以太網技術基礎講解（一）

1 起源

起源於Xerox公司的一個實驗網，該實驗網絡的目的是把幾臺個人計算機以3M的速率連接起來。由於該實驗網絡的突出表現，DEC，Intel，Xerox三家公司最終在1980年發佈了第一個以太網協議標準建議書。

該建議書的核心思想是：在一個10M帶寬的共享物理介質上，把最多1024個計算機和其他數字設備進行連接，當然，這些設備之間的距離不能太大（最大2.5公里）。

2 發展

2.1 共享式總線以太網

早期的以太網標準是採用同軸線作為傳輸介質，網絡是一種串聯式共享總線網絡如圖 1所示。

圖1 共享總線以太網

網絡中所有主機的收發都依賴於同一套物理介質，即共享介質。同一時刻只能有一臺主機在發送，各主機通過遵循CSMA/CD規則來保證網絡的正常通訊。該網絡模式有一個致命缺陷那就是：電纜上的設備是串連的，單點的故障可以導致這個網絡的崩潰。

IEEE的標準為：10Base5，10Base2。

10 →傳輸速度為10Mbps

Base →傳輸信號調製方式為基帶調製

5/2 →傳輸距離為500/200米。

2.2 交換式以太網

80年代末期，非屏蔽雙絞線（UTP）出現，並迅速得到廣泛的應用。UTP的巨大優勢在於：

邏輯拓撲依舊是總線的，但物理拓撲變為星形，使得網絡佈線變得簡單。

a) 價格低廉，只有同軸電纜的幾分之一。

b) 製作簡單，成功率高。

c) 收發使用不同的線纜，為實現全雙工奠定了物質基礎；

d) 網絡由共享式總線以太網向交換式以太網轉變。

圖2 交換式以太網

交換式以太網具有以下特點

a) 擴展了網絡帶寬。

b) 分割了網絡衝突域，使得網絡衝突被限制在最小的範圍內。

c) 交換機作為更加智能的交換設備，能夠提供更多用戶所要求的功能：優先級、虛擬網、遠程檢測……

2.3 以太網發展歷程

40年以來，以太網速度的迅速提高，從10Mbps向100Mbps、1000Mbps、10000Mbps併到40G/100G。並且技術的發展，以太網正從局域網走向廣域網。

圖3 以太網技術發展歷程

以太網相關標準規範：

a) IEEE802.3 以太網標準

b) IEEE802.3u 100BASE-T快速以太網標準

c) IEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太網標準

d) IEEE802.3ae 10GE以太網標準

e) IEEE802.3ba 40G/100G以太網標準

以太網速度的迅速提高

3 以太網基礎

3.1 以太網地位

以太網是一種局域網通信技術，在OSI七層模型定義於物理層和數據鏈路層，在TCP/IP四層模型中處於網絡接口層。在網絡中，。OSI七層模型制定的過於龐大複雜招致許多批評，而技術員自己開發的TCP/IP四層模型更貼近實用，獲得了更廣泛的推廣。

圖4 OSI七層模型

圖5 TCP/IP模型

3.2　 以太網幀組成

由歷史原因，以太網幀格式多達5種，實際使用中，今天的大多數TCP/IP應用都是用Ethernet II幀格式（IEEE802.3-1997改回了對這一格式的兼容），而交換機之間的BPDU（橋協議數據單元）數據包則是IEEE802.3/LLC的幀，VLAN Trunk協議如802.1Q和Cisco的CDP（思科發現協議）等則是採用IEEE802.3SNAP的幀。

Ethernet V1（1980）

這是最原始的一種格式，是由Xerox PARC提出的3Mbps以太網標準的封裝格式，後來在1980年由DEC，Intel和Xerox標準化形成Ethernet V1標準。

b) Ethernet V2/Ethernet II (ARPA，1982)

由DEC，Intel和Xerox在1982年公佈其標準，主要更改了EthernetV1的電氣特性和物理接口，在幀格式上並無變化；Ethernet V2出現後迅速取代Ethernet V1成為以太網事實標準；Ethernet V2幀頭結構為6字節的目標地址+6字節的源地址+2字節的協議類型字段+數據，如圖 6所示。

圖6 Etherne V2以太網幀格式

RAW 802.3（Novell，1983）

私有協議，不僅僅做技術的人有個性，技術公司有時候也很有個性，1983年Novell發佈其劃時代的Netware/86網絡套件時採用的私有以太網幀格式，該格式以當時尚未正式發佈的802.3標準為基礎（實力強，有時候就是任性）；但是當兩年以後IEEE正式發佈802.3標準時情況發生了變化，IEEE在802.3幀頭中又加入了802.2 LLC(Logical Link Control)頭，這使得Novell的RAW 802.3格式跟正式的標準互不兼容，該格式中將Ethernet V2格式中的type字段改為length字段，因為RAW 802.3幀只支持IPX/SPX一種協議。

IEEE802.3/802.2 LLC（1985）

這是IEEE 正式的802.3標準，它由Ethernet V2發展而來。它將Ethernet V2幀頭的協議類型字段替換為幀長度字段(取值為0000-05dc；十進制的1500)，如此一來喪失了與Ethernet V2的兼容性，並且導致只能封裝一種上層服務，即LLC；並加入802.2 LLC頭用以標誌上層協議，LLC頭中包含DSAP，SSAP以及Crontrol字段。

