以太网规范

一、概述

以太网标准有十兆、百兆、千兆、和万兆之分，其规范都是IEEE 802.3家族标准。
标准以太网最初使用同轴电缆作为传输介质（总线拓扑），为了节省成本，后来又开发了基于双绞线的以太网规范（这个时段一般使用集线器作为连接设备），再后来为了提高传输距离又诞生了光纤以太网规范。
虽然现在10Mbps的标准以太网规范已经不常使用了，但后面所有的以太网标准都是基于这个来改进开发的，所以还是有必要了解一下该规范。

二、标准以太网规范

标准以太网，即十兆以太网。其规范中主要包括：50Ω粗同轴电缆连接的10Base5(IEEE 802.3)，使用50Ω细同轴电缆连接的10Base2(IEEE 802.3A)，使用75Ω同轴电缆的10Broad36(IEEE 802.3B)，使用双绞线的10Base-T(IEEE 802.3I)和使用光纤的10Base-F(IEEE 802.3J)。
这些规范名称是有含义的，对于同轴电缆作为传输介质的10Mbps以太网规范，其名称格式如下：<传输速率(Mbps)><传输模式><最大段长度(百米)>。
如10Base-5，即使10Mbps速率，基带传输，介质最长为500米。

• 10Base-5、10Base-2
  这两个规范都是在使用阻抗为50Ω同轴电缆作为传输介质的总线型拓扑结构网络，且采用基调传输模式的曼彻斯特编码。两者主要区别在于10Base-5使用粗同轴电缆，而10Base-2使用细同轴电缆，它们之间的最大单段距离为500m和180m。

• 10Broad36
  这是在IEEE 802.3中唯一针对宽带系统（如有线广播，有线电视）的规范，在采用阻抗为75Ω同轴电缆的总线型拓扑结构网络中使用，它也采用几代传输模式的曼彻斯特编码，最大的段距离为3.6km。

• 10Base-T
  该规范应用于使用双绞线作为传输介质的星型拓扑网络中，是当时以太局域网中应用最广泛的以太网规范。它也采用基带传输模式的曼彻斯特编码，最大段距离为100m。

• 10Base-F
  该规范使用光纤作为传输介质，包括10Base-FL、10Base-FB和10Base-FP三种字规范，均采用基带传输模式的曼彻斯特编码，但设计用途上各不相同。

• 10Base-FL
  设计用于当时的光纤中继器间连接(FOIRL, Fiober OpticInterRepeater Link)协议协同工作，其目的就是替代FOIRL，与FOIRL协同时单段光纤段距离为1000m，纯10Base-FL段距离为2000m。

• 10Base-FB
  用于光纤骨干网(Fiber-Backbone)中同步信令的传输，用于将其他网段通过中继器连接到本地网络，单段光纤段距离为2000m。这个协议是用于集线器、交换机、光纤中继器间的连接的。

• 10Base-FP
  用于连接无源光纤(Fiber-Passive)器件的以太网子规范，可以无需中继器即可连接大量用户（通过集线器、交换机）组成星型拓扑网络，单段光纤段距离为500m。该协议用于用户与集线器和交换机间的链接。

标准以太网物理层结构

在IEEE 802.3以太网中，MAC子层是直接与物理层连接的。标准以太网的物理层包含以下三个部分：MAU、AUI、PLS。
其结构见下图：

物理层结构

• 介质连接单元(MAU, Medium Attachment Unit)
  MAU是网络接口用来直接与传输介质链接的那部分结构，发挥作用的是其内的收发器(transceiver)芯片。在该部分中又包括了物理介质连接(PMA, Physical Medium Attachment)和介质相关接口(MDI, Medium Dependant Interface)两个子层，在网络接口和传输介质之间提供机械链接和电气特性接口。

• 介质相关接口(MDI, Medium Dependent Interface)
  负责网络接口和传输介质的连接，其实就是网络接口连接器。它定义了电缆的连接器，以及电缆两段负载的特性。因为标准以太网有多种不同的传输介质类型，所以也就对应有多种连接器。
  粗同轴电缆的MDI称为插入式分接头。实物见下图：
  

  

  插入式分接头
  
  细同轴电缆的MDI称为BNC连接器。实物见下图：
  
  

  BNC连接器
  
  双绞线的MDI称为RJ-45连接器。实物见下图：
  
  

  RJ-45连接器
  
  光纤以太网的MDI有ST或SC两种。实物见下图（图1为ST，图2为SC）：
  
  

  ST接头
  
  
  

  SC接头

• 连接单元接口(AUI, Attachment Unit Interface)
  AUI是网络接口收发器上的电缆，它定义的是将MAU和PLS子层相连电缆的机械和电气特性，同时定义了通过该电缆交换的信号的特性。AUI上的信号有4种：

  1. 发送曼彻斯特编码
  2. 接收曼彻斯特编码
  3. 冲突信号
  4. 电源信号

  注：有时候PLS子层和PMA子层处于同一个DTE设备中，这时就不需要AUI和MAU了，但与同轴电缆的MDI子层还是需要的。

• 物理层信号子层(PLS, Physical Layer Signaling)
  PLS是为MAC子层服务的，是在网卡中实现的（PMA和MDI是在收发器中实现）。它主要负责负责对物理层信号进行处理，具体包括编码、解码和载波侦听服务。

