【第4章 】以太网技术

  • 1. 本章目标
  • 2. 发展历程
  • 3. 标准以太网
    • 3.1 以太网帧
      • 3.1.1 IEEE 802.3的MAC层帧格式
      • 3.1.2 MAC地址
      • 3.1.3 以太网单播、广播、组播
    • 3.2 冲突检测和处理
      • 3.2.1 CSMA/CD
      • 3.2.2 全/半双工
    • 3.3 流量控制技术
    • 3.4 标准以太网数据编码
    • 3.5 10Base-5
      • 3.5.1 物理介质——同轴电缆
      • 3.5.2 连接器
      • 3.5.3 设备
      • 3.5.4 拓扑结构及扩展
    • 3.6 10Base-2
    • 3.7 10Base-T
      • 3.7.1 物理介质——双绞线
      • 3.7.2 连接器
      • 3.7.3 设备
      • 3.7.4 拓扑结构及拓展
    • 3.8 10Base-F
      • 3.8.1 光纤简介
      • 3.8.2 光网络中光纤的结构和分类
      • 3.8.3 常用的光纤连接器
      • 3.8.4 光纤的优点
  • 4. 快速以太网
  • 5. 千兆位以太网
  • 6. 万兆位以太网
  • 7. 本章总结
  • 8. 习题
  1. 随着IP技术的发展，以太网作为IP的承载网络已经成为局域网必须选择的技术之一。
  2. 随着以太网技术的发展，它已经超出了局域网的范畴而进入城域网甚至广域网的领域，如现今城域网中广泛采用的10GE技术。
  3. 以太网技术的发展主要是：带宽及技术标准的发展；拓扑结构的发展；运行模式的发展。
  4. 带宽：10Mbps发展到目前10Gbps及更高。高带宽的发展伴随着技术标准的发展，每一代新的技术标准都是向前兼容的。
  5. 网络拓扑：从早期的总线型结构发展到现在的层次性结构。
  6. 运行模式：从半双工模式发展到现在的全双工模式。

1. 本章目标

  1. 了解以太网发展历程和相关技术标准。
  2. 掌握各种以太网技术的基本原理。
  3. 描述以太网帧格式。
  4. 理解线缆规范和连接方式。

2. 发展历程

从1973年诞生以来，以太网技术经历了：

  1. 标准以太网（10Mbps）
  2. 快速以太网（100Mbps）
  3. 千兆位以太网（1000Mbps）
  4. 万兆位以太网（10Gbps）
  5. 40Gbps/100Gbps以太网

无论如何发展，以太网都遵循了相同的实现机制和基本结构：

  1. 在链路层采用LLC子层和MAC子层
  • LLC（Logic Link Control Sublayer，逻辑链路控制子层）
  • MAC（Media Access Control Sublayer，介质访问控制子层）
  1. 物理层采用PCS、PMA、PMD的层次结构
  • PCS（Physical Code Sublayer，物理编码子层）
  • PMA（Physical Media Attachment Sublayer，物理介质附属子层）
  • PMD（Physical Media Dependent，物理介质相关子层）


以太网协议标准一般可以描述为IEEE 802.3标准。

3. 标准以太网

  1. 标准以太网是最早的以太网标准。
  2. 它使用同轴电缆、双绞线、光纤作为传输介质。
  3. 同轴电缆目前已基本不使用，主要是双绞线和光纤。
  4. 不同的介质对应不同的标准：
  • 粗同轴电缆——10Base-5
  • 细同轴电缆——10Base-2
  • 双绞线——10Base-T
  • 光纤——10Base-F

