以太网技术发展研究
时间：2020-12-17 09:47:41 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(北京交通大学通信与信息工程学院，北京 100044)
摘 要：本文简要介绍了当今以太网技术的发展概况，对不同发展阶段的以太网技术、特点、构架进行论述和比较，同时指出以太网存在的问题，并展望了其应用的前景。
关键词：以太网；
CSMA/CD；
IEEE 802.3
中图分类号：TP393.11 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2007)07—0083—03
1 概述
以太网(Ethernet)是在70年代首先由Xerox公司开发的一种基带局域网(LAN)规范。80年代初首次公布出版，1982年又进行了修改。不久又公布了与IEEE(电子电气工程师协会)802.3一致的以太网规范。以太网和IEEE 802.3的规定虽然有很多不同，但在术语上通常认为以太网与IEEE 802.3是兼容的。当今，新一代多媒体、群件(Groupware)、影像传输和数据库产品的信息量猛增使速率为10Mb/s的以太网面临严峻挑战，从而迫使以太网向更高的速度发展。为提高以太网的工作速率，电气和电子工程师协会(IEEE)相关组起草了802.3u-100Base-T标准规范，1995年7月获得批准，从而将以太网速率提升到100Mb/s，并且维持原来CSMA/C
D以太网传输协议。1998年将光纤通道和IEEE802.3协议栈相结合形成千兆以太网协议栈草案，形成了将快速以太网速率提高一个量级的1000Base-X千兆以太网。1999年该草案成为IEEE802.3ab/IEEE802.3z标准。接着2000年又制订了10000Base-X以太网协议草案，即IEEE802.3ae标准草案。30来年的历史，由于技术不断更新，特别是近年来，千兆以太网的实用化以及与光纤技术的有机结合，使以太网帧信号不但可实现长距离(达100km)传输而且用简单方法便可实现“干线直接到桌面”。这一切不但使以太网技术占领了局域网(LAN)广大领域，而且其技术更向城域网(MAN)和广域网(WAN)迈进，至今仍然焕发勃勃生机，使以太网为数据网乃至整个通信网的发展开辟了锦绣前程。
以太网技术在局域网中的成功缘于以下几个因素:①具有强大的用户基础。现在世界上至少80%以上的局域网采用以太网技术。②易于移植和升级。对于所有以太网技术，一样的帧结构和帧长度，不需做网络调整；
星型集线器的应用和基于10/100BASE-T的网卡及交换技术，100Mbit/s快速以太网标准的建立，IEEE802.3标准，10GE(万兆以太网)协议已经标准化。都提供了一个非常好的升级途径，使升级更容易。③低成本。以太技术无论在局域网、接入网还是将可能进入的城域网、广域网在价格上与其他技术相比都具有优越性。④培训成本低。因为不同版本以太网的帧结构和网络拓扑结构是一致的，标准化程度高，因此它的培训成本比较低。而且几乎所有的操作系统和应用协议都与以太网兼容。⑤不断提高的QoS和网管能力。802.1p、802.1q和802.1w使以太网技术具有优先级控制、VLAN和类似于SDH的快速自愈能力，并且可利用MPLS提供具有QoS的宽带服务。
2 以太网体系结构
在以太网中数据链路层被分割为两个子层，因为在传统的数据链路控制中缺少对包含多个源地址和多个目的地址的链路进行访问管理所需的逻辑控制，另外也使局域网体系结构能适应多种通信介质。换句话说，在逻辑链路控制(LLC)不变的条件下，只需改变媒体访问控制(MAC)便可适应不同的媒体和访问方法，MAC子层与介质材料相对无关。
物理层又分为两个接口：媒体相关接口(MDI)和连接单元接口(AUI)。其中媒体相关接口随媒体而改变，但不影响LLC和MAC的工作；
以太网的分层结构从网络分层看，以太网的每一个新的标准都兼容以前的标准，而且不改变上层协议。其分层结构图如图1所示。
从各种速率以太网分层结构图我们可以看到，以太网只对物理层和媒质访问层(MAC)定义。以太网发展过程中，协议的修改基本是在物理层进行的，网络层以上是不改动的。在IP网络中，以太网协议的修改，不直接涉及TCP/IP协议。MAC层重要功能之一就是成帧，当这些以太网帧一致时，MAC层基本上不用作改动。10GE作广域传输时，MAC层才做相应的改动。以太网的传输媒质从开始基于总线共享的同轴电缆到后来的铜线、光纤、无线等;传输方式从基于CSMA/CD的半双工到全双工(10GE只支持全双工方式)；
