一、概述

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有十兆、百兆、千兆、和萬兆之分，其規(guī)范都是IEEE 802.3家族標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)最初使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)（總線拓?fù)洌?，為了?jié)省成本，后來又開發(fā)了基于雙絞線的以太網(wǎng)規(guī)范（這個時段一般使用集線器作為連接設(shè)備），再后來為了提高傳輸距離又誕生了光纖以太網(wǎng)規(guī)范。
雖然現(xiàn)在10Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)規(guī)范已經(jīng)不常使用了，但后面所有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都是基于這個來改進(jìn)開發(fā)的，所以還是有必要了解一下該規(guī)范。

二、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)規(guī)范

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，即十兆以太網(wǎng)。其規(guī)范中主要包括：50Ω粗同軸電纜連接的10Base5(IEEE 802.3)，使用50Ω細(xì)同軸電纜連接的10Base2(IEEE 802.3A)，使用75Ω同軸電纜的10Broad36(IEEE 802.3B)，使用雙絞線的10Base-T(IEEE 802.3I)和使用光纖的10Base-F(IEEE 802.3J)。
這些規(guī)范名稱是有含義的，對于同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的10Mbps以太網(wǎng)規(guī)范，其名稱格式如下：<傳輸速率(Mbps)><傳輸模式><最大段長度(百米)>。
如10Base-5，即使10Mbps速率，基帶傳輸，介質(zhì)最長為500米。

• 10Base-5、10Base-2
  這兩個規(guī)范都是在使用阻抗為50Ω同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，且采用基調(diào)傳輸模式的曼徹斯特編碼。兩者主要區(qū)別在于10Base-5使用粗同軸電纜，而10Base-2使用細(xì)同軸電纜，它們之間的最大單段距離為500m和180m。

• 10Broad36
  這是在IEEE 802.3中唯一針對寬帶系統(tǒng)（如有線廣播，有線電視）的規(guī)范，在采用阻抗為75Ω同軸電纜的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中使用，它也采用幾代傳輸模式的曼徹斯特編碼，最大的段距離為3.6km。

• 10Base-T
  該規(guī)范應(yīng)用于使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，是當(dāng)時以太局域網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的以太網(wǎng)規(guī)范。它也采用基帶傳輸模式的曼徹斯特編碼，最大段距離為100m。

• 10Base-F
  該規(guī)范使用光纖作為傳輸介質(zhì)，包括10Base-FL、10Base-FB和10Base-FP三種字規(guī)范，均采用基帶傳輸模式的曼徹斯特編碼，但設(shè)計用途上各不相同。

• 10Base-FL
  設(shè)計用于當(dāng)時的光纖中繼器間連接(FOIRL, Fiober OpticInterRepeater Link)協(xié)議協(xié)同工作，其目的就是替代FOIRL，與FOIRL協(xié)同時單段光纖段距離為1000m，純10Base-FL段距離為2000m。

• 10Base-FB
  用于光纖骨干網(wǎng)(Fiber-Backbone)中同步信令的傳輸，用于將其他網(wǎng)段通過中繼器連接到本地網(wǎng)絡(luò)，單段光纖段距離為2000m。這個協(xié)議是用于集線器、交換機(jī)、光纖中繼器間的連接的。

• 10Base-FP
  用于連接無源光纖(Fiber-Passive)器件的以太網(wǎng)子規(guī)范，可以無需中繼器即可連接大量用戶（通過集線器、交換機(jī)）組成星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，單段光纖段距離為500m。該協(xié)議用于用戶與集線器和交換機(jī)間的鏈接。

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)

在IEEE 802.3以太網(wǎng)中，MAC子層是直接與物理層連接的。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的物理層包含以下三個部分：MAU、AUI、PLS。
其結(jié)構(gòu)見下圖：

物理層結(jié)構(gòu)

• 介質(zhì)連接單元(MAU, Medium Attachment Unit)
  MAU是網(wǎng)絡(luò)接口用來直接與傳輸介質(zhì)鏈接的那部分結(jié)構(gòu)，發(fā)揮作用的是其內(nèi)的收發(fā)器(transceiver)芯片。在該部分中又包括了物理介質(zhì)連接(PMA, Physical Medium Attachment)和介質(zhì)相關(guān)接口(MDI, Medium Dependant Interface)兩個子層，在網(wǎng)絡(luò)接口和傳輸介質(zhì)之間提供機(jī)械鏈接和電氣特性接口。

• 介質(zhì)相關(guān)接口(MDI, Medium Dependent Interface)
  負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)接口和傳輸介質(zhì)的連接，其實(shí)就是網(wǎng)絡(luò)接口連接器。它定義了電纜的連接器，以及電纜兩段負(fù)載的特性。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)有多種不同的傳輸介質(zhì)類型，所以也就對應(yīng)有多種連接器。
  粗同軸電纜的MDI稱為插入式分接頭。實(shí)物見下圖：
  

