以太网

时间  2021-01-14

1 以太网发展历史

  • Xerox创建第一个实验性的以太网（1972-1977）
  • DEC、Intel和Xerox将以太网标准化（1979-1983）
  • IEEE 802.3标准问世（1982年），10BASE-5出现
  • 10BASE-T结构化布线的历史（1986-1990）
  • 交换式和全双工式以太网的出现（1990-1994）
  • 快速以太网的出现（1992-1995）
  • 千兆网的出现（1996）
  • 万兆以太网

2 10Base以太网（标准以太网）

  • 10Base2网络
  • 10Base5网络
  • 10BaseT网络
  • 10BaseF网络

10代表传输速率，Base指基带传输，2为细同轴电缆，5为粗同轴电缆，T为双绞线，F为光纤。

10Base2以太网

  • 采用总线拓扑，使用RG58A/U型同轴电缆连接
  • 遵循5-4-3-2-1规则
    • 最多可有5个网段
    • 5个网络需要使用4个中继器
    • 只允许3个网段连接主机
    • 其中有2个网段不允许连接主机
    • 所有的主机都处于一个广播域中
  • 两端有端接器
  • 传输距离为185米

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10Base5以太网

  • 分插头：插入电缆
  • 收发器：发送/接收，冲突检测，电气隔离，超长控制
  • AUI：连接件单元接口
  • 终接器

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10BaseT以太网

  • 采用星型拓扑，使用双绞线连接
  • 网段的长度为100米（指从主机到HUB接口的长度）

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集线器的作用相当于一个多端口的中继器（转发器），数据从集线器的一个端口进入后，集线器会将这些数据从其他所有端口广播出去（扩充信号传输距离，将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减）。

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传统以太网中的一些问题

  • 传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为10Mbps，但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为30%~40%

解决方案

  • 升级到高速网络，如100BASE-T(快速以太网)、FDDI、1000BASE-T（千兆位以太网）、万兆以太网
  • 发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、增加路由器，提高子网的网络性能
  • 使用局域网交换机，将共享介质局域网改为交换式局域网

3 快速以太网（Fast Ethernet）

100Base X快速以太网

  • 采用星型拓扑
  • 网段的长度为100米
  • 可采用多种标准的线缆连接
    • 100BaseTX
    • 100BaseT4
    • 100Base FX
  • 100Base-T快速以太网，式标准以太网的100Mbps版本
  • 100Base-T的标准为802.3u，作为802.3的补充
  • 100Base-T MAC的速度相当于10倍的BASE-T的MAC
  • 与10Base-T相同，100Base-T要求有中央集线器的星型布线结构
  • Fast Ethernet的协议结构如下：

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100Base-TX

  • 支持2对五类非屏蔽双绞线（UTP）或2对五类屏蔽双绞线（STP），其中1对用于发送，另一对用于接收，因此100Base-TX可以全双工方式工作，每个结点可以同时以100Mbps的速率发送与接收数据。使用五类UTP的最大距离为100米

100Base-FX

  • 支持2芯的多模或单模光纤
  • 100Base-FX主要是用作高速主干网

100Base-T4

  • 支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对用于数据传输，1对用于冲突检测

100Base-T快速以太网的优缺点

优点：

  • 具有较高的性能，适合网络结点多或者对网络带宽要求较高的应用环境
  • 基于以太网的技术，与现有10Base-T的兼容可以容易的移植到高速网络上
  • 最大的利用了已有的设备、电缆布线和网络管理技术
  • 众多的厂商支持

缺点：

  • 仍然是一种共享式以太网络，采用CSMA/CD作为介质存取方式，网络结点增加时，网络性能会下降
  • CSMA/CD方式使得网络延时变化较大，不适合实时性应用
  • 速率较高，中继器间距较小，100Base-T不适合做主干

