📖 3.8 以太网的发展

🎯 课程摘要：本节课梳理以太网从 10 Mb/s 标准以太网到 100 Mb/s 快速以太网、1 Gb/s 千兆以太网、10 Gb/s 万兆以太网，直至 40/100 Gb/s 以太网的演进历程，重点讲解各速率标准的协议使用、帧长处理、半双工/全双工方式及物理层标准。

📝 详细笔记

概念定义：以太网从最初的 10 Mb/s 标准以太网（传统以太网）逐步发展到 100 Mb/s、1 Gb/s、10 Gb/s 甚至 100 Gb/s 的高速以太网。
原理解析：
- 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网统称为高速以太网。
- 目前 100 Mb/s 已不能满足大多数用户需求，常用速率为 1 Gb/s 甚至更快。

概念定义：100BASE-T 是在双绞线上传输基带信号、速率为 100 Mb/s 的以太网，又称快速以太网。
名称含义：100（100 Mb/s）+ BASE（基带信号）+ T（双绞线）。
原理解析：
- 仍使用 IEEE 802.3 的帧格式和 CSMA/CD 协议；
- 为与 10 Mb/s 标准以太网兼容，最小帧长保持 64 字节不变；
- 为此将网段最大电缆长度从 1000 m 减小到 100 m，争用期缩短为 5.12 μs，帧间最小间隔缩短为 0.96 μs；
- 可使用以太网交换机提供更好服务质量——全双工方式下无碰撞工作，不使用 CSMA/CD 协议。
⚠️ 重点/考点：1995 年 IEEE 802 委员会正式批准 100BASE-T 标准为 IEEE 802.3u，它只是对原 IEEE 802.3 标准的补充。

概念定义：吉比特以太网又称千兆以太网，速率为 1 Gb/s，1998 年 IEEE 802.3z 成为正式标准，现已成为以太网主流产品。
主要特点：
- 速率为 1000 Mb/s（1 Gb/s）；
- 使用 IEEE 802.3 的帧格式（与 10/100 Mb/s 以太网相同）；
- 支持半双工和全双工两种方式：半双工需使用 CSMA/CD 协议，全双工不使用；
- 兼容 10BASE-T 和 100BASE-T 技术。

问题：半双工千兆以太网速率提高到 1000 Mb/s，需保持参数 a 较小——若减小网段最大长度到 10 m 则失去应用价值；若增大最小帧长到 640 字节则短帧开销过大。
解决方案：网段最大长度保持 100 m、最小帧长保持 64 字节（与 10/100 Mb/s 兼容），采用载波延伸增大争用期。
载波延伸：
- 将争用期增大为 512 字节的发送时间，最小帧长仍为 64 字节；
- 若 MAC 帧长度不足 512 字节，则在帧尾部填充特殊字符使长度达到 512 字节；
- 例：64 字节最小帧 + 8 字节前导码，需填充 448 字节特殊字符至 512 字节。
分组突发：
- 大量短帧连续发送时，仅第一个短帧做载波延伸填充；
- 后续短帧不再填充，连续发送，仅隔帧间最小间隔；
- 形成一组分组的突发，累计发送 1500 字节或稍多一些为止。
⚠️ 重点/考点：千兆以太网全双工方式不使用 CSMA/CD 协议，也就不使用载波延伸和分组突发；这两种机制仅用于半双工方式。

概念定义：2010 年 IEEE 发布 IEEE 802.3ba 标准，定义 40 Gb/s 和 100 Gb/s 以太网（4万兆/10万兆以太网）。
原理解析：
- 为使以太网更高效、更经济地满足局域网、城域网和广域网的不同需求，定义两种数据速率：
  - 40 Gb/s：主要用于计算应用；
  - 100 Gb/s：主要用于汇聚应用。
- 只工作在全双工方式，不使用 CSMA/CD 协议；
- 仍使用 IEEE 802.3 标准的帧格式，并遵守最小帧长和最大帧长的规定；
- 两种速率各有四种不同的传输媒体。

以太网速率演进：10 Mb/s → 100 Mb/s → 1 Gb/s → 10 Gb/s → 40/100 Gb/s，帧格式始终保持 IEEE 802.3 不变，保证向后兼容。
半双工使用 CSMA/CD 协议；全双工无碰撞，不使用 CSMA/CD。
100BASE-T 保持最小帧长 64 字节，靠缩短网段到 100 m 兼容；千兆以太网半双工靠载波延伸（填至 512 字节）和分组突发增大争用期。
10 Gb/s 及以上以太网只工作在全双工方式，不使用 CSMA/CD，传输距离不受碰撞检测限制，目标扩展到城域网和广域网。
助教补充：CSMA/CD 协议的退出是高速以太网的标志性转折——全双工点到点链路无共享介质，碰撞检测失去意义。