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以太网技术发展研究 (XX 交通大学通信与信息工程学院，XX 100044) 摘 要：本文简要介绍了当今以太网技术的发展概况， 对不同发展阶段的以太网技术、特点、构架进行论述和比 较，同时指出以太网存在的问题，并展望了其应用的前景。 关键词：以太网；CSMA/CD；IEEE 802.3 中图分类号：TP393.11 文献标识码：A 文章编号： 10076921(XX)07008303 1 概述 以太网(Ethernet)是在 70 年代首先由 Xerox 公司开发 的一种基带局域网(LAN)规范。80 年代初首次公布出版， 1982 年又进行了修改。不久又公布了与 IEEE(电子电气工 程师协会)802.3 一致的以太网规范。以太网和 IEEE 802.3 的规定虽然有很多不同，但在术语上通常认为以太网与 IEEE 802.3 是兼容的。当今，新一代多媒体、群件 (Groupware)、影像传输和数据库产品的信息量猛增使速率 为 10Mb/s 的以太网面临严峻挑战，从而迫使以太网向更高 的速度发展。为提高以太网的工作速率，电气和电子工程 师协会(IEEE)相关组起草了 802.3u-100Base-T 标准规范， 1995 年 7 月获得批准，从而将以太网速率提升到 100Mb/s，并且维持原来 CSMA/C D 以太网传输协议。1998 年将光纤通道和 IEEE802.3 协议栈相结合形成千兆以太网协议栈草案，形成了将快速 以太网速率提高一个量级的 1000Base-X 千兆以太网。1999 年该草案成为 IEEE802.3ab/IEEE802.3z 标准。接着 XX 年 又制订了 10000Base-X 以太网协议草案，即 IEEE802.3ae 标准草案。30 来年的历史，由于技术不断更新，特别是近 年来，千兆以太网的实用化以及与光纤技术的有机结合， 使以太网帧信号不但可实现长距离(达 100km)传输而且用简 单方法便可实现“干线直接到桌面”。这一切不但使以太 网技术占领了局域网(LAN)广大领域，而且其技术更向城域 网(MAN)和广域网(WAN)迈进，至今仍然焕发勃勃生机，使 以太网为数据网乃至整个通信网的发展开辟了锦绣前程。 以太网技术在局域网中的成功缘于以下几个因素:具 有强大的用户基础。现在世界上至少 80%以上的局域网采用 以太网技术。易于移植和升级。对于所有以太网技术， 一样的帧结构和帧长度，不需做网络调整；星型集线器的 应用和基于 10/100BASE-T 的网卡及交换技术，100Mbit/s 快速以太网标准的建立，IEEE802.3 标准，10GE(万兆以太 网)协议已经标准化。都提供了一个非常好的升级途径，使 升级更容易。低成本。以太技术无论在局域网、接入网 还是将可能进入的城域网、广域网在价格上与其他技术相 比都具有优越性。培训成本低。因为不同版本以太网的 帧结构和网络拓扑结构是一致的，标准化程度高，因此它 的培训成本比较低。而且几乎所有的操作系统和应用协议 都与以太网兼容。不断提高的 QoS 和网管能力。 802.1p、802.1q 和 802.1w 使以太网技术具有优先级控制、 VLAN 和类似于 SDH 的快速自愈能力，并且可利用 MPLS 提供 具有 QoS 的宽带服务。 2 以太网体系结构 在以太网中数据链路层被分割为两个子层，因为在传 统的数据链路控制中缺少对包含多个源地址和多个目的地 址的链路进行访问管理所需的逻辑控制，另外也使局域网 体系结构能适应多种通信介质。换句话说，在逻辑链路控 制(LLC)不变的条件下，只需改变媒体访问控制(MAC)便可 适应不同的媒体和访问方法，MAC 子层与介质材料相对无关。 物理层又分为两个接口：媒体相关接口(MDI)和连接单 元接口(AUI)。其中媒体相关接口随媒体而改变，但不影响 LLC 和 MAC 的工作；以太网的分层结构从网络分层看，以太 网的每一个新的标准都兼容以前的标准，而且不改变上层 协议。其分层结构图如图 1 所示。 从各种速率以太网分层结构图我们可以看到，以太网 只对物理层和媒质访问层(MAC)定义。以太网发展过程中， 协议的修改基本是在物理层进行的，网络层以上是不改动 的。在 IP 网络中，以太网协议的修改，不直接涉及 TCP/IP 协议。MAC 层重要功能之一就是成帧，当这些以太网帧一致 时，MAC 层基本上不用作改动。