詳解各類以太網標準10BASE-T/100BASE-T4/100BASE-FX/1000BASE-X等

以太網是現實世界中最普遍的一種計算機網絡。以太網有兩類:第一類是經典以太網,第二類是交換式以太網,使用了一種稱爲交換機的設備連接不同的計算機。經典以太網是以太網的原始形式,運行速度從3-10 Mbps不等;而交換式以太網正是廣泛應用的以太網,可運行在100Mbps、1000Mbps和10000Mbps高速率,分別以快速以太網、千兆以太網和萬兆以太網的形式呈現。

以太網實現了網絡上無線電系統多個節點發送信息的想法,每個節點必須獲取電纜或者信道的才能傳送信息,有時也叫作以太(Ether)(這個名字來源於19世紀的物理學家假設的電磁輻射媒體-光以太。後來的研究證明光以太不存在)。 每一個節點有全球唯一的48位地址也就是製造商分配給網卡的MAC地址,以保證以太網上所有節點能互相鑑別。由於以太網十分普遍,許多製造商把以太網卡直接集成進計算機主板。

以太網上的計算機任何時候都可以發送信息,但發送之前都需先檢測網絡是否空閒,即“偵聽”,如果某時刻有兩個或者更多的分組發生衝突,則檢測到衝突,欲發送數據的計算機就都需等待一段時間,即“回退”,各個計算機的回退時間隨機產生,一般情況下都不相同。回退時間過後各計算機再次試圖發送。這就是以太網技術必須提到的 CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/衝突檢測)機制。

網上經常看到類似於10BASE-T、100BASE-T4、100BASE-FX、1000BASE-X等等定義,很多人對這些規格名稱都是一臉懵圈,一知半解。它們各自到底表示什麼意思,彼此之間又有什麼區別呢?別急,首先我們拆解一下這些個標準的名字構成:

  • 10/100/1000:表示網線設計的頻率,單位MHz。值越大,網線所支持的速度就越快。100 MHz表示以每秒100Mbit的速度傳輸,這在理論上指的就是12 Mbps。當然,實際應用中考慮到冗餘設計和干擾等因素,真實值可能會小很多。
  • BASE:BASE是英文BASEband的縮寫,指的就是基帶。表示沒有使用頻分複用或者其它頻率轉換技術,每一個信號在一個單一頻率上完全控制線纜。
  • 數字/T/F/C等:最後一個如果是數字,則表示單段網線的最大長度(基準單位是100m);如果是字母,則依次解釋如下:T代表承載信號的物理介質是雙絞線纜(Twisted Pair Cable,又分爲UTP(Unshielded Twisted Pair,非屏蔽雙絞線)和STP(Shielded Twicted Pair,屏蔽雙絞線)兩種),在這裏每一對傳送信號的雙絞線互相纏繞以減少電磁干擾和串擾;F表示光纖;
  • 最後的字母或數字(4/X等): 在同一種傳送速率下有多種不同的標準,它們之間以一個字母或數字跟隨T/F/C之後的方式來區隔(例如TX)。它顯示了網線的結構並指出包含的絞線對的數量。某些高速標準使用同軸電纜,則分配代號爲CX。

然後我們就按照以太網的速度和發展歷史,對上述以太網中各種常見的標準和規範逐一進行解讀和對比:

兆比特以太網:1Mbps以太網

  • 施樂以太網(Xerox Ethernet,又稱“施樂以太網”):是以太網的雛型。最初的2.94Mbit/s以太網僅在施樂公司裏內部使用。而在1982年,Xerox與DEC及Intel組成DIX聯盟,並共同發表了Ethernet Version 2(EV2)的規格,並將它投入商場市場,且被普遍使用。而EV2的網絡就是目前受IEEE承認的10BASE5;
  • 10BROAD36:已經過時。一個早期的支持長距離以太網的標準。它在同軸電纜上使用,以一種類似線纜調制解調器系統的寬帶調製技術;
  • 1BASE5:也稱爲星型局域網,速率是1Mbit/s。在商業上很失敗,但同時也是雙絞線的第一次使用;

標準以太網:10Mbps以太網

最開始以太網只有10Mbps的吞吐量,它所使用的是CSMA/CD(帶有衝突檢測的載波偵聽多路訪問)的訪問控制方法,通常把這種最早期的10Mbps以太網稱之爲標準以太網。以太網主要有兩種傳輸介質,那就是雙絞線和同軸電纜。所有的以太網都遵循IEEE 802.3標準。