4 交换式以太网

  • 交换式以太网是一种使用交换技术的以太网，其实质是采用交换机来实现多个端口之间的信息帧转发和交换
  • 实现了由共享方式到独占方式的转变
  • 工作原理
    • 交换机对数据的转发是以网络节点计算机的MAC地址为基础的
    • 交换机会监测发送到每个端口的数据帧，通过数据帧中的有关信息（源节点的MAC地址、目的节点的MAC地址），就会得到与每个端口所连接的节点MAC地址，并在交换机的内部建立一个“端口-MAC地址”映射表。建立映射表后，当某个端口接收到数据帧后，交换机会读取出该帧中的目的节点MAC地址，并通过“端口-MAC地址”的对照关系，迅速的将数据帧转发到相应的端口

共享方式与独占（交换）方式

共享方式

  • 采用了以共享集线器为中心的星型连接方式，但其实实际上是总线型的拓扑结构
  • 当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，而数据经过多次重发后，延时也相当大，造成网络整体性能下降。在网络节点较多时，以太网的带宽使用效率只有30%~40%

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独占（交换方式）

  • 采用交换机作为中央设备的以太网称为交换式以太网
  • 交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数据传输

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以太网交换机工作方式

直通方式

  • 以太网交换机内保存有一个MAC地址和交换机端口之间的对照表。交换机收到信息帧的帧头后，取出目的地址，查询地址-端口对照表，找出相应的输出接口，直接将该信息帧转发到相应的接口
  • 优点
    • 延时短
    • 转发速度快
  • 缺点
    • 可靠性差，因为帧还没接收完，就开始转发，无法对帧进行差错检测控制

存储转发方式

  • 以太网交换机接收到信息帧后，先将信息帧暂时保存在存储器中，然后再进行差错检测和取出目的地址，交换机只转发正确的信息帧
  • 优点
    • 可靠性高
  • 缺点
    • 延迟较大

混合（不分片转发）方式

  • 综合了上述两种交换方式的优点，当差错率小于某一门限值时，按直通方式工作；当差错率大于某一门限值时，按存储转发方式工作

交换式以太网拓扑结构

拓扑结构

  • 星型

应用场合

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5 千兆以太网

使用线缆

  • 1000BaseCX
  • 1000BaseSX
  • 1000BaseLX
  • 1000BaseT

千兆位以太网产生的背景

  • 千兆位以太网同样保留着传统的100Base-T的所有特征
  • Gigabit Ethernet标准的工作是从1995年开始的，1995年11月 IEEE 802.3委员会成立了高速网研究组
  • 1996年8月成立了802.3z工作组，主要研究使用光纤与短距离屏蔽双绞线的Gigabit Ethernet物理层标准
  • 1997年初成立了802.3ab工作组，主要研究使用长距离光纤与非屏蔽双绞线的Gigabit Ethernet物理层标准

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使用位置

  • 交换机到服务器的连接
  • 用于LAN互联的总体主干（建筑物之间和建筑物内部）
  • 园区网络间主干
  • 工厂自动化主干
  • 工作组或部门级LAN

1000Base-SX

  • 使用短波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为770-
    860nm（一般为850nm）的激光传输器，只能支持多模光纤
  • 1000Base-SX所使用的光纤规格有两种：
    • 62.5微米多模光纤，使用62.5微米多模光纤在全双工方式下的最长传输距离为275米
    • 50微米多模光纤，使用50微米多模光纤，全双工方式下最长有效距离为550米

1000Base-LX

  • 1000Base-LX使用长波长激光作为信号源的网络介质技术，配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光传输器，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤
  • 1000Base-LX所使用的光纤规格为：62.5微米多模光纤、 50微米多模光纤、 9微米单模光纤
  • 使用多模光纤时，在全双工方式下，最长传输距离可以达到550米
  • 使用单模光纤时，全双工方式下的最长有效距离为5000米

1000Base-CX

  • 1000Base-CX是使用铜缆作为网络介质的两种千兆以太网技术之一
  • 1000Base-CX使用了一种特殊规格的高质量平衡屏蔽双绞线，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆

1000Base-T

  • 1000BaseT使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100Base-TX一样可以达到100米
  • 采用这种技术可以在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级

修改记录

时间 动作
2017.6.27 首次上传

参考资料

深博 — 深博IT大讲堂 — 网络技术基础

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