计算机网络笔记(十八)——3.5高速以太网

发布于：2025-05-12 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

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 Gbps 100 Mbps 10 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
40GbE IEEE 802.3ba 40 Gbps 数据中心服务器互联
100GbE IEEE 802.3ba 100 Gbps 核心网络骨干、云计算中心
400GbE IEEE 802.3bs 400 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：

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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。

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