编码方式从10Ｍ以太网的曼彻斯特编码、快速以太网的4B5B和8B6T到GE的8B10B以及10GE的64B66B和8B10B；
这些变化都只体现在物理层和媒质访问层的改变上。
3 以太网协议
IEEE 802.3所用的媒体访问方法采用带有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)技术。在这种方式中，一个工作站在发送前，首先使用载波侦听协议侦听媒体上是否有收发活动，也就是载波是否存在。当侦听到媒体空闲时，立即开始进行传输。如果侦听到有载波存在，工作站便推迟自己的传输，退避一段时间后再试。如果两个工作站同时试图进行传输，将会造成彼此间的干扰，这种现象称为碰撞。这是一种正常现象，因为媒体上连接的所有工作站的发送都基于媒体上是否有载波，所以称为载波侦听多路访问(CSMA)。
为保证这种操作机制能够运行，还需要具备检
测有无碰撞的机制，这便是碰撞检测(CD)。也就是说，工作站在发送过程中仍要不断检测是否出现碰撞。如果在发送过程中有碰撞发生，工作站发送1个短的干扰(jam)信号，以保证所有的站点都知道出现了碰撞，发送完干扰信号后，等待一段随机时间，然后再重新尝试发送。
CSMA/CD媒体访问方法的规则为：①如果媒体信道空闲，则可进行发送。②如果媒体信道忙(有载波)，则继续对信道进行侦听。一旦发现空闲，就进行发送。③如果在发送过程中检测到碰撞，则停止正常发送，转而发送1个短的干扰(jam)信号，使网上所有站都知道出现了碰撞。④发送了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送，转到第1步。
4 帧格式
4.1 帧的格式
以太网发送的数据是按一定格式进行的，以太网的帧由8个字段组成，每一段符合这种格式的数据段称为帧，这些段的定义如图2所示.
前导码处于MAC帧开始处的字段，它由7个字节组成。用来使接收器建立位同步。编码形式为多个“1”或“0”交替构成的二进制序列，最后1位为“0”。在这种编码形式下，经编码后
为一周期性方波。
帧首定界符(SFD)的编码形式为“10101011”序列，长度为1个字节。该字段的功能是指示1帧的开始，使接收器对帧的第1位进行定位。
目地址字段(DA)的长度为6个字节，表示此帧要发往的工作站地址。它可以是1个惟一的物理地址，也可以是多组或全组地址，用以进行点对点通信、组广播或全局广播。并由实现过程决定选择16bit或48bit的地址。
源地址(SA)的长度也为6个字节。表示发送该帧的工作站地址。
长度指示器的长度为2个字节，该字段在IEEE 802.3和以太网帧中的定义是不同的，在IEEE 802.3中该字段是长度指示符，用来指示紧随其后的逻辑链路控制(LLC)数据字节的长度，长度单位为字节数。
LLC数据字段指明帧要携带的用户数据，该数据由LLC子层提供或接收。
填充(PAD)字段用来添加LLC数据，以保证帧有足够长度，适应碰撞检测的需要。帧检验序列(FCS)是长度为4个字节的循环冗余检验码，用于检验帧在传输过程中有无差错，检测范围包括：目的地址、源地址、长度指示、LLC数据和填充字段。
10G以太网继承了原有的IEEE802.3的帧格式。为了达到10Gb/s的速率，采用了将多个以太网帧映射到一个SONET的OC-192或SDH的STM64帧的技术。为了避免接收端无法进行正确的以太网帧定界的情况，10G以太网采用了HEC策略。10G以太网的帧格式，添加长度域和ＨＥＣ域。为了在帧定界过程中方便地查找出下一个帧的位置，同时由于最大帧长为1 518字节，长度字段最少需有11个比特，所以在复接MAC帧的过程中用两个字节替换前导头两个字节作为长度域。然后对这8个字节进行CRC 16校验，将最后得到的两个字节作为HEC插入SFD之后。长度域的值表示修改后的MAC帧长。
4.2 地址字段
