3.5 高速以太网

思维导图：

 

 3.5.1 100BASE-T以太网

**3.5 高速以太网**

随着技术进步，以太网的传输速度不断增加。从早期的10 Mbit/s的速度，增长到了1 Gbit/s甚至更快。以下是一些关于高速以太网技术的简介。

**3.5.1 100BASE-T以太网**

- **定义**：100BASE-T是一种以100 Mbit/s速度在双绞线上传输数据的星形拓扑以太网。它还被称为快速以太网 (Fast Ethernet)。
  
- **向后兼容性**：100BASE-T允许用户从10BASE-T以太网无缝升级到100Mbit/s，而无需改变网络拓扑。旧有的10BASE-T上的所有应用和网络软件均可继续使用。
  
- **自适应性**：100BASE-T的适配器能够自动区分10 Mbit/s和100 Mbit/s的速度。
  
- **标准**：1995年，IEEE将100BASE-T快速以太网定义为IEEE 802.3u标准，作为IEEE 802.3标准的补充。
  
- **MAC帧格式**：快速以太网使用的是IEEE 802.3规定的帧格式。

**注意**：IEEE 802.3u标准并不支持同轴电缆。这意味着原有的细缆以太网用户需要重新布线来升级到快速以太网。

- **物理层规定的变化**：在原来的10 Mbit/s以太网中，有一个重要的参数a必须保持小的值。为了保持这个参数在100 Mbit/s以太网中不变，采取了相应的措施，包括限制铜缆100 Mbit/s以太网的最大长度为100m。

**3.5.2 物理层标准**

表3-1展示了100 Mbit/s以太网的三种物理层标准：

标准中的100BASE-TX和100BASE-FX统称为100BASE-X。而100BASE-T4在使用4对UTP3类线或5类线时，3对线同时传输数据，1对线用作碰撞检测的接收信道。

 3.5.2 吉比特以太网

笔记：3.5.2 吉比特以太网

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**吉比特以太网简介**:
- 产品上市：1996年夏
- IEEE标准：1997年通过802.3z, 1998年正式标准
- 市场地位：迅速成为以太网的主流产品

**吉比特以太网特点**:
1. 支持1Gbit/s的全双工和半双工模式
2. 采用IEEE 802.3帧格式
3. 半双工使用CSMA/CD协议，全双工不使用
4. 与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容
5. 主要应用：网络主干、高带宽应用如医疗图像或CAD图形等连接计算机和服务器

**物理层技术**:
- 基于两种技术：以太网技术和ANSI的光纤通道FC

**吉比特以太网物理层标准(表3-2)**:

- 1000BASE-X包括1000BASE-SX, 1000BASE-LX和1000BASE-CX (IEEE 802.3z标准)
- 1000BASE-T的标准是IEEE 802.3ab

**技术细节**:
- **载波延伸**：为保持最短帧长的兼容性，使用载波延伸方法，保持最短帧长为64字节，同时将争用期增大为512字节。
- **分组突发**：当多个短帧要连续发送时，使用分组突发技术减少发送的总开销。
- 当吉比特以太网在全双工模式下工作时，不使用载波延伸和分组突发。

**吉比特以太网应用**:
- 可直接与多个图形工作站连接
- 可作为百兆以太网的主干网，与百兆或吉比特交换机相连，再与大型服务器连接。

**注释**:
- **有效载荷**：在分组中，除去首部和尾部的有用数据部分。在不同层次中，有效载荷所代表的内容会变化。

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 3.5.3 10吉比特以太网和更快的以太网

**3.5 10吉比特以太网 (10GE) 与更高速度的以太网**

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**1. 10GE简介**
- 10GE并非仅是将吉比特以太网速率提高10倍，涉及多个技术问题。
- 10吉比特 = 10×10⁶比特，有人称为"万兆比特"，但与国际表示不一致，故不采用此称呼。

**2. 10GE的特性**
- 帧格式与10 Mbit/s, 100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网相同。
- 保留了802.3标准的最小帧长和最大帧长。
- 只在全双工模式下工作，无争用问题，不使用CSMA/CD协议。
- 传输距离大大提高，无碰撞检测限制。

**3. 10GE的物理层标准**
- 10GBASE-SR: 光缆，300m，多模光纤(0.85μm)。
- 10GBASE-LR: 光缆，10km，单模光纤(1.3μm)。
- 10GBASE-ER: 光缆，40km，单模光纤(1.5μm)。
- 10GBASE-CX4: 铜缆，15m，使用4对双芯同轴电缆(twinax)。
- 10GBASE-T: 铜缆，100m，使用4对6A类UTP双绞线。

**4. 以太网的技术进展**
- 40GE和100GE标准分别是IEEE 802.3ba-2010和802.3bm-2015。
- 40GE/100GE只在全双工模式下工作，不使用CSMA/CD，保留帧格式和帧长。
- 100GE单模光纤传输可达40km，需波分复用（4个波长/光纤，每波长25 Gbit/s）。