3.1 以太网帧

3.1.1 IEEE 802.3的MAC层帧格式


IEEE 802.3的以太网帧格式如上图所示，由7部分组成：
帧间隙Inter Frame Gap（每个帧之间必须要留的空隙，至少需要128Bytes）

  1. 前导符
  2. 起始符
  3. 目的地址
  4. 源地址
  5. 类型/长度
  6. 数据/填充
  7. 帧校验序号

3-7称为以太帧（ Ethernet Frame）是可变长度Variable length。


  1. 前导符（Preamble）：用于接收方的接收时钟与发送方的发送时钟进行同步。以太网标准中规定前导码为10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010（二进制），共7字节。
  2. 起始符（Start of Frame Delimiter）：以太网标准中规定帧开始定界符为10101011（二进制），共1字节。标志着一帧的开始。
  3. 目的地址（Destination MAC Address）：6字节（48位），首字节第八位为0时表示唯一地址或单播地址（Unicast Address），首字节第八位为1时表示组地址或组播地址（Multicast Address）。MAC地址所有位全为1时为广播地址（Broadcast Address）。目的MAC地址为单播地址、组播地址、广播地址的数据帧分别为单播帧、组播帧、广播帧。
  4. 源地址（Source MAC Address）：格式等同目的MAC地址。
  5. 类型/长度：表示以太帧封装的消息协议类型；长度表示数据段中的字节数，其值可以为0~1500.
  6. 数据/填充：用于数据填充。当用户数据不足46B时，要求将用户数据凑足46B，以保证IEEE 802.3的帧长度不小于64B（14B帧头+46B数据+4BCRC）。
  7. 帧校验序号（Frame Check Sequence）：使用32位循环冗余校验码的错误检验。

3.1.2 MAC地址

  1. 以太网上的计算机用MAC地址（Medium Access Control Address，介质访问控制地址）作为自己的唯一标识。
  2. MAC地址为二进制48位，常用12位十六进制数表示。

  1. MAC地址分为24位的OUI（Organizationally Unique Identifier，组织唯一标识符）。
  2. 24位的EUI（Extended Unique Identifier，扩展唯一标识符）
  3. IEEE RA（Registration Authority）是MAC地址的法定管理机构，负责分配OUI，组织（厂商）自行分配其EUI。
  4. MAC地址固化在网卡的ROM（Read Only Memory，只读存储器）中，每次启动时由计算机读取出来，因此也称为硬件地址（Hardware Address）。
  5. 每块网卡的MAC地址是全球唯一的，也即是全网唯一的。
  6. 一台计算机可能有多个网卡，因此也可能同时具有多个MAC地址。

3.1.3 以太网单播、广播、组播

  1. 以太帧中包含两个MAC地址，一个是发送者的MAC地址，称为源MAC地址。
  2. 一个是帧接受者的地址，称为目的MAC地址。
  3. 单播（Unicast）：目的为单一站点的发送称为单播。——填写目的站点的MAC地址
  4. 广播（Broadcast）：目的为全部站点的发送称为广播。——填写FFFF.FFFF.FFFF（注意目的地址是6字节的，本例是16进制，2位一字节）
  5. 目的为某一组特定站点的发送称为组播（Multicast）。——填写某一组相应的组播MAC地址。
  6. 以太网卡具有过滤（Filtering）功能。网卡只将发送给自己的帧接收、解封装并提交给上层协议处理。
  7. 对于不是发送给自己的帧则一律丢弃。
  8. 网卡通过维护MAC地址表来实现选择是否丢弃帧。
  9. 有些网卡可以工作在混杂模式（Promiscuous Mode），可以接收任意帧，这类网卡通常用于wireshark等网络协议分析工具中。

3.2 冲突检测和处理

  1. 以总线型拓扑结构为例，所有站点使用了公共的电缆系统，共享信道传输，某一时刻只允许一个站点发送数据，当同一时刻有多个站点传输数据，这时就会产生数据冲突。
  2. 所有相互之间可能发生冲突的站点的集合称为一个冲突域。
  3. 以太网采用CSMA/CD冲突检测的载波侦听多路访问机制来规范站点对于共享信道的使用。

3.2.1 CSMA/CD

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）冲突检测的载波侦听多路访问机制。
发送端采用CSMA/CD的五个步骤：

  1. 传输前侦听（是否被使用）
  2. 如果电缆忙则等待
  3. 传输并检测冲突（传输过程中也检测，如果发现了冲突，发出冲突信号，告诉所有站点发生了冲突，并停止传输）
  4. 如果冲突发生，重传前等待（等待一定时间再重传）
  5. 重传或夭折（重传最大允许次数为15次）