10BASE-5

  • 10BASE-5解釋:10指的是其10Mbit/s的傳輸速度,BASE是基帶信號的縮寫(與寬帶相反),5代表最大段長度爲500米(1600英尺);
  • 10BASE-5也被稱爲Thick Ethernet or Thicknet,是以太網的第一個商用變體;
  • 使用直徑10mm的50歐姆粗同軸電纜(Coaxial Cable),總線拓撲結構,站點網卡的接口爲DB-15連接器,每個網段允許有100個站點,每個網段最大允許距離爲500m,網絡直徑爲2500m,可由5個500m長的網段和4箇中繼器組成;
  • 利用基帶的10M傳輸速率,採用曼徹斯特編碼傳輸數據;
  • 現在這一標準實際上被10BASE2取代;

10BASE-2

  • 10BASE-2解釋:10表示10 Mbit/s的傳輸速度,BASE代表基帶信令,2代表最大段長度接近200米(實際最大長度爲185米);
  • 10BASE-2也被稱爲Cheapernet,Thin Ethernet,Thinnet或者Thinwire,是爲了降低10BASE-5的安裝成本和複雜性而設計的,使用以BNC連接器端接的同軸電纜;
  • 其使用廉價的R9-58型50歐姆細同軸電纜,總線拓撲結構;每個網段允許30個站點,每個網段最大允許距離爲185m,仍保持10BASE-5的4中繼器/5網段設計能力,允許的最大網絡直徑爲5x185=925m。
  • 利用基帶的10M傳輸速率,採用曼徹斯特編碼傳輸數據;
  • 10BASE-2雖然在能力、規格上不及10BASE5,但是因爲其線材較細、佈線方便、成本也便宜,所以得到更廣泛的使用,淘汰了10BASE5。由於雙絞線的普及,它也被各式的雙絞線網絡取代;

10BASE-T

  • 10BASE- T解釋:10表示10Mbit/s的傳輸速度,BASE表示使用基帶傳輸,T表示雙絞線(Twisted pair cables),每個信號的一對導線絞合在一起以減少對之間的電磁干擾和串擾;
  • 對於相同傳輸速度有幾種標準的情況下,它們通過T之後的字母或數字來區分,例如TX,指的是編碼方法和通道數量。
  • 使用兩對非屏蔽雙絞線,一對線發送數據,另一對線接收數據,用RJ-45模塊作爲端接器,星形拓撲結構,信號頻率爲20MHz,最大距離爲100m;
  • 雙絞線以太網是以太網技術的主要進步之一,此前的以太網都是使用同軸電纜,自此以後,雙絞線正式取代同軸電纜走上了歷史舞臺。10BASE-T因爲價格便宜、配置靈活和易於管理而流行起來,現在佔整個以太網銷售量的90%以上。

10BASE-F

  • 10BASE- T解釋:10表示10Mbit/s的傳輸速度,BASE表示使用基帶傳輸,F表示光纖,使用雙工光纜,一條光纜用於發送數據,另一條用於接收;
  • 分爲FP、FB 、FL三種鏈接類型,FP使用無源集線器連接,傳輸距離500米。FB使用有源連接器,傳輸距離2000米。FL可以使用多箇中繼器,可以進一步延長器傳輸距離;

10BASE-FP

  • P爲Passive的縮寫,用來說明點對點的連接方式,一個網段的長度可達500m;
  • 一個光纜無源星形耦合器最多可連接33臺計算機。這形成了一個以信號耦合器爲中心的星型網絡;
  • 沒有已知的設備實現了這個標準;

10BASE-FB

  • B爲Backbone的縮寫,是用來說明一個同步信令骨幹網段,用於在一個跨越遠距離的轉發主幹網系統中將專用的10BASE-FB同步信令中繼器連接在一起。單個10BASE-FB網段最長可達2000m;
  • 它不用於連接用戶工作站。而是用於提供一個同步的信令骨幹網,該網允許附加網段和中繼器連接到網絡上;

