以太網發展與展望

以太網的發展與展望　　　　金培權　　　　摘　要　對以太網的發展、介質訪問方法及物理層的各種實現技術作了較詳細的論述，並對千兆以太網在分析優缺點的基礎上進行了展望。　　關鍵詞　以太網　CSMA／CD　物理層標準　　　　Progre  and Pro ect of Ethernet　　　　Jin Peiquan　　　　　　A tract： This paper discu es progre  of Ethernet, Way of media acce  and implementation technology on physical level, this paper makes pro ects in kilomegabit Etherent on basis of analysis on advantage and disadvantage.　　　　Key words: Ethernet　CSMA/CD　standard on physical level　　　　　　以太網，英文名為Ethernet,是當今世界上應用範圍最廣的一種網絡技術。它最早起源於美國夏威夷大學。60年代末，該校的Norman Abramson及其同事為了將校內的IBM 360主機與分布在其它島上的終端相連接而開發了一個無線電係統ALOHA。該係統是一個爭用型網絡，其上已經體現了以太網的設計思想，即信道共享和信道爭用。1972年，Bob Metcalfe和David Boggs在Xerox公司的PARC(Palo Alto Research Center, Palo Alto研究中心)設計了第一個實驗室以太網ALTO ETHERNET，後改名為Ethernet。此後，以太網不斷地發展，到目前為止，已經誕生了7個關於以太網的標準。在對以太網進行技術標準化的同時，許多大公司如3Com,AT&;T等也推出了以太網產品。如今，以太網產品已遍布世界各地，它對計算機技術的發展起了不可磨滅的作用。　　　　1　以太網的介質訪問控製方法　　　　局域網根本的問題是選擇介質訪問控製方法，即對公共信道進行多路訪問的信道分配方法。常用的介質訪問控製方法有兩類：即爭用型和非爭用型。以太網使用的是CSMA／CD技術(Carrier Se e Multiple Acce /Collision Detection,載波偵聽多路訪問／衝突檢測)，這是一種爭用型介質訪問控製方法(非爭用型的例子如IBM的Token Ring)。　　　　以太網介質訪問控製是OSI七層模型中數據鏈路層的任務。數據鏈路層實際上是由兩個獨立的部分組成的，即MAC 層(Media Acce  Control,介質訪問控製)和LLC層(Logical Linking Control,邏輯鏈路控製)。以太網CSMA／CD是一種MAC層協議。它集中體現了以太網的設計思想。下麵詳細介紹CSMA／CD的工作過程：①偵聽信道並同時進行衝突檢測；②如果信道空閑則發送報文；③如果信道忙碌就一直偵聽，直到信道出現空閑；④如果檢測到信道上有多個報文的衝突發生，就立即停止發送，此時發送一個很短的阻塞報文(Jam)，以便使所有發送節點都能檢測到已經發生的衝突；⑤然後采用一種特殊的隨機後退算法延遲一段時間，回到第一步。　　　　在OSI模型中，數據鏈路層傳輸的數據單位是幀。同樣，以太網CSMA／CD也是通過幀來發送實際數據的。以太網802.3的MAC子層定義了幀結構，如下所示：　　 　　　　8字節 2～6字節 2～6字節 2字節 30字節 0～1500字節 4字節 　　前導碼 目的地址 源地址 數據長度 協議首部 數據和填充字符 幀校驗 　　　　其中：　　　　．前導碼用於物理信號的同步，包括幀定界符(SFD)，為一個字節的10101011序列；　　　　．目的地址和源地址使用的是MAC地址，前三個字節稱為Block ID,標誌生產設備的廠家，由IEEE賦值；後三個字節稱為設備ID，由廠家賦值，而且總是唯一的；　　　　．數據長度指要傳送的數據的總長度；　　　　．協議首部使數據字段的一部分，含有更高層(層4)嵌在數據字段中的信息；　　　　．數據和填充字符可從0到1200字節不等，若實際數據小於所需的最小長度，MAC將追加一些可變的填充字符(PAD)，以維持64字節的最小幀規模。若數據比1200字節長，則更高層(一般是層3)將把數據字段分成不同的幀進行傳送；　　　　．幀校驗用來確保進行正確的傳送，循環冗餘校驗(CRC)用來進行有效幀的檢查。　　另外：現行以太網使用可變長幀進行通信；IEEE802.3u(100BASE-T)MAC幀結構與IEEE802.3幀結構完全一樣，隻不過幀際間隙減少為1／10。　　2　以太網的物理層標準　　　　表1　列出了不同以太網標準的一些情況。　　　　表1　　 　　以太網標準 IEEE規範 批準時間 速度 站／網段 網段長度 支持介質 　　10BASE 5 802.3 1983 10M  100 500 50Ω粗同軸纜 　　10BASE 2 802.3a 1988 10M  30 185 50Ω細同軸纜 　　1BASE 5 802.3c 1988 1M  12/hub 250 100Ω 2對UTP-3 　　10BASE-T 802.3I 1990 10M  12/hub 100 100Ω 2對UTP-3 　　10BROAD36 802.3b 1988 10M  100 1800 75Ω同軸纜 　　10BASE-F 802.3I 1992 10M  　 200 2股多模光纖 　　100BASE-T 802.3u 1995 100M  1024 100，100 ,2000 2對100ΩSTP-5/150ΩUTP-1，　　4對100ΩUTP-3/4/5,2股多模光纖 　　　　表中內容的進一步說明：　　　　1. 