  插入式分接頭
  
  細(xì)同軸電纜的MDI稱為BNC連接器。實(shí)物見下圖：
  
  BNC連接器
  
  雙絞線的MDI稱為RJ-45連接器。實(shí)物見下圖：
  
  RJ-45連接器
  
  光纖以太網(wǎng)的MDI有ST或SC兩種。實(shí)物見下圖（圖1為ST，圖2為SC）：
  
  ST接頭
  
  
  SC接頭

• 連接單元接口(AUI, Attachment Unit Interface)
  AUI是網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)器上的電纜，它定義的是將MAU和PLS子層相連電纜的機(jī)械和電氣特性，同時定義了通過該電纜交換的信號的特性。AUI上的信號有4種：

  1. 發(fā)送曼徹斯特編碼
  2. 接收曼徹斯特編碼
  3. 沖突信號
  4. 電源信號

  注：有時候PLS子層和PMA子層處于同一個DTE設(shè)備中，這時就不需要AUI和MAU了，但與同軸電纜的MDI子層還是需要的。

• 物理層信號子層(PLS, Physical Layer Signaling)
  PLS是為MAC子層服務(wù)的，是在網(wǎng)卡中實(shí)現(xiàn)的（PMA和MDI是在收發(fā)器中實(shí)現(xiàn)）。它主要負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)對物理層信號進(jìn)行處理，具體包括編碼、解碼和載波偵聽服務(wù)。

二、快速以太網(wǎng)規(guī)范

100Mbps的快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet)是由10Mbps標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來的，其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為1995年發(fā)布的IEEE 802.3u(100Base)。
IEEE 802.3u在MAC子層仍采用了在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中的CSMA/CD作為介質(zhì)訪問控制協(xié)議，并保留了MAC和LLC幀格式。但是為了實(shí)現(xiàn)100Mbps的傳輸速率，在物理層做了一些重要的改進(jìn)：如采用更高效的4B/5B編碼而不是曼徹斯特編碼。
快速以太網(wǎng)也定義了幾種因介質(zhì)不同的規(guī)范，有100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX。其命名和上述提到的也類似，不同在于TX表示兩對芯線雙絞線、T4表示四對芯線雙絞線，F(xiàn)X表示兩條光纖。

• 100Base-TX
  該規(guī)范采用兩對芯線的雙絞線電纜（5類、超5類屏蔽或非屏蔽雙絞線），其中一對用于發(fā)送，另一對用于接收。該標(biāo)準(zhǔn)直接取代10Base-T和10Base-2規(guī)范。
  該規(guī)范的MDI連接器有兩種：對于非屏蔽的雙絞線(UTP)是8個引腳的RJ-45連接器；對于屏蔽雙絞線(STP)是IBM的STP連接器。
  對于非屏蔽雙絞線，規(guī)范只使用四對芯線中的兩對，另外兩對沒有使用。根據(jù)EIA/TIA-568B布線標(biāo)準(zhǔn)，其RJ-45連接器與8條芯線的定義和連接如下表：
  

  
  100Base-TX也支持特征阻抗為150Ω的5類屏蔽雙絞線，這種線使用D型連接器。直通線與DB-9連接器上引腳和芯線連接如下表所示：
  
  
  線纜又有直通線和交叉線，直通線（級間連接，如PC到集線器、交換機(jī)，交換機(jī)到路由器等）兩端同時使用TIA/EIA-568B標(biāo)準(zhǔn)，而交叉線（同級連接，如PC到PC）則是兩端各使用A和B標(biāo)準(zhǔn)。
  交叉線兩端的引腳和芯線連接如下表所示：
  
  
  但目前的端口基本都支持電纜跳線自動翻轉(zhuǎn)功能，這使的任何情況下基本都可以只使用直通網(wǎng)線。

• 100Base-T4
  該標(biāo)準(zhǔn)是用來向下兼容早前安裝的3類、4類非屏蔽雙絞線（當(dāng)然也支持5類及以上線）的，但它要使用雙絞線中所有的8根芯線，這也就是T4的含義。
  它采用半雙工交換方式，在4對芯線中，3對用于一起發(fā)送數(shù)據(jù)，第4對用于沖突檢測（為了實(shí)現(xiàn)100Mbps傳輸速率）。其RJ45連接器引腳與芯線連接如下表：
  

