第3章 高速局域网设计与安装

3.1 高速局域网技术概述

以太网（Ethernet）是一种流行的计算机局域网组网技术。经过30多年的发展，以太网从共享10 Mbps发展为全双工100 Mbps/1000 Mbps，以及10 Gbps以太网，成为高速局域网主流技术。

3.1.1 以太网技术概述

以太网（Ethernet）技术是在1973年由施乐（Xerox）公司提出并实现的数据通信技术，其数据传输速率为2.94 Mbps。随后几年中，在Xerox、Digital和Intel的共同努力下，在1982年推出了10 Mbps DIX以太网标准。在这个技术规范的基础上，国际上的标准化组织于1985年发布了IEEE 802.3标准，传输速率是10 Mbps，传输介质采用同轴电缆（粗缆、细缆）。1986年通信介质扩展为非屏蔽双绞线（UTP），称为10Base-T标准（T表示双绞线）。

由于支持10Base-T的集线器和交换机工作十分可靠，使得这种技术和10Base-T标准得到了迅速推广。802.3支持共享介质上的半双工传输，并采用CSMA/CD协议来解决信息在共享介质上的冲突。

1995年，IEEE通过了802.3u标准，将以太网的数据传输速率扩大为100 Mbps。实现了无屏蔽双绞线（UTP）的标准，称为100Base-T快速以太网。100Base-T除了继续支持在共享介质上的半双工通信外，还支持在两个通道上的双工通信。双工通信进一步改善了以太网的传输性能。

20世纪90年代，以太网得到了前所未有的规模应用，大部分新建和改造的网络都采用了这一技术。10/100 Mbps到桌面成为局域网的新潮流，进而又带动了以太网的进一步发展。1998年802.3z千兆位以太网标准正式发布，2002年IEEE通过了802.3ae万兆位以太网标准。IEEE 802.3规范和通信介质标准如表3.1所示。以太网技术的进步，不但在局域网领域奠定了坚实的基础，而且在城域网市场也占有一席之地。

为什么以太网技术能够在当初并列的三大标准（802.3、令牌总线802.4、令牌环802.5）中脱颖而出，最终成为局域网的主流技术，并在城域网甚至广域网范围获得进一步应用？分析以太网的发展历程和技术特点，可以发现以太网的发展主要得益于以下原因。

（1）开放标准，获得众多服务提供商的支持。DIX在首次公布以太网规范时就没有添加任何版权限制，Xerox公司甚至放弃了专利和商标权利，其想法就是让以太网技术能够获得大量应用，进而生产以太网产品。IEEE组织也成立了专门的研究小组，广泛吸纳科研院所、厂商、个人会员参与研究讨论。这些举动得到了众多服务提供商的支持，使以太网很容易地融入到新产品中。

（2）结构简单，管理方便，价格低廉。由于没有采用访问优先控制技术，因而简化了访问控制的算法，简化了网络的管理难度，并降低了部署的成本，进而获得广泛应用。

（3）持续技术改进，满足用户不断增长的需求。在以太网的发展过程中，技术不断改进：物理介质从粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线到光纤；网络功能从共享以太网、全双工到交换以太网；数据传输速率从3 Mbps到10 Mbps，从10 Mbps到100 Mbps，再从100 Mbps到1000 Mbps，现已发展到10000 Mbps。极大地满足了用户需求和各种应用场合。

（4）网络可平滑升级，保护用户投资。以太网的改进始终保持向前兼容，使用户能够实现无缝升级。一方面不需要额外投资升级上层应用系统，同时也不影响原先的业务部署和应用。

3.1.2 以太网通信原理

以太网的介质访问存取采用载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection）技术。即在以太网中，在同一时刻只允许一个PC发送信息。在CSMA/CD机制下，当发送者在以太网上发送之前，要先检测确定以太网通信线路是否处于空闲状态，也就是网上没有数据传输。这种检测是由网卡电路的碰撞检测（Collision Detection）单元完成的。如果这时网上没有数据传输，则发送者就发送其信息，不再需要进行其他认可；如果以太网传输通道忙，发送者随即等待一段时间后，再尝试发送。这一过程为“碰撞检测”。CSMA/CD的流程图如图3.1所示。

