第5章 计算机网络实用技术
5.3 快速/高速局域网
5.3.1 快速成以太网
1.100BASE-T媒体访问控制方法
IEEE于1995年通过了100Mbps快速以太网的100 BASE-T标准，并正式命名为IEEE802.3u标准，作为对IEEE802.3标准的补充。100BASE-T标准不但在最大程度上保持了IEEE802.3标准的完整性，而且保留了核心以太网的细节规范。
虽然100BASE-T仍采用常规10Mbps以太网的CSMA/CD媒体访问控制方法，但其性能是10BADE-T的10倍，而价格仅为其一半。100BASE-T的MAC与10BASE-T的MAC相比，除了帧际间隙缩短到原来的1/10外，两者的帧格式及参数完全相同。100BADE-T的MAC出可以运行于不同的速率，并能与不同的物理层接口。这样，原先10Mbps以太网上运行的软件不加任何修改即可在快速以太网上运行，原先的协议分析和管理工具也可轻易地被继承。
为了能成功地进行冲突检测，100BASE-T也必须满足“最短帧长冲突检测时间*数据传输速率”的关系。其中的冲突检测时间等于网络中最大传播时延的2位。100BASE-T与10BASE-T的MAC帧相同，两者的最短帧长均为64字节（512比特），但由于100BASE-T的数据速率提高了10位，故相应的冲突检测时间缩短为10BASE-T的1/10，由此整个网络的直径（任何两站点间的最大踯）也减小到10BASE-T的1/10。
2.100BASE-T的物理层
100BASE-T和10BADE-T的区别在物理层标准和网络设计方面。100BASE-T的物理层包含三种媒体选项：100BASE-TX、100BASE-FX和100BADE-T4，见表5.1。
（1）100BASE-TX和100BASE-FX。100BADE-TX和100BASE-FX均采用两对链路，其中一对用于发送，另一对用于接收，每对链路实现单方向的100MBPS数据速率。100BASE-TX使用屏蔽双绞线或5类非屏蔽双绞线，100BASE-FX则使用光纤。
100BASE-TX和100BASE-FX都使用高效4B/5B NRXI编码。NRZI为差分不归零制编码，这种编码与常规的不归零制（NRZ）编码的区别在于每个“1”码开始处都有跳变、每个“0”码开始处没有跳变。在NRZI编码中的，信号通过相邻码元极性的跳变来解码，而不是简单地绝对电平为准，由此可获得更高的抗干扰能力。
（2）100BASE-TT4。10BASE-T4是为在低质量要求的3类非屏蔽双绞线上实现100MBPS数据速率而设计的，该规范也可使用4类或5类非屏蔽双绞线。
要想直接用一对3类非屏蔽双绞线获取100MBPS的数据速率几乎是不可能的。因此，100BASE-T4采用一种称为8B/6T的编码方案。该方案将原始数据流分为3股子数据流，经4对子信道D1--D4传输，每个子信道的数据速率为33.3MBPS。其中D1、D3、D4用于发送，D2，D3,D4用于接收。因此，D3\D4被配置为双向传输。另外，D2既用于接收，有用于冲突检测。每个子信道中，将每8为数据为单位影谢成一个6位的信号码组，这样，子信道的信号传输速率便为33.3×（6/8)=25Mbaud。
5.3.2 千兆以太网
随着多媒体技术,网络分布计算,桌面视频会议等应用的不断发展,用户对局域网的带宽提出了更高的要求;同时,100M快速以太网也要求主干网,服务器一级有更高的带宽.另外,由于以太网的简单,使用,廉价及应用 的广泛应用性,人们有迫切要求高网速技术与现有的以太网保持最大的兼容性.千兆以太网技术就是在这种需求背景下开始酝酿的.1996年3月成立的IEEE802.3Z工作组，专门负责千兆以太网的研究，并制定相应标准。
千兆以太网使用原有以太网的帧结构、帧长及CSMA/CD协议，只是在低层将数据速率提高到了1Gbps。因此，它与标准以太网（10Mbps）及快速以太网（100Mbps）兼容。用户能在保留原有操作系统、协议结构、应用程序及网络管理平台与工具的同时、通过简单的修改，使现有的网络工作站廉价地升级到千兆位速率。
