【科普】以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

1. 以太網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

以太網(wǎng)技術(shù)起源于一個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，該實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的目的是把幾臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)以 3M 的速率連接起來(lái)。由于該實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的成功建立和突出表現(xiàn)，引起了 DEC，Intel，Xerox 三家公司的注意，這三家公司借助該實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)，最終在 1980 年發(fā)布了第一個(gè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建議書(shū)。

該建議書(shū)的核心思想是在一個(gè) 10M 帶寬的共享物理介質(zhì)上，把最多 1024 個(gè)計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行連接，當(dāng)然，這些設(shè)備之間的距離不能太大（最大 2.5 公里）。

之后，以太網(wǎng)技術(shù)在 1980 年建議書(shū)的基礎(chǔ)上逐漸成熟和完善，并逐漸占據(jù)了局域網(wǎng)的主導(dǎo)地位。 以太網(wǎng)的特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

（1）簡(jiǎn)明性，這是以太網(wǎng)技術(shù)最大的特點(diǎn)，正是因?yàn)楹?jiǎn)明性為將來(lái)的統(tǒng)治地位奠定了基礎(chǔ)；

（2）低成本，成本不要太高，一般的單位能夠有能力購(gòu)買需要的部件來(lái)組建網(wǎng)絡(luò)；

（3）兼容性，不應(yīng)該對(duì)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)施加任何限制，即以太網(wǎng)的所有功能都在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)；
（4）尋址靈活，應(yīng)該有一種機(jī)制來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)、全部計(jì)算機(jī)或一組計(jì)算機(jī)；
（5）公平，各個(gè)終端應(yīng)該公平的享有帶寬；
（6）高速，當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，10M 的速率已經(jīng)是個(gè)天文數(shù)字了，所以把以太網(wǎng)的共享總線帶寬設(shè)計(jì)為 10M；
（7）分層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議不應(yīng)該隨物理介質(zhì)的不同而變化；
（8）全雙工，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，共享介質(zhì)技術(shù)（即半雙工）已經(jīng)逐漸不能滿足需求，需要效率更高的全雙工技術(shù)；
（9）差錯(cuò)控制，該技術(shù)應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)傳輸中的錯(cuò)誤并進(jìn)行糾正，如果不能糾正，則丟棄接收到的數(shù)據(jù)；
（10）速度靈活性，不應(yīng)該局限在 10M 的速率上，應(yīng)該能適應(yīng)不同的速率；
（11）優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)該能對(duì)一些關(guān)鍵性的業(yè)務(wù)提供優(yōu)先可靠的傳輸。

2. 以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織

1980年IEEE制訂了802計(jì)劃，其目標(biāo)是為L(zhǎng)AN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化提供廣泛的工業(yè)框架。IEEE802又稱為L(zhǎng)MSC（LAN /MAN Standards Committee，局域網(wǎng)/城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)），致力于研究局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的物理層和MAC層規(guī)范，對(duì)應(yīng)OSI參考模型的下兩層。LMSC執(zhí)行委員會(huì)（Executive Committee）又下設(shè)工作組（Working Group）、研究組（Study Group）、技術(shù)顧問(wèn)組（Technical Advisory Group）等等。

我們熟知的IEEE 802的標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)草案首先在WG內(nèi)進(jìn)行投票，當(dāng)達(dá)到75%以上同意后，則視為通過(guò)，提交到LMSC進(jìn)行Sponsor Ballot的投票。在LMSC投票過(guò)程中，如果90%以上同意，則視為通過(guò)，IEEE 802就可以將其發(fā)布為正式的標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 802.2、IEEE802.3、IEEE 802.11。IEEE 802一般會(huì)將他們的標(biāo)準(zhǔn)提交到ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織），ISO采納后會(huì)以ISO的名義發(fā)布，如已經(jīng)被ISO接受并發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)有：ISO/IEC 8802-1、ISO/IEC8802-2、ISO/IEC 8802-3、ISO/IEC 8802-5、ISO/IEC 8802-11等。