10GE 作广域传输时，MAC 层 才做相应的改动。以太网的传输媒质从开始基于总线共享 的同轴电缆到后来的铜线、光纤、无线等;传输方式从基于 CSMA/CD 的半双工到全双工(10GE 只支持全双工方式)；编 码方式从 10以太网的曼彻斯特编码、快速以太网的 4B5B 和 8B6T 到 GE 的 8B10B 以及 10GE 的 64B66B 和 8B10B；这些 变化都只体现在物理层和媒质访问层的改变上。 3 以太网协议 IEEE 802.3 所用的媒体访问方法采用带有碰撞检测的 载波侦听多路访问(CSMA/CD)技术。在这种方式中，一个工 作站在发送前，首先使用载波侦听协议侦听媒体上是否有 收发活动，也就是载波是否存在。当侦听到媒体空闲时， 立即开始进行传输。如果侦听到有载波存在，工作站便推 迟自己的传输，退避一段时间后再试。如果两个工作站同 时试图进行传输，将会造成彼此间的干扰，这种现象称为 碰撞。这是一种正常现象，因为媒体上连接的所有工作站 的发送都基于媒体上是否有载波，所以称为载波侦听多路 访问(CSMA)。 为保证这种操作机制能够运行，还需要具备检 740)this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ 测有无碰撞的机制，这便是碰撞检测(CD)。也就是说， 工作站在发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。如果在 发送过程中有碰撞发生，工作站发送 1 个短的干扰(jam)信 号，以保证所有的站点都知道出现了碰撞，发送完干扰信 号后，等待一段随机时间，然后再重新尝试发送。 CSMA/CD 媒体访问方法的规则为：如果媒体信道空闲， 则可进行发送。如果媒体信道忙(有载波)，则继续对信 道进行侦听。一旦发现空闲，就进行发送。如果在发送 过程中检测到碰撞，则停止正常发送，转而发送 1 个短的 干扰(jam)信号，使网上所有站都知道出现了碰撞。发送 了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送，转到 第 1 步。 4 帧格式 4.1 帧的格式 以太网发送的数据是按一定格式进行的，以太网的帧 由 8 个字段组成，每一段符合这种格式的数据段称为帧， 这些段的定义如图 2 所示. 740)this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ 前导码处于 MAC 帧开始处的字段，它由 7 个字节组成。 用来使接收器建立位同步。编码形式为多个“1”或“0” 交替构成的二进制序列，最后 1 位为“0”。在这种编码形 式下，经编码后 为一周期性方波。 740)this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ 帧首定界符(SFD)的编码形式为“10101011”序列，长 度为 1 个字节。该字段的功能是指示 1 帧的开始，使接收 器对帧的第 1 位进行定位。 目地址字段(DA)的长度为 6 个字节，表示此帧要发往 的工作站地址。它可以是 1 个惟一的物理地址，也可以是 多组或全组地址，用以进行点对点通信、组广播或全局广 播。并由实现过程决定选择 16bit 或 48bit 的地址。 源地址(SA)的长度也为 6 个字节。表示发送该帧的工 作站地址。 长度指示器的长度为 2 个字节，该字段在 IEEE 802.3 和以太网帧中的定义是不同的，在 IEEE 802.3 中该字段是 长度指示符，用来指示紧随其后的逻辑链路控制(LLC)数据 字节的长度，长度单位为字节数。 LLC 数据字段指明帧要携带的用户数据，该数据由 LLC 子层提供或接收。 填充(PAD)字段用来添加 LLC 数据，以保证帧有足够长 度，适应碰撞检测的需要。帧检验序列(FCS)是长度为 4 个 字节的循环冗余检验码，用于检验帧在传输过程中有无差 错，检测范围包括：目的地址、源地址、长度指示、LLC 数 据和填充字段。 10G 以太网继承了原有的 IEEE802.3 的帧格式。为了达 到 10Gb/s 的速率，采用了将多个以太网帧映射到一个 SONET 的 OC-192 或 SDH 的 STM64 帧的技术。为了避免接收 端无法进行正确的以太网帧定界的情况，10G 以太网采用了 HEC 策略。10G 以太网的帧格式，添加长度域和域。 