以太网的演变之路：技术进步与应用拓展

最初的以太网是由美国施乐（Xerox）公司的Palo Alto研究中心（简称为PARC）于1975年研制成功的。以太网从标准以太网（10Mbit/s，也称为传统以太网）开始逐步在有线局域网市场中占据了统治地位，如今其数据率已演进到每秒百兆比特、吉比特、10吉比特，甚至100吉比特。由于历史原因，速率达到或超过100Mbit/s的以太网被称为高速以太网，虽然现在100Mbit/s对于大多数用户来说已不算是高速了。下面简单介绍高速以太网的发展。

100BASE-T以太网

1992年9月，100Mbit/s以太网的设想提出后仅13个月，100Mbit/s以太网的产品就问世了。100BASE-T是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议，它又称为快速以太网（Fast Ethernet）。用户只要更换一台适配器，再配上一个100Mbit/s的集线器，就可很方便地将10BASE-T以太网直接升级到100Mbit/s，而不必改变网络的拓扑结构。所有在10BASE-T上的应用软件和网络软件都可保持不变。100BASE-T的适配器有很强的自适应性，能够自动识别10 Mbit/s和100 Mbit/s。1995年IEEE把100BASE-T的快速以太网定为正式标准，其代号为IEEE802.3u。

• 100BASE-T可使用以太网交换机在无冲突的全双工方式下工作，在全双工方式下不再使用CSMA/CD协议，但以半双工方式工作时则一定要使用CSMA/CD协议。快速以太网使用的MAC帧格式仍然是IEEE802.3标准规定的帧格式。

• 100Mbit/s以太网标准改动了原10Mbit/s以太网的某些规定。主要目的是在数据发送速率提高时，使参数保持不变（或保持为较小的数值）。在100Mbit/s以太网中采用的方法是保持最短帧长不变，但把一个网段的最大电缆长度减小到100m。最短帧长仍为64字节，即512比特。因此100Mbit/s以太网的争用期是5.12μs，帧间最小间隔是0.96s，都是10Mbit/s以太网的1/10。

• 100Mbit/s以太网标准规定了以下三种不同的物理层标准：

  1. 100BASE-TX：使用两对UTP五类线或屏蔽双绞线STP，其中一对用于发送，另一对用于接收。
  2. 100BASE-FX：使用两根光纤，其中一根用于发送，另一根用于接收。在标准中，把上述的100BASE-TX和100BASE-FX合在一起称为100BASE-X。
  3. 100BASE-T4：使用4对UTP三类线或五类线，这是为已使用UTP三类线的大量用户而设计的。它使用3对线同时传送数据（每一对线以33Mbit/s的速率传送数据），用1对线作为冲突检测的接收信道。

吉比特以太网

1996年夏季，吉比特以太网（又称为千兆以太网）的产品问市。IEEE在1997年通过了吉比特以太网的标准802.3z，它在1998年成为了正式标准。

• 吉比特以太网的标准IEEE 802.3z有以下几个特点：

  1. 允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作。
  2. 使用IEEE802.3标准规定的帧格式。
  3. 在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。
  4. 与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。

• 吉比特以太网的物理层共有以下两个标准：

  1. 1000BASE-X(IEEE802.3z标准) ：

     • 1000BASE-SX：使用850nm激光器和纤芯直径为62.5μm和50μm的多模光纤时，传输距离分别为275m和550m。
     • 1000BASE-LX：使用1300nm激光器和纤芯直径为62.5μm和50μm的多模光纤时，传输距离为550m；使用纤芯直径为10μm的单模光纤时，传输距离为5km。
     • 1000BASE-CX：使用两对短距离的屏蔽双绞线电缆，传输距离为25m。

  2. 1000BASE-T(802.3ab标准) ：使用4对UTP五类线，传送距离为100m。

• 吉比特以太网工作在半双工方式下时，必须进行冲突检测。由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大最短帧长，才能使参数保持为较小的数值。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为100m，但采用了载波延伸（Carrier Extension）的办法，使最短帧长仍为64字节，同时将争用期增大为512字节。凡发送的MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增大到512字节，这对有效载荷并无影响。

• 吉比特以太网增加了一种功能，称为分组突发（Packet Bursting） 。当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用载波延伸的方法进行填充。随后的一些短帧则可一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成一串分组的突发，直到达到1500字节或稍多一些为止。

10吉比特及更高速率以太网

10GbE(10 Gigabit Ethernet)标准由IEEE 802.3ae委员会制定，已在2002年6月完成。10GbE也称万兆以太网。10GbE并非将吉比特以太网的速率简单地提高到10倍，这里有许多技术上的问题要解决。

• 10GbE的主要特点：

  1. 帧格式：10GbE的帧格式与10 Mbit/s、100 Mbit/s和1 Gbit/s以太网的帧格式完全相同，还保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。
  2. 全双工方式：10GbE只支持全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。
  3. 传输距离：不再受冲突检测的限制，大大提高了传输距离，使10GbE不仅是一种局域网技术，还可用于广域连接。

• 10GbE物理层标准可分为三类：

  1. 基于光纤的局域网标准：

     • 10GBASE-SR：使用850 nm激光器的多模光纤，传输距离不超过300m。
     • 10GBASE-LR：使用1300 nm激光器的单模光纤，传输距离不超过10km。
     • 10GBASE-ER：使用1500 nm激光器的单模光纤，传输距离不超过40km。
     • 10GBASE-ZR：使用1550 nm激光器的单模光纤，传输距离不超过80km。