10BASE 5：又稱為粗纜網標準。它是原始的IEEE 802.3標準，使用直徑10mm的粗同軸纜，必須用50Ω/1w的電阻端接。10BASE5的網絡直徑≤2500m，節點距離≤500m，最多網段數5 (即5網段/4中繼器)，允許每段100個節點。節點的NIC(網絡接口卡)通過DB-15連接器連接到短的AUI電纜上，AUI電纜本身又連到MAU上，MAU通過一個特殊的連接器連到同軸纜上。　　　　2. 10BASE 2：又稱為細纜網標準。10BASE 2與10BASE 5相似，不同點是：10BASE 2隻允許每段同軸纜上有30個節點，節點間最大長度降為185m,最大網絡直徑為925m(5x185m)。無中繼器時單個網段長度≤300m。10BASE 2使用廉價的R9-5850Ω的細同軸纜，並將MAU功能和收發器/AUI電纜都集成到了NIC中，因此複雜性比10BASE 5大大降低了。NIC上的連接器使用 C筒形連接器，取代了AUI和DB-15。　　　　3. 10BASE-T：與前兩種有很大的差別。10BASE-T使用2對UTP，一對發送，一對接收；同時使用RJ-45 8針模塊插頭作為連接器。10BASE-T使用結構化星型布線拓撲，每網段最多兩個節點(hub-hub或hub-station),節點間的最大距離為100m。大多數的10BASE-T都設有發光二極管LED來指示鏈路是否正常。10BASE-T允許外接MAU，但大多數10BASE-T裝置將MAU功能集成在DTE(NIC，網橋或交換器)或hub中。　　　　4. 10BASE-F：又稱光纜以太網標準。它基於光纜互連中繼器(FOIRL)規範，對FOIRL進行了擴展：10BASE-F允許在光纜上連接節點；使用雙工光纜(多模/單模)，一對發送，一對接收；使用ST連接器(IECBFOC/2.5微型卡口連接器)；有4套不同的光纜規範：10BASE-FP,10BASE-FB,10BASE-FL和老FOIRL規範，其中10BASE-FL是最常用的光纜以太網標準。　　　　5. 100BASE-T：又稱快速以太網標準。它以10倍於10BASE-T的速度傳輸數據。它要求有中央hub的星型布線結構，包括介質無關接口(MII)規範(MII是MAC與PHY的接口)，並允許外接收發器；使用與10M 以太網相同的幀結構。100BASE-T允許包括多個物理層規範，表2列出了不同物理層規範的技術特點。　　表2　　 　　100BASE-T物理層規範 編碼方法 傳輸介質 信號頻率(Mhz) 發送線對數 網段長度(m) 全雙工能力 　　100BASE-TX 4B/5B 2對UTP-3/4/5 125 1 100 有 　　100BASE-T2 PAM5x5 2對UTP-3/4/5 25 1 100 有 　　100BASE-T4 8B/6T 4對UTP-3/4/5 25 3 100 無 　　100BASE-FX 4B/5B 2對單模/多模光纖 125 1 150/412/2000① 有 　　　注：1.中繼器-DTE：150m； 多模DTE-DTE:412m; 多模全雙工DTE-DTE:2000m; 單模DTE-DTE：10000m。　　3　以太網的未來發展—千兆以太網　　　　隨著Internet、Intranet的飛速發展，越來越多的網絡應用對網絡提出了高速要求。1996年7月，IEEE802.3工作組成立了802.3z千兆以太網特別小組，開始對千兆以太網技術進行標準化。IEEE 802.3z第一輪投票已於1997年8月舉行並獲通過，1997年9月進行了一些小的修改。　　　　千兆以太網使用802.3以太網幀格式及CSMA/CD介質訪問方式，使得傳統以太網用戶由10M /100M 升級到千兆位相對容易。兆以太網它是對已獲巨大成功的10BASE-T和100BASE-T標準的擴展。它在提供1000M 原始數據帶寬的基礎上與已安裝的巨大的以太網節點基本上保持了全麵的兼容。它所提供的簡便遷移和支持，以及在管理應用程序和數據類型的可縮性和靈活性使之成為了高速、大帶寬聯網的戰略性選擇。　　　　千兆以太網雖然已成為主速主幹網連接的焦點，但要用戶真正接受千兆以太網仍麵臨著許多問題：　　　　．千兆以太網支持550m的多模光纖連接和3000m的單模光纖連接，對於銅纜STP則隻支持25m連接，而對UTP的連接支持還沒有實現。任何傳輸距離超過25m的千兆以太網必須在光纖上運行。因此，用戶若想升級到千兆以太網，必須考慮鋪設光纖的費用；　　　　．目前千兆以太網還沒有有效地應用軟件支持；　　　　．與ATM相比，千兆以太網在廣播管理、流量控製、服務品質（QoS）、虛擬局域網（VLAN）、流量擁塞方麵還存在著不足。　　　　以太網技術是網絡技術中發展成熟的一種，隨著已有技術的不斷發展的新技術的不斷出現，千兆以太網技術也會越來越成熟，屆時，隻要正確設計，千兆以太網就可以為人們帶來更高的帶寬。