  
  而該規(guī)范的交叉線兩端連接如下表所示：
  
  
  在100Base-T4中，原來的1、3和2、6兩對芯線與100Base-TX一樣，仍只能采用半雙工傳輸，但另外兩對芯線可以全雙工傳輸，如下圖：
  
  
  當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)到交換機(jī)或集線器時，1、3、4對雙絞線用來傳送數(shù)據(jù)，第2對用于沖突檢測；而當(dāng)工作站接收數(shù)據(jù)時，第2、3、4對雙絞線用來傳送數(shù)據(jù)，第1對用于沖突檢測。也就是說每個方向傳送都同時使用了3對雙絞線來傳送數(shù)據(jù)，這樣一來，對于100Mbps的速率來說，每對雙絞線傳送速率只有33.33Mbps，更加容易實(shí)現(xiàn)。
  另外，100Base-T4規(guī)范采用的是8B/6T編碼法，而不是其他快速以太網(wǎng)規(guī)范的4B/5B編碼。

• 100Base-FX
  該規(guī)范采用的是兩條光纖（單工模式），一條發(fā)送一條接收（而新型光纖一條即可，其采用之前提過的波分復(fù)用來實(shí)現(xiàn)全雙工）。該規(guī)范可以用的光纖有兩類：

  1. 多模光纖，纖芯為62.5/125μm，采用基于LED的收發(fā)器將波長為820nm的光信號發(fā)送到光線上。當(dāng)連在兩個設(shè)置為全雙工模式的交換機(jī)端口之間時，最大段距離有2km。
  2. 單模光纖，纖芯為9/125μm，采用基于激光的收發(fā)器將波長1300nm的光信號發(fā)送到光線上。單模光纖損耗小，較多模而言能傳輸更遠(yuǎn)的距離。

快速以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)

快速以太網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)在物理層結(jié)構(gòu)上存在較大差異，其對比如下圖：

• 介質(zhì)相關(guān)接口(MDI, Medium Dependent Interface)
  快速以太網(wǎng)規(guī)范中，該子層與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是一樣的。它規(guī)定PMD子層和傳輸介質(zhì)間的連接器類型，如100Base-TX的RJ-45連接器，100Base-FX的SC、ST連接器等。

• 物理介質(zhì)相關(guān)子層(PMD, Physical Media Dependent)
  這是快速以太網(wǎng)規(guī)范新增加的一層，位于收發(fā)器上。是物理介質(zhì)直接相連的信號收發(fā)器和信號檢測模塊，主要提供收發(fā)、檢測和編/解碼等功能。
  發(fā)送信號時，將來自PMA的信號經(jīng)過適當(dāng)編碼后發(fā)送；接收時解碼后遞交給PMA子層。

• 物理介質(zhì)連接子層(PMA, Physical Medium Attachment)
  負(fù)責(zé)完成鏈路檢測、載波檢測、非歸零翻轉(zhuǎn)(NRZI)編/解碼、發(fā)送時鐘合成和接收時鐘恢復(fù)功能。

• 物理編碼子層(PCS, Physical Coding Sublayer)
  負(fù)責(zé)4B/5B編解碼，但在100Base-T4中負(fù)責(zé)的是8B/6T編解碼、碰撞檢測、并串轉(zhuǎn)換功能。

• 介質(zhì)無關(guān)接口(MII, Medium Independent Interface)
  該層在邏輯上與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的AUI接口對應(yīng)，使MAC子層與傳輸介質(zhì)無關(guān)。
  MII在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)AUI的一位位串行傳輸改為4位的并行傳輸，這樣發(fā)送接收時鐘頻率只需要整個數(shù)據(jù)傳輸速率的1/4，即25Mhz，其好處是更容易實(shí)現(xiàn)和更穩(wěn)定。

• 協(xié)調(diào)子層(RS, Reconciliation Sublayer)
  該層替換標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的PLS子層，其負(fù)責(zé)的功能也有所不同，它是將MAC子層的業(yè)務(wù)定義映射成MII接口的信號。

三、千兆以太網(wǎng)規(guī)范

該規(guī)范是將傳輸速率提升到1000Mbps的規(guī)范，即1Gbps，又稱吉比特以太網(wǎng)。
該規(guī)范基本保留了原有的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，同時也支持CSMA/CD介質(zhì)訪問控制技術(shù)，所以完全向下兼容，原有的以太網(wǎng)可以方便的升級到千兆以太網(wǎng)。
它最早于1998年和1999年發(fā)布的IEEE 802.3z和802.3ab標(biāo)準(zhǔn)中，包括1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CX、1000Base-T四個，前三個是802.3z標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，而最后一個是802.3ab規(guī)定的。這四個規(guī)范支持不同類型的光纖和雙絞線電纜。
其整體體系結(jié)構(gòu)如下圖：