当以太网发生冲突时，所有的发送者都终止包的传送。在以太网中，从包发送开始到它到达其目的地为止的这段时间叫做“传输时延”。图3.2表示共享传输介质上客户机A和客户机B在同一时间发送数据包和数据包发生碰撞（冲突）的经过。碰撞发生后，共享传输介质上的所有客户机均“监听”到碰撞。每一客户机“监听”到“碰撞”的时延稍有差异，均在按自己“监听”到的“碰撞”的这一时刻开始进行退避算法（JAM），以进行数据包的重发；之后周而复始地重复这一过程，直到退出网络为止。

3.1.3100 Mbps快速以太网技术

100 Mbps快速以太网（Fast Ethernet）是源于10Base-T和10Base-F技术的发展，传输速率达到共享100 Mbps的局域网技术。

1.快速以太网体系结构

快速以太网的帧结构、媒体访问控制方式完全沿袭了IEEE 802.3的基本标准。从OSI七层参考模型中的层次来看，它与10 Mbps以太网一样，仍包括数据链路层和物理层，如图3.3所示。从IEEE 802标准来看，它具有MAC子层和物理层（包括传输介质）的功能。快速以太网标准于1995年正式作为IEEE 802.3标准的补充，即IEEE 802.3u标准公布于众。

在统一的MAC子层下面，有4种100 Mbps以太网的物理层，如图3.4所示。每种物理层连接不同的媒体来满足不同的布线环境。同样，四种不同的物理层中也可以再分成编码/译码和收发器两个功能模块。显然，四种编码/译码功能模块不全相同，收发器的功能也不完全一样。

可以理解，100Base-TX继承了10Base-T 5类非屏蔽双绞线（UTP）的环境，在布线不变的情况下，从10Base-T设备更换成100Base-TX的设备，即可形成一个100 Mbps的以太网系统。同样，100Base-FX继承了10Base-FL多模光纤的布线环境，直接可以升级成100 Mbps光纤以太网系统。对于较旧的一些只采用3类非屏蔽双绞线的布线环境，则可采用100Base-T4和100Base-T2来适应。

2.快速以太网系统组成

快速以太网系统组成如图3.5所示。其网络组成部分包括网卡（外置或内置收发器），收发器（外置）及其电缆和光缆，集线器，双绞线及光缆媒体。本系统的收发器称为光钎收发器，收发器与集线器连接的端口为UTP/RJ-45，采用光缆连接的两个收发器的端口为100Base-FX。在该系统中，所有媒体上均传输100 Mbps的信息。

3.自动协商

由于快速以太网技术、产品和应用的急剧发展，在使用UTP媒体的环境中，网卡和集线器的端口RJ-45上可支持多种工作模式，可能是100Base-TX，T2或T4，也可能是10Base-T，还可能是全双工模式。因此，当两个设备端口间进行连接时，为了达到逻辑上的互通，可以人工进行工作模式的配置。但在新一代产品中，引入了端口间自动协商的功能，不必进行人工配置（使用屏蔽双绞线STP及光缆作为媒体的设备中不支持自动协商功能）。当端口间进行自动协商后，就可获得一致的工作模式。

为此，对设备所支持的工作模式必须进行自动协商的优先级排队。优先级别可定为7级，100Base-T2全双工为最高优先级，100Base-TX全双工为第二优先级等。两个支持自动协商功能的设备，其端口间在UTP连接并进行加电后，首先就在端口间进行自动协商，协商的结果获得了两者所拥有的共同最佳工作模式。例如，如果双方都具有10Base-T和100Base-TX工作模式，则自动协商后，按共同的高优先级工作模式进行自动配置，最后端口间确定按100Base-TX工作模式进行工作。

