的RJ-45连接器它的最大网段长度为100米它支持全双工的数据传输4）100BASE-FX 一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模光纤和多模光纤（62.5和125um）在传输中使用4B/5B编号方式，信号频率为125MHz。
它使用MIC/FDDI连接器、ST连接器或SC连接器它最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里长至10公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关它支持全双工的数据传输100BASE-FX 特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或保密环境等情况下的使用2.1.2 快速以太网2.快速以太网与10BASE-T/F组网性能比较快速以太网标准IEEE802.3u是从802.3（特别是802.3i/g）标准发展而来的，它继承了10BASE-T和10BASE-F技术，并进一步发展，两者在MAC子层和PHY层的性能上有相同之处，也有明显的区分，比较见表2-2注：UTP非屏蔽双绞线、STP屏蔽双绞线、MMF多模光纤、SMF单模光纤、NRZI不归“0”反相2.1.3 千兆以太网1.千兆以太网的分类（1）1000BASE-X 千兆位以太网技术中易实现的方案，也是目前已经使用的解决方案，1000BASE-X包括了1000BASE-CX、LX和SX三种，但它们的PHY层中均采用8B/10B的编码/译码方案对于收发器部分三者差别较大，原因在于三者所分别对应的传输介质以及在媒体上所采用的信号源方案不同所致。
2）1000BASE-LX 一种收发器上使用长波激光（LWL）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为1270nm-1355nm（一般为1300nm）的光纤激光传输器，它可以驱动多模光纤，也可驱动单模光纤，其芯径为62.5m的多模光纤、50m的多模光纤和10m的单模光纤对于多模光缆，在全双工模式下，最长距离可达550m；对于单模光缆，全双工模式下最长距离达3km连接光缆所使用的SC型光纤连接器，与100Mbps快速以太网1000BASE-FX使用的型号相同3）1000BASE-SX 一种在收发器上使用短波激光（SWL）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为770nm860nm（一般为800nm）的光纤激光传输器，不支持单模光纤，仅支持多模光纤，其芯径为62.5m的多模光纤和50m的多模光纤2.1.3 千兆以太网（4）1000BASE-CX 使用铜缆的两种千兆以太网技术之一，另一种是1000BASE-T1000BASE-CX的媒体是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离达25m，这种屏蔽电缆不是符合ISO11801标准的STP，而是一种特殊规格高质量平衡双绞线对的TW型带屏蔽的铜缆。
连接这种电缆的端口上配置9芯D型连接器 （5）1000BASET 一种使用5类UTP的千兆位以太网技术，其标准为IEEE802.3ab，不同于1000BASE-X的IEEE802.3z最长的媒体距离与100BASE-TX一样，达100m,这种5类UTP上距离为100m的技术从100Mbps传输率升级到1000Mbps，对用户来说可以在原来使用5类UTP的布线系统中，传输的带宽可升级10倍，但是要实现这样的技术，不能采用1000BASE-X所使用的8B/10B编码/译码方案以及信号驱动电路，代之以专门的更先进的编码/译码方案和特殊的驱动电路方案在上述以太网中，不论传输介质是同轴电缆、双绞线或是光纤，也不论传输速度是10Mbps、100Mbps或是1000Mbps，它们的介质访问控制方法都采用CSMA/CD2.1.3 千兆以太网2.千兆位以太网的组网跨距组网跨距即是系统的覆盖范围在设计系统时，跨距是组网必须要考虑的问题之一以下分别讨论有、无中继器连接的两种情况对于铜缆又要区分采用的是TW型屏蔽双绞线还是5类不屏蔽双绞线在有如此之多的媒体选择情况下，还要区分是处在半双工模式还是在全双工模式下连网，半双工模式即是处在CSMA/CD约束下的碰撞域范围，全双工模式不必考虑CSMA/CD的约束，仅是有效数字信号在媒体上传输的最长距离。