1985 年，以太網(wǎng)協(xié)議首次成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)（編號(hào)為 802.3），從此產(chǎn)生了大量的修訂版和增補(bǔ)版。其增補(bǔ)的版本如下：
（1）IEEE802.3 定于 1985 年 －－10M 速率，采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)
（2）IEEE802.3i 定于 1990 年 －－10M 速率，采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)
（3）IEEE802.3u 定于 1995 年 －－ 100M 速率，采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)
－－ 100M 速率，采用光纖作為傳輸介質(zhì)
（4）IEEE802.3z 定于 1998 年 －－ 1000M 速率，采用光纖作為傳輸介質(zhì)
（5）IEEE802.3ab 定于 1999 年 －－ 1000M 速率，采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)
（6）IEEE802.3ae 定于 2001 年 －－ 10G 速率，采用光纖作為傳輸介質(zhì)
（7）IEEE802.3ba 定于 2008 年 －－ 100G 速率，采用光纖作為傳輸介質(zhì)

IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)已被ANSI采用為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，被NIST采用為政府標(biāo)準(zhǔn)，并且被ISO作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱之為ISO 8802。這些標(biāo)準(zhǔn)在物理層和MAC子層上有所不同，但在數(shù)據(jù)鏈路層上是兼容的。這些標(biāo)準(zhǔn)分成幾個(gè)部分。802.1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這組標(biāo)準(zhǔn)做了介紹并且定義了接口原語(yǔ)；802.2標(biāo)準(zhǔn)描述了數(shù)據(jù)鏈路層的上部，它使用了邏輯鏈路控制LLC(logical link control)協(xié)議。802.3到802.5分別描述了3個(gè)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，分別是CSMA/CD、令牌總線和令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，每一標(biāo)準(zhǔn)均包括物理層和MAC子層協(xié)議。

3. 以太網(wǎng)在 OSI 七層模型中的位置

按照OSI七層參考模型，互連的各個(gè)系統(tǒng)把各個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能分七個(gè)層次實(shí)現(xiàn)。各個(gè)層次之間相互獨(dú)立互不干擾，這樣就可以實(shí)現(xiàn)最大限度的開(kāi)放和靈活性。設(shè)備廠家只要按照層次之間的接口生產(chǎn)設(shè)備，就可以做到互通。因此這個(gè)七層模型是高效權(quán)威的，目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是參照這個(gè)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的。

但在以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，七層模型中層次之間互相獨(dú)立的規(guī)則就不適用了。因?yàn)殚_(kāi)始的時(shí)候，以太網(wǎng)采用了一種共享介質(zhì)的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而不是傳統(tǒng)的全雙工通信。
隨著設(shè)備的發(fā)展，以太網(wǎng)中又引入了全雙工模式的通信，在這樣兩種通信模式并存的情況下，再進(jìn)行層次間的嚴(yán)格劃分就不容易了。

以太網(wǎng)針對(duì)不同的雙工模式提供不同的介質(zhì)訪問(wèn)方法，在半雙工模式下采用的是CSMA/CD的訪問(wèn)方式，而在全雙工模式下則可以直接進(jìn)行收發(fā)而不用預(yù)先判斷鏈路的忙閑狀態(tài)。這里需要注意的是：以太網(wǎng)中半雙工和全雙工是物理層的概念，而針對(duì)物理層的雙工模式提供不同訪問(wèn)方式則是數(shù)據(jù)鏈路層的概念。這樣就形成了以太網(wǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是相關(guān)的，針對(duì)物理層的不同工作模式（全雙工和半雙工）需要提供特定的數(shù)據(jù)鏈路層來(lái)訪問(wèn)。這樣就導(dǎo)致了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層有很大的相關(guān)性，給設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)不便。

