任务二 以太网实例
知识点
1.本任务讲什么？
本任务主要介绍以太网的组网标准，如使用同轴电缆的 10BASE-5 和 10BASE-2、使用双绞线的 10BASE-T 和 100BASE-T 等。
学习顺序：粗缆（10BASE-5）→ 细缆（10BASE-2）→ 双绞线（10BASE-T）→ 快速（100BASE-T）→ 千兆 → 万兆。这条线索其实就是传输介质从粗到细、从共享到交换、从 10Mb/s 到 10Gb/s 的演进史。
2.10BASE-5 网络（粗缆以太网）有什么特点？
10BASE-5 及 10BASE-2 网络是较早的 Ethernet 网络，其拓扑结构为总线型。10BASE-5 也称粗缆以太网，采用阻抗为 50Ω 的粗同轴电缆作为传输介质。
| 项目 | 具体规定 |
|---|---|
| 介质 | 50Ω 粗同轴电缆 |
| 连接方式 | 每个网段上的客户机均通过**收发器（Transceiver）**与总线相连 |
| 接口标准 | 收发器与客户机网卡之间的接口标准为 AUI，AUI 是一种 15 针的插头插座 |
| 终端匹配 | 粗缆两端应连接 50Ω 的终端匹配器（也称终端器），其中一端必须接地（见图 5-4） |
| 网段最大长度 | 500m；超过 500m 时需要使用中继器以延长网段 |
| 最多网段数 | 5 个网段 |
| 最大联网距离 | 2500m（5 × 500） |
| 收发器最小间距 | 每个客户机的收发器在总线上的最小距离为 2.5m |
| 每网段客户机数 | 最多可连接 100 个客户机 |
注意"5-5-2.5"这组数字：500m 网段、5 个网段、2500m 总长、2.5m 间距——数字都和"5"有关，很好记。
3.10BASE-2 网络（细缆以太网）有什么特点？
10BASE-2 也称细缆以太网，采用 50Ω 的细同轴电缆作为传输介质。
最大区别：10BASE-2 以太网不需要收发器，因为收发器与网卡集成在了一起。因此，10BASE-2 以太网连接时比 10BASE-5 简单，价格也要低得多。
| 项目 | 具体规定 |
|---|---|
| 介质 | 50Ω 细同轴电缆 |
| 网段最大长度 | 185m |
| 最多网段数 | 5 个 |
| 最大联网距离 | 925m（5 × 185） |
| 每网段客户机数 | 最多 30 个 |
| T 型连接器最小间距 | 0.5m |
| 终端匹配 | 细缆两端必须连接 50Ω 的终端匹配器 |
| 连接要求 | T 型连接器与网卡上的 BNC 接口必须直接相连，中间不得有任何电缆；T 型连接器的另外两端连接细缆 |
T 型连接器也叫 T 型头，是一种电缆与网卡之间的连接器件。
混合使用：网络中的粗同轴电缆与细同轴电缆可以混合使用，在实时性要求不高和站点不太多的情况下可以采用总线型网。
4.10BASE-5 与 10BASE-2 对比
| 比较项 | 10BASE-5（粗缆） | 10BASE-2（细缆） |
|---|---|---|
| 电缆 | 50Ω 粗同轴 | 50Ω 细同轴 |
| 收发器 | 需要独立收发器 | 不需要（集成在网卡上） |
| 接口 | AUI（15 针） | BNC + T 型头 |
| 网段长度 | 500m | 185m |
| 最多网段 | 5 | 5 |
| 最大联网距离 | 2500m | 925m |
| 每网段站点数 | 100 | 30 |
| 最小间距 | 收发器间 2.5m | T 型头间 0.5m |
| 终端匹配器 | 两端 50Ω，一端接地 | 两端 50Ω |
| 成本与施工 | 高、硬、施工难 | 低、简单 |
记忆：粗缆"长而少"（500m/100 台），细缆"短而密"（185m/30 台），但都只能挂 5 个网段。
5.10BASE-T 网络（双绞线以太网）有什么特点？
20 世纪 90 年代以太网技术发展的一大突破是使用非屏蔽双绞线（UTP）的 10BASE-T 标准。10BASE-T 中的 T 表示双绞线（Twisted Pair wire），它采用曼彻斯特编码方式工作。10BASE-T 以太网的拓扑结构为星型。
图 5-5 是一个以集线器为星型拓扑中央节点的 10BASE-T 网络示例：所有的工作站都通过双绞线连接到**集线器（Hub）**上。
