9.1.4　高速以太网

随着网络通信流量的不断增加，传统的10M以太网已经无法满足用户对网络带宽的需求了。通信的拥塞推进了高速网络的发展。逐渐出现了交换式以太网、快速以太网、千兆以太网以及万兆以太网等新型高速以太网结构。

以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但为了最大限度地减少冲突，提高网络速度和使用效率，目前的快速以太网（100M、1000M、10G以太网）都使用交换机（Switch）来进行网络连接和组织，这样以太网的拓扑结构就成了星形，使得以太网可以工作在全双工机制下。除了10G以太网只支持全双工模式，100M和1000M网既支持CSMA/CD也支持全双工。

1．快速以太网

数据传输速率为100Mbit/s的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器提供更高的网络带宽。

IEEE专门成立了快速以太网研究组以评估将以太网传输速率提升到100Mbit/s的可行性。研究组在采用哪一种介质访问方法的问题上产生了严重分歧，分化为快速以太网联盟和100VG-AnyLAN论坛两个不同的组织。每一个组织都制定了自己的以太网高速运行规范，如100Base-T和100VG-AnyLAN（适用于令牌环网）等。

100Base-T是IEEE正式接受的100Mbit/s以太网规范，采用非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线作为网络介质，介质访问控制子层与IEEE 802.3协议所规定的MAC子层兼容，被IEEE作为802.3规范的补充标准802.3u公布。L00VG-AnyLAN是l00Mbit/s令牌环网和采4对UTP作为网络介质的以太网的技术规范，MAC子层与IEEE802.3标准的MAC子层并不兼容。100VG-AnyLAN由HP公司开发，主要是为那些对网络时延要求较高的应用提供支持，IEEE将其作为802.12规范公布。

（1）100Base-T

100Base-T沿用了IEEE802.3规范所采用的CSMA/CD技术，工作方式与之类似，它的帧结构、长度以及错误检测机制等都没有作任何改动。此外，100Base-T还提供了10Mbit/s和100Mbit/s两种网络传输速率的自适应功能。

快速以太网的速度是通过提高时钟频率和使用不同的编码方式获得的，100Base-T与标准以太网的不同主要体现在物理层。原10Mbit/s以太网的附属单元接口由新的介质独立接口所代替，它所采用的物理介质也相应地发生了变化，如图9-14所示。

图9-14　100Base-T快速以太网的介质类型

图9-14中，100代表传输速率为100Mbit/s，Base代表基带传输。T4代表用了4对3类非屏蔽双绞线，其中的三对线用以传输数据（每对线的数据传输率为33.3Mbit/s），一对线进行冲突检验和控制信号的发送接收。TX指使用2对5类非屏蔽双绞线。FX表示光纤。

（2）100VG-AnyLAN

100VG-AnyLAN中的VG表示VoiceGrade语音级，它使用4对3类双绞线来进行传输。若安装的是5类双绞线，100VG-AnyLAN也可以利用其优点，传输距离可以从100m增加到150m。

100VG-AnyLan的工作方式与100Base-T有所不同，主要特点如下。

·物理层采用一种称为4分信号（Quarter Signaling）的技术，使用4对双绞线同时进行数据接收和发送，并采用了多级编码技术。

·100VG-AnyLan的MAC子层采用了请求优先级协议（Demand Priority Protocol，DPP）。它与传统以太网采用的CSMA/CD完全不同，它由1个集成器轮询并仲裁各个站点的网络访问请求，并为这些请求提供不同的优先级。高优先级的请求能够先于低优先级的请求得到服务，当低优先级的请求被挂起并超过一定时间时，仲裁集线器会自动提高其优先级。DPP彻底消除了随机争用方式带来的冲突，并使所有站点都能公平地访问网络，而且在网络负载较大时，依然能保持良好的性能。

100VG-Anylan技术在通信带宽、传输时延以及访问优先级控制等方面都非常适合于多媒体通信的要求，但由于它采用了全新的MAC子层协议，缺乏与原有应用的兼容性，因此目前没有得到广泛的支持。

2．吉比特以太网

吉比特以太网与快速以太网很相似，只是传输和访问速度更快，为系统扩展带宽提供了有效保障。它同样采用了CSMA/CD协议，并且采用了同样的帧格式。对于广大的网络用户来说，在向吉比特以太网过渡时，不需要作额外的协议和中间件投资就可以实现平滑的过渡。

（1）工作原理

在吉比特以太网中，可以1000Mbit/s的速度进行半双工和全双工操作。在半双工通信模式中，吉比特以太网同样采用基本的CSMA/CD方式解决共享介质的冲突问题。

如前所述，在CSMA/CD机制下，帧的最小传输时间必须大于最大往返传播时间，使节点在帧的传送过程中能够监听到冲突的发生。由于传输一帧所需时间与数据速率成反比，如果不对CSMA/CD协议进行调整，半双工吉比特以太网的网络规模只能减小到20m的范围，这样的距离覆盖范围在实际中是无法得到大规模推广的。为了解决这个问题，IEEE对以太网的MAC子层协议作了一次重大修改：载波扩展和帧突发。