10BASE-FL

  • L是Link的縮寫,10BASE-FL是以太網光纖上最常用的10BASE-F規範;
  • 10BASE-FL是路由器之間用光纖連接構成的以太網。最初在DIX規範中稱爲 FOIRL ,但由 IEE標準化後稱爲10BASE-FL。支持可達4km的光纜主幹以10Mbit/s的速度傳輸;
  • 如今,10BASE-FL很少用於網絡,並已被快速以太網,千兆以太網和100千兆位以太網標準所取代;

快速以太網:100Mbps以太網

100Mbps以太網就是業內常說的快速以太網,它由 IEEE 802.3u 標準定義,基本與標準以太網相同,但速度比標準以太網快十倍。快速以太網的速度是通過提高時鐘頻率和使用不同的編碼方式獲得的。其傳輸方案最常用的便是100BASE-T,100BASE-T又包括100BASE-TX 、100BASE-T4以及其他幾種。100BASE-T4 是一種 3 類雙絞線方案,不支持全雙工,目前最廣泛使用的都是100BASE-TX,此方案需使用 5 類以上雙絞線,時鐘信號處理速率高達125MHz。

100BASE-T

  • 又稱Fast Ethernet(快速以太網),是許多以標稱速率100 Mbit/s傳輸流量的以太網標準的統稱。在快速以太網標準中,100BASE-TX是最常見的。
  • 名稱中的“100”是指100Mbit/s的傳輸速度,“BASE”是指基帶信令,破折號後面的字母T是指承載信號的物理介質爲雙絞線。快速以太網有時被稱爲100BASE-X,其中“X”是FX和TX變體的佔位符;

100BASE-T4

  • 100BASE-T4是快速以太網的早期實現。使用的是四對雙絞線,一對保留用於發送,一個用於接收,其餘兩個將通過協商切換方向;
  • 使用RJ-45連接器,最大網段長度爲100m,並且在節點間的最小長度是2.5米;
  • 採用EIA568佈線標準。由於沒有專用的發送或接收線路,所以100BASE-T4不能進行全雙工操作;
  • 在傳輸中採用8B/6T的編碼方式,即每8位作爲一組的數據轉換爲每6位一組的三元碼組,每條輸出信道的信息傳輸率爲33.3Mbps*6/8=25Mbaud;
  • 100BASE-T4未被廣泛採用,但爲其開發的技術被用於1000BASE-T;

100BASE-TX

  • 使用兩對5類非屏蔽雙絞線或1類屏蔽雙絞線,一對用於發送數據,另一對用於接收數據;
  • 最大網段長度爲100m,佈線符合EIA568標準;
  • 採用的是4B/5B編碼方式,即把每4位數據用5位的編碼組來表示,該編碼方式的碼元利用率=4/5*100%=80%。然後將4B/5B編碼成NRZI進行傳輸,使其可以125MHz的串行數據流來傳送數據;
  • 100BASE-TX採用的物理拓撲結構爲星型,在目前的組網方法中,使用最多的是- 100BASE-TX標準的網卡,只支持RJ-45標準,它多用於主幹網;
  • 支持全雙工,使用MLT-3(多電平傳輸-3)波形法來降低信號頻率到125/3=41.6MHz;
  • 100BASE-TX是100BASE-T中使用最爲廣泛的物理層規範;

100BASE-T2

  • 隨着數字信號處理技術和集成電路技術的發展,只用2對3類UTP線就可以傳送100Mbps的數據,因而針對100BASE-T4不能實現全雙工的缺點,IEEE開始制定100BASE-T2標準;
  • 100BASE-T2 採用2對音頻或數據級3、4或5類UTP電纜,一對用於發送數據,另一對用於接收數據,可實現全雙工操作;採用RJ45連接器,最長網段爲100m,符合EIA568佈線標準;
  • 採用名爲PAM5x5的5電平編碼方案;

100BASE-T1

  • 100BASE-T1是IEEE專門針對100Mb/s汽車以太網的規範,也可以將其稱爲IEEE802.3bw,這兩個名稱指的是相同的規範。“-T1”後綴是一個重要的區別,讓您知道是指汽車以太網,它與普通100BASE-T不同;
  • 100BASE-T1規範可與OPEN Alliance BroadR-Reach互操作,它們幾乎相同(名稱通常可互換使用),但有兩個的小的差異,第一在物理層電氣(物理介質附件PMA)測試規範中,100BASE-T1規範定義了發送端最大峯值差分輸出的測試,BroadR-Reach規範中未明確定義此參數。第二個差異是100BASE-T1規範在喚醒命令的協議時序上存在一些差異,以使這些時段更短;
  • 它僅支持全雙工,同時在兩個方向上傳輸;
  • 雙絞線電纜需要支持66 MHz,最大長度爲15米;
  • 沒有定義特定的連接器;