在IEEE 802.3u补充条款中，说明了自动协商的功能。除100Base-T2工作模式外，其他工作模式均作为可选部分，而100Base-T2则必须要求具有自动协商功能。当设备加电启动后，就立即进行自动协商。端口间进行自动协商时，首先在连接的链路上发送快速链路脉冲（FLP，Fast Link Pulse）信号，其中包括了设备工作模式的信息。FLP信号是一个表示33位二进制的脉冲串，有脉冲表示“1”，无脉冲表示“0”。前面17个脉冲代表了时钟同步信号，每一位都必须出现脉冲，而后面16位脉冲则表示数据信息，有脉冲与无脉冲分别表示“1”和“0”。自动协商的信息就包含在后面的16位二进制数据信息中，支持自动协商端口的双方设备利用FLP所携带的信息实现自动协商，并自动配置成共同的最佳工作模式，即按照共同的优先级最高的工作模式来配置。

自动协商功能一旦完成，就确定了共同的工作模式。此后，FLP就不再出现，端口之间链路进入正常工作状态。若设备重新启动或者工作时链路媒体断开后重新连接，则自动协商功能再次启动，FLP再次出现直至重新正常工作。

4.10 Mbps/100 Mbps自适应

为了与原来100Base-T系统共存，并使10Base-T系统平滑地过渡到快速以太网环境中，在新的快速以太网环境中，不仅继承了原有的以太网技术，而且最大限度地保护了用户原来的投资。端口间10 Mbps与100 Mbps传输率的自动匹配功能（或称为10 Mbps/100 Mbps自适应功能）显然能满足以上要求。

当一个原有的10Base-T系统欲过渡或升级到100Base-TX系统时，并非所有的站都需要升级置换成100Base-TX的网卡。在过渡系统中，一部分站为了得到高带宽而置换成100 Mbps网卡，而大部分的站可能仍处在10Base-T工作模式上。此时必须更换10Base-T集线器，而新的100Base-TX集线器端口必须具有自动协商功能才能达到过渡的目的。此时，10 Mbps/100 Mbps自适应的处理过程就会发生在原有10Base-T网卡和新的100Base-TX集线器的端口间UTP上。

3.1.4 1 Gbps以太网技术

为了实现1 Gbps以太网技术和产品的开发，1996年3月IEEE成立了802.3z工作组，负责研究1 Gbps以太网技术并制定相应的标准。在IEEE 802.3z工作组成立不久，即宣告成立千兆位以太网联盟（GEA，Gigabit Ethernet Alliance）。GEA是个开放的论坛，其成立的宗旨在于促进千兆位以太网技术发展过程中的工业合作。

1.1 Gbps以太网技术的特点

1 Gbps（1000 Mbps）以太网与快速以太网很相似，只是传输和访问速度更快，为系统扩展带宽提供有效保证。1 Gbps以太网在作为骨干网络时，能够在不降低性能的前提下支持更多的网络分段和网络设备。首先，它能够聚集下层交换机，提供超高速交换路径；其次，它能将主服务器资源与各分支设备连接，以解决现存的快速以太网转发的瓶颈问题。

网络主干上有了1 Gbps以太网交换机的支持，可以把原来的100Base-T系统设备迁移到低层，这样主干上实现了无阻塞，低层又能分享到更多的带宽。

总之，1 Gbps以太网是10 Mbps/100 Mbps以太网的自然“进化”，它不仅使系统增加了带宽，而且还提高了通信服务质量，这一切都是在低开销的条件下实现的。

2.1 Gbps以太网体系结构和功能模块

1 Gbps以太网的体系结构和功能模式的描述，如图3.6所示。其整个结构类似于IEEE 802.3标准所描述的体系结构，包括MAC子层和物理（PHY）层两部分内容。MAC子层中实现了CSMA/CD媒体访问控制方式和全双工/半双工的处理方式，其帧的格式和长度也与802.3标准所规定的一致。

