以太网技术及其应用

周强

上海复旦网络工程公司

复旦大学网络与信息工程中心

计算机局部网络

计算机局部网络是计算机网络的一种类型。随着微型计算机技术的迅速发展和日益成熟，微型计算机的价格在不断下降，因此人们有条件将十几台、数十台小型、微型计算机、外围设备依网络通信协议连接起来，形成所谓局部网络，简称局域网。它同远程计算机网络相比较有着以下几个特点：

1.信道具有较宽的通频带，通常采用基带传输，传输速率为10M—100M。

2.网络拓扑结构一般采用总线或环型结构。结构简单，容易实现，具有高度的互连性和扩

充性。投资少，组建快。

3.网络覆盖地域较小。距离一般不超过10公里。

4.网络中并非必须设有主机节点，可向用户提供分散而有效的数据处理和计算能力。

局域网技术的研究开发起始于七十年代。逐渐发展到目前以总线式和令牌环式结构为主流的微型机局部网络。总线式网络是指在这种网络中，传输介质是一条总线，联网的工作站通过相应硬件接口接至总线上，一个站发送数据，所有其它站都能接收。因此，总线式网络的传输称为多点式或广播式。令牌环式网络中有许多中继器进行点对点链路连接，构成一个封闭的环路。中继器接收前驱站发来的数据，发向后继站。连在网上的工作站必须得到一个空闲的令牌才能往网络上发送。

以太网概述

以太网(Ethernet)是一种公共总线型局部网络。1975年XEROX公司和STANDFORD大学合作推出了以太网产品。由于它的出现恰好是微型计算机飞速发展的时代，为计算机网络应用提供了可靠有效的新方法、新技术，受到了人们的极大注意，成为第一个局部网络的工业标准产品，得到了欧美各研究单位和网络公司的广泛支持。1980年DEC、INTEL和XEROX 三家合作，正式公布以太网的物理层和数据链路层的详细规范：以太网规范第一版。1982年又公布了规范第二版。为局部网络的发展和应用提供了可靠有效的新技术和新方法。

后来IEEE公布了一系列局部网络标准。其中IEEE802.3标准基本和上面的以太网技术规范相同。IEEE局部网络标准公布后，大大推动了局部网络包括以太网的发展。许多计算机厂商纷纷加入到以太网产品的生产行列。到了九十年代，随着传输技术的发展，出现了高速以太网。IEEE在1995年正式公布作为新规范的快速以太网标准IEEE802.3u。主要是在原来802.3上做了一些补充。增加多个物理层规范。速度从原来的10M提高到100M。

以太网物理层

以太网有多种物理层的实现。主要应用的10M以太网传输方法有以下几种：10BASE5粗同轴电缆以太网，10BASE2细缆以太网，10BASE－T无屏蔽双绞线以太网和10BASE－F光缆以太网。

10BASE5：粗缆以太网

10BASE5是原始的以太网802.3标准。使用直径为10mm的粗同轴电缆。两端必须用50欧姆的电阻来端接。允许每段有100个站。所有的工作站都经过一根同轴电缆连接，一条电缆的最大长度为500米。

粗缆以太网连接设备比较复杂，成本也比较高。后来被细缆以太网所代替。

10BASE2：细缆以太网

10BASE2与10BASE5相似，主要是为降低安装10BASE5的成本和复杂性而设计的。主要区别如下：

●10BASE2只允许每段20个节点。

●10BASE2网段的最大长度降到185米。

●使用价格低的R9-58 50欧姆同轴电缆。

●网卡与网络线的连接只需要简单的BNC桶型连接器。

与粗缆以太网相比，细缆更容易安装，更容易增加新站，能大幅度地降低费用。因此细缆更流行，能有效地取代粗缆以太网而成为工作组布线的最佳方案。

10BASE－T：双绞线以太网

1991年，IEEE公布10BASE－T标准。它是一个崭新的以太网物理层标准。与同轴电缆型以太网（粗缆、细缆）相比，有很大的差别：

●使用两对无屏蔽双绞线(UTP)，一对发送数据，另一对接收数据。用型号为RJ-45的8

针模块插头作为连接器。

●和其它以太网物理层标准一样，10BASE-T使用曼彻斯特编码，但为了在UTP上传输，

电气信号应该预先矫正。使用3类或更高的UTP电缆。

●10BASE-T具有链接一体化的特点，使电缆安装和故障查找问题都能较容易地解决。每

16毫秒集线器和网络接口卡发出一个“滴答”脉冲，集线器和网络接口卡都监听此信号，收到滴答信号表示物理连接已建立。大多数10BASE-T装置都设有发光二极管LED 来指示链路是否正常。使用者可据此查看线路的状态。