二、快速以太网规范

100Mbps的快速以太网(Fast Ethernet)是由10Mbps标准发展而来的，其协议标准为1995年发布的IEEE 802.3u(100Base)。
IEEE 802.3u在MAC子层仍采用了在IEEE 802.3标准中的CSMA/CD作为介质访问控制协议，并保留了MAC和LLC帧格式。但是为了实现100Mbps的传输速率，在物理层做了一些重要的改进：如采用更高效的4B/5B编码而不是曼彻斯特编码。
快速以太网也定义了几种因介质不同的规范，有100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX。其命名和上述提到的也类似，不同在于TX表示两对芯线双绞线、T4表示四对芯线双绞线，FX表示两条光纤。

• 100Base-TX
  该规范采用两对芯线的双绞线电缆（5类、超5类屏蔽或非屏蔽双绞线），其中一对用于发送，另一对用于接收。该标准直接取代10Base-T和10Base-2规范。
  该规范的MDI连接器有两种：对于非屏蔽的双绞线(UTP)是8个引脚的RJ-45连接器；对于屏蔽双绞线(STP)是IBM的STP连接器。
  对于非屏蔽双绞线，规范只使用四对芯线中的两对，另外两对没有使用。根据EIA/TIA-568B布线标准，其RJ-45连接器与8条芯线的定义和连接如下表：
  

  
  
  100Base-TX也支持特征阻抗为150Ω的5类屏蔽双绞线，这种线使用D型连接器。直通线与DB-9连接器上引脚和芯线连接如下表所示：
  
  
  
  线缆又有直通线和交叉线，直通线（级间连接，如PC到集线器、交换机，交换机到路由器等）两端同时使用TIA/EIA-568B标准，而交叉线（同级连接，如PC到PC）则是两端各使用A和B标准。
  交叉线两端的引脚和芯线连接如下表所示：
  
  
  
  但目前的端口基本都支持电缆跳线自动翻转功能，这使的任何情况下基本都可以只使用直通网线。

• 100Base-T4
  该标准是用来向下兼容早前安装的3类、4类非屏蔽双绞线（当然也支持5类及以上线）的，但它要使用双绞线中所有的8根芯线，这也就是T4的含义。
  它采用半双工交换方式，在4对芯线中，3对用于一起发送数据，第4对用于冲突检测（为了实现100Mbps传输速率）。其RJ45连接器引脚与芯线连接如下表：
  

  
  
  而该规范的交叉线两端连接如下表所示：
  
  
  
  在100Base-T4中，原来的1、3和2、6两对芯线与100Base-TX一样，仍只能采用半双工传输，但另外两对芯线可以全双工传输，如下图：
  
  
  
  当发送数据到交换机或集线器时，1、3、4对双绞线用来传送数据，第2对用于冲突检测；而当工作站接收数据时，第2、3、4对双绞线用来传送数据，第1对用于冲突检测。也就是说每个方向传送都同时使用了3对双绞线来传送数据，这样一来，对于100Mbps的速率来说，每对双绞线传送速率只有33.33Mbps，更加容易实现。
  另外，100Base-T4规范采用的是8B/6T编码法，而不是其他快速以太网规范的4B/5B编码。

• 100Base-FX
  该规范采用的是两条光纤（单工模式），一条发送一条接收（而新型光纤一条即可，其采用之前提过的波分复用来实现全双工）。该规范可以用的光纤有两类：

  1. 多模光纤，纤芯为62.5/125μm，采用基于LED的收发器将波长为820nm的光信号发送到光线上。当连在两个设置为全双工模式的交换机端口之间时，最大段距离有2km。
  2. 单模光纤，纤芯为9/125μm，采用基于激光的收发器将波长1300nm的光信号发送到光线上。单模光纤损耗小，较多模而言能传输更远的距离。

快速以太网物理层结构

快速以太网与标准以太网在物理层结构上存在较大差异，其对比如下图：

• 介质相关接口(MDI, Medium Dependent Interface)
  快速以太网规范中，该子层与标准以太网是一样的。它规定PMD子层和传输介质间的连接器类型，如100Base-TX的RJ-45连接器，100Base-FX的SC、ST连接器等。

• 物理介质相关子层(PMD, Physical Media Dependent)
  这是快速以太网规范新增加的一层，位于收发器上。是物理介质直接相连的信号收发器和信号检测模块，主要提供收发、检测和编/解码等功能。
  发送信号时，将来自PMA的信号经过适当编码后发送；接收时解码后递交给PMA子层。

• 物理介质连接子层(PMA, Physical Medium Attachment)
  负责完成链路检测、载波检测、非归零翻转(NRZI)编/解码、发送时钟合成和接收时钟恢复功能。

• 物理编码子层(PCS, Physical Coding Sublayer)
  负责4B/5B编解码，但在100Base-T4中负责的是8B/6T编解码、碰撞检测、并串转换功能。