1）载波扩展

半双工吉比特以太网引入了载波扩展技术（Carrier Extension），以增加帧发送的有效长度，而不增加帧本身的长度，从而保证网络的覆盖范围。

半双工吉比特以太网首先将网络中的时间槽由10M和100M以太网中的512bit（64Byte）增加到了512Byte（4096bit），这样半双工吉比特以太网的距离覆盖范围就可以扩展到160m。但为了兼容以太网和快速以太网中的帧结构，最小帧长度依然保持512bit不变。当某个DTE发送长度大于512Byte的帧时，MAC将像以前一样工作。如果DTE发送的帧长度小于512Byte时，MAC子层将在正常发送数据之后发送一个载波扩展序列直到时间槽结束。这些特殊的符号将在FCS之后发送，不作为帧的一部分。

通过载波扩展，解决了半双工吉比特以太网距离覆盖范围的问题，但引入了一个新的问题，对于长度较小的以太网帧来说，发送效率降低了。如一个64Byte的帧，它的发送速度比快速以太网增加了10倍，但发送时间增加了8倍。为此，IEEE又引入了帧突发技术。

2）帧突发

DTE发送的第一个小于512Byte的帧，依然使用载波扩展将其扩展到512Byte，但随后发送的小于512Byte的短帧不再使用载波扩展，可以在加入96bit的帧间隔序列之后连续发送短帧。

对于半双工的吉比特以太网来说，载波扩展技术是必要的，否则CSMA/CD就无法正常工作，而帧突发（Frame bursting）技术是可选的（仅仅是一个性能问题，不影响正确性）。

在全双工吉比特以太网中，由于每个吉比特以太网DTE在通信时独占一个信道，因此不需要考虑以太网的冲突问题，从而也没有时间槽长度及距离覆盖范围的限制。

（2）物理介质

吉比特以太网除了对MAC子层协议进行了修改之外，其物理层也与10M及快速以太网亦有所不同。在IEEE802.3z中定义了多模光纤、单模光纤、同轴电缆3种传输介质。IEEE802.3ab定义了非屏蔽双绞线介质。

·1000Base-SX是针对工作于多模光纤上的短波（850nm）激光收发器制定的IEEE802.3z标准。使用62.5μm网的多模光纤时，连接距离可达260m。使用50μm的多模光纤时，连接距离可达550m。

·1000Base-LX是针对工作于单模或多模光纤上的长波（1300nm）激光收发器制定的IEEE802.3z标准。使用62.5μm的多模光纤时，连接距离可达440m。使用50μm的多模光纤时，连接距离可达550m。使用单模光纤时，连接距离可达5000m。

·1000Base-CX是针对低成本、优质的屏蔽双绞线或同轴电缆的短途铜制线缆制定的IEEE802.3z标准。连接距离可达25m。

·1000Base-T是IEEE802.3ab标准下的千兆以太网。它规定了100m长的4对5类UTP的工作方式，在升迁为千兆位以太网时要按照它的技术规范执行，不能简单地加入千兆网设备或替换原以太网设备，这是在组建网络时需注意的。

3．10Gbit/s以太网

以太网主要在局域网中占绝对优势。但是在很长的一段时间内，人们普遍认为由于在带宽以及传输距离上的限制，以太网不能用于城域网及广域网中。但10吉比特（10Gbit/s）以太网的出现则改变了人们对以太网的看法。

2002年7月，IEEE批准了10Gbit/s以太网的正式标准——IEEE802.3ae（10Gbit/s工作的介质接入控制参数、物理层和管理参数）。10Gbit/s以太网不仅具有更高的带宽（10Gbit/s），传输距离也更远（最长传输距离可达40km）。

在帧格式方面，为了与此前的以太网兼容，10Gbit/s以太网必须采用与传统以太网相同的MAC协议和帧结构来承载业务，但为了达到10Gbit/s的高速率，并实现与骨干网无缝连接。10Gbit/s以太网在线路上采用了OC-192c帧格式传输方式。这样就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧的映射功能。

与此前的以太网标准不同的是，10Gbit/s以太网标准只工作于光纤介质上，且只工作在全双工模式，省略了CSMA/CD策略，因此它本身也没有覆盖距离的限制。

10Gbit/s以太网可用于局域网，也可用于广域网。10Gbit/s局域以太网和广域以太网物理层的速率不同，局域网的数据率为10Gbit/s，广域网的数据率为9.58464Gbit/s。由于两种速率的物理层共用一个MAC子层，而MAC子层的工作速率为10Gbit/s，所以必须采取相应的速度调整策略。

10Gbit/s以太网技术是过去以太网技术的延伸，完全兼容原有网络，支持原有应用，因此在既有的网络市场上，尤其是宽带需求较为殷切的市场上将会有较大的发挥空间。而且随着网络应用的深入，WAN/MAN与LAN融和已经成为大势所趋，10Gbit/s以太网技术则让工业界找到了一条能够同时提髙以太网的速度、可操作距离和连通性的途径。