为了在帧定界过程中方便地查找出下一个帧的位置，同时 由于最大帧长为 1 518 字节，长度字段最少需有 11 个比特， 所以在复接 MAC 帧的过程中用两个字节替换前导头两个字 节作为长度域。然后对这 8 个字节进行 CRC 16 校验，将最 后得到的两个字节作为 HEC 插入 SFD 之后。长度域的值表 示修改后的 MAC 帧长。 4.2 地址字段 地址字段包括目的地址和源地址两部分。在 IEEE 802.3 标准中规定，源地址字段中第 1 位恒为“0”。目的 地址字段有较多的规定，原因是要实现组广播和全局广播。 当该字段第 1 位为“0”时，表示帧要发送给某一工作站， 即单站地址(也称单目的地址)。当该字段第 1 位为“1”时， 表示帧发送给一组工作站，即组地址(也称多目的地址)。 全“1”的组地址表示全局广播地址。 从 10以太网到 100以太网再到全双工 GE 以及局域 网中的 10GE 都采用一样的帧格式，他们之间可以以最小的 代价实现互联。“Extension”(扩充字节)是半双工 GE 帧 格式所特有的。GE 应用标准的以太网流量控制来避免涌塞 和过载。GE 可工作于半双工和全双工模式。应用半双工模 式时，它采用同以前以太网一样的 CSMA/CD 接入方式来解 决共享媒质的争用问题。然而，直接把 802.3MAC 升到 1Gb/s，如果一个载波时间内仍传 512 比特，则一载波时间 约为 0.512，考虑到信号在光纤中的传输延迟为 5/，这样会使网络半径很小，而且拓扑结构也不 实用。这样，在最小的 CSMA/CD 载波时间内传送的数据量 就得从 512 比特(64 字节)扩展到 4 096 比特(512 字节)。 当一帧小于 512 字节时，非数据比特(即扩充字节 Extension)，就要加在帧尾。最小帧尺寸仍为 64 字节。这 样一个处理过程就克服了在不改变最小帧大小时的 CSMA/CD 方式所固有的时间问题，在半双工时增大了载波在介质上 的持续时间。然而，增加最小 CSMA/CD 载波时间和以太网 时隙也会有负面影响，帧长太短会降低网络效率。一种叫 “帧突发(Framebursting)”方式被提出来了。在 1Gb/s 时， 一个工作站可以传输一系列帧而不丢失对传输介质的控制。 一旦有一帧被成功传送，传送的工作站就可以传送另一帧 而不用去竞争(Contend)介质。传送站在两帧传送的空隙， 填上非数据比特，这样就使得接收站能不间断的检测到载 波。因为帧之间没有空闲状态，其他工作站就继续推迟自 己的传送工作。传送站可以初始化帧的传送，但它有一个 特定的时间限制，也就是突发限制(Burstlimit)。它被限 制在 8192 字节。第一个突发帧如果有必要可以添加扩充字 节，而其以下的帧就不用。当突发限制到时正在传送的那 一帧将继续传送而不会被打断。在帧突发模式中，工作站 可以连续传送多帧，增加了有效帧长，这样可以充分利用 带宽。 5 自动协商与自适应功能 为了能够在同一个网上连接不同种类的以太网，在 IEEE802.3 中补充了自动协商功能，当设备加电启动后，首 先在连接的链路上发送快速链路脉冲信号 FLP，支持自动协 商的端口按照共同的优先级最高的工作模式配置。 有良好的兼容性能从 1983 年制订的 IEEE802.3 标准到 XX 年通过的 802.3ae 规范标准，速率从 10Mb/s 升至 10Gb/s。所制订的标准在兼容性方面已达到即插即用的水 平，从而使其成为可普遍采用的网络技术。 10Mb/s、100Mb/s 和 1Gb/s 甚至 10Gb/s 各种速率可以采用 “自动协商”技术在网络中实现运行其中的一种速率，而 几乎无须更改其硬件设备。这是 PDH、SDH/SONET、ATM 技 术无法比拟的。 6 以太网存在的问题 802.3 以太网协议在接入网和供应商边缘网络起一个非 常关键的作用。它的最大优点就是简单，大多数终端用户 采用的都是以太网的连接方式。但以太网存在一些固有的 缺陷，首先，作为一种链路层技术，以太网实现对网络的 管理是很困难的，其缺乏流量工程能力，不能保证共享媒 介上的链路带宽，存在生成树问题，这是点对点技术本身 具有的缺陷。以太网的业务生成能力也不是很理想。它的 面向无连接的特性，对数据业务来说是优点，但也带来了 很多的限制。例如，虚拟租用线或透明 LAN 服务，能通过 802.1Q 来提供，但是结果很不理想。由于以太网的原设计 目标是