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计算机网络笔记(十八)——3.5高速以太网

ai 2025/5/14 4:02:18

3.5.1 100BASE-T以太网

1. 基本概念

  • 标准规范：IEEE 802.3u，是快速以太网的典型代表，运行速率100Mbps。
  • 物理介质：使用双绞线（UTP或STP），支持最大传输距离100米（Cat5/5e及以上）。
  • 全双工/半双工：
    • 全双工模式：允许同时发送和接收数据（需交换机支持）。
    • 半双工模式：通过CSMA/CD避免冲突（传统共享式集线器模式）。
  • 拓扑结构：星型拓扑（核心设备为交换机或集线器）。

2. 技术细节

(1) 物理层技术

  • 编码方式：采用4B/5B + MLT-3两级编码：
    • 4B/5B：将4-bit数据转换为5-bit符号，减少直流分量。
    • MLT-3：将5-bit符号转换为三电平信号，降低高频干扰。
  • 线缆要求：
    • 使用Cat5或更高类型双绞线（需至少2对线：TX+/TX-和RX+/RX-）。
    • 线序标准（T568A/T568B）：
      在这里插入图片描述

(2) 帧结构与MAC协议

  • 帧格式：与以太网一致，包含前导码、目标/源MAC地址、类型/长度字段、数据及FCS。

    | 前导码 | SFD | 目标MAC | 源MAC | 长度 | 数据（46-1500B） | FCS |

  • CSMA/CD（仅半双工模式）：

    • 总线检测 -> 数据发送 -> 冲突处理 -> 退避重传。
    • 最小帧长仍为64字节，确保冲突检测有效性。

(3) 物理接口规范

  • 接口类型：
    • 100BASE-TX：使用Cat5双绞线（两对线），支持全双工。
    • 100BASE-T4：兼容Cat3电缆（四对线，使用三对传输）。
    • 100BASE-T2：使用两对Cat3线。
  • 最大传输单元（MTU）：默认1500字节，可通过Jumbo Frame扩展。

3. 核心优势

  • 兼容性：向后兼容10BASE-T设备（支持自动协商，速降10Mbps）。
  • 灵活性：
    • 支持级联拓扑（不超过两个集线器级联）。
    • 可扩展至交换机网络，避免冲突域过大。

4. 网络拓扑

在这里插入图片描述

5. 典型应用场景

  • 中小型企业局域网（如办公室、机房）。
  • 主干网接入（如连接交换机到服务器）。
  • 替代旧式10BASE-T网络的低成本升级方案。

6. 常见问题（QA）

Q1：100BASE-T为什么用Cat5而不是Cat3？
A：Cat5支持更高的带宽（100MHz）和抗干扰能力，确保100Mbps速率稳定性。

Q2：全双工模式下CSMA/CD是否有效？
A：全双工模式下无需CSMA/CD，因为链路独立双向传输，无冲突可能。

Q3：如何验证100BASE-T连接状态？
A：通过交换机端口指示灯（绿灯表示协商为100Mbps，黄灯表示活动数据）。

3.5.2 吉比特以太网

吉比特以太网（IEEE 802.3z 和 802.3ab 标准）是传统以太网的升级版，提供 1 Gbps（1000 Mbps）的传输速率，保持了与低速以太网的兼容性，并支持全双工/半双工模式。

一、核心技术特性

  1. 物理层标准

    • 光纤标准（802.3z）：
      • 1000BASE-SX：短波多模光纤（最长550 m）。
      • 1000BASE-LX：长波单模/多模光纤（最长5 km）。
    • 铜缆标准（802.3ab）：
      • 1000BASE-T：4对五类/六类双绞线（最长100 m）。

  2. 帧结构改进

    • 保留传统以太网 最小帧长64字节，但引入 载波扩展 和 帧突发 两种机制以应对高速碰撞检测：
      • 载波扩展：填充帧至512字节以延长传输时间，确保冲突能被检测。
      • 帧突发：在第一个帧后连续发送多个短帧，无需重新竞争信道。

  3. 全双工模式

    • 默认使用全双工（无冲突），交换机直接处理数据，无需CSMA/CD。

二、工作流程

以下为吉比特以太网数据帧传输流程图：

在这里插入图片描述

三、关键机制

  1. 载波扩展（Carrier Extension）

    • 传统以太网的最小帧在吉比特速率下传输时间仅0.512 μs，难以检测碰撞。
    • 填充扩展位：将帧扩展到512字节，使碰撞窗口足够长。
    • 扩展部分不携带数据，仅用于时间同步。

  2. 帧突发（Frame Bursting）

    • 发送第一个帧后，可连续发送多个帧，减少信道竞争。
    • 突发总长度不超过8192字节。

四、应用与优势

  1. 适用场景

    • 数据中心骨干网络、服务器连接、多媒体传输等高带宽需求场景。

  2. 核心优势

    • 兼容性：向下兼容10/100 Mbps设备。
    • 低延迟：全双工模式下无冲突检测开销。
    • 灵活性：支持光纤长距离传输和铜缆低成本部署。

五、对比其他以太网

特性吉比特以太网快速以太网（100M）万兆以太网（10G）
速率1 Gbps100 Mbps10 Gbps
最大距离100 m（铜）100 m（铜）10 km（单模光纤）
冲突处理全双工为主CSMA/CD半双工仅全双工
典型场景企业核心网中小企业接入数据中心核心