1、千兆以太网的物理层协议
千兆以太网的物理层协议包括1000BASE－SX、1000BASE-LX、1000BASE-CE、和1000BASE-T等标准。
（1)1000BASE-SX。使用芯径为50及6.2微米,工作波长为850nm的多模光纤,采用8B/10B编码方式,传输距离分别为525m、和260m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。
（2）1000BASE－LX。使用芯径为50及62.5微米的多模、单模光纤，工作波长为1300m,采用8B／1B编码方式，传输距离分别是525m、550m、和3000m，主要用于校园主干网。
（3）1000BASE-CE。使用15欧姆平衡屏蔽双绞线（STP)，采用8B/10B编码方式，传输速率为1.25Gbps, 传输距离为25m,主要用于集群设备的连接，如一个交换机房的设备互联。
（4）1000BASE-T。使用4对5类非平衡屏蔽双绞线（UTP)，传输距离为100m,主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的UTP电缆。
2.千兆以太网的MAC子层
MAC子层的主要功能包括数据帧的封装／御载、帧的寻址与识别,帧的解收与发送,链路的管理、帧帧的差错控制及MAC协议的维护。
千兆以太网的帧结构与标准以太网的帧结构相同，其最大帧长为1518字节，最小帧长为46字节。
千兆以太网对媒体的访问采用全双工和半双工两种方式。全双工方式适用于交换机到交换机或交换机到站点之间点－点连接，两点间可以同时进行发送与接收，不存在共享信道的争用问题，所与不需采用CSMA/CD协议。半双工协议则适用于共享媒体的连接方式，仍采用CSMA/CD协议解决信道的争用问题。
千兆以太网的诗句传输率为快速以太网的10倍，若要保持两者最小帧长的一致性，势必大大缩小千兆以太网的网络直径；若要维持网络直径为200m,则最小帧长要512字节。为了确保最小帧长为64字节，同时维持网络直径为200M，千兆以太网采用了载波扩展和数据报分组两种技术。
载波扩展技术用于半双工的CSMA/CD方式，实现方法是对小于512字节的帧进行载波扩展，使这种帧所占用的时间等同与长度为512字节的帧所占用的时间。虽然载波扩展信号不携带数据，但由于他的存在保证了200M的网络直径。对于≥512字节的帧，不必添加载波扩展信号。若大多数帧短于512字节，则载波扩展技术会使带宽利用率下降。
数据包分组技术允许站点每次发送多帧，而不是一次发送一帧。若多个连续的数据帧短于512字节，仅其中的第一帧需要添加载波扩展信号。一旦第一帧发送成功，则说明发送信道已打通，其后续帧就可不加载波扩展连续发送，只需帧间保持12字节的间期即可。
由于全双工方式不存在冲突问题，所以不需要任何处理机可传输64字节的最小数据帧。
3.千兆以太网的特点
一方面为了保持从标准以太网、快速以太网到千兆以太网的平滑过渡，另一方面又要兼顾新的应用核心的数据类型，在千兆以太网的研究过程中注意以下特点：
⑴.简易性：千兆以太网保持了经典以太网的技术原理、安装实施和管理维护的简易性，这是千兆以太网成功的基础之一。
⑵.技术过渡的平滑性：千兆以太网保持了经典以太网的主要技术特征，采用CSMA/CD媒体管理协议，采用相同的帧格式及帧的大小，支持全双工、半双工工作方式，以确保平滑过渡。
⑶.网络可靠性：保持经典以太网的安装、维护方法，采用中央集线器和交换机的星形结构和结构化布线方法，以确保千兆以太网的可靠性。
⑷.可管理性和可维护性：采用简易网络管理协议(SNMP)即经典以太网的故障查找和排除工具，以确保千兆以太网的可管理性和可维护性。
⑸.网络成本包括设备成本、通信成本、管理成本、维护成本及故障排除成本。由于继承了经典以太网的技术，使千兆以太网的整体成本下降。
⑹.支持新应用与新数据类型：计算机技术和应用的发展，出现了许多新的应用模式，对网络提出了更高的要求。为此，千兆以太网必须具有支持新应用与新数据类型的能力。