1、标准以太网、快速以太网、千兆以太网与万兆以太网之间的差异在于物理层，通常称作以太网 PHY。 以太网遵守 IEEE 802.3 标准。目前为通过光缆和双绞线电缆的运行定义了四种数据速率：10 Mbps - 10Base-T 以太网100 Mbps - 快速以太网1000 Mbps - 千兆以太网10 Gbps - 万兆以太网虽然这些不同的数据速率会实现许多不同的以太网，但此处只介绍较常用的以太网实现方法。图中所示为以太网 PHY 的部分特征。本节将讨论在物理层运行的以太网部分，先从 10Base-T 开始，然后讨论 10 Gbps 的变体。 主要的 10 Mbps 以太网包括：使用同轴粗缆的
2、10BASE5使用同轴细缆的 10BASE2使用 3 类/5 类非屏蔽双绞线电缆的 10BASE-T早期的以太网 10BASE5 和 10BASE2 在物理总线中使用同轴电缆。这些实现方法现在已不再使用，新版 802.3 标准也不再支持它们。10 Mbps 以太网 - 10BASE-T10BASE-T 采用曼彻斯特编码，通过两条非屏蔽双绞线电缆传 。早期的 10BASE-T 使用 3 类电缆。但现在 使用 5 类 的电缆。10 Mbps 以太网 为 传 的以太网，使用物理 。以太网 10BASE-T 在 100 以 不 要 线 中 。10BASE-T 使用两 四线 电缆， 在 以 8 RJ-4
3、5 。 1 和 2 的线 用于 ， 3 和 6 的线 用于currency1。图中所示为用于 10BASE-T 以太网的 RJ45 。新的 LAN 不“ 10BASE-T。但目前然在许多 10BASE-T 以太网。10BASE-T 网中的 线 fifl为 fl后， 了网的，” 了传 以太网的。 fl的 10BASE-T 支持双 双 运行。 100 Mbps - 快速以太网20 90 中后期了 新的 802.3 标准，用于 通过以太网介以 100 Mbps 速 数据的方法。这些标准使用不同的编码要 实现 的数据速率。100 Mbps 以太网也称为快速以太网，以使用双绞线 缆 光介实现。常的 10
4、0 Mbps 以太网：使用 5 类 UTP 电缆的 100BASE-TX使用光缆的 100BASE-FX于快速以太网使用的较 率的 于 ， 此 100-Mbps 以太网采用两 的编码 的 。100BASE-TX100BASE-TX 支持通过两 5 类 UTP 线 两 光缆行 。100BASE-TX 与 10BASE-T ，也使用两 线 和 UTP 。但 100BASE-TX 要 使用 5 类 的 UTP。100BASE-T 以太网采用4B/5B 编码。 10BASE-TX ，100Base-TX 也 以物理 。图中所示为物理 的示 。但与 10BASE-T 不同的 ，100BASE-TX 网
5、在 的中 使用 fl不 线 。在 100BASE-TX 为主 的同 ，LAN fl也 采用。 同的 使它们 然然 了 100BASE-TX 网 。100BASE-FX100BASE-FX 标准使用的通 与 100BASE-TX 同，但它 通过光介不 UTP 缆传 。这两种介虽然编码、码和 同，但 不同 - 缆 电 冲，光缆 光 冲。100BASE-FX 使用低 本光口 （通常称为双 SC ）。光 点 点，即用于两台 备。这些能 在两台算之间 两台 fl之间，也能 在台算与 台 fl之间。1000 Mbps - 千兆以太网千兆以太网标准的开 了 UTP 缆、单模光缆和多模光缆的 。在千兆以太网中
6、，传 同比特的数据所 的 间， 100 Mbps 网和 10 Mbps 网的分之 。 于 传 的 间 短，比特 容 杂 ， 此定 非常关键。能问题取决于网适配 口改变电平的速 ，以及 100 外的currency1网卡 口检测电压改变的靠程 。在这些速 快的以太网中，数据的编码和码 为 杂。千兆以太网采用两 单 的编码 。当码用于表示二制比特 ，数据 的效率 。 数据行编码以实现同 、提 带宽利用效率以及改 比特征。1000BASE-T 以太网1000BASE-T 以太网使用部四 5 类 的 UTP 电缆提供双 。使用 线的千兆以太网使 线 的速 从 100 Mbps 上升 125 Mbps，