接收方处理的四个步骤：

  1. 检查收到的帧并且校验其是否称为碎片。
  2. 检验目标地址。（看看是否需要在本机处理）
  3. 如果目的地址是本机，校验帧的完整性。（CRC校验）
  4. 处理帧

CSMA/CD是一种简单而容易实现的机制，在以太网上节点不多的情况下工作的很好，但是党数量增加，冲突发生的概率会急剧增加，一般建议一个以太网的冲突域内的主机数量不超过50台。

3.2.2 全/半双工

  1. IEEE 802.3提供了两种运行模式：半双工和全双工模式。
  2. 只有半双工模式下的共享式以太网才适用CSMA/CD，这种网络也成为传统以太网或者CSMA/CD网络，例如10Base-5。
  3. 全双工网段上，物理介质同时支持发送和接收而不产生干扰（物理介质可以看成是2条）。
  4. 全双工网段上只连接两个站点（线路不是共享的）。
  5. 因为不存在多站点争用共享介质，所以传输时没有冲突，不需要CSMA/CD机制或者其他多点访问算法。
  6. 全双工需要线路支持，站点支持，同时站点要开启全双工。
  7. 早期的全双工模式只是运行在以太网交换机之间，现在全双工模式几乎是全网交换机、服务器、PC都支持。全双工模式的运行使得以太网性能得到成倍的提升。

3.3 流量控制技术

  1. 在数据传输过程当中，如果发送方发送速率高于接收方接收速率时，就会出现丢帧情况，这时就需要采取流量控制措施。
  2. 在半双工以太网上，利用背压式（Back Pressure）方法进行流量控制。当接收方来不及处理数据时，可以向线路上发送一个电压信号，强行制造冲突，使得发送方暂时退避，从而允许接收方去处理积聚在其缓冲区的数据。
  3. IEEE 802.3还规定了在全双工环境中用PAUSE操作控制流量的方法。在全双工环境中，当接收方来不及处理数据时，可以向保留地址0180.C200.0001发送64B的PAUSE帧，告诉发送方暂停发送。

3.4 标准以太网数据编码

  1. 标准以太网采用了最常用的曼切斯特（Manchester）编码。
  2. 曼切斯特编码用一个时钟周期表示一个比特。
  3. 在时钟周期的中间使用一次电平转换，如果电平转换是由高位到低位则表示0，如果电平转换由低位到高位则表示1。

3.5 10Base-5

  1. 10Base-5是一种总线型结构的以太网。
  2. 它使用50Ω的同轴粗缆（Thick Cable）作为传输介质。
  3. 每隔一段可以设置一个收发器（Transceiver）。
  4. 往内的主机通过收发器电缆（Transceiver Cable）与收发器相连，接入以太网。
  5. 粗缆的抗干扰性较强，一根粗缆能够传输500m远的距离，但是粗缆的连接和布设比较麻烦，不便于使用。

3.5.1 物理介质——同轴电缆

  1. 20世纪80年代推出以太网时，同轴电缆是当时常用的物理介质，以太网通常采用总线型拓扑结构。
  2. 现在的以太网通常采用星型拓扑结构与双绞线。

同轴电缆，它由四层组成：

  1. 一根中央铜导线
  2. 包围铜导线的绝缘层
  3. 网状金属屏蔽层（负责屏蔽信号和电流回路）
  4. 塑料保护外皮

    同轴电缆的同轴的意思是：它的内部共有两层导体排列在同一轴上（铜芯和屏蔽网层），所以叫同轴。

同轴电缆的特性：

  1. 铜线传输电磁信号，它的粗细直接决定其衰减程度和传输距离。中心导体越粗，信号传输距离就越远
  2. 绝缘层将铜线与金属屏蔽层隔开。
  3. 网状金属屏蔽层一方面可以屏蔽噪声，另一方面可以作为信号地，它的屏蔽性是十分有效的。
  4. 综上，同轴电缆拥有：出色的屏蔽性、频率特性较好（铜芯较粗）、较大的带宽、能进行高速率的传输。
  5. 大多数同轴电缆固有的带宽远超最好的双绞线。

