快速以太网:高速局域网组网技术计算机网络技术及应用

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：我们把速率达到或超过100Mb/s的局域网称为高速局域网。下面将介绍这几种常见的高速局域网的组网技术。快速以太网作为一种局域网标准，在1995年7月获得IEEE认证，并被称为IEEE802.3u标准。

传统以太网的数据传输速率是10Mb/s，若局域网中有N个节点，那么每个节点平均能分配到的带宽为10/NMb/s。但是，随着网络规模的不断扩大，节点数目的不断增加，平均分配到各个节点的带宽将越来越少，而且冲突现象会大量发生，这使网络效率急剧下降。

为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出了以下几种解决方案，其中前3种是目前使用得最多的。

（1）提高数据传输速率。增加绝对带宽以提高数据传输速率。例如，从传统的10Mb/s以太网升级到100Mb/s以太网和千兆位（1000Mb/s）以太网，甚至万兆位以太网。

（2）采用网络分段。缆段细化的方法即网络分段。例如，可以将一个大型局域网络划分成多个子网，并用网桥、交换机或路由器等进行互联。通过网桥、交换机和路由器等可以隔离子网之间的通信量，以及减少每个子网内部节点数，从而使网络性能得到改善。

（3）将共享式局域网变化为交换式局域网。交换技术从根本上改善了使用介质的方式，废除了竞争式使用方式，采用了各个工作站之间的并发、多连接链路。替换核心设备，改变技术。这种技术以其组网灵活、方便、网络流通量大、网络传输冲突少、造价低以及充分保护原有的投资等优点成为当今高速局域网的主流技术。

（4）采用更先进的技术。随着网络和信息技术的发展，新的技术层出不穷。例如，采用ATM交换技术的局域网，网络响应时间能够降至20～30ms，因此它更适用于交互式多媒体信息处理的应用场合。

目前使用得较多的技术是提高网络的数据传输速率，从10Mb/s提高到100～1000Mb/s。我们把速率达到或超过100Mb/s的局域网称为高速局域网。

目前较为流行的高速局域网有分别使用100Base-T技术和光纤分布式数据接口的局域网和吉比特以太网，它们的主干网的数据传输速率都大于或等于100Mb/s。下面将介绍这几种常见的高速局域网的组网技术。在实际应用中，往往是上述一种或几种方法的综合运用。

1.100Base-T技术

随着多媒体、信息技术、电子商务技术的运用，以及网络用户的迅速发展，如今的网络需要更高的传输速率。

100Base-T技术在网络的介质访问控制层上，支持100Base-TX、100Base-T4和100Base-FX 3种介质协议，如图3-14所示。

快速以太网（100Base）作为一种局域网标准，在2025年7月获得IEEE认证，并被称为IEEE802.3u标准。该标准与IEEE802.3（10Base-T）的协议和数据帧结构基本相同，仅仅是速度上的升级。快速以太网采用星型拓扑结构，支持全双工方式，并提供100Mb/s的数据传输速率，实际数据传输速率有可能达到200Mb/s，比传统的FDDI还快。

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图3-14　100Base-T（802.3u）示意图

快速以太网（100Base）与传统的10Base-T相比，具有以下相同之处。

（1）采用相同的介质访问控制方式，即CSMA/CD协议。

（2）采用相同的数据传输的帧格式。

（3）相同的组网方法。

（4）同样的低成本、易扩展性能。

快速以太网（100Base）与传统的10Base-T相比不同之处有以下几点。

（1）快速以太网将每个比特的发送时间由10Base-T时的100ns降低到10ns。

（2）工作频率不同。例如，10Base-T的工作频率为25MHz，而100Base-TX和100Base-FX的工作频率为125MHz。

（3）物理层所支持的传输介质和信号编码方式不同。例如，10Base-T使用曼彻斯特编码，而100Base-TX则采用了效率更高的4B/5B编码方法。

（4）为了适应不同的传输介质，快速以太网定义了MII（Media Independent Interface）介质，独立接口将MAC子层与物理层分隔开来，使得物理层在实现100Mb/s速率时介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层。因此MII也被称为介质无关接口。

100Base-TX组网的技术特点如下。

（1）100Base-TX可以看作10Base-T的直接升级，它保留了10Base-T的基本特征。如未用的层次结构与10Base-T相似，其中的LLC子层完全相同。