| 项目 | 具体规定 |
|---|---|
| 介质 | 非屏蔽双绞线（UTP） |
| 拓扑 | 星型（中央节点为 Hub） |
| 编码 | 曼彻斯特编码 |
| 工作站与 Hub 间最大距离 | 100m |
| 接口 | 双绞线两端使用 RJ45 接口；一端接客户机，另一端必须接 Hub |
| 组网硬件 | 网卡、集线器、交换机、双绞线等 |
网络扩展：10BASE-T 网络扩展可以采用多个 Hub 来实现，Hub 之间的连接可以使用双绞线、同轴电缆或粗缆线、单模/多模光纤。这种使用集线器连接的方式会降低网络性能，所以一般都采用交换机进行网络扩展。
6.10BASE-T 相比 10BASE-5、10BASE-2 有哪些优点？
10BASE-T 以太网一经出现就得到了广泛的认可和应用，与 10BASE-5 和 10BASE-2 相比有如下特点：
| 优点 | 具体表现 |
|---|---|
| （1）安装简单、扩展方便 | 网络的建立灵活、方便，可以根据网络的大小，选择不同规格的 Hub 或交换机连接在一起，形成所需要的网络拓扑结构 |
| （2）网络的可扩展性强 | 因为扩充与减少工作站都不会影响或中断整个网络的工作 |
| （3）故障隔离作用好 | 集线器或交换机具有很好的故障隔离作用：当某个工作站与中央节点之间的连接出现故障时，不会影响其他节点的正常运行；当网络中某一个集线器或交换机出现故障时，只会影响到与该集线器或交换机直接相连的节点 |
7.为什么说 10BASE-T 的出现具有里程碑式的意义？
主要体现在三点：
- 首次将星型拓扑引入了以太网中
- 突破了双绞线不能进行 10Mb/s 及以上速率传输的传统技术限制
- 在后期发展中，引入了第 2 层交换机以取代第 1 层集线器作为星型拓扑的核心，从而使以太网从共享以太网时代进入了交换以太网时代
8.不同速率的以太网为什么能互相兼容？
以上 3 种以太网在物理层存在较大的差异，但它们在数据链路层都采用 CSMA/CD 作为介质访问控制协议，并且在 MAC 子层使用统一的 IEEE 802.3 帧格式，所以 10BASE-T 网络与 10BASE-2、10BASE-5 是相互兼容的。
事实上，在以太网后来的发展中，以太网技术仍然保留了这种标准的帧格式，从而使得所有的以太网系列技术之间能够相互兼容。
一句话：物理层可以千变万化，数据链路层"帧格式 + CSMA/CD"不变——这就是以太网"向下兼容"的根本原因。
9.100BASE-T 快速以太网是怎么回事？
随着网络应用的不断深入和多媒体技术的发展，10Mb/s 以太网已难以满足网络用户的应用需求。IEEE 802.3 委员会在 1995 年制定了 100Mb/s 的快速以太网规范（IEEE 802.3u）。
- 快速以太网技术 100BASE-T 是从 10BASE-T 标准以太网发展而来的，可支持 100Mb/s 的数据传输速率
- 与 10BASE-T 一样可支持共享式与交换式两种使用环境，在交换式以太网环境中可以实现全双工通信
- IEEE 802.3u 在 MAC 子层仍然采用 CSMA/CD 作为介质访问控制方法，并且保留了 IEEE 802.3 的帧格式
- 但是，为了实现 100Mb/s 的传输速率，在物理层作了一些重要的改进。例如在编码上，采用了效率更高的 4B/5B 编码方式
三种物理层规范（UTP 为非屏蔽双绞线；STP 为屏蔽双绞线；S/MMF 为单模/多模光纤）：
| 规范 | 介质 | 网段长度 | 实际使用线缆 |
|---|---|---|---|
| 100BASE-TX | 5 类 UTP 或 STP 双绞线 | 100m | 线缆中的 2 对 |
| 100BASE-T4 | 3~5 类 UTP 双绞线 | 100m | 线缆中的 4 对 |
| 100BASE-FX | S/MMF 型光纤 | 400~2000m；全双工时速率达 200Mb/s | 两条光纤，一条发送、一条接收 |
10.快速以太网如何升级？最大优点是什么？
升级方法：快速以太网与 10BASE-T 布线兼容。实现时无需改变网络拓扑结构，而且所有在 10BASE-T 上的应用软件和网络软件功能都可保持不变，用户只需更换网卡和配置一台 100Mb/s 的集线器（或交换机），就可轻易地将 10BASE-T 升级为快速以太网 100BASE-T，获得 100Mb/s 的数据传输速率。