**5. 以太网工作范围**
- 扩展到城域网和广域网，实现端到端传输。
- 优势：经验丰富、互操作性好、成本低、多种媒体适应、简化操作。

**6. 以太网的演进证明**
- 可扩展性：10 Mbit/s到100 Gbit/s。
- 灵活性：支持多种媒体、全/半双工、共享/交换。
- 易于安装、稳定可靠。

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 3.5.4 使用以太网进行宽带接入

**概览**
- 以太网已经被广泛应用于宽带接入。
- IEEE于2001年初建立802.3EFM工作组来研究此问题。

**特点**
1. 双向宽带通信。
2. 可灵活带宽升级，例如从10兆以太网交换机升级到吉比特以太网交换机。
3. 无需帧格式转换，提高数据传输效率并降低成本。

**问题**
- 以太网帧格式中没有用户名字段，也没有身份验证过程。

**解决方案**
- PPPOE(PPP over Ethernet)：将PPP帧封装到以太网中进行传输，广泛应用于光纤宽带接入如FTTx。

**应用实例**
1. 光纤到大楼(FTTB)：每个大楼入口安装一个光网络单元ONU(一个以太网交换机)，再通过5类线连接到用户家中。
2. 用户接入方式：通过RJ-45插口连接到个人电脑，然后使用PPPoE进行身份验证并接入互联网。
3. 带宽：用户到第一个以太网交换机的带宽是保证的，但上游的带宽可能是多用户共享的。

**其他宽带接入方法**
- ADSL(非对称数字用户线)：在家中使用RJ-45和5类线连接到ADSL调制解调器，并使用PPPoE进行身份验证。但传输方式和以太网不同。

**重要概念**
- **链路**：从一个结点到相邻结点的物理线路。
- **数据链路**：在链路上增加必要的硬件和软件。

ARP（地址解析协议）笔记

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

定义：

• ARP是网络协议，用于将网络层的IP地址映射到链路层的物理地址（如MAC地址）。
• 工作在OSI模型的链路层。

工作原理：

1. ARP请求：

   • 设备A需要发送数据给设备B，知道B的IP地址，但不知道B的物理地址。
   • A在本地网络广播ARP请求：“谁拥有IP地址X？”

2. 接收与回应：

   • 网络上的所有设备接收ARP请求。
   • 设备B识别到IP地址与自己相符，向A发送ARP响应，包含B的MAC地址。

3. ARP缓存更新：

   • A接收到B的响应后，更新ARP缓存表，将B的IP地址和MAC地址对应起来。

4. 数据传输：

   • A现在可以使用B的MAC地址在本地网络上直接发送数据给B。

重要性：

• 连接网络层与链路层，使IP寻址与物理网络设备之间的通信成为可能。
• 对于局域网中设备间的通信至关重要。

安全性考虑：

• ARP欺骗：攻击者发送伪造的ARP消息，可导致网络通信受到干扰或劫持。
• 应采取安全措施，如使用静态ARP记录或ARP监控工具。

 总结：

**重点总结：**

1. **数据链路层基本概念**：
   - 数据链路层使用的主要信道有点对点信道和广播信道。
   - 数据链路层传送的协议数据单元是帧，需要解决封装成帧、透明传输和差错检测的问题。
   - 循环冗余检验CRC是检错方法，帧检验序列FCS是数据后的冗余码。

2. **常见协议与技术**：
   - 点对点协议PPP是常用的数据链路层协议。
   - PPPoE是宽带上网主机使用的链路层协议。
   - 以太网的工作方式是无连接的，不编号数据帧，不要求确认。
   - 以太网使用的协议是CSMA/CD，各站点平等地争用信道。

3. **局域网**：
   - 局域网的优点包括广播功能、易于扩展、可靠性高。
   - 共享通信媒体的方法有静态划分信道和动态媒体接入控制。

4. **硬件与地址**：
   - 计算机与外界局域网的通信通过通信适配器，也称网络接口卡或网卡。
   - 以太网的硬件地址或MAC地址是适配器地址，与主机位置无关，地址长度为48位。

5. **以太网的发展与扩展**：
   - 传统的总线以太网使用集线器的双绞线以太网。
   - 高速以太网有100 Mbit/s、吉比特以太网、10 Gbit/s和100吉比特以太网。

**难点与易错点**：

1. **数据链路层的功能与责任**：理解封装成帧、透明传输和差错检测的细节和重要性。
  
2. **不同协议的特点**：区分PPP、PPPoE、CSMA/CD等协议的特点和应用场景。

3. **硬件地址与网络地址的区别**：MAC地址是物理地址，与设备硬件绑定，而网络地址如IP地址是可以更改的。

4. **以太网的工作方式与拓扑结构**：理解以太网的无连接工作方式及其优势，以及物理与逻辑拓扑的区别。

5. **高速以太网的发展**：了解高速以太网的演变及其在宽带接入技术中的应用。