為了避免這種不便，以太網(wǎng)采用了另外一種方式，就是把數(shù)據(jù)鏈路層再進(jìn)行分層。分為邏輯鏈路控制子層（LLC ）和媒體訪問(wèn)控制子層（MAC ），這樣不同的物理層對(duì)應(yīng)不同的MAC子層，LLC子層則可以完全獨(dú)立。
下面以100M或1000M為例，對(duì)MAC子層和PHY層的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行解釋：

AUI（Attachment Unit Interface）：附加單元接口，是連接在計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡和網(wǎng)線之
間的一個(gè)十五針的接口。在10BASE-5網(wǎng)絡(luò)（細(xì)以太網(wǎng)）中，各網(wǎng)線之間通過(guò)中繼器相連。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3定義了附加單元接口的物理層標(biāo)準(zhǔn)。這種15針的附加單元接口也被稱為DB-15接口或DIX接口，之所以稱為DIX是因?yàn)槎x以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的三家公司DigitalEquipment Corporation,Intel,Xerox的首字母分別為D、I、X。

MAU（Medium Attachment Unit）：媒體附加單元。在最初的粗電纜以太網(wǎng)中，MAU典
型地夾到以太網(wǎng)電纜上。在大部分現(xiàn)代交換或集線以太網(wǎng)系統(tǒng)中，沒(méi)有MAU或AUI接口存在，CAT5電纜直接連接到一個(gè)在主機(jī)或路由器上的以太網(wǎng)插口上。

MII（Media Independent Interface）：媒體獨(dú)立接口，用于10/100M以太網(wǎng)MAC與PHY
互聯(lián)。MII支持3種互聯(lián)方式：PCB板內(nèi)互聯(lián)、母板和子卡間互聯(lián)以及板間通過(guò)電纜互聯(lián)。

GMII（Gigabit Media Independent Interface）：吉比特媒體獨(dú)立接口，是 MII 的擴(kuò)
展，用于 1000M 以太網(wǎng) MAC 與 PHY 的 PCB 板內(nèi)互聯(lián)。GMII 的時(shí)鐘速度為 125MHz。GMII 的 GTX_CLK 與 MII 的 TX_CLK 方向是不同的，要想做到 10M，100M，1000M兼容需要多接一根百兆發(fā)送時(shí)鐘。

MDI（MEDIUM DEPENDENT INTERFACE）：媒體相關(guān)接口。每種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都定義了自己的 MDI，分別對(duì)應(yīng)各種傳輸介質(zhì)。

（1）10BASE2 運(yùn)行在同細(xì)軸電纜上的10M以太網(wǎng)。
（2）10BASE5 運(yùn)行在同粗軸電纜上的10M以太網(wǎng)。
（3）10BASE-T 運(yùn)行在兩對(duì)三類雙絞線上的10M以太網(wǎng)。
（4）10BASE-F 運(yùn)行在光纖上的10M以太網(wǎng)。
（5）100BASE-TX 運(yùn)行在兩對(duì)五類雙絞線上的快速以太網(wǎng)。
（6）100BASE-T4 運(yùn)行在四對(duì)三類雙絞線上的快速以太網(wǎng)。
（7）100BASE-T2 運(yùn)行在兩對(duì)三類雙絞線上的快速以太網(wǎng)。