各种情况下的组网跨距，见表2-32.1.3 千兆以太网3.帧扩展技术帧扩展技术是在不改变802.3标准所规定的最小帧长度情况下提出一种解决办法，如图2-4所示把帧一直扩展到512字节即4096位即若形成的帧小于512字节，则在发送时要在帧的后面添上扩展位，达到512字节发送到媒体上去图2-4 帧的扩展2.1.3 千兆以太网4.帧突发技术帧突发在千兆位以太网上是一种可选功能，它使一个站（特别是服务器）一次能连续发送多个帧，如图2-5所示图2-5 帧突发过程2.1.4 万兆以太网万兆以太网是当前最新的以太网技术，它的传输速率可以达到10Gbps万兆以太网技术的研究始于1999年底，当时成立了IEEE802.3ae工作组，并于2002年6月12日正式发布802.3ae 10GE标准，目前IEEE802.3ak任务组工程师仍在为铜缆万兆以太网（10Gbase-CX4）制定标准万兆以太网并非将以太网速率简单地提高到10倍，有很多复杂的技术问题需要解决万兆以太网主要具有以下特点：万兆以太网的帧格式与标准以太网、快速以太网、千兆以太网的帧格式完全相同万兆以太网仍然保留了802.3标准对以太网最小帧长度和最大帧长度的规定。
这就使用户在将其已有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太网进行通信由于数据传输速率高达10Gbps，因此万兆以太网的传输介质不再使用铜质的双绞线，而只使用光纤它使用长距离的光纤收发器与单模光纤接口，以便能够在广域网和城域网的范围内工作它也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离限制在65300米万兆以太网只能工作在全双工模式，因此不存在冲突的问题由于不使用CSMA/CD协议与，这就使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的限制2.2 共享式以太网与交换式以太网2.2.1 共享式以太网在交换式以太网出现以前，以太网系统均为共享式以太网系统，在整个系统中，受到CSMA/CD介质访问控制方式的制约，整个系统中只是网卡（站）、集线器/中继器、媒体三个组成部分，如图2-6所示图2-6 共享式以太网2.2.1 共享式以太网1.介质访问控制技术（CSMA/CD）（1）载波侦听 在 CSMA/CD 接入方法中，要发送报文的所有网络设备必须在发送之前进行侦听2）多路访问 如果设备之间的距离造成一台设备的信号延时，也就是说，另一台设备无法检测到信号，则另一台设备可能也会开始发送3）冲突检测 当设备处于侦听模式下，它可以检测到共享介质中何时发生冲突，因为所有设备均可检测到信号振幅的增长高于正常水平。
4）堵塞信号和随机回退 检测到冲突之后，发送设备将发出堵塞信号堵塞信号通知其它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法2.2.1 共享式以太网（5）CSMA/CD的发送流程 CSMA/CD的工作流程可以简单地概括为“先听后发，边发边听，冲突停止，延迟重发”，其发送流程，如图2-7所示图2-7 以太网/IEEE802.3 CSMA/CD的发送流程2.2.1 共享式以太网（6）CSMA/CD的接收规则 以太网IEEE802.3 CSMA/CD的接收流程，如图2-8所示图2-8 以太网/IEEE802.3 CSMA/CD的接收流程2.2.2 交换式以太网1.交换式以太网系统的特点交换式以太网系统中的交换式集线器，也称以太网交换机，以其为核心连接站点或者网段如图2-9所示，交换机的各端口之间同时可以形成多个数据通道，端口之间帧的输入和输出已不再受到CSMA/CD介质访问控制协议的约束图中在交换机上同时存在了3个数据通道，它们可以是站与站、站与网段之间网段即是多个站点构成一个共享媒体的集合，一般是一个共享式集线器连接若干个站点构成一个网段2.2.2 交换式以太网2.以太网交换机的工作原理交换机的优点 共享式以太网采用的设备是集线器，交换式以太网采用的设备是交换机。
交换机的工作原理其实最根本的是要理解“共享”（Share）和“交换”（Switch）这两个概念集线器是采用共享方式进行数据传输的，而我们在这里要讲的交换机则是采用“交换”方式进行数据传输的我们可以把“共享”和“交换”理解成公路共享”方式就是来回车辆共。