以太网物理层协议整理(1)-百兆/千兆以太网

樱桃海弥

以太网物理层协议整理(1)-百兆/千兆以太网

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& r! b, N* n' |! v7 _8 {$ ~1 m. X# q1 物理层各子层功能

Reconciliation Sublayer (RS):
/ C% N, O9 q, @7 d! t+ `+ v协调子层。汇聚功能，使不同介质类型对MAC子层透明

Medium Independent Interface (MII):
介质无关接口。提供公共接口，屏蔽这些物理层的不同细节

Physical Coding Sublayer (PCS):
物理编码子层。编码/解码

Physical Medium Attachment sublayer (PMA):
物理介质连接子层。执行并串/串并转换

Physical Medium Dependent sublayer (PMD):
) t' X" U& [5 f1 d物理介质相关子层。信号转换到特定介质上或反向转换

Medium Dependent Interface (MDI):
5 t+ ~% M" \& c介质相关接口。到传输介质的接口

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2 以太网帧结构
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Preamble (PRE)- 7 bytes. The PRE is an alternating pattern of ones and zeros that tells receiving stations that a frame is coming, and that provides a means to synchronize the frame-reception portions of receiving physical layers with the incoming bit stream.7字节。Pre字段中1和0交互使用，接收站通过该字段知道导入帧，并且该字段提供了同步化接收物理层帧接收部分和导入比特流的方法。

Start-of-frame delimiter (SFD)- 1 byte. The SOF is an alternating pattern of ones and zeros, ending with two consecutive 1-bits indicating that the next bit is the left-most bit in the left-most byte of the destination address.1字节。字段中1和0交互使用，结尾是两个连续的1，表示下一位是目的地址的起始位。

Destination address (DA)- 6 bytes. The DA field identifies which station(s) should receive the frame.目标地址.

Source addresses (SA)- 6 bytes. The SA field identifies the sending station. 源地址.

Length/Type- 2 bytes. This field indicates either the number of MAC-client data bytes that are contained in the data field of the frame, or the frame type ID if the frame is assembled using an optional format.

Data- Is a sequence of n bytes (46=< n =<1500) of any value. (The total frame minimum is 64bytes, maxium is bytes.)

Frame check sequence (FCS)- 4 bytes. This sequence contains a 32-bit cyclic redundancy check (CRC) value, which is created by the sending MAC and is recalculated by the receiving MAC to check for damaged frames.4字节。该序列包括32位的循环冗余校验（CRC）值，由发送方生成，接收方重新进行计算以校验被破坏的帧。

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7 d3 @, E$ i" O9 ?6 m0 {3 IEEE 802.3u Fast Ethernet

) ]) p7 s1 L( T; |9 P2 Q3.1) 100BASE-TX

支持全双工模式。使用的是两对抗阻为100欧姆的5类非屏蔽双绞线（UTP），最大传输距离是100米。用线对 1/2(发送), 3/6(接收)。使用RJ-45连接器。
. L" X! G* w, Q9 \PCS子层使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz。
PMD子中使用MLT-3(多电平传输-3)编码:若数据为“1”，则从当前电平到下一电平跳变。例如：11111=> +1,0,-1,0,+1，若数据为“0”，则不跳变。

3.2) 100Base-FX

支持全双工模式。使用的是两股光纤，其中一股用于发送数据，另一股用于接收数据。可用单模光纤或者多模光纤。使用MIC／FDDI连接器、ST连接器或SC连接器。采用4B/5B-NRZI方案，信号频率为125MHz。

8 H& _: J+ s: F" O3.3) 100BASE-T4

使用4对3类非屏蔽双绞线，最大传送距离是100米。站点发送使用三对线 1/2, 4/5,7/8来发送数据，使用一对线3/6来检测冲突；站点接收数据时，使用三对线 3/6, 7/8, 4/5接收数据。使用RJ-45连接器。不能进行全双工操作。
100BASE-T4的信号采用8B/6T的编码方式，每一个8位组映象为6位三元符号组，由於字碼包含 6 個符號，而每一個符號有 3 種電位 (+, 0, -), 因此所有可用的字碼有 729 個（3^6 = 729), 但是要代表所有 8 位元的組合只要 256 種字碼即可 (2^8 = 256)。然后轮流在三个输出线对上发送输出，每个线对上波特率25Mbaud，因为25Mbaud÷6/8=33.333Mbps，所以总传输率100Mbps。

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  `$ f% d/ u5 V! i& F: L4 Gigabit Ethernet

千兆以太网的标准包括的IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab。
! h/ w4 p# f  C8 R( `& y9 y  U. xIEEE 802.3z标准中包括1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CX，三种统称为1000Base-X子系列。
  i- S. E$ r& u: ]" G, j& ]8 ?IEEE 802.3ab标准中包括1000Base-T。
另外在工业应用中，尽管有些规范并没有正式以标准形式对外发布（或者不是由IEEE发布的），但却实实在在有广泛的应用。如1000Base-LH、1000Base-ZX、1000Base-LX10、1000Base-BX10、1000Base-TX这五种规范。

4.1) 1000BASE-SX

使用短波激光作为信号源，工作波长为850nm。使用芯径为50μm及62.5μm的多模光纤，传输距离分别为260m和525m，适用于建筑物中同一层的短距离主干网。使用SC型连接器。采用8B/10B编码方式。运行信令速率为 1250 Mbaud.