同轴电缆的分类：

  1. 粗缆（直径0.5英寸），传输距离500m（10Base-5）
  2. 细缆（直径0.25英寸），传输距离约为200m（10Base-2）
  3. 在粗缆和细缆的两端都采用50Ω的终端电阻（终结器），吸收发送完毕的信号，以便于新信号的接收。
    1英寸=0.25厘米

    粗缆和细缆的应用：
  4. 粗缆适用于比较大型的LAN，它的线缆很硬，不容易弯曲，安装难度大，总体造价高。一般现在有光纤电缆来取代它，已经不经常使用。
  5. 细同轴电缆的直径与粗同轴电缆相比要小一些，用于小型LAN内的设备互连。安装相对容易、造价低。如下图所示。

    同轴电缆退出互联网主流的原因：
  6. 随着结构化布线日益发展的需求，人们需要稳定的布线结构来支持LAN高速通信，对LAN安装、维护管理的要求越来越高。
  7. 虽然同轴电缆的电路特性比较好，然而在基于同轴电缆连接的总线型拓扑结构以太网中，网络管理麻烦，任何增加或减少布线点的变动都需要重新布线，网络配置需要在各个布线点操作，并且对电缆进行任何相关改动，会影响网络上的其他用户。当一个节点发生故障时，故障会串联影响到整根线缆上的所有机器，故障的诊断和修复都很麻烦。
  8. 这种布线方式难以符合现在的结构化布线系统的需求，因此，同轴电缆逐渐退出舞台，被非屏蔽双绞线和光缆所取代。

3.5.2 连接器

  1. 计算机与粗缆连接采用的是收发器（Transceiver）。
  2. 每台计算机需要一个收发器和网络相连。
  3. 收发器连接在以太网上，计算机在利用一根电缆连接到收发器上，这根电缆被称为——连接单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）电缆。
  4. 计算机网络接口卡和收发器上的连接期间则被称为AUI连接器。
  5. 常用的连接器有N型连接器和同轴活栓连接器。其中同轴活栓连接器如下图。

3.5.3 设备

10Base-5以太网和10Base-2以太网使用的主要设备有

  1. 网卡
  2. 中继器

网卡：

  1. 网络接口卡（Network Interface Card，NIC）负责将设备所要传递的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式，通过网络介质传输数据。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。
  2. 每个网络接口卡都有一个物理地址（MAC地址）。这个MAC地址再出厂时，由网络接口卡制造商将其写入网络接口卡的ROM芯片中。
  3. 将网络接口卡插在计算机的主板中，这台计算机就有了MAC地址。

中继器：

  1. 中继器（Repeater）智能简单地重复并放大电信号，因此可以认为中继器属于物理层设备。

3.5.4 拓扑结构及扩展

  1. 对于10Base-5和10Base-2而言，拓扑结构都为总线型。
  2. 当单一线缆段（Cable Segment）距离不足的时候，可以用中继器（Repeater）扩展连接距离。
  3. 而由中继器连接起来的多个线缆段共同形成一个物理段（Physical Segment），如图所示。
  4. 随着范围的扩展，一个物理段内发生冲突的概率和冲突检测的困难也不断增加，因而这种扩展是有限的。
  5. 10Base-5和10Base-2最多只能串联4个中继器，扩展到5个线缆段的距离，其中只有3个线缆段能连接主机，其余两个仅作为延长段。
  6. 但不论扩展多远，一个物理段内的所有线缆全部属于同一个冲突域。

3.6 10Base-2

  1. 10Base-5以太网的传输距离可以达到500m，但是由于粗同轴电缆的安装弱操作性以及建设成本，目前都使用较多的是细同轴电缆。
  2. 细同轴电缆采用10Base-2，传输距离为185m。
  3. 连接器方面也做了改进，采用BNC T型连接器。BNC直接连接在计算机的网络接口卡上，不需要粗缆中的中间连接设备。
  4. BNC连接器有3个接口，T型底部连接到计算机的网络接口卡上，另外两边连接细缆，以便允许信号进出网络接口卡。