●按EIA568布线标准，最大网络长度是100米，中继器和中继器连接也在最大100

米的距离内。

双绞线以太网是以太网技术的一个主要进步。它因为价格便宜、灵活性强而大为流行。现在它的销量占整个以太网销量的90％。

10BASE－F：光缆以太网

光缆以太网产品很早就有，但10BASE-T的标准制定出来的时间却不长。10BASE-F是基于光缆互连中继器链路(FOIRL)规范的，这个规范使用扩展距离的光缆链路而建立互连的中继器。10BASE-F对FOIRL有重大扩展，能允许在光缆上直接连接站。

10BASE-F使用双工光缆（双工多模或单模光纤）。由AT&T普及推广的IECBFOC/2.5微型卡口连接器已成为事实标准。该装置也被称为ST连接器。

以上是几种主要的以太网物理层的接口。现在的应用中在100米以内的距离几乎全部采用双绞线以太网，并且越来越多地使用快速型、交换式的以太网。关于这两方面的内容，在另外的专题文章中介绍。较长距离的应用采用光缆以太网。距离可以延伸至1～2公里。

以太网的MAC层

以太网第二层数据链路层规范由两个的部分组成。逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。LLC和介质无关，它为上层用户提供多个服务访问点。它作为一个通用的子层，可以在总线以太网、令牌总线网，令牌环形网多种物理网络上实现。MAC层是针对一种具体的介质的，描述在共享介质环境中如何进行站的调度、发送和接收数据。MAC确保信息跨链路的可靠传输，对数据传输进行同步、识别错误和控制数据的流向。在以太网中，MAC层是采用被称为载波监听多路存取和冲突检测（CSMA/CS）的方式进行介质访问控制的。它对共享传输信道的控制按这样的方式进行：

1.载波监听─想发送信息包的站要确保现在没有其它节点和站在使用共享介质，所以该

站首先要监听信道上的动态。

2.如果信道在一定时段内寂静无声(称为帧间缝隙IFG)，该站就开始传输。

3.如果信道一直很忙碌，就一直监听，知道出现IFG时段，该站才开始发送它的数据。

4.冲突检测─如果两个站或更多的站都在监听和等待发送，然后在信道空时同时决定立

即开始发送数据，此时就发生碰撞。这一事件会导致冲突，并使双方信息包都受到损坏。

以太网在传输过程中不断地监听信道，以检测碰撞冲突。

5.如果一个站在传输期间检测到碰撞冲突，则立即停止该次传输，并向信道发出一个拥挤

信号，以确保所有其它站也发现到该冲突，从而摒弃可能一直在接收的受损的信息包。

6.多路存取─在等待一段时间后（称为后退），想发送的站试图进行新的发送，一种特

殊的随机后退算法决定不同的站在试图再次发送数据前要等待一段时间（延时）。

7.回到第一步。

CSMA/CS介质访问的流程：

以太网使用帧来发送从源到终点的实际数据。帧长度可变，现在的大多数局部网络标准都发送可变长的帧。

以太网的应用

以太网标准出现的较早，其实现容易，成本较低，支持很多。所以得到了广泛的应用。它主要应用在快速可靠地建立一个企业、大楼内部的网络。再加上与各种广域网技术的结合，实现城市、国家、以致全球的联网。连入国际互连网(Internet)的大大小小的网络中，有很多就是以太网。以太网市场的不断扩大，技术的不断更新，也和Internet的发展是密不可分的。

下面的图就是构造一个内部的Intranet，通过广域网接口接入Internet。

这个网络中，内部采用以太网技术，保证有足够的带宽实现内部的文件、数据库等大数据量信息的访问。现在的快速、交换以太网技术更可保证音频、视频数据的传输。各种基于此的应用，如电话电视会议，实时监控等，都可方便的实现。和Internet的连接通过路由器。远程的用户可以用拨号的方式访问内部网络和Internet。

以太网技术还在不断发展之中，应用也越来越广泛。它已经当之无愧地成为局域网络的主流产品。