100BASE-X

  • 最新的IEEE Std 802.3™-2015的SECTION 2 的Clause 24 規定了一系列100 Mb/s物理層實現共同使用的物理編碼子層(PCS)和物理媒體附加(PMA)子層,統稱爲100BASE-X;
  • 目前在這個系列中有兩個實施例:100BASE-TX和100BASE-FX。100BASE-TX指定通過兩對雙絞線5類電纜進行操作,100BASE-FX指定通過兩根光纖進行操作;

100BASE-FX

  • 100BASE-FX是光纖上的快速以太網版本。使用兩股光纖,一股用於發送數據,另一股用於接收數據。可用單模光纖或者多模光纖。在全雙工情況下,單模光纖的最大傳輸距離是40千米,多模光纖的最大傳輸距離是2千米;
  • 100BASE-FX使用與100BASE-TX相同的4B5B編碼和NRZI線路代碼;
  • 100BASE-FX運行於光纜上,使得它非常適合於高速主幹網和長距離傳輸、或有強電氣干擾的環境、或要求較高安全保密鏈接的環境;

千兆以太網:1Gbps以太網

千兆以太網標準IEEE 802.3z於1998年6月獲得批准,它爲三種傳輸媒質定義了三種收發器:1000BASE-LX用於安裝單模光纖,1000BASE-SX用於安裝多模光纖,1000BASE-CX用於平衡、屏蔽銅纜,可以用於機房內設備的互連。IEEE 802.3ab定義了在5類線的基礎上運行千兆以太網1000BASE-T的物理層,並在1999年6月得到批准。

1000BASE-X

  • IEEE802.3z定義了基於光纖和短距離銅纜的1000BASE-X;
  • 採用8B/10B編碼技術,信道傳輸速度爲1.25Gbit/s,去耦後實現1000Mbit/s傳輸速度;

1000BASE-CX

  • 採用的是150Ω平衡屏蔽雙絞線(STP),使用9芯D型連接器連接電纜;
  • 採用8B/10B編碼方式,最大傳輸距離25米;
  • 適用於交換機之間的連接,尤其適用於主幹交換機和主服務器之間的短距離連接;

1000BASE-LX

  • 1000BASE-LX採用單模或多模長波激光器(long wavelength laser)的規格。
  • 採用直徑爲9um或10um的單模光纖,工作波長範圍爲1270-1355nm,傳輸距離爲5km左右。
  • 採用直徑爲62.5um或50um的多模光纖時,工作波長範圍爲1270-1355nm,傳輸距離爲550m;

1000BASE-SX

  • 1000BASE-X 採用多模短波激光器(short wave-length laser)的規格;
  • 只支持多模光纖,可以採用直徑爲62.5um或50um的多模光纖,工作波長爲770-860nm,傳輸距離爲220-550m;

1000BASE-T

  • 採用四對五類平衡電纜的1000 Mb/s物理層規格。與10BASE-T、100BASE-T完全兼容;
  • 千兆以太網可以在下列四種媒質上運行:單模光纖,最大連接距離至少可達5公里;多模光纖,最大連接距離至少550米;同軸電纜,最大連接距離至少25米;超五類/六類線,最大連接距離爲100米;

萬兆以太網:10Gbps以太網

10G以太網於2002年7月在IEEE通過。10G以太網包括10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。

  • 10GBASE-X使用一種特緊湊包裝,含有1個較簡單的WDM器件、4個接收器和4個在1300nm波長附近以大約25nm爲間隔工作的激光器,每一對發送器/接收器在3.125Gbit/s速度(數據流速度爲2.5Gbit/s)下工作;
  • 10GBASE-R是一種使用64B/66B編碼(不是在千兆以太網中所用的8B/10B)的串行接口,數據流爲10.000Gbit/s,因而產生的時鐘速率爲10.3Gbit/s;
  • 10GBASE-W是廣域網接口,與SONET OC-192兼容,其時鐘爲9.953Gbit/s數據流爲9.585Gbit/s;
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