  2. 基于双绞线（铜线）的局域网标准：

     • 10GBASE-CX4：使用4对双芯屏蔽铜缆（Twinax），传输距离不超过15m。
     • 10GBASE-KX4和10GBASE-KR：传输距离不超过1m，主要用于设备背板连接，如刀片服务器、路由器和交换机的集群线路卡。
     • 10GBASE-T：使用4对无屏蔽6A类双绞线，传输距离不超过100m。

  3. 基于光纤的广域网标准：

     • 10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW、10GBASE-ZW（Cisco公司私有标准）：这些标准专为工作在OC-192/STM-64 SONET/SDH环境而设置，使用SONET/SDH帧，传输速率为9.953 Gbit/s。

在10GbE标准问世后不久，有关40GbE/100GbE（40吉比特以太网和100吉比特以太网）的标准IEEE 802.3ba在2010年6月公布了。每一种传输速率都有4种不同的传输媒体。100GbE在使用单模光纤传输时，传输距离可以达到40 km。2017年12月，200GbE/400GbE标准IEEE 802.3bs公布，全部用光纤传输。今后还会不断有更高 速率的以太网问世。

现在以太网的工作范围实际上已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式的好处如下：

1. 成熟技术：以太网是一种经过实践证明的成熟技术，互联网服务提供者ISP和端用户都很愿意使用以太网。
2. 互操作性好：不同厂商生产的以太网都能可靠地进行互操作。
3. 低成本：在广域网中使用以太网时，其价格大约只有SONET的五分之一和ATM的十分之一。
4. 适应多种传输媒体：以太网能够适应铜缆、双绞线及各种光缆。
5. 简化操作和管理：端到端的以太网连接使帧的格式全都是以太网的格式，不需要再进行帧的格式转换。

以太网从10 Mbit/s到10 Gbit/s甚至100Gbit/s的演进证明了以太网的以下优点：

1. 可扩展。
2. 灵活：支持多种媒体、全/半双工、共享/交换。
3. 易于安装。
4. 稳健性好。

使用以太网进行宽带接入

现在人们也在使用以太网进行互联网宽带接入。IEEE在2001年初成立了802.3EFM工作组，专门研究以太网的宽带接入技术。

• 以太网接入的一个重要特点是可以提供双向的宽带通信，并且可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级（例如，把10Mbit/s的以太网交换机更新为100Mbit/s甚至1Gbit/s的以太网交换机）。当城域网和广域网都采用吉比特以太网或10吉比特以太网时，采用以太网接入可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。

• 然而以太网的帧格式标准中只有源地址字段而没有用户名字段，也没有让用户键入密码来鉴别用户身份的过程。任何带有内置网络适配器的计算机，只要用网线接入一个以太网，就可以自由访问连接在这个以太网中的其他主机。这对使用以太网接入需要收费的互联网来说，显然是不行的。

• 于是有人就想办法把数据链路层的两个成功的协议结合起来，即把PPP中的PPP帧再封装到以太网中来传输。这就是1999年公布的PPPoE（PPP over Ethernet），即“在以太网上运行PPP”。现在的FTTx都使用PPPoE的方式接入。

  • 例如，如果使用光纤到大楼（FTTB） ，就在每个大楼的楼口安装一个光网络单元（实际上就是一个以太网交换机），然后根据用户所申请的带宽，用五类线接到用户家中。如果上网的用户很多，那么还可以在每一个楼层再安装一个100Mbit/s的以太网交换机。各大楼的以太网交换机通过光缆汇接到光网络单元，然后通过城域网连接到互联网的主干网。
  • 使用这种方式接入互联网时，用户家中不再需要使用任何调制解调器。用户家中只有一个RJ-45的插口。用户把自己的PC通过五类线连接到墙上的RJ-45插口中，然后在PPPoE弹出的窗口中键入在网络运营商购买的用户名和密码，就可以实现宽带上网了。
  • 请注意，使用这种以太网宽带接入时，从用户家中的PC到户外的第一个以太网交换机的带宽是能够得到保证的，因为这个带宽是用户独占的，没有和其他用户共享。但这个以太网交换机到上一级的交换机的带宽，是许多用户共享的。因此，如果过多的用户同时上网，则有可能使每一个用户分配到的带宽减少。这时，网络运营商就应当及时进行扩容，以保证用户的利益不受损伤。
  • 顺便指出，当用户利用ADSL进行宽带上网时，从用户PC到家中的ADSL调制解调器，也是使用RJ-45插口和五类线连接的，并且也是使用PPPoE弹出的窗口进行拨号的。但是用户PC发送的以太网帧到了ADSL调制解调器中，就转换为ADSL使用的PPP帧。PPP帧通过用户家中墙上的RJ-11插口和普通的电话线传送，这已经和以太网没有关系了。因此这种上网方式不能称为以太网上网，而是利用电话线宽带接入互联网。

结语

以太网从最初的10 Mbit/s发展到今天的100 Gbit/s，甚至更高的速率，证明了它的强大生命力和适应性。它不仅在局域网中占据统治地位，还广泛应用于城域网和广域网，成为实现端到端传输的首选技术。未来，随着技术的不断进步，以太网将继续为我们的工作和生活提供强有力的支持。
图文来源：《计算机网络教程》