最大优点：结构简单实用、成本低并易于普及，主要用于快速桌面系统。
11.100BASE-T 与 10BASE-T 有哪些相同与不同？
（1）相同之处
- 采用相同的介质访问控制方式，即 CSMA/CD 协议
- 采用相同的数据传输的帧格式
- 相同的组网方法
- 均具有低成本、易扩展性能
（2）不同之处
| 比较项 | 10BASE-T | 100BASE-T |
|---|---|---|
| 发送时间（每比特） | 100ns | 10ns（降低 10 倍） |
| 工作频率 | 25MHz | 125MHz（100BASE-TX/FX） |
| 编码方式 | 曼彻斯特编码 | 4B/5B（效率更高） |
| 介质无关接口 | 没有 | 有（介质独立接口，把 MAC 子层与物理层隔开） |
介质无关接口的意义：快速以太网采用介质独立接口将 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，因此也被称为介质无关接口。
12.千兆以太网是怎么来的？
随着多媒体技术、高性能分布计算和视频应用的不断发展，用户对局域网的带宽提出了越来越高的要求；同时 100Mb/s 快速以太网在客观上也要求主干网、服务器一级的设备拥有更高的带宽。
在这种需求背景下，IEEE 802 委员会在 1996 年 3 月成立了 IEEE 802.3z 工作组，专门负责千兆以太网标准的制定，并于 1998 年 6 月正式公布关于千兆以太网的标准：
- IEEE 802.3z：支持光纤传输
- IEEE 802.3ab：支持铜缆传输
基本特性：
- 数据传输率为 1000Mb/s（即 1Gb/s），因此也称吉比特以太网
- 基本保留了原有以太网的帧结构，所以向下和以太网、快速以太网完全兼容，使得原有的 10Mb/s 以太网和 100Mb/s 以太网可以直接连接到千兆以太网
物理层 4 个协议规范：
| 规范 | 介质 | 传输距离 | 速率 | 编码 | 适用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1000BASE-SX | 直径 62.5μm、50μm 的多模光纤 | 260m、525m | 1Gb/s | 8B/10B | 建筑物网络系统的主干通路 |
| 1000BASE-LX | 多模或单模光纤 | 超过 550m | 1Gb/s | 8B/10B | 建筑物主干、校园及城域主干网 |
| 1000BASE-CX | 150Ω 平衡屏蔽双绞线（STP） | 25m | 1.25Gb/s | 8B/10B | 网络设备互联，如核心机房内连接服务器、办公环境连接客户机 |
| 1000BASE-T | 4 对 5 类 UTP | 100m | 1Gb/s | — | 结构化布线中同一层建筑的通信，可利用已铺设 UTP，也可作建筑物内主干 |
13.千兆以太网有哪些主要优点？
| 优点 | 说明 |
|---|---|
| （1）简易性 | 保持了传统以太网的技术原理、安装实施和管理维护的简易性，这是千兆以太网成功的基础之一 |
| （2）技术过渡的平滑性 | 保持了经典以太网的主要技术特征，采用 CSMA/CD 介质访问控制方法，采用相同的帧格式及大小，支持全双工、半双工工作方式，以确保平滑过渡 |
| （3）网络可靠性 | 保持经典以太网的安装和维护方法，采用中央集线器或交换机的星型结构和结构化布线方法 |
| （4）可管理性和可维护性 | 采用**简单网络管理协议（SNMP）**查找和排除工具 |
| （5）支持新应用与新数据类型 | 具有支持新应用与新数据类型的高速传输能力 |
应用位置：目前千兆以太网主要被用于主干网络中，但随着用户需求的增长和设备价格的降低，千兆以太网也日益用于桌面（即用户端）环境中。
14.万兆以太网的发展情况如何？
在以太网技术中，快速以太网确立了以太网技术在桌面系统的统治地位，随后出现的千兆以太网更是加快了以太网的发展。从 1999 年开始，快速以太网开始向万兆以太网技术 10Gb/s 发展。