3.7 10Base-T

  1. 10Base-T以太网技术从物理介质和连接器方面都进行根本性的变革设计，并由此使得以太网物理拓扑结构从原来的总线型结构改为星型拓扑结构。
  2. 物理介质使用双绞线。
  3. 连接器采用了强可操作性的RJ-45连接器。
  4. 起初采用集线器（HUB）作为网络的核心，所有主机都通过双绞线（Twisted-Pair Cable）连接到集线器，双绞线的两端都采用RJ-45标准接头。
  5. 在采用3类UTP（Category 3 Unshielded Twisted Pair，第3类无屏蔽双绞线）时，一根双绞线最大距离为100m；采用5类UTP时可达150m。
  6. 由于部署方便，容易排除故障等原因，10Base-T逐渐成为流行的以太网标准。
  7. 10Base-T以太网采用双绞线作为物理传输介质，当使用交换机作为网络的核心时，在计算机与交换机之间，使用两对铜质双绞线，一对专门用于数据的发送，另一对专门用于数据的接收，很容易地实现了数据的同时收发功能，即全双工状态。（只是使用了双绞线的4根线）

3.7.1 物理介质——双绞线

  1. 双绞线（Twisted Pair，TP）由两根具有绝缘层保护层的铜导线组成。
  2. 每根铜导线都有绝缘材料，然后两根线再按一定密度相互绞在一起，就可以改变导线的电气特性，可以降低信号干扰的程度，因为两条导线分别携带的信号的相位相差180度，外界电磁干扰给两个电流带来的影响将相互抵消，从而使信号不至于迅速衰退。
  3. 其次每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，限制了电磁能量的发射，有助于防止双绞线汇总的电流发射能量干扰其他导线。
  4. 双绞线的最大布线距离是100m，双绞线的典型带宽是250kHz。
  5. 双绞线分为：屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线（也称无屏蔽双绞线）

屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）
带有屏蔽层，可以用于周围有产生强电磁场设备的强干扰源场合（如大型空调等）。
非屏蔽双绞线（Unshiedled Twisted Pair，UTP）

10Base-T命名规范：

  1. 10表示最大传输传输速率为10Mbps，使用的是基带通信，为双绞线类型。
  2. 10代表最大传输速率为10Mbps。
  3. Base代表采用基带传输方法传输信号。
  4. T代表UTP
  5. 以上这种UTP也称为Category 3（Cate 3）电缆。
  6. 以下列出了EIA/TIA协会制定的双绞线电缆标准：

3.7.2 连接器

  1. 连接UTP与STP采用的是RJ-45连接器（俗称水晶头），它类似于电话连接器。
  2. 一端连接在计算机的网络接口卡上，另一端可以连接集线器、交换机、路由器等网络设备。

3.7.3 设备

10Base-T以太网的主要设备有：

  1. 网卡
  2. 集线器
  3. 交换机

网卡：

  1. 网卡又称为网络适配器（Network Adapter）或者网络接口卡（Network Interface Card）
  2. 网卡是工作在数据链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口。
  3. 网卡的功能：实现计算机与物理介质之间的物理连接和电信号匹配、帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码、数据缓存等。
  4. 网卡上面有处理器和存储器（包括RAM和ROM）。
  5. 网卡和局域网之间的通信时通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的。
  6. 网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行。
  7. 由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此网卡中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
  8. 在安装网卡时必须将管理网卡的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。
  9. 网卡还要能够实现以太网协议，实现介质访问和数据帧的封装与拆封。

