什么是以太网,以太网的工作原理

篇一：1以太网介绍及工作原理

以太网的解释

以太网(EtherNet)

以太网最早由Xerox（施乐）公司创建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准，以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，采用的是CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE802.3

IEEE 802.3标准

它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、FDDI和ARCNET。历经100M以太网在上世纪末的飞速发展后，目前千兆以太网甚至10G以太网正在国际组织和领导企业的推动下不断拓展应用范围。

历史

以太网技术的最初进展来自于施乐帕洛阿尔托研究中心的许多先锋技术项目中的一个。人们通常认为以太网发明于1973年，当年罗伯特.梅特卡夫(Robert Metcalfe)给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录。但是梅特卡夫本人认为以太网是之后几年才出现的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs发表了一篇名为《以太网：局域计算机网络的分布式包交换技术》的文章。

1979年，梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开了施乐，成立了3Com公司。3com对迪吉多, 英特尔, 和施乐进行游说，希望与他们一起将以太网标准化、规范化。这个通用的以太网标准于1980年9月30日出台。当时业界有两个流行的非公有网络标准令牌环网和ARCNET，在以太网大潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中，3Com也成了一个国际化的大公司。

梅特卡夫曾经开玩笑说，Jerry Saltzer为3Com的成功作出了贡献。Saltzer在一篇与他人合著的很有影响力的论文中指出，在理论上令牌环网要比以太网优越。受到此结论的影响，很多电脑厂商或犹豫不决或决定不把以太网接口做为机器的标准配置，这样3Com才有机会从销售以太网网卡大赚。这种情况也导致了另一种说法“以太网不适合在理论中研究，只适合在实际中应用”。也许只是句玩笑话，但这说明了这样一个技术观点：通常情况下，网络中实际的数据流特性与人们在局域网普及之前的估计不同，而正是因为以太网简单的结构才使局域网得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾经在麻省理工学院 MAC项目(Project MAC)

的同一层楼里工作，当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文，在此期间奠定了以太网技术的理论基础。

它不是一种具体的网络，是一种技术规范。

该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包，双绞线电缆10 Base T以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。 以太网的分类和发展

1、标准以太网

开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA／CD，Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在IEEE 802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base表示“基带”的意思，Broad代表“带宽”。

·10Base－5 使用直径为0.4英寸、阻抗为50Ω粗同轴电缆，也称粗缆以太网，最大网段长度为500m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base－5组网主要硬件设备有：粗同轴电缆、带有AUI插口的以太网卡、中继器 、收发器、收发器电缆、终结器等。

·10Base－2 使用直径为0.2英寸、阻抗为50Ω细同轴电缆，也称细缆以太网，最大网段长度为185m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base－2组网主要硬件设备有：细同轴电缆、带有BNC插口的以太网卡、中继器、T型连接器 、终结器等。

·10Base－T 使用双绞线电缆，最大网段长度为100m，拓扑结构为星型；10Base－T组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、集线器、交换机、RJ-45插头等。

· 1Base－5 使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps；

·10Broad－36 使用同轴电缆（RG－59／U CATV），网络的最大跨度为3600m，网段长度最大为1800m，是一种宽带传输方式；

·10Base－F 使用光纤传输介质，传输速率为10Mbps；

2、快速以太网

随着网络的发展，传统标准的以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量速度需求。在1993年10月以前，对于要求10Mbps以上数据流量的LAN应用，只有光纤分布式数据接口（FDDI）可供选择，但它是一种价格非常昂贵的、基于100Mpbs光缆的LAN。1993年10月，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fastch10／100和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术正式得以应用。随后Intel、SynOptics、3COM、BayNetworks等公司亦相继推出自己的快速以太网装置。与此同时，IEEE802工程组亦对100Mbps以太网的各种标准，如100BASE－TX、100BASE－T4、MII、中继器、全双工等标准进行了研究。1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u 100BASE－T快速以太网标准（Fast Ethernet），就这样开始了快速以太网的时代。