7、四 线 的总速 将升 500 Mbps。又 于 线 的 双 ， 此 500 Mbps 再 翻番上升 1000 Mbps。1000BASE-T 使用 4D-PAM5 线 编码获取 1 Gbps 的数据。这种编码方案让四 线 同 。它将 8 位字节的数据转fl为四 码符 (4D)，在介上作为 5 级 冲幅 调制 (PAM5) 同 ， 线 。这意味着 符 应两位数据。 为 息同 通过两条 径传输，所以电 必须在传 方分割帧，然后在currency1方重新组合。图中所示为 1000BASE-T 以太网使用的电 示意图。1000BASE-T 以在同 条线 上同 双方向 和currency1数据。这 通
8、会在线 上 永久冲突。这些冲突将导致 杂的电压模式。检测 的混合电 使用先的， 如回 抵消、第 1 层前向纠错 (FEC) 和电平审慎“等。利用这些，系 以实现 1 千兆的。为了帮助同 ，物理层使用帧首定界符和帧尾定界符封装 帧。循环定 帧间隙期间 线 上 的续 IDLE 符 维护。部分数字 中通常只少数 不续的电平， 1000BASE-T 不同，它使用许多电平。即使在空闲期间，电缆中也九 电平；在数据 期间，电缆中多以找 17 电平。的状态上杂 的影响，使线 中的 看起 模拟 ，不 数字 。 模拟系 ，1000BASE-T 容 出现电缆和问题带的杂 。 使用光的 1000BASE-SX 和
9、1000BASE-LX 以太网与 UTP 比，光千兆以太网 - 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 以下优势：无杂 、体积小， 无 中 的距 ，带宽 。所 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 版本 支持通过两 光缆以 1250 Mbps 的速 行双 二制 。 编码 于 8B/10B 编码方案。这种编码的开 ，所以数据传输速 为 1000 Mbps。在 之前， 数据帧 将在物理层行封装， 同 通过在帧间隙期间 IDLE 码组的续 维护。1000BASE-SX 与 1000BASE-LX 光版本之间的主要差异在于 介、 和光 的 ，如图所示。IEEE 802.3ae
10、 标准 过改编， 了 10 Gbps - 通过光缆行的双 。 始以太网的 802.3ae标准和 802.3 标准非常类 。万兆以太网 (10GbE) 在不 ，不 用于 LAN， 用于 WAN 和 MAN。于帧 式及 它以太网第 2 层 与之前的标准 容， 此 10GbE 以为 些能与现网 作的 网提供 的带宽。10Gbps 在以下方 能与以太网的 它变体比拟：帧 式同，支持传 、快速、千兆及万兆以太网之间的 作，无 重新 帧 行 转fl。比特 间目前为 0.1 ns，所 它 间也 应的比 变 。于只使用双 光， 此无 介 和 CSMA/CD。OSI 第 1 层和第 2 层中的 IEEE 802
11、.3 层 本 ，只 作 改以支持 40 光 与它光 作。10Gbps 以太网 - 、 效、靠、低 本的以太网。以太网的速 千兆以太网现已 采用，万兆 也在不 ，但 IEEE 和万兆以太网 续 40、100currency1 160-Gbps 的标准。的采用取决于多方 的 “，包括和标准的 速 、应用速 和fi出新fl 的 本。 在前 的 节中，们已 了传 以太网如使用 介和 于 用的介问 制。传 以太网使用 线 LAN 网中的节点。 线 不行类 的通 过， 将所比特转 的 台 备。这会”使 LAN 中的所 备 介带宽。此外，这种传 的以太网 常导致 LAN 中出现的冲突。 于上能问题，使用 线
12、 的以太网 LAN 在当的网中已 少了， 只小 LAN 带宽要 低的 LAN 在使用。备 介会着网的 重的问题。图中出了部分问题，本将 论。 在 线 网中， 备以 的带宽。着 台台 备不 介的行， 台 备用的平带宽在 少。 此，着介中 备数的 ，能低。” 网” 介上所目的 要的 间。为冲突， 线 网中的 节点必须等 会。当两 节点之间的距 ” ，” 会 。 在介中的” 以及 于处理通过 线 和中 的 所 的” ，也会影响” 。 外，介的” ， 网的 线 和中 数 ，也会 ” 。” ，节点currency1不 始 的率 ，网中的冲突也 多。网 于传 网 介， 此网中的 备 它 备 问题的 在能。
