【科普】以太网技术简介

硬件电子工程师 · 发表于 2023-7-16 23:25:00

1. 以太网技术特点
以太网技术起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个人计算机以 3M 的速率连接起来。由于该实验网络的成功建立和突出表现，引起了 DEC，Intel，Xerox 三家公司的注意，这三家公司借助该实验网络的经验，最终在 1980 年发布了第一个以太网协议标准建议书。

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该建议书的核心思想是在一个 10M 带宽的共享物理介质上，把最多 1024 个计算机和其他数字设备进行连接，当然，这些设备之间的距离不能太大（最大 2.5 公里）。
之后，以太网技术在 1980年建议书的基础上逐渐成熟和完善，并逐渐占据了局域网的主导地位。以太网的特点可以总结如下：
（1）简明性，这是以太网技术最大的特点，正是因为简明性为将来的统治地位奠定了基础；（2）低成本，成本不要太高，一般的单位能够有能力购买需要的部件来组建网络；（3）兼容性，不应该对网络层实现施加任何限制，即以太网的所有功能都在数据链路层实现；
（4）寻址灵活，应该有一种机制来确定网络中的一台计算机、全部计算机或一组计算机；
（5）公平，各个终端应该公平的享有带宽；
（6）高速，当时来说，10M 的速率已经是个天文数字了，所以把以太网的共享总线带宽设计为 10M；
（7）分层结构，数据链路层协议不应该随物理介质的不同而变化；
（8）全双工，随着以太网技术的发展，共享介质技术（即半双工）已经逐渐不能满足需求，需要效率更高的全双工技术；
（9）差错控制，该技术应该能够发现传输中的错误并进行纠正，如果不能纠正，则丢弃接收到的数据；
（10）速度灵活性，不应该局限在 10M 的速率上，应该能适应不同的速率；
（11）优先级，网络设备应该能对一些关键性的业务提供优先可靠的传输。

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2. 以太网相关标准组织1980年IEEE制订了802计划，其目标是为LAN技术标准化提供广泛的工业框架。IEEE802又称为LMSC（LAN /MAN Standards Committee，局域网/城域网标准委员会），致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层规范，对应OSI参考模型的下两层。LMSC执行委员会（Executive Committee）又下设工作组（Working Group）、研究组（Study Group）、技术顾问组（Technical Advisory Group）等等。
我们熟知的IEEE 802的标准，其标准草案首先在WG内进行投票，当达到75%以上同意后，则视为通过，提交到LMSC进行Sponsor Ballot的投票。在LMSC投票过程中，如果90%以上同意，则视为通过，IEEE 802就可以将其发布为正式的标准，如IEEE 802.2、IEEE802.3、IEEE 802.11。IEEE 802一般会将他们的标准提交到ISO（国际标准化组织），ISO采纳后会以ISO的名义发布，如已经被ISO接受并发布的标准有：ISO/IEC 8802-1、ISO/IEC8802-2、ISO/IEC 8802-3、ISO/IEC 8802-5、ISO/IEC 8802-11等。

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1985 年，以太网协议首次成为 IEEE 标准（编号为 802.3），从此产生了大量的修订版和增补版。其增补的版本如下：
（1）IEEE802.3 定于 1985 年－－10M 速率，采用同轴电缆作为传输介质
（2）IEEE802.3i 定于 1990 年－－10M 速率，采用双绞线作为传输介质
（3）IEEE802.3u 定于 1995 年－－ 100M 速率，采用双绞线作为传输介质
－－ 100M 速率，采用光纤作为传输介质
（4）IEEE802.3z 定于 1998 年－－ 1000M 速率，采用光纤作为传输介质
（5）IEEE802.3ab 定于 1999 年－－ 1000M 速率，采用双绞线作为传输介质
（6）IEEE802.3ae 定于 2001 年－－ 10G 速率，采用光纤作为传输介质
（7）IEEE802.3ba 定于 2008 年－－ 100G 速率，采用光纤作为传输介质
IEEE802.3标准已被ANSI采用为美国国家标准，被NIST采用为政府标准，并且被ISO作为国际标准，称之为ISO 8802。这些标准在物理层和MAC子层上有所不同，但在数据链路层上是兼容的。这些标准分成几个部分。802.1标准对这组标准做了介绍并且定义了接口原语；802.2标准描述了数据链路层的上部，它使用了逻辑链路控制LLC(logical link control)协议。802.3到802.5分别描述了3个局域网标准，分别是CSMA/CD、令牌总线和令牌环标准，每一标准均包括物理层和MAC子层协议。
3. 以太网在 OSI 七层模型中的位置按照OSI七层参考模型，互连的各个系统把各个网络功能分七个层次实现。各个层次之间相互独立互不干扰，这样就可以实现最大限度的开放和灵活性。设备厂家只要按照层次之间的接口生产设备，就可以做到互通。因此这个七层模型是高效权威的，目前大多数网络技术都是参照这个模型进行设计和开发的。

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但在以太网体系结构中，七层模型中层次之间互相独立的规则就不适用了。因为开始的时候，以太网采用了一种共享介质的方式来进行数据通信，而不是传统的全双工通信。
随着设备的发展，以太网中又引入了全双工模式的通信，在这样两种通信模式并存的情况下，再进行层次间的严格划分就不容易了。
以太网针对不同的双工模式提供不同的介质访问方法，在半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式，而在全双工模式下则可以直接进行收发而不用预先判断链路的忙闲状态。这里需要注意的是：以太网中半双工和全双工是物理层的概念，而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念。这样就形成了以太网的一个重要特点：数据链路层和物理层是相关的，针对物理层的不同工作模式（全双工和半双工）需要提供特定的数据链路层来访问。这样就导致了数据链路层和物理层有很大的相关性，给设计和应用带来不便。
为了避免这种不便，以太网采用了另外一种方式，就是把数据链路层再进行分层。分为逻辑链路控制子层（LLC ）和媒体访问控制子层（MAC ），这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层则可以完全独立。
下面以100M或1000M为例，对MAC子层和PHY层的术语进行解释：