快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相比它具有许多的优点，最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，那就是快速以太网仍是基于CSMA／CD技术，当网络负载较重时，会造成效率的降低，当然这可以使用交换技术来弥补。 100Mbps快速以太网标准又分为：100BASE－TX 、100BASE－FX、100BASE－T4三个子类。

· 100BASE－TX：是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4B／5B编码方式，信号频率为125MHz。符合EIA586的5类布线标准和IBM的SPT 1类布线标准。使用同10BASE－T相同的RJ－45连接器。它的最大网段长度为100米。它支持全双工的数据传输。

· 100BASE－FX：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光纤（62.5和125um） 多模光纤连接的最大距离为550米。单模光纤连接的最大距离为3000米。在传输中使用4B／5B编码方式，信号频率为125MHz。它使用MIC／FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。它的最大网段长度为150m、412m、2000m或更长至10公里，这与所使用的光纤类型和工作模式有关，它支持全双工的数据传输。100BASE－FX特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环境等情况下的适用。

· 100BASE－T4：是一种可使用3、4、5类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技术。100Base-T4使用4对双绞线，其中的三对用于在33MHz的频率上传输数据，每一

对均工作于半双工模式。第四对用于CSMA/CD冲突检测。在传输中使用8B／6T编码方式，信号频率为25MHz，符合EIA586结构化布线标准。它使用与10BASE－T相同的RJ－45连接器，最大网段长度为100米。

3、千兆以太网

千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。 千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地投资保护。 为了能够侦测到64Bytes资料框的碰撞，Gigabit Ethernet所支持的距离更短。Gigabit Ethernet 支持的网络类型，如下表所示：传输介质 距离

1000Base－CX Copper STP 25m

1000Base－T Copper Cat 5 UTP 100m

1000Base－SX Multi-mode Fiber 500m

1000Base－LX Single-mode Fiber 3000m

千兆以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。

1. IEEE802.3z

IEEE802.3z工作组负责制定光纤（单模或多模）和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X，采用8B/10B编码技术，信道传输速度为1.25Gbit/s，去耦后实现1000Mbit/s传输速度。 IEEE802.3z具有下列千兆以太网标准：

· 1000Base-SX 只支持多模光纤，可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，工作波长为770-860nm，传输距离为220-550m。

· 1000Base-LX 多模光纤：可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，工作波长范围为1270-1355nm，传输距离为550m。

单模光纤：可以支持直径为9um或10um的单模光纤，工作波长范围为1270-1355nm，传输距离为5km左右。

· 1000Base-CX 采用150欧屏蔽双绞线（STP），传输距离为25m。

2. IEEE802.3ab

IEEE802.3ab工作组负责制定基于UTP的半双工链路的千兆以太网标准，产生

IEEE802.3ab标准及协议。IEEE802.3ab定义基于5类UTP的1000Base-T标准，其目的是在5类UTP上以1000Mbit/s速率传输100m。 IEEE802.3ab标准的意义主要有两点：

(1) 保护用户在5类UTP布线系统上的投资。

(2) 1000Base-T是100Base-T自然扩展，与10Base-T、100Base-T完全兼容。不过，在5类UTP上达到1000Mbit/s的传输速率需要解决5类UTP的串扰和衰减问题，因此，使IEEE802.3ab工作组的开发任务要比IEEE802.3z复杂些

4、万兆以太网

万兆以太网规范包含在 IEEE 802.3 标准的补充标准 IEEE 802.3ae 中，它扩展了 IEEE 802.3 协议和 MAC 规范使其支持 10Gb/s 的传输速率。除此之外，通过 WAN 界面子层（WIS：WAN interface sublayer），10千兆位以太网也能被调整为较低的传输速率，如 9.584640 Gb/s （OC-192），这就允许10千兆位以太网设备与同步光纤网络（SONET） STS -192c 传输格式相兼容。