13、如 线 的 备 了 的 ，会 介中所 备的通 。这种 的 能 网卡上的速 双 不 的。冲突据 CSMA/CD，只要网上通 ，节点 不能 数据包。如 两 节点同 数据包，将会 冲突导致数据包，然后两 节点 ，等 的 间后再重新 数据包。在从两 以上节点出的数据包能 的网中， 部分 为 冲突 。同 网 较多节点的网会 较的冲突 ，通常 多的 。着网 的 ，冲突的率也会 。此， fl应运 ,取了部分 于 的传 以太网。 在过 中， fl 速 为多数网的 本组 部分。 fl以将 LAN 细分为多 单 的冲突 ，口 表 单 的冲突 ，为 口的节点提供 的介带宽。 于 冲突 中的节点 少了， 节点用的平带
14、宽 多了，冲突也之 少。LAN 以用 台中 fl然为节点提供通的 线 ，也以 将所节点 fl。这些 如图所示。在 fl口的 线 LAN 中，会 带宽，这能在 线 的 环 中 冲突。但 fl将会 网，将冲突于 线 口之间的通 。 节点在所节点 fl的 LAN 中，网的幅 。这种 主要于 ：口用的带宽冲突的环 双 作这些物理 实上 点点 。单 图中的能 “。用带宽节点在节点与 fl的中 部介带宽供使用。 于 线 会 制currency1的 所 它口， 此传 的以太网 线 将 总线。这意味着所节点 必须 此总线的带宽。使用 fl ， 台 备在 与 fl的中 能效用的点点，不必 介。如，比较 下 10
15、 节点的两 100 Mbps LAN。在网 A 中，10 节点 台 线 ，所节点 用的 100 Mbps 带宽， 此 节点的平带宽为 10 Mbps。在网 B 中，10 节点 台 fl，所 10 节点 能使用部 100 Mbps 带宽。此，即使 在这 的小 网中，带宽的 也非常观。当节点数 ，两种以太网中用带宽的差距将会 天壤之 。冲突的环 与 fl之间的用点点同 也消除了 备之间的介 ，使节点少currency1不会 冲突。在使用 线 的传 网中， 中等 模的网约 40% 50% 的带宽用于冲突 ；在 冲突的 fl以太网中， 本上 开 用于冲突 。 此， fl网的速率 优于传 网。双 作fl
16、 使网在双 以太网环 中运行。在 fl之前，以太网只支持双 模式。这意味着，在定 间，某 点要么 ，要么currency1。 fl以太网中启用双 之后， fl口的 备以使用部介带宽同 和currency1。备与 fl之间的 冲突。与双 比，这种配 将 速 效提 了 倍。 如，如 网速 为 100 Mbps， 节点在以 100 Mbps 的速 帧的同 ，又能以 100 Mbps 的速 currency1帧。用 fl取 线 多数现以太网 使用 fl 备，同 以双 模式运行。既然 fl提供的 胜 线，能也 多， 么您能要问：为什么不在 以太网 LAN 中 使用 fl？ 线 在应用的 ：用 - LAN
17、 fl在 90 期才开出，90 中期才开始fi 。早期的以太网使用 UTP 线， 天， 中许多网 在运行。济 - fl刚fi出 非常昂贵。着 fl价 的下， 线 的使用 少， 本不再 部署决策要考虑的重要 “了。要 - 早期的 LAN 网只 用 fl件和 打印的简单网。如，许多方的早期网已演变合网，导致 用户 带宽的 急剧 。但在些环 中， 介 线 然能满足要 ，所以这些 。下 节将分析 fl的 本 作 理，以及 fl如 当网要 的 能。 后的课程将提供 详细的论， 讨论关 fl的 它。以太网 fl“将 帧从currency1口转目的节点的口。这 “转过程 为在 节点与currency1节点之
18、间短暂的点点。 只够转 帧。在此瞬间，两 节点之间的以使用部带宽，表 种 点点。为 上的精 ，两 节点之间不会同 这种临 。实际上，这会在主之间点点，在双 模式下运行的节点 以 拥的帧，无 考虑currency1节点的用。 为 LAN fl将会缓冲currency1的帧，等适当的口空闲 再转 它。此过程称为“储转”。通过储转 fl， fl将currency1 帧，检查 FSC 否错误，然后将帧转目的节点的适当口。 为节点无 等 介空闲，所以节点能够以介速 和currency1，不会冲突起的损，也不会 与管理冲突关的开 。转 于目的 MACfl维护着 表，称为MAC 表。 表将目的 MAC 址与