集线器

  1. 10Base-T的核心是以太网集线器（HUB）。
  2. 集线器是单一总线共享式设备，提供多个网络接口，负责将网络中多个计算机连接在一起。
  3. 共享是指集线器所有用户（端口）共用一条数据总线。
  4. 集线器只是简单地将输入信号重复发给连接在它端口上的所有设备，因此平均每用户（端口）传递的数据量、速率等受活动用户（端口）总数量的限制。
  5. 虽然10Base-T在物理上呈星型拓扑结构，但集线器的内部结构和工作原理仍然与总线型相同。在任意时刻，全部端口中只有一个能接收进入的信号，而这个引号将传递到其他全部的端口上。
  6. 任意时刻，在集线器连接的所有主机中，只有一台主机能发送数据，而这些数据信号将传送到所有其他主机处。
  7. 集线器的所有端口都只能工作在半双工（half-duplex）模式下。
  8. 集线器只负责传输电信号，因此可以认为其工作在物理层。

交换机

  1. 交换机（Switch）与集线器一样，交换机完成局域网内的数据转发。
  2. 交换机在发送和接收主机之间形成了一个虚电路，使各端口设备能独立地进行数据传递而不受其他设备影响。
  3. 表现在用户面前即是各端口有独立、固定的带宽，即交换机的每一个端口是一个单独的冲突域。
  4. 交换机还具备集线器欠缺的功能，如数据过滤、网络分段、广播控制等。

3.7.4 拓扑结构及拓展

  1. 10Base-T以太网的物理拓扑结构是星型。可以使用集线器或交换机对拓扑结构进行扩展。
  2. 当使用集线器时，物理拓扑是星型，逻辑拓扑是总线型。
  3. 当使用交换机时，物理拓扑和逻辑拓扑都是星型。

使用集线器对拓扑进行扩展

  1. 10Base-T的单一线缆段长度为100m，故直径不超过200m。
  2. 当连接距离不足时，可以用集线器级联起来扩展连接距离。
  3. HUB智能简单重复并放大电信号，因此集线器连接起来的多个线缆段共同形成一个物理段，属于同一个冲突域。
  4. 10Base-T最多只能串联4个集线器，扩展到5个线缆段的距离，其中只有3个线缆段能连接主机，其余两个仅作为延长段。

使用交换机对拓扑进行扩展
交换机缓存到达的每个帧，并根据其目的将其从适当的端口发出。这样有以下好处：

  1. 由于缓存、判断和过滤机制的存在，以太网交换机可以将冲突域分隔开，避免了冲突域过大造成的信道利用率下降问题，提高了带宽利用率，增加了吞吐量。
  2. 以太网的物理范围不再受集线器级联数量的限制，可以扩展到较远的范围。
  3. 以太网交换机可以利用其缓存机制，使不同的端口工作在不同的速度和双工状况下，以适应不同的以太网类型。

3.8 10Base-F

  1. 由于电信号在铜质介质中传输回发生衰减和相互干扰，传输距离收到了较大限制。
  2. 5－4－3法则，即在IEEE802.3规范中，任何两个工作站之间的连接不能超过5个电缆段、4个集线器和3条共享网段。
  3. 光纤将需要传输的电信号转换成光信号后在光纤中传输，而在光纤的另一端，通过逆向操作完成光信号到电信号的转换，从而实现长距离的传输。
  4. IEEE在1993年正式退出标准以太网IEEE 802.3j 10Base-F标准，采用光纤为传输介质。
  5. 光信号的传输，也收到光波波长和光纤传输频宽的限制，实际使用中使用到的两种光纤：多模光纤和单模光纤。
  6. 国模光纤传输的频宽较大，传输的光波波长一般为850ns。
    7.单模光纤传输的频宽较小，传输的光波波长一般为1310ns或1550ns。
  7. 多模光纤由于频宽较宽，容易导致光信号在传输过程中发生色散等物理变化而致使光信号失真，所以其传输距离相对于单模光纤要小得多。10Base-F以太网中，多模光纤的传输距离可以达到2km，而单模光纤则可以达到10km甚至更远。

3.8.1 光纤简介

  1. 光纤是用玻璃制成的光导纤维。
  2. 多条光纤组成的传输线就是光缆，计算机网络中的光缆一般由偶数条光纤组成。
  3. 光纤的中心是光传播的玻璃芯，多模光纤的芯的直径是50μm，大约与人的头发的粗细相当。
  4. 单模光纤芯的直径为8~10μm。
  5. 光芯之外包围着一层折射率比光芯折射率低的玻璃封套，以使光纤保持在光芯之内传输，再外一层是塑料外套，用来保护封套。