1 Gbps以太网的PHY层中包括了编码/译码、收发器和媒体三个主要模块，还包括了MAC子层与PHY层连接的逻辑“与媒体无关的接口”，体现了802.3z与802.3标准的区别。收发器模块包括长波光缆激光传输器、短波光缆激光传输器、短屏蔽铜线收发器以及非屏蔽铜线收发器四种类型。不同类型的收发器模块分别对应于所驱动的传输媒体，传输媒体包括单模和多模光缆以及屏蔽和非屏蔽铜缆。对应不同类型的收发器模块，802.3z标准还规定了两类编码/译码器：8B/10B和专门用于5类UTP的编码/译码方案。对于光缆媒体的1 Gbps以太网除了支持半双工链路外，还支持全双工链路；而铜缆媒体只支持半双工链路。

3.1 Gbps以太网按PHY层分类

1 Gbps以太网PHY层包括了众多的功能模块，其中包括两类编码/译码方案，三种收发器方案，使用了三类媒体，支持全双工或半双工链路。综合各种PHY层上的功能，把它们归纳成两种实现技术，即1000Base-X和1000Base-T。如图3.6所示，在同一个MAC子层下面的PHY层中包括了1000Base-X（8B/10B编码方式）和1000Base-T（非屏蔽铜线编码方式）两种技术；而1000Base-X中又包括了1000Base-LX、1000Base-SX及1000Base-CX，它们分别对应着相应的编码/译码技术、收发器和传输媒体。1000Base-T的物理层功能与1000Base-X差别较大，有其相应的编码/译码技术、收发器及传输媒体。

4.1000Base-X

1000Base-X是1 Gbps以太网技术中易实现的方案。虽然包括了1000Base-CX，LX和SX，但其PHY层中的编码/译码方案是共同的，即均采用8 B/10 B编码/译码方案。对于收发器部分，三者差别较大。原因在于所对应的传输媒体，以及在媒体上所采用的信号源方案不一致，导致了不同的收发器方案。

（1）1000Base-CX。1000Base-CX是使用铜缆的两种1 Gbps以太网技术之一，另一种是1000Base-T。1000Base-CX的媒体是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离达25 m，这种屏蔽电缆不是符合ISO11801标准的STP，而是一种特殊规格高质量平衡双绞线对的带屏蔽的铜缆。连接这种电缆的端口上配置9芯D型连接器。在9芯D型连接器中只用了1、5、6、9四芯，1与6用于一根双绞线，5与9用于另一根双绞线。双绞线的特性阻抗为150 Ω。

1000Base-CX的短距离铜缆适用于交换机间的短距离连接，特别适用于1 Gbps主干交换机与主服务器的短距离连接。这种连接往往就在机房的配线架柜上，以跳线方式连接即可，不必使用长距离的铜缆或光缆。

（2）1000Base-LX。1000Base-LX是一种收发器上使用长波激光（LWL）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为1270～1355 nm（一般为1300 nm）的光缆激光传输器，它可以驱动多模光缆，也可以驱动单模光缆。使用的光缆规格有62.5 μm的多模光缆、50 μm的多模光缆和9 μm的单模光缆。

（3）1000Base-SX。1000Base-SX是一种在收发器上使用短波激光（SWL）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为770～860 nm（一般为800 nm）的光缆激光传输器。不支持单模光缆，仅支持多模光缆，包括62.5 μm的多模光缆和50 μm的多模光缆两种。

5.1000Base-T

1000Base-T是一种使用5类UTP的1Gbps以太网技术，最长的媒体距离与1000Base-TX一样，达100 m。这种在超5类UTP上，距离为100 m的技术从100 Mbps传输速率升级到1000 Mbps，对用户来说在原来使用超5类UTP的布线系统中，传输的带宽可增加10倍。但是要实现这样的技术，不能采用1000Base-X所使用的8 B/10 B、编码/译码方案以及信号驱动电路，而应代之以专门的更先进的编码/译码方案和特殊的驱动电路方案。