· 10GBASE-SR 和 10GBASE-SW 主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤距离为 2m 到 300 m 。

10GBASE-SR 主要支持“暗光纤”（dark fiber），暗光纤是指没有光传播并且不与任何设备连接的光纤。

10GBASE-SW 主要用于连接 SONET 设备，它应用于远程数据通信。

· 10GBASE-LR 和 10GBASE-LW 主要支持长波（1310nm）单模光纤（SMF），光纤距离为 2m 到 10km （约32808英尺）。

10GBASE-LW 主要用来连接 SONET 设备时，

10GBASE-LR 则用来支持“暗光纤”（dark fiber）。

· 10GBASE-ER 和 10GBASE-EW 主要支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），光纤距离为 2m 到 40km （约131233英尺）。

10GBASE-EW 主要用来连接 SONET 设备，

10GBASE-ER 则用来支持“暗光纤”（dark fiber）。

· 10GBASE-LX4 采用波分复用技术，在单对光缆上以四倍光波长发送信号。系统运行

篇二：1.2 以太网基本概念及原理

课程 BA000007

以太网技术

ISSUE1.0

Huawei Technologies

目 录

课程说明 ....................................................................................................................................... 1

课程介绍 .......................................................................................................................................1

课程目标 .......................................................................................................................................1

第1章 概述 ................................................................................................................................... 2

1.1 以太网技术起源 ......................................................................................................................2

1.2 以太网的设计目标 ..................................................................................................................3

1.3 以太网基本技术 ......................................................................................................................3

1.3.1 半双工CSMA/CD .......................................................................................................3

1.3.2 以太网的物理介质 .......................................................................................................4

1.3.3 全双工以太网和以太网交换机 .....................................................................................4

1.3.4 以太网的应用 ...............................................................................................................5

1.4 以太网物理层及相关设备 .......................................................................................................6

1.4.1 物理层系列标准 ...........................................................................................................6

1.4.2 100BASE-TX物理层 ...................................................................................................7

1.4.3 自动协商 ......................................................................................................................8

1.4.4 集线器 ..........................................................................................................................9

1.5 物理层总结 .......................................................................................................................... 10

第2章 数据链路层 ..................................................................................................................... 11

2.1 数据链路层特点 ................................................................................................................... 11

2.2 以太网链路层的分层结构 .................................................................................................... 11

2.3 MAC子层 ............................................................................................................................ 12

2.3.1 半双工MAC子层 ...................................................................................................... 12

2.3.2 全双工MAC子层 ..................................................................................................... 13

2.3.3 MAC地址和数据帧的收发 ........................................................................................ 14

2.4 LLC子层 ............................................................................................................................. 15

2.5 以太网数据链路层总结 ........................................................................................................ 17

第3章 以太网交换机 ................................................................................................................. 18

3.1 以太网交换机体系结构 ........................................................................................................ 18

3.2 以太网交换机工作过程 ........................................................................................................ 19

第4章 VLAN基本概念 ............................................................................................................... 21

4.1 VLAN的划分方式 ................................................................................................................ 21

4.1.1 基于端口的VLAN .................................................................................................... 21

4.1.2 基于MAC地址的VLAN .......................................................................................... 21

4.2 交换机间链路 ...................................................................................................................... 22

4.2.1 802.1Q帧格式 .......................................................................................................... 23

4.2.2 数据帧在不同类型端口之间的转发 ........................................................................... 24

4.2.3 VLAN在交换机上的配置 .......................................................................................... 25

4.3 以太网的QoS保证 ............................................................................................................. 25

第5章 千兆以太网 ...................................................................................................................... 27

5.1 千兆以太网基本概念 ........................................................................................................... 27

5.1.1 8B10B编码............................................................................................................... 27

5.1.2 有序集 ....................................................................................................................... 27

5.1.3 数据的封装 ............................................................................................................... 28