    光纤的连接方式：
  6. 将光纤接入连接头并插入光纤插座。连接头要损耗10%~20%的光。这种一般叫光纤跳线。
  7. 用机械方法将其接合。方法是将两根小心切割好的光纤放在一个套管中，然后钳起来。可以让光纤通过结合处来调整，以使信号达到最大。机械结合需要训练过的人员大约5min的时间完成，光的损失大约为10%。
  8. 两根光纤可以融合在一起形成坚实的连接，融合方法形成的光纤和单根光纤几乎是相同的，但仍有一点衰减。

光纤信号源：

  1. 发光二极管
  2. 固体激光器

    光纤接收端：
  3. 光纤的接收器是由光电二极管构成的，当遇到光时，光电二极管就会给出一个电脉冲。
  4. 光电二极管的响应时间一般是1ns，这就是把数据传输限制在1Gbps之内的原因。
  5. 热噪声也是一个问题，因此光脉冲必须具有足够的能量以便能被检测到，如果脉冲足够强，那么出错的概率就可以降到极低的水平。

3.8.2 光网络中光纤的结构和分类

  1. 目前计算机网络中的光纤主要采用石英玻璃制成的，横截面较小的双层同心圆柱体。
  2. 裸光纤由纤芯和包层组成，折射率高的中心部分叫做光纤芯，折射率低的外围部分叫做包层。
  3. 最外面还有一层外套。

最常用的分类方法：
根据传输点模数的不同：

  1. 单模光纤
  2. 多模光纤

所谓的模，是指以一定的角速度进入光纤的一束光。

  1. 单模光纤采用固定体激光器做光源
  2. 多模光纤采用发光二极管做光源

单模和多模的区别：

  1. 多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而会形成模分散，模分散特性限制了多模光纤的带宽和距离，多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境。
  2. 单模光纤智能允许一束光传播，所以单模光纤没有模分散特性，因而，单模光纤的纤芯细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散时使用。

3.8.3 常用的光纤连接器

3.8.4 光纤的优点

  1. 光纤抗张强度好、质量小、小乔，光缆能最大限度地扩大配线管道的使用率。新线路的安装费用低廉。
  2. 光纤不带电，是用于易燃、易爆等危险环境的理想材料。
  3. 光纤不会受电磁场的干涉影响，光纤能提供比铜线更清晰的信号。光纤信号衰减较小，30km才需要一个中继器，铜线一般5km就需要一个中继器。
  4. 光纤提供的带宽高。
  5. 光纤不漏光且难于拼接，可以防止被窃听，安全系数很高。

光纤的不利因素

  1. 光的传输是单向的，双向传输需要两根光纤或在一根光纤上的两个频段。
  2. 光纤接口的价格比较贵。

4. 快速以太网

  1. 标准以太网以10Mbps的速率传输数据，随着互联网发展，快速以太网应运而生。
  2. 快速以太网仍沿用标准以太网的机制，在双绞线或光纤上进行数据传输，但是采用了更高的传输时钟频率，可以更快的速率传输数据。
  3. 常见的快速以太网标准：100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX、100Base-T2

100Base-TX

  1. 快速以太网中最流行的是100Base-TX
  2. 100Base-TX采用2对5类UTP线和RJ-45接头。
  3. 单条线缆长度可达100m
  4. 大多数采用5类双绞线作为布线标准