（2）MAC子层与物理层之间采用了与介质无关的Mil接口。

（3）介质访问控制方式仍然为CSMA/CD。

（4）组网技术的关键点如下。

·选择一台100Mb/s共享式集线器，根据需要购置部分100Mb/s网卡。100Base-T网卡一般都具有很强的自适应性能，可以自动识别10Mb/s和100Mb/s工作模式。

·100Base-TX和100Base-T4都可以使用两对5类或5类以上的UTP，但是只有100Base-T4支持3类UTP，因而使用这个标准不用更换全部传输介质就可以将10Mb/s以太网络升级为100Mb/s高速以太网。

·100Base-TX可以与10/100Mb/s的交换机或集线器连接，因此，可以将其与原有的10Base-T、新建的100Base-T以及下面将要介绍的交换式以太网集成到一起。

·10Base-T以太网最多可以使用4个中继器或集线器连接5个100m长的网络段，如图3-15所示。

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图3-15　5个100m长的网络段

而100Base-TX只允许使用两个，而且两个中继器或集线器之间的最大连接长度不能超过5m，如图3-16所示。

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图3-16　100Base-T级联示意图

具有光纤模块的集线器需要长距离传输的场合，适合使用100Base-FX组网技术。100Base-FX组网技术的特点如下。

（1）100Base-FX使用62.5/μm（芯）/125μ111（外壳）的多模光纤，或者是单模光纤作为网络的传输介质。

（2）使用多模光纤时的连接距离一般为400m，而采用单模光纤时最大连接距离可达2km（网络的最大连接距离是根据使用光纤的不同而变化的）。

（3）100Base-FX的编码方法与100Base-TX相同，都使用4B/5B的编码方法。

（4）100Base-FX与100Base-TX的网络工作过程相同，不同的只是传输介质。

由于100Base高速以太网具有很高的带宽，因此，可以用它作为小型局域网的主干网络。这样可以实现与现有的10Mb/s以太网络的无障碍连接和集成，或者与交换式以太网结合，提高网络性能，消除网络传输中的“瓶颈”问题。

2.吉比特以太网

Gigabit Ethernet的中文名称为吉比特以太网，其数据传输速率为1000Mb/s或1Gb/s，又称千兆位以太网。由于吉比特以太网仍然支持CSMA/CD协议，因此可以与各种原有的以太网兼容，这就使得其在局域网的范围得到了推广、普及和发展。(https://www.chuimin.cn)

随着信息技术的飞速发展，电子商务迅速普及，视频会议和远程多媒体教学等大容量通信业务的广泛应用，给网络的带宽带来了新的需求，原有的高速网络和技术已经不能适应新的形势。因此，在2025年6月IEEE正式推出了1000Mb/s以太网的解决方案。吉比特以太网是现有IEEE802.3标准的扩展，它采用的标准是IEEE802.3z（多模光纤和屏蔽双绞线）和IEEE802.3ab（单模光纤和非屏蔽双绞线），如图3-17所示。

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图3-17　吉比特以太网协议结构

使用1000Base-T技术组网时，与原有10Base-T或100Base-T网络的联系与区别如下。

（1）采用与IEEE802.3相同的数据传输的帧格式。

（2）相同的组网方法，并可以很好地向下兼容。

（3）半双工通信时，采用的介质访问控制方式与传统以太网类似，即CSMA/CD协议。全双工通信模式时，则采用无冲突检测的两个双向同时的连接，这样可以提高高端服务器与集线器之间，以及集线器与集线器之间的数据传输能力。

（4）支持多种传输介质，如支持STP、UTP、单模和多模光纤等。

（5）同样的低成本、易扩展性能。

吉比特以太网与10/100Base-T的不同之处如下。

（1）吉比特以太网将每个比特的发送时间由10Base-T时的100ns降低到1ns。

（2）吉比特以太网采用GMII（千兆位介质专用）接口，将MAC子层与物理层分隔开来，使得物理层在实现1000Mb/s速率时，介质和信号编码的变化不会影响到MAC子层。