5.2 千兆以太网自动协商内容 .................................................................................................... 29

5.2.1 双工模式 .................................................................................................................. 29

5.2.2 流量控制 .................................................................................................................. 29

5.2.3 运行速率 ................................................................................................................... 30

5.3 千兆以太网自动协商过程 .................................................................................................... 30

5.3.1 功能编码 ................................................................................................................... 30

5.4 千兆以太网案例分析 ........................................................................................................... 31

第6章 二层组播 ......................................................................................................................... 33

6.1 二层组播基本概念 ............................................................................................................... 33

6.1.1 组播MAC地址 ......................................................................................................... 33

6.1.2 MAC层数据帧的接收 ............................................................................................... 34

6.1.3 组播转发表 ............................................................................................................... 34

6.2 二层组播协议 ...................................................................................................................... 35

6.2.1 IGMP协议 ................................................................................................................ 35

6.2.2 GMRP协议............................................................................................................... 37

6.3 总结 ..................................................................................................................................... 37

第7章 生成树协议 ..................................................................................................................... 39

7.1 广播风暴 .............................................................................................................................. 39

7.2 生成树协议基本概念 ........................................................................................................... 40

7.2.2 根交换机 ................................................................................................................... 40

7.2.3 交换机标识和交换机优先级 ..................................................................................... 40

7.2.4 端口成本和端口优先级 ............................................................................................ 41

7.2.5 根端口 ...................................................................................................................... 41

7.2.6 指定交换机和指定端口 ............................................................................................ 41

7.3 生成树协议的运行过程 ........................................................................................................ 42

附录 缩略词表 ............................................................................................................................ 44

课程介绍

课程目标 课程说明 本课程是宽带网络产品工程师培训的公共课程。 本课程较全面的介绍了以太网的相关知识，包括以太网的物理层、数据链路层、VLAN、千兆以太网、生成树协议等等。?

完成本课程学习，学员能够：

? 了解以太网物理层的工作过程了解二层组播协议和生成树协议的工作过

程掌握802.1Q帧格式和各个字段的含义

? 掌握以太网口自协商的原理。

BA000007 以太网技术 ISSUE1.0

第1章 概述

第1章 概述

自从1946年第一台数字计算机问世到现在，经历了半个多世纪的时间。在这半个世纪的里程中，计算机技术的发展大体经历了三个成熟的阶段：第一个阶段是大型机时代，典型的是运行UNIX操作系统的大型计算机，该机器带很多终端，每个用户占用一个终端，大型机采用分时的技术为每个终端轮流服务，在用户看来自己单独享用了一个完整的计算机，这种体系结构主要用于科研机构来进行大量的数学运算。第二个阶段是客户服务器阶段，也就是所谓的C/S结构。最有代表性的是NOVELL公司的NetWare操作系统，这个系统分为服务器和客户机两部分，服务器软件安装在一台性能比较高的服务器上，客户机软件则安装在工作中终端上（一般是基于DOS操作系统的PC机），这些服务器和客户机通过网络连接起来，达到文件和数据库共享的目的，后来的WINDOWS NT也是基于这样的体系结构，但是在软件上引入了一些分布式的处理体系。第三个阶段，也就是目前所处的阶段，是网络阶段。这个阶段的特点是，计算机之间的互连越来越复杂，不但互连的速度有很大提高（达到100M），而且在地理位置上也跨越了地域，通过高速专线把处于不同城市，甚至是不同国家的计算机网络连接起来。这样复杂的网络对网络设备提出了很高的要求。

从上面的分析可以看出，在第二和第三阶段中，必须有一种技术来把本地的许多计算机连接起来。这种技术就是所谓的局域网技术。到目前为止，存在许多种局域网技术，比如令牌环，令牌总线，以太网等等。在这些技术当中，以太网技术以其简明，高效的特点逐渐占据了主导地位。

1.1 以太网技术起源

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。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。

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