六、关键协议标准

  • IEEE 802.3z：光纤和屏蔽铜缆的吉比特标准（1998）。
  • IEEE 802.3ab：双绞线（1000BASE-T）标准（1999）。

3.5.3 10吉比特以太网(10GbE)和更快的以太网

1. 基本概念

10GbE（10吉比特以太网） 是以太网标准的延伸，IEEE 802.3ae（2002年） 是其核心标准。它是首款实现无需碰撞检测（CSMA/CD） 技术的以太网，仅支持全双工模式，突破了传统以太网的距离限制，主要用于高速网络骨干、数据中心互联和城域网。

2. 核心技术特性

特性说明
帧格式兼容性与传统以太网帧格式完全一致，确保向后兼容。
全双工模式同时双向传输，消除碰撞风险，无需限制传输距离。
物理介质主要使用光缆（单模/多模），部分标准支持铜缆（如10GBASE-T）。
网络拓扑支持星形拓扑，通过交换机直连设备，无共享介质。
应用场景数据中心核心层、运营商网络骨干、高性能计算集群。

3. 物理层标准对比

常见10GbE标准类型：

标准介质最大距离典型应用场景
10GBASE-SR多模光纤（850nm）300m（OM3光纤）数据中心短距连接
10GBASE-LR单模光纤（1310nm）10km城域网中距离传输
10GBASE-ER单模光纤（1550nm）40km长距骨干网互联
10GBASE-T双绞线（CAT6a）100m办公环境高速接入

在这里插入图片描述

4. 10GbE帧结构

遵循传统以太网帧，包括前导码、目标/源MAC地址、类型/长度字段、数据和FCS校验，无额外改动。

5. 更高速以太网发展

以太网类型标准速率应用场景
40GbEIEEE 802.3ba40 Gbps数据中心服务器互联
100GbEIEEE 802.3ba100 Gbps核心网络骨干、云计算中心
400GbEIEEE 802.3bs400 Gbps超大规模数据中心、AI训练网络
800GbE开发中（预计2024）800 Gbps未来边缘计算、元宇宙基础设施

6. 关键技术演进

  1. 密集波分复用（DWDM）：通过多波长光纤提升带宽利用率。
  2. 前向纠错（FEC）：降低误码率，适应长距离传输。
  3. PAM4调制：相比传统NRZ，每个符号携带2比特数据，提升信道效率。

7. 典型应用案例

  • 数据中心核心交换机互联：10GbE链路聚合提供高吞吐量。
  • 5G基站回传：10GbE光纤承载高密度用户流量。
  • 科研超算网络：基于Infiniband或RoCE协议的低延迟传输。

8. 总结

10GbE及更高速以太网代表了网络技术的持续演进，通过全双工架构和先进物理层技术解决了传统网络的瓶颈，为数据中心、云计算和边缘计算提供基础设施支持。未来随着800GbE和1.6TbE的成熟，以太网将继续主导高速网络市场。

3.5.4 使用以太网进行宽带接入

一、概念背景

以太网最初是局域网（LAN）技术，但在宽带接入中，通过 PPPoE（PPP over Ethernet） 协议将其扩展用于广域网接入。核心目标是利用现有以太网基础设施实现用户身份认证、IP地址分配和宽带管理。

二、关键组件与流程

以下是典型以太网宽带接入的架构和流程：

在这里插入图片描述

三、工作流程

  1. PPPoE发现阶段（Discovery）

    • PADI（PPPoE Active Discovery Initiation）
      用户设备广播请求，寻找可连接的BAS。
    • PADO（PPPoE Active Discovery Offer）
      BAS回复确认可用性。
    • PADR（PPPoE Active Discovery Request）
      用户发起正式连接请求。
    • PADS（PPPoE Active Discovery Session-confirmation）
      BAS分配会话ID，建立虚拟连接。

  2. PPPoE会话阶段（Session）

    • 数据封装：用户数据以 PPP帧 封装在以太网帧中。
    • 传输流程：
      • 用户端将PPP帧添加PPPoE头（含会话ID）形成 PPPoE帧。
      • 光猫（ONU）将电信号转换为光信号，通过光纤传输到OLT。
      • OLT剥离光信号，提取PPPoE帧并转发至BAS进行认证和IP分配。

  3. BAS的功能

    • 认证：通过RADIUS服务器验证用户名/密码。
    • IP分配：下发公有IP地址和DNS信息。
    • 计费：记录用户会话时长或流量。

四、技术特点

  • 帧结构对比：

    传统以太网帧：| MAC头 | 类型(0x0800=IPv4) | 数据 | FCS |
PPPoE帧：     | MAC头 | 类型(0x8864) | PPPoE头 | PPP帧 | FCS |

  • 虚拟拨号：模拟传统拨号，但基于以太网实现点对点连接。

  • 多用户隔离：通过VLAN或会话ID区分不同用户的流量。

五、优缺点分析

优点缺点
利用现有以太网基础设施每用户需独立PPPoE会话
支持动态IP分配和按需连接广播发现可能造成网络拥塞
ISP可灵活控制用户接入策略需额外处理PPPoE封装开销

六、实际应用案例

光纤入户（FTTH）中的PPPoE：

  1. 用户通过光猫（ONU）连接光纤。
  2. OLT在局端汇聚用户流量。
  3. BAS集中处理认证和路由，如图：

在这里插入图片描述

通过上述流程，以太网宽带接入实现了高效的用户管理和广域网连接，适应了现代高带宽需求。

http://www.xdnf.cn/news/4933.html

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