6.帧扩展技术

在半双工模式下，由于CSMA/CD机理的约束，产生了碰撞槽和碰撞域的概念。由于要在发送帧的同时能检测到媒体上发生的碰撞现象，就要求发送帧限定最小长度，在一定的传输率下，最小帧长度与碰撞域的地理范围成正比关系；即最小帧长度越长，则半双工模式的网络系统跨距越大。在10 Mbps传输速率情况下，802.3标准中定义最小帧长度为64 B，即512位数字信号长度。

100 Mbps快速以太网与10 Mbps以太网不同的是，碰撞域范围大大缩小。快速以太网使用光缆半双工模式在无中继器情况下跨距只有412 m。即在最小帧长度不变的情况下，碰撞域范围随着媒体传输率的增加会缩小。当传输速率达到1 Gbps时，同样的最小帧长度标准，则半双工模式下的网络系统跨距要缩小到无法实用的地步。为此，在1 Gbps以太网上采用了帧的扩展技术，目的是为了在半双工模式下扩展碰撞域，达到增长跨距的目的。

帧扩展技术是在不改变802.3标准所规定的最小帧长度情况下提出的一种解决办法，如图3.7所示，把帧一直扩展到512 B（即4096位）。若形成的帧小于512 B，则在发送时要在帧的后面添上扩展位，达到512 B发送到媒体上去。扩展位是一种非“0”、“1”数值的符号，若形成的帧已大于或等于512 B，则发送时不必添加扩展位。

这种解决办法使得在媒体上传输的帧长度最短不会小于512 B，在半双工模式下大大扩展了碰撞域，媒体的跨距可延伸得较长。显然，在全双工模式下，由于不受CSMA/CD约束，无碰撞域概念，因此在全双工模式下，在媒介上的帧没有必要扩展到512 B。

7.帧突发技术

以上所讨论的帧扩展技术，在1 Gbps半双工模式下获得了比较大的地理跨距，使1 Gbps以太网组网得到了较理想的工程可用性。但如果处在大量短帧传输的应用环境中，这种技术就会造成系统带宽的浪费，大大降低了半双工模式下的传输性能。为解决传输性能下降的问题，802.3z标准中定义了一种“帧突发（Frame Bursting）”技术。

帧突发在1 Gbps以太网上是一种可选功能，它使一台主机（特别是服务器）一次能连续发送多个帧，如图3.8所示。当一台主机需要发送很多短帧时，该主机先试图发送第一帧，该帧可能是附加了扩展位的帧。一旦第一帧发送成功，则具有帧突发功能的主机就能够继续发送其他帧，直到帧突发的总长度达到1500 B为止。为了使得在帧突发过程中，媒体始终处在“忙状态”，必须在帧间隙时间中，发送站发送非“0”、“1”数值符号，以避免其他PC在帧间隙时间中占领媒体而中断本站的帧突发过程。

帧突发过程中只有第一帧在试图发出时可能会遇到信道忙或产生碰撞，在第一帧以后的成组帧的发送过程中再也不可能产生碰撞。以“帧起始限制（Frame Start Limit）”参数控制成组帧的发送长度，该长度不能超过1500 B。如果第一帧恰恰是一个最长帧，即1518 B，则标准规定帧突发过程的总长度限制在3000 B范围内。