100Base-FX

  1. 使用光缆的10Base-FX，它使用2束多模光纤提供100Mbps的带宽传送距离可达2000m。

交叉线和直连线：

  1. 对于以太网物理接口，无论是电口还是光口，在接口上一般都存在发送信号的引脚和接收信号的引脚。
  2. 如果两个设备通过物理介质相连时，需要将一方发送信号的引脚和另一方接收信号的引脚相连。一般可以通过双绞线的线对交叉或光纤线缆的交叉来实现这一基本需求。
  3. 为了简化传输线缆的制作和连接，一些设备也具备内部信号引脚交叉的功能（自动翻转？）。
  4. 以太网规定了MDI（Medium Dependent Interface，介质相关接口）与MDI-X（Medium Dependent Interface Crossover）两种接口类型。
  5. 具有内部信号引脚交叉功能的接口就是MDI-X接口（交叉线）。目前这种技术只在电接口上实现，而光纤接口仍采用线缆交叉来实现互联。
  6. 普通主机、路由器等的网卡通常为MDI类型；
  7. 以太网集线器、以太网交换机等集中接入设备的接入端口通肠胃MDI-X类型。
  8. 当同种类型的接口（两个接口都是MDI或都是MDIX）通过双绞线互联=连时，使用交叉网线（Crossover Cable）。
  9. 当不同类型的接口（一个接口是MDI，一个接口是MDIX）通过双绞线互连时，使用直连网线（Straight-Through Cable）。
  10. 实际上现在很多支持MDI-X接口的设备同时支持MDI接口，可以通过协商在两种接口之间进行自动选择。具备智能MDI/MDIX识别技术，这样在连接时就不必考虑所用网线是直连线还是交叉线。

5. 千兆位以太网

  1. 快速以太网的应用范围较广，已经成为接入设备的基本接入技术。
  2. 在网络的汇聚点或服务器接入点等流量较大的位置就需要一种带宽更高的连接结束，千兆位以太网（Gigabit Ethernet）应运而生。
  3. 千兆位以太网仍然使用IEEE 802.3帧格式，在半双工方式下仍然使用CSMA/CD处理冲突，网速提升至1Gbps。

IEEE 802.3z定义的千兆位以太网标准如下：

  1. 1000Base-SX主要适用于多模光纤传输线路，使用850nm短波激光，在采用直径50μm的多模光纤时传输距离可达275m，采用直径62.5μm的多模光纤时传输距离可达550m。
  2. 1000Base-LX主要为适应单模光纤传输线路而设计。使用1310nm长波激光。在采用直径50μm/62.5μm的多模光纤时传输距离可达550m，采用直径10μm的单模光纤传输距离可达5000m。
  3. 1000Base-CX使用2对STP（Shielded Twisted-Pair），最大传输距离25m。
  4. IEEE 802.3ab定义了基于铜线的千兆位以太网——1000Base-T。采用4对5类UTP，最大传输距离100m。
  5. 以太网技术发展到快速以太网和千兆位以太网以后，高速率的支持自协商适应低速率网络。1000Base-TX和1000Base-T都定义了向下兼容到10Base-T的自协商技术。
  6. 自协商技术的优先级排序按照高速率优于低速率、全双工优于半双工、低传输频率优于高传输频率的规则进行。
  7. 1000Base-T 全双工 > 1000Base-T 半双工 > 100Base-T2 > 100Base-TX 全双工 > 100Base-T2 半双工 > 100Base-T4 > 100Base-TX 半双工 > 10Base-T 全双工 > 10Base-T 半双工

6. 万兆位以太网

  1. 万兆位的以太网速率进一步提升，10Gbps。
  2. 为了能够在现有传输网络中得到很好的应用，兼容设计了多种物理层实体（PHY），包括局域网专用的10GBase-R、采用SDH/SONET传输的10GBase-W、采用WDM传输的10GBase-X。
  3. 万兆位以太网从设计商已经扩大了应用范围，这是其他任何以太网技术都没有考虑到的。
  4. 万兆位以太网仍然使用IEEE 802.3帧格式，但没有半双工模式，只有全双工工作模式，由IEEE 802.3ae定义。

光纤波长的分类：
根据光纤波长的不同，10GE又细分多种情况：

根据物理特性，H3C 10GE接口有两种工作模式：

  1. LAN模式，工作在该模式下的10GE接口传输以太网报文，用于连接以太网
  2. WAN模式，工作在该模式下的10GE接口传输SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）报文，用于连接SDH网络。接口工作在WAN模式下仅支持点到点的报文传输。

不同规格，最远传输距离也不相同，如下图所示：

7. 本章总结

8. 习题

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