该接口的作用是屏蔽不同物理层的细节，为MAC子层和高层协议提供一个公共透明的接口。

（3）吉比特以太网使用的物理层标准有IEEE802.3ab和IEEE802.3z两个。其中的IEEE802.3ab工作组负责制定UTP电缆的吉比特以太网的半双工链路标准；IEEE802.3z工作组负责制定同轴电缆和光纤的吉比特以太网的全双工链路标准。

（4）2025年6月批准的IEEE802.3z标准，根据传输介质的不同分为表3-4所列的4种。

表3-4　IEEE802.3z吉比特以太网的主要标准

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续表

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吉比特以太网遵循IEEE802.3z标准，该标准的重点是发展以光纤为传输介质的高速网络。该标准规定使用单模光纤的传输距离高达3000m，采用多模光纤的连接距离为550m。此外，还可以采用5类及超5类的UTP连接各个网络设备，但是两个采用UTP的网络设备的最大距离仅为25m。

目前，人们通常采用吉比特以太网组建校园或企业的主干网络，主要是在主干网上采用吉比特以太网技术，这样可以将已有的10Mb/s和100Mb/s局域网集成或升级到1000Mb/s以太网，达到保护原有投资、节约资金的目的。另外，网络的技术人员不用重新培训就可以维护和管理新的网络。

吉比特以太网的主要应用领域如下。

（1）多媒体通信如电视会议、环绕立体声、高清晰度图像和影像等信息传输。

（2）视频应用如数字电视、高清晰度电视和视频点播等。

（3）电子商务如虚拟现实、电子购物和电子商场等。

（4）教育和考试如远程教学、可视化计算、CAD/CAM、数字图像处理等。

3.光纤分布式数据接口网络

光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是一种在实际中应用较多的高速环型网络。FDDI使用光纤作为传输介质，信号单向传递，因此，具有长距离、大范围、高速、低损耗、高抗干扰性能等优点；结构相对复杂、价格昂贵是FDDI的主要缺点。

FDDI网络的主要标准和应用特点如下。

（1）上层使用了IEEE802协议，因此可以与符合IEEE802标准的各种局域网兼容。

（2）使用的IEEE802.8标准是基于IEEE802.5的令牌环的介质访问控制方式和物理层规范。

（3）速率高，数据速率可达100Mb/s。

（4）多节点。联网的节点数目为1000个，若是双连站则为500个。

光纤分布式数据接口FDDI是一个使用光纤作为传输媒体的高速通用的令牌环型网络，一般用于小范围内互联高速计算机系统，或作为城域网互联较小的网络，或作为主干网来互联分布在较大范围的主机。

FDDI网络与前面介绍的令牌环网络不完全相同，它采用双环结构，容错性能更好。FDDI网络中任何一个节点在传送数据帧之前必须获得令牌，FDDI数据帧的大小在17～4500B。网络上的节点读取环上的信息，将帧的目的地址与本节点的地址进行比较，如果地址相符，复制该帧内容，并产生应答帧，然后将令牌传递到下一个相邻的节点。

FDDI网络使用主环传递数据，次环提供容错处理，两环数据的流向相反，次环平常处于不活动状态，如图3-18所示。

环上的节点可以是工作站或网桥等连接设备，它们分为两种类型：类型A、类型B。从图3-19中可以看出，属于类型A的节点同时连接在主环和次环上，属于类型B的设备只连接在主环上。A类设备的可靠性更高，如图3-19所示，节点1与节点2之间的主环路发生故障时，次环开始工作，节点2将从主环接收到的信息，在次环中沿相反方向转发，整个网络可以正常工作。B类型的节点无此功能，发生问题后被排除在网络之外，如图3-20所示。

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图3-18　FDDI环形网络不意图

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图3-19　A类设备链路发生图

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图3-20　B类设备链路发生故障的容错情况

FDDI使用光纤作为传输介质，主要的优点有：高带宽，使用光传输数据信号，因此可以达到很高的带宽，目前大部分的FDDI网络运行于100Mb/s；保密性好，不易被窃听；抗电磁干扰能力强；传输距离远；重量轻，经久耐用。FDDI环网采用双令牌传递；发送数据的节点无须等待发送的数据帧回到本节点即可开始下一帧数据的发送。与普通令牌环网络相比效率更高，系统容错性能更好。

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