4.2) 1000BASE-LX

使用长波激光作为信号源，工作波长为1310nm。使用芯径为50μm及62.5μm的多模光线和芯径为9μm单模光纤，传输距离分别为525m、550m和3000m，主要用于校园主干网。使用SC型连接器。采用8B/10B编码方式。运行信令速率为 1250 Mbaud.

! V2 \" i# F6 e2 p5 C2 p. V/ d& f4.3) 1000BASE-CX

使用150Ω平衡屏蔽双绞线（STP），采用8B/10B编码方式，传输速率为1.25Gbps，传输距离为25m，使用9芯D型连接器连接电缆。主要用于集群设备的连接，如一个交换机房内的设备互连。

% ]) K' H$ x: B: A/ I4.4) 1000BASE-T

可以采用5类、超5类、6类或者7类非平衡屏蔽双绞线(UTP)作为传输介质，最长有效距离与100BASE-TX一样可以达到100米。
8 y8 B9 ~7 E, i! `用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。
主要用于结构化布线中同一层建筑的通信，从而可以利用以太网或快速以太网已铺设的UTP电缆。
• 4对线全都使用，双向传输（全双工）
• 网络设备需要串扰/回声消除技术
• 超5类及更高的布线系统都可以支持
• 编码方式PAM-5，每个信号电平代表2比特

• 与100Base-Tx信号频率相同125MHz
• 每对线支持250Mbps的数据速率（每个方向）

Bidirectional data transmission ona single pair is enabled by devices called hybrids. The hybrid stops the local transmitted signals from being mixed with the local received signals.
; |( S) A& z7 n( CThe 1000Base-T configuration adds a significant amount of complexity and cost because of the bi-directional transmission (two-way transmission on a single pair). This design requires the use of hybrids to separate the transmission path from the receive path. It also requires high-powered digital signal processors (DSPs) to cancel the echoes generated by the near and far-end hybrids. In addition, near-end and far-end crosstalk must also be filtered out from already-complex signals. This puts a significant burden on the electronics in terms of complexity, chip size, and power consumption.
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) B" j$ ~4 Z2 j. X4.5) 1000BASE-ZX

SFP模块, 单模, LC接口, 波长1550nm，传输距离70KM-80KM.采用8B/10B编码方式。运行信令速率为 1250 Mbaud.

4.6) 1000BASE-LH

这是一个非标准规范，但是在工业中已被广为接受为事实上的千兆以太网规范。1000Base-LH采用的是波长为1300nm或者1310nm的单模或者多模长波光纤。它类似于1000Base-LX规范，但在单模优质光纤中的最长有效传输距离可达10km，并且可以与1000Base-LX网络保持兼容。

4.7) 1000Base-LX10

这也是一个非标准规范，但是在工业中已被广为接受为事实上的千兆以太网规范。1000Base-LX10采用的是波长为1310nm的单模长波光纤。最长有效传输距离可达10km。

4.8) 1000Base-BX10

这也是一个非标准规范，但是在工业中已被广为接受为事实上的千兆以太网规范。1000Base-BX10的两根光纤所采用的传输介质类型是不同的：下行方向（从网络中心到外部）采用的是波长为1490nm的单模超长波光纤，上行方向则是采用1310nm的单模长波光纤。最长有效距离为10km。

  W9 \& f; [" B5 L8 b4.9) 1000Base-TX

1000Base-TX，但它不是由IEEE制定的，而是由TIA/EIA于1995年发布的，对应的标准号为TIA/EIA-854。
: A2 h- W0 e. v6 t3 z% j7 l+ u尽管1000Base-TX也是基于4对双绞线，却采用快速以太网中与100Base-TX标准类似的传输机制，是以两对线发送，两对线接收（类似于100Base-TX的一对线发送，一对线接收）。由于每对线缆本身不进行双向的传输，线缆之间的串扰就大大降低。这种技术对网络的接口要求比较低，不需要非常复杂的电路设计，降低了网络接口的成本。但由于使用线缆的效率降低了（两对线收，两对线发），要达到1000Mb/s的传输速率，要求带宽就超过100MHz，也就是说在5类和超5类的系统中不能支持该类型的网络，一定需要6类或者7类双绞线系统的支持。The signaling rate in the case of five-level PAM is 250 megabaud (MBd) per second, but the bit rate is actually 500 Mbits/sec.

4.10) 9种千兆以太网规范比较

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