19、用于节点的口行比 。 于 currency1的帧， fl 会将帧头中的 MAC 址与 MAC 表中的址表行比 。如 找匹配项，表中与 MAC 址配 的口 将用作帧的退出口。MAC 表能许多不同的名称，通常称为 fl表。 为 fl源 种称为透 桥的早期，所以 表也称为网桥表。 于此 ，LAN fl行的许多处理名称中能含网桥 桥 字 。网桥 LAN 早期较为常用的 备，用于 桥两 物理网。 fl不 以行此 作， 让 备 LAN。围绕 LAN fl 开了许多 它的，后 的课程中将介绍多这方 的。网桥在无线网中比较盛行，们通常使用无线网桥两 无线网。 此，您能会现网行业中 常使用两 语 - fl和桥
20、。fl的 作以太网 LAN fl采用五种 本 作实现 用途：获取过期洪“转过获取MAC 表中必须填 MAC 址及 应的口。获取过程以在 常 作期间动态获取这些映射。当 帧 fl ， fl将会检查源 MAC 址。通过查询过程， fl将 定表中 否已 包含 MAC 址的条目。如 包含， fl将使用源 MAC 址在 MAC 表中新 条目，然后将址与条目 的口行配 。现在， fl以使用此映射将帧转 节点。过期通过获取过程获取的 MAC 表条目 间戳。此 间戳用于从 MAC 表中删除旧条目。当某 条目在 MAC 表中创之后， 会使用 间戳作为起始值开始递 数。值数 0 后， fl下 次从 节点的同口cu
21、rrency1帧 ，将会刷新表中的 条目。洪如 目的 MAC 址不在 MAC 表中， fl 不知道哪 口 帧，此 它会将帧 currency1口以外的所 它口。 帧所网的过程称为洪。 fl之所以不将帧转currency1 帧的口， 为 网的所目的 已 currency1了帧。洪 用于 播 MAC 址的帧。“转“转 检查帧的目的 MAC 址后将帧从适当的口转出 的过程。这 fl的核 功能。当节点 帧 fl ，如 fl知道 节点的 MAC 址， fl会将此址与 MAC 表中的条目比 ，然后将帧转应的口。此 fl不 将帧洪所口， 通过 定口 目的节点。此 作称为转。过在某些情况下，帧不会 转。此过程
22、称为帧过。前 已 描了过的 次使用： fl不会将帧转currency1帧的口。 外， fl 会弃损坏的帧。如 帧 通过 CRC 检查， 会 弃。 帧行过的安。 fl 安 ，用于阻挡往和/ 定 MAC 址 特定口的帧。 ARP 两项 本功能：将 IPv4 址析为 MAC 址维护映射的缓将 IPv4 址析为 MAC 址要将 帧放 LAN 介上，帧中必须包含目的 MAC 址。当数据包 要封装 帧的数据 层 ，节点将参照 中的表查找映射目的 IPv4 址的数据 层。此表称为ARP 表 ARP 缓。ARP表储在 备的 RAM 中。ARP 表的 条目 行 值：IP 址和 MAC 址。们将这两 值之间的关系
23、称为映射 - 只表示您以在表中查找 IP 址 现 应的 MAC 址。ARP 表将缓本 LAN 上 备的映射。起 ， 节点尝试 ARP 表中查找映射 IPv4 目的址的 MAC 址。如 此映射已 缓在表中，节点将用找的 MAC 址作为帧中的目的 MAC 封装 IPv4 数据包，然后将帧编码 放 网介。维护 ARP 表ARP 表动态维护。 备currency1 MAC 址两种方法。 种 监 本网中 的通 。当节点从介currency1帧 ，将源 IP 和 MAC 址记录为 ARP 表中的映射。当帧在网中 ， 备会用址 填充 ARP 表。备获取址 的 种方法 播 ARP 请 。ARP 第 2 层 播
24、以太网 LAN 中的所 备。帧包含的 ARP 请 数据包中目的主的 IP 址。currency1帧的节点将 ARP 回 数据包作为单播帧回 方，以将 IP 址标识为 己的响应。此响应然后用于在 ARP 表中创新条目。MAC 表中的边些动态条目 会上 间戳， 间戳的方式与 fl中的 MAC 表条目非常类 。如 备在 间戳期 从特定 备currency1帧，此 备的条目将会从 ARP 表中删除。此外，也以在 ARP 表中输 静态映射条目，但这种情况少。静态 ARP 表条目也期 间，但必须手动删除。创帧节点 要创帧 ARP 缓中又 IP 址目的 MAC 址的映射 ，将如 作？当 ARP curren
25、cy1将 IPv4 址映射 MAC 址的请 ，它会在 ARP 表中查找缓的映射。如 找所 的条目，IPv4 数据包的封装 会败，第 2 层程将告知 ARP 要映射。ARP 程然后出 ARP 请 数据包，查找本网上目的 备的 MAC 址。如 currency1请 的 备 目的 IP 址， 会以 ARP 回 响应。这 ARP 表中即会创 映射。 IPv4 址的数据包现在便封装在帧中。如 备响应 ARP 请 ， 无法创帧，所以会弃数据包。此封装败将会报告 备的上层。如 备 中间 备（如 ），上层能会“以 ICMPv4 数据包中错误响应源主。请单 图中的 编 ，查看用于获取本物理网上节点的 MAC 址