除了上述提到的IEEE發(fā)布的規(guī)范，在工業(yè)應(yīng)用里還有非正式標(biāo)準(zhǔn)形式但廣泛應(yīng)用的千兆以太網(wǎng)規(guī)范：1000Base-LH、1000Base-ZX、1000Base-LX10、1000Base-BX10、1000Base-TX。
因此，在千兆以太網(wǎng)中加起來一共有“九”種規(guī)范，根據(jù)采用的傳輸介質(zhì)類型，總體上分為基于光纖和基于雙絞線的兩大類。

• 1000Base-LX
  IEEE千兆以太網(wǎng)規(guī)范，以光纖作為傳輸介質(zhì)，可以使用單模光纖(SMF)或多模光纖(MMF)。適用于50nm和62.5nm的多模光纖和9nm的單模光纖，它使用長波長激光，波長為1310nm。多模最大傳輸距離為550m，單模最大傳輸距離為5km，采用8B/10B數(shù)據(jù)編碼方法，主要適用于校園網(wǎng)或城域網(wǎng)的主干網(wǎng)。

• 1000Base-SX
  IEEE千兆以太網(wǎng)規(guī)范，以光纖作為傳輸介質(zhì)。適用于線徑為50nm和62.5nm的短波多模光纖。其中前者最大傳輸距離為550m，后者為275m。它也采用8B/10B數(shù)據(jù)編碼方法，適用于樓宇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主干通路。

• 1000Base-LH
  非標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范，采用的是波長為1300nm或1310nm的單?；蚨嗄ｉL波光纖。它類似于1000Base-LX規(guī)范，但在單模優(yōu)質(zhì)光纖的最大傳輸距離可達(dá)10km，并且與1000Base-LX兼容。

• 1000Base-ZX
  非標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范，采用的是波長為1550nm的單模超長波光纖，最大傳輸距離可達(dá)70km。

• 1000Base-LX10
  非標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范，采用的是波長為1310nm的單模長波光纖，最大有效傳輸距離可達(dá)10km。

• 1000Base-BX10
  非標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范，其兩根光纖采用的傳輸介質(zhì)類型不一，下行方向采用波長為1490nm的單模超長波光纖，上行方向采用1310nm的單模長波光纖，最大有效傳輸距離為10km。

• 1000Base-CX
  IEEE千兆以太網(wǎng)規(guī)范，采用150Ω平衡屏蔽雙絞線(STP)為傳輸介質(zhì)（DB-9連接器），最大傳輸距離為25m，數(shù)據(jù)編碼法為8B/10B，適用于數(shù)據(jù)中心設(shè)備間短距離連接，但不適用于數(shù)據(jù)中心與配線架的連接。

• 1000Base-T
  IEEE千兆以太網(wǎng)規(guī)范，采用5類、超5類、6類、7類雙絞線的全部四對芯線作為傳輸介質(zhì)，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3ab（與其他標(biāo)準(zhǔn)不一）。最大傳輸距離為100m。全部四對芯線都可以同時進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)，所以同級設(shè)備也無需制作交叉線。這是企業(yè)局域網(wǎng)最常用的千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

• 1000Base-TX
  非標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范，它是由TIA/EIA與1995年發(fā)布的，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為TIA/EIA-854。

盡管TX也基于四對雙絞線，但采用的是快速以太網(wǎng)中100Base-TX類似的傳輸機(jī)制，即其中兩對發(fā)送、兩對接收。由于每對線纜本身不同時進(jìn)行雙向傳輸，因此串?dāng)_大大降低，其編碼方式也為8B/10B。但由于線纜的使用效率降低了，所以要達(dá)到1000Mbps的速率就必須使帶寬超過100MHz，也就是說只有6類及以上的雙絞線系統(tǒng)才支持。

規(guī)范之間的比較

千兆以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)

盡管有幾種規(guī)范不是IEEE發(fā)布的，但總的來說它們的體系結(jié)構(gòu)是類似的。與標(biāo)準(zhǔn)、快速以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)一樣，整個體系差別主要體現(xiàn)在物理層和MAC子層，LLC子層基本保持一致。體系而言，千兆以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)差別不大，下圖是它們之間的比較：

它們之間的主要區(qū)別在RS和PCS子層之間接口發(fā)生了改變，主要是由快速以太網(wǎng)的MII接口擴(kuò)展為MGII。其他各子層功能一致。
GMII是從MII的4位并行擴(kuò)展為8位并行，這樣每根線芯只需要125MHz的時鐘頻率即可實(shí)現(xiàn)1000Mbps的速率。另外GMII不支持連接器，它內(nèi)置成為了IC和IC間的接口。
另外的區(qū)別則是PCS子層的編碼不一，而且同為千兆以太網(wǎng)規(guī)范中的編碼也有不一，1000Base-X子系列均使用8B/10B編碼，1000Base-T則使用PAM-5編碼。

圖片來自互聯(lián)網(wǎng)及《深入理解計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》
原文連接：https://blog.csdn.net/GarfieldGCat/article/details/81586076