（8） 100BASE-FX 運(yùn)行在光纖上的快速以太網(wǎng)。
（9） 1000BASE-CX 運(yùn)行在同軸電纜上的1000M以太網(wǎng)。
（10）1000BASE-X 運(yùn)行在光纖上的1000M以太網(wǎng)。
（11）1000BASE-T 運(yùn)行在四對(duì)五類雙絞線上的1000M以太網(wǎng)。
（12） 10GBASE-SR 運(yùn)行在光纖上的10G以太網(wǎng)。
（13）10GBASE-LR 運(yùn)行在光纖上的10G以太網(wǎng)。
（14） 10GBASE-ER 運(yùn)行在光纖上的10G以太網(wǎng)。
（15）40GBASE-KR4 運(yùn)行在電背板上的40G以太網(wǎng)。
（16）40GBASE-CR4 運(yùn)行在專用電纜上的40G以太網(wǎng)。
（17）100GBASE-CR10 運(yùn)行在專用電纜上的100G以太網(wǎng)。
（18）40GBASE-SR4 運(yùn)行在光纖上的40G以太網(wǎng)。
（19）100GBASE-SR10 運(yùn)行在光纖上的100G以太網(wǎng)。
（20） 40GBASE-LR4 運(yùn)行在光纖上的40G以太網(wǎng)。
（21）100GBASE-LR4 運(yùn)行在光纖上的100G以太網(wǎng)。
（22）100GBASE-ER4 運(yùn)行在光纖上的100G以太網(wǎng)。

上述標(biāo)準(zhǔn)中有些已經(jīng)被淘汰，有的用的很少?，F(xiàn)在主流的傳輸介質(zhì)是雙絞線和光纖。

PLS（PHYSICAL LAYER SIGNALING）：物理層信令，10Mbase-T 中的可選子層，用于LLC 和 MAU 之間的邏輯和功能耦合。

PCS（PHYSICAL CODING SUBLAYER）：物理編碼子層，位于 MII/GMII 與 PMA 之間，進(jìn)行數(shù)據(jù)的編解碼。

PMA（PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT）：物理介質(zhì)連接子層，位于 PCS 與 PMD 之間，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，沖突檢測(cè)，時(shí)鐘恢復(fù)等。

PMD（Physical Medium Dependent）：物理介質(zhì)相關(guān)子層，直接與MDI相連，負(fù)責(zé)具體信號(hào)的處理。

PHY（Physical Layer entity）：PCS、PMA、PMD 三部分組成 PHY。

萬(wàn)兆以太網(wǎng)有兩種不同的物理層：局域網(wǎng)物理層和廣域網(wǎng)物理層，這兩種物理層的數(shù)據(jù)率并不一樣。局域網(wǎng)物理層使用簡(jiǎn)單的編碼機(jī)制在暗光纖(Dark fiber)和暗波長(zhǎng)(Dark wavelength)上傳送數(shù)據(jù)。而廣域網(wǎng)物理層則需要增加一個(gè) SONET/SDH 組幀子層，以便利用SONET/SDH 作為第一層來(lái)傳送數(shù)據(jù)。下面介紹與百兆千兆不同的幾個(gè)概念。

XGMII：包括 10GBase-R、10GBase-RW 等。10GBase-SR/SW 傳輸距離按照波長(zhǎng)不同由 2～300m。10GBase-LR/LW 傳輸距離為 2m～10km。10GBase-ER/EW 傳輸距離為 2m～40km。它們各自對(duì)應(yīng)不同的串行局域網(wǎng)物理層設(shè)備。

WIS（廣域網(wǎng)接口）子層：WIS 子層是可選的物理子層，可用在 PMA 與 PCS 之間，產(chǎn)生適配 ANSI 定義的 SONET STS-192C 傳輸格式或 ITU 定義 SDH VC-4-64c 容器速率的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。該速率數(shù)據(jù)流可以直接映射到傳輸層而不需要高層處理。

RS（協(xié)調(diào)子層）：協(xié)調(diào)子層的功能是將 XGMII 的通路數(shù)據(jù)和相關(guān)控制信號(hào)映射到原始 PLS 服務(wù)接口定義(MAC/PLS)接口上。XGMII 接口提供了 10Gbps MAC 和物理層間的邏輯接口。XGMII 和協(xié)調(diào)子層使 MAC 可以連接到不同類型的物理介質(zhì)上。

FCS（前向糾錯(cuò)子層）：前向糾錯(cuò)子層是可選的物理子層，可用在 PMA 和 PCS 子層之間，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。





審核編輯：劉清