26、的过程。在实验中，将使用 Wireshark 观察网中的 ARP 请 和响应。所帧 必须传 本网中的节点。如 目的 IPv4 主在本网上，帧将使用此 备的 MAC 址作为目的 MAC 址。如 目的 IPv4 主不在本网上，源节点 要将帧传 作为网关的 口， 用于 目的的下 跳。源节点将使用网关的 MAC 址作为帧（ 中含往 它网上主的 IPv4 数据包）的目的址。口的网关址储在主的 IPv4 配 中。当主创通往某台目的主的数据包 ，会将目的 IP 址与 己的 IP 址行比较，以 定两 IP 址 否位于同的第 3 层网上。如 currency1主不在同 网上，源主将使用 ARP 过程 定网关 口
27、的 MAC 址。如 网关条目不在表中， 常的 ARP 过程 会 ARP 请 检索与 口的 IP 址关的 MAC 址。请单 图中的 编 ，查看用于获取网关的 MAC 址的过程。理 ARP ，主能会 ARP 请 ，要 映射本网围以外的 IPv4 址。在这种情况下， 备 ARP 请 想获取不在本网中的 IPv4 址，不 请 与网关的 IPv4 址关的 MAC 址。为了向这些主提供 MAC 址， 口能会使用理 ARP 表这些 程主行响应。这意味着，请备的 ARP 缓中将会包含映射本网以外 IP 址的网关的 MAC 址。使用 ARP 理 ，好 口 ARP 请 所请 的 IPv4 址的主 。 通过“仿 ”
28、身份， 了将数据包 “ ”目的 备的 。当旧版的 IPv4 无法 定目的主 否与源主在同 网上 ， 会 使用 ARP 理的过程。在这种情况下，ARP 始 会 ARP 请 ，要 获取目的 IPv4 址。但如 口 用了理 ARP，这些主便无法将请 传出本网。种使用理 ARP 的情况 ：主 为它已 目的主所在的 网。如 主配 了错误的 码，通常会 这种情况。如图所示，主 A 配 了错误的 网 码 /16。此主 为它已 所的 172.16.0.0 /16 网，不 172.16.10.0 /24 网。，当主 A 尝试与 172.16.0.1 172.16.255.254 围 的 IPv4 主通 ，将会
29、ARP 请 ，要 获取 IPv4 址。 能会使用理 ARP 响应 主 C (172.16.20.100) 和主 D (172.16.20.200) 的 IPv4 址的请 。后，主 A 将使这些址的条目映射 (00-00-0c-94-36-ab) 中 e0 口的 MAC 址。 种使用理 ARP 的情况 主 配 网关。理 ARP 以帮助网中的 备 程 网，无 配 网关。情况下，Cisco 在 LAN 口上启用了理 ARP。http:/ 台 备，ARP 缓定 将会删除在定 间 使用的 ARP 条目。 体 间取决于 备及 作系 。 如，些 Windows 作系 储 ARP 缓条目的 间为 2 分。如
30、条目在此 间 重新使用， 条目的 ARP 定 将” 10 分。也以使用 手动删除 ARP 表中的部 部分条目。当条目 删除之后，要想在 ARP 表中输 映射，必须重 次 ARP 请 和currency1 ARP 回 的过程。在本节的实验中，您将使用 arp 查看和 除算 ARP 缓中的 容。请 意，此 虽然名为 arp，但 不会以方式调用址析 (ARP) 的行，只 用于 示、 删除 ARP 表的条目。ARP 在 IPv4 中， 备实现。 作 于上层应用程 和用户 透 的。介开 作为 播帧，本网上的 台 备 会currency1 处理 ARP 请 。在 的 业网中，这些 播 网能的影响能 不足道。但如 备 已启动， 同 开始使用网 ，网能能会短 间的下。 如，如 实验 中的所 同 录 的算 问 Internet， 能会 ” 。不过，在 备出 始 ARP 播 获取必要的 MAC 址之后，网 的影响将会小。安 ，使用 ARP 能会 在的安 。ARP ARP 使用的 种 手法，通过出 的 ARP 请 将错误的 MAC 址关 网。 备的 MAC 址，然后帧 能 错误的目的。手动配 静态 ARP 关 ARP 的方法之 。在某些网 备上以配 的 MAC 址，只许出的 备问网