• 介质无关接口(MII, Medium Independent Interface)
  该层在逻辑上与标准以太网的AUI接口对应，使MAC子层与传输介质无关。
  MII在发送和接收数据时由标准以太网AUI的一位位串行传输改为4位的并行传输，这样发送接收时钟频率只需要整个数据传输速率的1/4，即25Mhz，其好处是更容易实现和更稳定。

• 协调子层(RS, Reconciliation Sublayer)
  该层替换标准以太网的PLS子层，其负责的功能也有所不同，它是将MAC子层的业务定义映射成MII接口的信号。

三、千兆以太网规范

该规范是将传输速率提升到1000Mbps的规范，即1Gbps，又称吉比特以太网。
该规范基本保留了原有的以太网帧结构，同时也支持CSMA/CD介质访问控制技术，所以完全向下兼容，原有的以太网可以方便的升级到千兆以太网。
它最早于1998年和1999年发布的IEEE 802.3z和802.3ab标准中，包括1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CX、1000Base-T四个，前三个是802.3z标准规定的，而最后一个是802.3ab规定的。这四个规范支持不同类型的光纤和双绞线电缆。
其整体体系结构如下图：

除了上述提到的IEEE发布的规范，在工业应用里还有非正式标准形式但广泛应用的千兆以太网规范：1000Base-LH、1000Base-ZX、1000Base-LX10、1000Base-BX10、1000Base-TX。
因此，在千兆以太网中加起来一共有“九”种规范，根据采用的传输介质类型，总体上分为基于光纤和基于双绞线的两大类。

• 1000Base-LX
  IEEE千兆以太网规范，以光纤作为传输介质，可以使用单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)。适用于50nm和62.5nm的多模光纤和9nm的单模光纤，它使用长波长激光，波长为1310nm。多模最大传输距离为550m，单模最大传输距离为5km，采用8B/10B数据编码方法，主要适用于校园网或城域网的主干网。

• 1000Base-SX
  IEEE千兆以太网规范，以光纤作为传输介质。适用于线径为50nm和62.5nm的短波多模光纤。其中前者最大传输距离为550m，后者为275m。它也采用8B/10B数据编码方法，适用于楼宇网络系统的主干通路。

• 1000Base-LH
  非标准的千兆以太网规范，采用的是波长为1300nm或1310nm的单模或多模长波光纤。它类似于1000Base-LX规范，但在单模优质光纤的最大传输距离可达10km，并且与1000Base-LX兼容。

• 1000Base-ZX
  非标准的千兆以太网规范，采用的是波长为1550nm的单模超长波光纤，最大传输距离可达70km。

• 1000Base-LX10
  非标准的千兆以太网规范，采用的是波长为1310nm的单模长波光纤，最大有效传输距离可达10km。

• 1000Base-BX10
  非标准的千兆以太网规范，其两根光纤采用的传输介质类型不一，下行方向采用波长为1490nm的单模超长波光纤，上行方向采用1310nm的单模长波光纤，最大有效传输距离为10km。

• 1000Base-CX
  IEEE千兆以太网规范，采用150Ω平衡屏蔽双绞线(STP)为传输介质（DB-9连接器），最大传输距离为25m，数据编码法为8B/10B，适用于数据中心设备间短距离连接，但不适用于数据中心与配线架的连接。

• 1000Base-T
  IEEE千兆以太网规范，采用5类、超5类、6类、7类双绞线的全部四对芯线作为传输介质，对应标准为IEEE 802.3ab（与其他标准不一）。最大传输距离为100m。全部四对芯线都可以同时进行全双工数据收发，所以同级设备也无需制作交叉线。这是企业局域网最常用的千兆以太网标准。

• 1000Base-TX
  非标准的千兆以太网规范，它是由TIA/EIA与1995年发布的，对应标准为TIA/EIA-854。

尽管TX也基于四对双绞线，但采用的是快速以太网中100Base-TX类似的传输机制，即其中两对发送、两对接收。由于每对线缆本身不同时进行双向传输，因此串扰大大降低，其编码方式也为8B/10B。但由于线缆的使用效率降低了，所以要达到1000Mbps的速率就必须使带宽超过100MHz，也就是说只有6类及以上的双绞线系统才支持。

规范之间的比较

千兆以太网物理层结构

尽管有几种规范不是IEEE发布的，但总的来说它们的体系结构是类似的。与标准、快速以太网物理层结构一样，整个体系差别主要体现在物理层和MAC子层，LLC子层基本保持一致。体系而言，千兆以太网和快速以太网差别不大，下图是它们之间的比较：

它们之间的主要区别在RS和PCS子层之间接口发生了改变，主要是由快速以太网的MII接口扩展为MGII。其他各子层功能一致。
GMII是从MII的4位并行扩展为8位并行，这样每根线芯只需要125MHz的时钟频率即可实现1000Mbps的速率。另外GMII不支持连接器，它内置成为了IC和IC间的接口。
另外的区别则是PCS子层的编码不一，而且同为千兆以太网规范中的编码也有不一，1000Base-X子系列均使用8B/10B编码，1000Base-T则使用PAM-5编码。

图片来自互联网及《深入理解计算机网络》
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