地址字段包括目的地址和源地址两部分。在IEEE 802.3标准中规定，源地址字段中第1位恒为“0”。目的地址字段有较多的规定，原因是要实现组广播和全局广播。当该字段第1位为“0”时，表示帧要发送给某一工作站，即单站地址(也称单目的地址)。当该字段第1位为“1”时，表示帧发送给一组工作站，即组地址(也称多目的地址)。全“1”的组地址表示全局广播地址。
从10Ｍ以太网到100Ｍ以太网再到全双工GE以及局域网中的10GE都采用一样的帧格式，他们之间可以以最小的代价实现互联。“Extension”(扩充字节)是半双工GE帧格式所特有的。GE应用标准的以太网流量控制来避免涌塞和过载。GE可工作于半双工和全双工模式。应用半双工模式时，它采用同以前以太网一样的CSMA/CD接入方式来解决共享媒质的争用问题。然而，直接把802.3MAC升到1Gb/s，如果一个载波时间内仍传512比特，则一载波时间约为0.512μｓ，考虑到信号在光纤中的传输延迟为5μｓ/ｋｍ，这样会使网络半径很小，而且拓扑结构也不实用。这样，在最小的CSMA/CD载波时间内传送的数据量就得从512比特(64字节)扩展到4 096比特(512字节)。当一帧小于512字节时，非数据比特(即扩充字节Extension)，就要加在帧尾。最小帧尺寸仍为64字节。这样一个处理过程就克服了在不改变最小帧大小时的CSMA/CD方式所固有的时间问题，在半双工时增大了载波在介质上的持续时间。然而，增加最小CSMA/CD载波时间和以太网时隙也会有负面影响，帧长太短会降低网络效率。一种叫“帧突发(Framebursting)”方式被提出来了。在1Gb/s时，一个工作站可以传输一系列帧而不丢失对传输介质的控制。一旦有一帧被成功传送，传送的工作站就可以传送另一帧而不用去竞争(Contend)介质。传送站在两帧传送的空隙，填上非数据比特，这样就使得接收站能不间断的检测到载波。因为帧之间没有空闲状态，其他工作站就继续推迟自己的传送工作。传送站可以初始化帧的传送，但它有一个特定的时间限制，也就是突发限制(Burstlimit)。它被限制在8192字节。第一个突发帧如果有必要可以添加扩充字节，而其以下的帧就不用。当突发限制到时正在传送的那一帧将继续传送而不会被打断。在帧突发模式中，工作站可以连续传送多帧，增加了有效帧长，这样可以充分利用带宽。
5 自动协商与自适应功能
为了能够在同一个网上连接不同种类的以太网，在IEEE802.3中补充了自动协商功能，当设备加电启动后，首先在连接的链路上发送快速链路脉冲信号FLP，支持自动协商的端口按照共同的优先级最高的工作模式配置。
有良好的兼容性能从1983年制订的IEEE802.3标准到2000年通过的802.3ae规范标准，速率从10Mb/s升至10Gb/s。所制订的标准在兼容性方面已达到即插即用的水平，从而使其成为可普遍采用的网络技术。10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s甚至10Gb/s各种速率可以采用“自动协商”技术在网络中实现运行其中的一种速率，而几乎无须更改其硬件设备。这是PDH、SDH/SONET、ATM技术无法比拟的。
6 以太网存在的问题
802.3以太网协议在接入网和供应商边缘网络起一个非常关键的作用。它的最大优点就是简单，大多数终端用户采用的都是以太网的连接方式。但以太网存在一些固有的缺陷，首先，作为一种链路层技术，以太网实现对网络的管理是很困难的，其缺乏流量工程能力，不能保证共享媒介上的链路带宽，存在生成树问题，这是点对点技术本身具有的缺陷。以太网的业务生成能力也不是很理想。它的面向无连接的特性，对数据业务来说是优点，但也带来了很多的限制。例如，虚拟租用线或透明LAN服务，能通过802.1Q来提供，但是结果很不理想。由于以太网的原设计目标是针对局域网的，所以将其扩展到广域网络时，需要对其作进一步修改和完善。其存在的主要缺陷在于QoS控制、对网络的保护倒换功能以及对网络管理方面支持不足。如果将10G以太网用在广域网络，首先必须保证物理链路具备良好的QoS；
其次还需要满足网络的生存性要求。另一方面，大型广域网络则需要具有较强的网络管理及维护功能，以保证全网能够安全可靠地运行。
[JZ]［参考文献］
［1］ 宽带IP接入网络技术及其应用实例.万博通公司，海洋出版社.
［2］ 王洪等.计算机网络应用教程.北京：机械工业出版社.
［3］ 张惠卿等.10G以太网技术的研究与应用.南京邮电学院学报,2002，22(1).