- 万兆以太网不仅再度扩展了以太网的带宽和传输距离，更重要的是使得以太网从局域网领域向城域网、广域网领域渗透
- 现代大型网络的带宽已经达到了 100Gb/s
- IEEE 802 委员会在 1999 年年底成立了 IEEE 802.3ae 工作组进行万兆以太网技术的研究，并于 2002 年正式发布 IEEE 802.3ae 10GE 标准
- 万兆以太网采用全双工与光纤技术，兼容以前各种版本的以太网、快速以太网及千兆以太网技术，便于现有网络升级到万兆以太网
- 目前因为技术与价格的原因，万兆以太网主要应用在主干网络中
15.以太网标准演进一览
| 代际 | 标准 | 速率 | 编码 | 典型介质 | 里程碑 |
|---|---|---|---|---|---|
| 标准以太网 | 802.3（10BASE-5/2/T/F） | 10Mb/s | 曼彻斯特 | 粗/细同轴、UTP、光缆 | 统一 MAC 帧格式 |
| 快速以太网 | 802.3u（100BASE-TX/T4/FX） | 100Mb/s | 4B/5B | 5 类 UTP/STP、光缆 | 引入介质无关接口 |
| 千兆以太网 | 802.3z（光纤）/ 802.3ab（铜缆） | 1000Mb/s | 8B/10B | 多模/单模光纤、STP、5 类 UTP | 主干普及 |
| 万兆以太网 | 802.3ae | 10Gb/s | — | 光纤、全双工 | 由 LAN 向 MAN/WAN 渗透 |
16.本任务的任务实施做什么？
- 启动计算机，在搜索工具中以"以太网标准"为关键词进行搜索
- 浏览搜索结果中关于不同以太网标准的叙述
- 不同标准的以太网是兼容的，可以通过设备连接到一起。检索在技术上的实现方法
17.速查表
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| 10BASE-5 的介质与拓扑 | 50Ω 粗同轴电缆，总线型 |
| 10BASE-5 网段长度 / 网段数 / 总长 | 500m / 5 个 / 2500m |
| 10BASE-5 每网段客户机数 | 100 台（收发器最小间距 2.5m） |
| 10BASE-5 的网卡接口 | AUI（15 针） |
| 10BASE-2 的介质与拓扑 | 50Ω 细同轴电缆，总线型 |
| 10BASE-2 网段长度 / 网段数 / 总长 | 185m / 5 个 / 925m |
| 10BASE-2 每网段客户机数 | 30 台（T 型头最小间距 0.5m） |
| 10BASE-2 的连接器件与接口 | T 型连接器（T 型头） + BNC 接口 |
| 10BASE-2 为什么不用收发器 | 收发器与网卡集成在一起 |
| 终端匹配器阻值 | 50Ω（粗缆一端必须接地） |
| 10BASE-T 的介质、拓扑、编码 | UTP、星型（Hub 为中心）、曼彻斯特编码 |
| 10BASE-T 工作站到 Hub 的距离 | 100m（两端 RJ45） |
| 10BASE-T 的三个优点 | 安装简单扩展方便、可扩展性强、故障隔离好 |
| 10BASE-T 里程碑三点 | 首次引入星型；突破双绞线 10Mb/s 限制；第 2 层交换机取代 Hub |
| 各速率以太网兼容的原因 | 数据链路层均为 CSMA/CD + 统一的 802.3 帧格式 |
| 快速以太网标准与年份 | IEEE 802.3u，1995 年 |
| 100BASE-TX / T4 / FX 介质 | 5 类 UTP 或 STP（2 对）/ 3 |
| 快速以太网编码 | 4B/5B |
| 快速以太网与 10BASE-T 比特时间 | 10ns vs 100ns |
| 两者工作频率 | 125MHz vs 25MHz |
| 千兆以太网标准 | 802.3z（光纤）/ 802.3ab（铜缆），1998 年 6 月 |
| 千兆编码 / 速率 | 8B/10B / 1000Mb/s |
| 1000BASE-CX 的距离与介质 | 25m、150Ω STP |
| 1000BASE-T 的距离与介质 | 100m、4 对 5 类 UTP |
| 万兆以太网标准 | IEEE 802.3ae，2002 年发布，速率 10Gb/s |