显然，只有半双工模式才可能选择帧突发过程，以弥补大量发送短帧时系统效率的急剧降低。当采用全双工模式时，就不存在帧突发的选择问题。

3.1.5 10 Gbps以太网技术

10 Gbps以太网技术的研究始于1999年年底，当时成立了IEEE 802.3ae工作组，并于2002年6月正式发布802.3ae 10 Gbps标准。

1.10 Gbps以太网技术标准的体系结构

10 Gbps以太网技术提供更加丰富的带宽和处理能力，能够有效地节约用户在链路上的投资，并保持以太网一贯的兼容性、简单易用和升级容易的特点。802.3ae 10 Gbps以太网技术标准的体系结构，如图3.9所示。

（1）物理层。在物理层，802.3ae大体分为两种类型，一种为与传统以太网连接速率为10 Gbps的局域网物理层，另一种为连接SDH/SONET（同步光纤网络）速率为9.584 64 Gbps的广域网物理层。每种物理层分别可使用10GBase-S（850 nm短波）、10GBase-L（1310 nm长波）和10GBase-E（1550 nm长波）三种规格，最大传输距离分别为300 m、10 km和40 km。另外，局域网物理层还包括一种可以使用DWDM波分复用技术的“10GBase-LX4”规格。广域网物理层与SONET OC-192帧结构的融合，可与OC-192电路、SONET/SDH设备一起运行，保护传统基础投资，使运营商能够在不同地区通过城域网提供端到端的以太网。

（2）传输介质层。目前，802.3ae支持9 μm单模、50 μm多模和62.5 μm多模三种光缆，对电接口支持规范10GBase-CX4。

（3）数据链路层。802.3ae继承了802.3以太网的帧格式和最大/最小帧长度，支持多层星状连接、点到点连接及其组合，充分兼容已有应用。由于不影响上层应用，进而降低了升级风险。与传统的以太网不同，802.3ae仅支持全双工方式，不支持单工和半双工方式，不采用CSMA/CD机制。802.3ae不支持自主协商，可简化故障定位，并提供广域网物理层接口。

2.10 Gbps以太网的应用场合

随着1 Gbps到桌面的日益普及，10 Gbps以太网技术将会在会聚层和骨干层广泛应用。从目前的网络现状而言，10 Gbps以太网最先应用的场合包括教育行业、数据中心出口和城域网骨干。

（1）教育网的应用。随着高校多媒体网络教学、数字图书馆等应用的展开，高校校园网将成为10 Gbps以太网的重要应用场合，如图3.10所示。利用10 Gbps高速链路构建校园网的骨干链路和各分校区与本部之间的连接，可实现端到端的以太网访问，进而提高传输效率，有效保证远程多媒体教学和数字图书馆等业务的开展。

（2）数据中心出口的应用。随着服务器、网络附加存储NAS和区域存储网络SAN等数据存储系统纷纷采用1 Gbps链路连接网络，会聚这些数据存储系统的上行带宽将逐渐成为业务瓶颈，使用10 Gbps高速链路可为数据中心出口提供充分的带宽保障，如图3.11所示。

（3）城域网的应用。随着城域网建设的不断深入，多种信息业务（如流媒体视频应用、多媒体互动游戏）纷纷出现。这些音、视频流对城域网的带宽提出更高的要求，而传统的同步数字系列（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）、密集波分复用（DWDM）技术作为网络骨干，存在着网络结构复杂、难于维护和建设成本高等问题。

采用10 Gbps以太网作为城域网骨干，可以省略骨干网设备的POS（Packet Over SONET/SDH，是SONET/SDH上的分组）或者ATM链路。一方面可以端到端使用链路层的VLAN信息以及优先级信息，另一方面可以省略在数据设备上的多次链路层封装、解封装及可能存在的数据包分片，以简化网络设备。在城域网骨干层部署10 Gbps，可大大简化网络结构、降低成本和便于维护。通过端到端的以太网连接，建设低成本、高性能和具有丰富业务支持能力的城域网，是驱动10 Gbps以太网标准建立和发展的重要方面。

10 Gbps在城域网中的应用主要有以下两个方面：

● 直接采用10 Gbps取代原来传输链路，作为城域网骨干；

● 通过10 Gbps粗波分复用（CWDM）接口或WAN接口与城域网的传输设备相连接，充分利用已有的SDH或DWDM骨干传输资源。

对于城域网的应用，由于当前宽带业务并未广泛开展，人们对单端口10 Gbps骨干网的带宽没有迫切需求，所以10 Gbps以太网技术相对于其他替代的链路层技术（如2.5 Gbps POS、捆绑的1 Gbps以太网）并没有明显优势。