圖7 LLC以太網幀格式

IEEE802.3/802.2 SNAP（1985）

這是IEEE為保證在802.2 LLC上支持更多的上層協議同時更好的支持IP協議而發佈的標準，與802.3/802.2 LLC一樣802.3/802.2 SNAP也帶有LLC頭，但是擴展了LLC屬性，新添加了一個2Bytes的協議類型域（同時將SAP的值置為AA），從而使其可以標識更多的上層協議類型；另外添加了一個3Bytes的OUI字段用於代表不同的組織，RFC 1042定義了IP在802.2網絡中的封裝方法和ARP協議在802.2 SANP中的實現。

圖8 802.3 SNAP以太網幀格式

SFD：開始定界符

DSAP：目標服務訪問點

SSAP：源服務器訪問點

Control：控制信息

3.3 雙絞線傳輸

雙絞線由兩根絕緣銅導線相互纏繞而成。兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起，可降低信號干擾的程度，每一根導線在傳輸中輻射的電波也會被另一根線上發出的電波抵消。把一對或多對雙絞線放在一個絕緣套管中便成了雙絞線電纜，在局域網中常使用4對雙絞線組成以太網電纜。

圖9 雙絞線

實際應用中，我們常使用的網線是非屏蔽雙絞線，絕緣套管中無屏蔽層，該線纜價格低廉，用途廣泛。該線纜一般採用銅合金製做，也有采用純銅製造，純銅的雙絞線較軟，成本較高。

圖10 非屏蔽雙絞線

在一些高要求場合中，我們還使用屏蔽雙絞線，絕緣套管中外層由鋁鉑包裹，以減小輻射，價格相對較高。

圖11 屏蔽雙絞線

雙絞線標準

CAT-1/2/3/4：1/2/3/4類雙絞線，目前已淘汰

CAT-5：5類雙絞線，可用於100M以太網傳輸

CAT-5e/6：超5類/6類雙絞線，可用於1,000M以太網傳輸

CAT-6A：超6類雙絞線，可用於10,000M以太網傳輸

CAT-7：7類雙絞線，可用於更高標準（大於等於10,000M）以太網傳輸必須對雙絞線進行屏蔽。

接口類型與線序定義

以太網常見接口類型採用RJ45水晶頭，如圖 8所示。

圖12 RJ45水晶頭

以太網線纜接口線序包括兩種568B與568A兩種，所以在實際應用中以太網線纜分為直連線纜（兩頭都是568B或568A，常見的都是採用568B）與交叉線纜（一頭是568B另一頭是568A）。以太網線採用8種線色來進行區分，其中橙白、橙為一對雙絞線，綠白、綠為一對雙絞線，藍白、藍為一對雙絞線，棕白、棕為一對雙絞線，在100M以太網中只需要橙白、橙、綠白、綠為兩對雙絞線。

直連網線，常用於不同種設備連接，定義如下表 1。

表1 直連網線定義

交叉網線，常用於同種設備連接，如兩臺計算機，定義如下表 2。

表2 交叉網線定義

在實際應用中，有部分小企業為了節省成本，使用一根網線，把以太網以及電話線都通過一根網線來完成。及橙白、橙、綠白、綠為兩對雙絞線用於傳輸以太網數據，在使用藍白、藍或者棕白、棕這兩對雙絞線傳輸電話語音。

在實際中，我們還會見到某些網絡設備廠商用兩個水晶頭製造console線，這類線纜外形與網線一樣，可不能做為網線使用，僅用於管理設備，這類console線纜採用的是RS232串行通信協議。

Auto MDI/MDIX雙絞線自適應

現在，幾乎大部分廠家都會對設備的以太網口採用雙絞線自適應設計即自動檢測連接到自己接口上的雙絞線類型（直通線或交叉線），並自動進行調節。

所以，實際使用過程中，兩臺同種設備免去了必須使用交叉線，異構設備必須使用直通線的煩惱。

3.4 光纖概述

是一種利用光在玻璃或塑料製成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至於斷裂。

光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞的介質。

光纖分為單模光纖與多模光纖，

單模光纖的幾何尺寸可以與光波長相比擬，即纖芯的幾何尺寸與光信號波長相差不大時，一般為5~10um，光纖只允許一種模式在其中傳播，單模光纖具有極寬的帶寬，特別適用於大容量、長距離的光纖通信

多模光纖纖芯的幾何尺寸遠大於光波波長，一般為50um、62.5um；光信號是以多個模式方式進行傳播的；多模光纖僅用於較小容量、短距離的光纖傳輸通信

圖13 單模與多模光纖工作模式

光纜概述

是由多根光纖和塑料保護套管及塑料外皮構成，一般用於戶外鋪設。

圖14 光纜示意圖

光纖跳線

帶有連接器與保護層的光纖一般被稱為光纖跳線，一般用於設備內部板卡與設備插座或者室內兩臺設備短距離鏈接。

光纖跳線顏色一般分類。

黃色：單模光纖

橙色：多模光纖

圖15 光纖實物圖

光纖跳線連接器分類

圖15 光纖跳線連接器

由於篇幅問題，關於以太網相關知識明天會繼續更新！