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图 1-1 100M 和 1000M 以太网在 OSI 模型中的位置
AUI（Attachment Unit Interface）：附加单元接口，是连接在计算机网卡和网线之间的一个十五针的接口。在10BASE-5网络（细以太网）中，各网线之间通过中继器相连。以太网标准IEEE 802.3定义了附加单元接口的物理层标准。这种15针的附加单元接口也被称为DB-15接口或DIX接口，之所以称为DIX是因为定义以太网标准的三家公司DigitalEquipment Corporation,Intel,Xerox的首字母分别为D、I、X。
MAU（Medium Attachment Unit）：媒体附加单元。在最初的粗电缆以太网中，MAU典型地夹到以太网电缆上。在大部分现代交换或集线以太网系统中，没有MAU或AUI接口存在，CAT5电缆直接连接到一个在主机或路由器上的以太网插口上。
MII（Media Independent Interface）：媒体独立接口，用于10/100M以太网MAC与PHY互联。MII支持3种互联方式：PCB板内互联、母板和子卡间互联以及板间通过电缆互联。
GMII（Gigabit Media Independent Interface）：吉比特媒体独立接口，是 MII 的扩展，用于 1000M 以太网 MAC 与 PHY 的 PCB 板内互联。GMII 的时钟速度为 125MHz。GMII 的 GTX_CLK 与 MII 的 TX_CLK 方向是不同的，要想做到 10M，100M，1000M兼容需要多接一根百兆发送时钟。
MDI（MEDIUM DEPENDENT INTERFACE）：媒体相关接口。每种以太网标准都定义了自己的 MDI，分别对应各种传输介质。
（1）10BASE2 运行在同细轴电缆上的10M以太网。
（2）10BASE5 运行在同粗轴电缆上的10M以太网。
（3）10BASE-T 运行在两对三类双绞线上的10M以太网。
（4）10BASE-F 运行在光纤上的10M以太网。
（5）100BASE-TX 运行在两对五类双绞线上的快速以太网。
（6）100BASE-T4 运行在四对三类双绞线上的快速以太网。
（7）100BASE-T2 运行在两对三类双绞线上的快速以太网。
（8） 100BASE-FX 运行在光纤上的快速以太网。
（9） 1000BASE-CX 运行在同轴电缆上的1000M以太网。
（10）1000BASE-X 运行在光纤上的1000M以太网。
（11）1000BASE-T 运行在四对五类双绞线上的1000M以太网。
（12） 10GBASE-SR 运行在光纤上的10G以太网。
（13）10GBASE-LR 运行在光纤上的10G以太网。
（14） 10GBASE-ER 运行在光纤上的10G以太网。
（15）40GBASE-KR4 运行在电背板上的40G以太网。
（16）40GBASE-CR4 运行在专用电缆上的40G以太网。
（17）100GBASE-CR10 运行在专用电缆上的100G以太网。
（18）40GBASE-SR4 运行在光纤上的40G以太网。
（19）100GBASE-SR10 运行在光纤上的100G以太网。
（20） 40GBASE-LR4 运行在光纤上的40G以太网。
（21）100GBASE-LR4 运行在光纤上的100G以太网。
（22）100GBASE-ER4 运行在光纤上的100G以太网。
上述标准中有些已经被淘汰，有的用的很少。现在主流的传输介质是双绞线和光纤。
PLS（PHYSICAL LAYER SIGNALING）：物理层信令，10Mbase-T 中的可选子层，用于LLC 和 MAU 之间的逻辑和功能耦合。
PCS（PHYSICAL CODING SUBLAYER）：物理编码子层，位于 MII/GMII 与 PMA 之间，进行数据的编解码。
PMA（PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT）：物理介质连接子层，位于 PCS 与 PMD 之间，负责数据的收发，冲突检测，时钟恢复等。
PMD（Physical Medium Dependent）：物理介质相关子层，直接与MDI相连，负责具体信号的处理。
PHY（Physical Layer entity）：PCS、PMA、PMD 三部分组成 PHY。
万兆以太网有两种不同的物理层：局域网物理层和广域网物理层，这两种物理层的数据率并不一样。局域网物理层使用简单的编码机制在暗光纤(Dark fiber)和暗波长(Dark wavelength)上传送数据。而广域网物理层则需要增加一个 SONET/SDH 组帧子层，以便利用SONET/SDH 作为第一层来传送数据。下面介绍与百兆千兆不同的几个概念。
XGMII：包括 10GBase-R、10GBase-RW 等。10GBase-SR/SW 传输距离按照波长不同由 2～300m。10GBase-LR/LW 传输距离为 2m～10km。10GBase-ER/EW 传输距离为 2m～40km。它们各自对应不同的串行局域网物理层设备。
WIS（广域网接口）子层：WIS 子层是可选的物理子层，可用在 PMA 与 PCS 之间，产生适配 ANSI 定义的 SONET STS-192C 传输格式或 ITU 定义 SDH VC-4-64c 容器速率的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。
RS（协调子层）：协调子层的功能是将 XGMII 的通路数据和相关控制信号映射到原始 PLS 服务接口定义(MAC/PLS)接口上。XGMII 接口提供了 10Gbps MAC 和物理层间的逻辑接口。XGMII 和协调子层使 MAC 可以连接到不同类型的物理介质上。
FCS（前向纠错子层）：前向纠错子层是可选的物理子层，可用在 PMA 和 PCS 子层之间，以保证数据的正常传输。

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