第 17卷 第 2期
2004年 6月
河南广播电视大学学报
Journal of Henan Radio＆ TV University
Vo1．17，No．2
June，2004
快 速 以太 网和 千 兆 以 太 网技 术
张 琳 黄仙姣
(河南财经学院，河南 郑州 450002)
摘 要：文章根据IEEE 802．3z提供的CSMA／CD模型，分析 了从以太网到快速以太网、火快速以太网到千兆
位 以太网的演变过程。对实现千兆位以太 网时CSMA／CD的MAC层所作的修改着重进行 了论述。
关键宇：DTE层次模型 ；载波扩展；帧突发
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号 ：167—2862(2Oo4)o2—63—03
一
、快速以太网和千兆以太网的DTE层次模型
以 太 网 的 标 准 都 是 由IEEE802．3颁 布 的 ，
IEEE802．3u完成 了快速以太网标准 ，IEEE802．3z完成
了千兆位以太网的标准。从IOBASE—T到100BASE—T，
从 IOOBASE—T到10o0BASE—T，IEEECSMA／CD模型发
生了两次演变，主要集中在靠近介质的部分，对应着
ISO七层参考模 中的物理层
应用展
表 示层
台 诘屠
传辅 屠
网 屉．
数据链龉层
柳理层
10Mb／s t00Mhis
二 、从 1OBASE一1’到100BASE—T
第一个变化是AUI被替代为MII。AUI的目的是减
弱MAC对PHY的要求，但并不能较好地适应各种PHY
层，这在许多PHY层被设计出来时表现的越来越明显。
但AUI有其成功之处，那就是很好地设计了与MAC的
接口，这使得MAC层不会因PHY层变化而做大的修改。
当需要传输lOOMbps时，AUI的位串行接口难以支持 。
MII采用4位(半位元组)接口，从而降低了所需的频率
(从位串行接口的1o0MHz降低到25MHz)。MII还增加
了MAC和PHY之间的专用报错和管理信号，这样，MII
在MAC和PHY之间的连线数多于AUI的连线数。MII可
以工作于lOMbps和lOOMbps两种情况，而AU1只能工作
于lOMbps。但是，AUI允许的最大距离是50米，而MI1只
允许0．5米 。
第二个改变是增加了协调子层(RS)。它位于MAC
和MII之间，提供MAC和MII之间的映射 ，因为MAC只能
提供位串行接口，而MII提供的却是半位元组宽度的发
送接收接 口。
第三个改变是增加了自动协商协议(AutoNeg)。为
使1o0BASE—T挤入原来的IOBASE—T市场，并支持用户
“向后兼容”，IOOBASE-T提供 了lOMbps和lOOMbps两
种工作机制，由自动协商协议自动探测应工作的传输
速率。
第四个改变是删去了曼彻斯特编码。原来的AUI
中适用的是曼彻斯特编码，如果工作于lOOMb／s，曼彻
斯特编码的位传输会产生高频，继而产生负面的影响。
为此 ，MII采用NRZ编码 。
第五个改变是中继器定义。在10Mb／s以太网中，
中继器允许接入任何介质。在lOOMb／s以太网中，中继
器分为I级和II级，I级中继器允许有较大的时延，可以
做编码模式之间的转换，因而支持接入各种介质；但
是 ，II级中继器对时间有严格的限制，中继器只能用于
一 种介质，并对此介质做了专门的优化。
收稿 日期 ：2003—12-15
作者简介 ：张琳 (1969一 )，女，河南财经学院讲师 ；黄仙姣(1964一 )，女 ，河南财经学院讲师。
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· 64· 河南广播电视大学学报 2004正
第六个改变是支持全双工操作。与半双工操作相
比，100BASE—T制定的全双工操作不仅对提高带宽有
利 ，而且 ，扩大了网络直径。当CSMA／CD工作于
100Mbpstl~，网络的时间槽(距离最远的两端之间的往
返传输时间)将减少到原来的十分之一，网络直径(距
离最远的两端之间的距离)将为IOBASE—T的十分之
一
。全双工操作消除了往返传播延迟的限制，因此扩大
了最大 网络直径。
三、从lOOBASE—T到lOOOBASE—T
第一个改变是GMII替换了MII。MII无法支持干兆
位传输，在做了许多修改后，称为GMII(即GigabitMII)。
GMII采用8位收发数据通道，这有利于降低时钟频率，
即使如此，仍要求工作于125MHz，才能取得1Gb／s的传
输率。
第二个改变是采用8B／lOB编码，这是IBM为光缆
上高速信号传输开发的，它将8位净载荷编为10位 ，增
加的两位用于错误检查。基于光纤的采用8B／10B编码
的千兆位以太网PHY规范被称为1O00BASE—X。
第三个改变是恢复单中继器规范。虽然100BASE—
T有两级 中继器规范 ，但 干兆位 以太网又回到单 中继
器规范。在CSMA／CD网络以1Gb／s传输率工作于半双
工时，网络直径会很小，为此 ，千兆位以太网的MAC层
被迫做 了适 当修改。
第四个改变是在自动协商协议中加入对光纤介质
8B／lOB编码的支持。原来的自动协商协议是为UTP设
计的，不支持光纤介质 和8B／1OB编码 。修改后 的 自动
协商协议将在数据传输之前与目的端交换配置信息，
主要是做半或全双工模式的协商。
第五个改变是修改CSMA／CD操作和优选全双工。
由于MAC必须在一个时间槽中检测 出冲突，所 以，
CSMA／CD网络两端 的往返传输延 迟将直接影响到 网
络直径 。
在全双工模式中，由于不存在冲突概念，故对MAC
层未加修改。此时，与10Mb／s、100Mb／s以太网的MAC层
比较，干兆位以太网的MAC层只有速度上的增加。
第六个改变是与铜介质相 比，优选采用光纤。
10Mb／s、100Mb／s以太网主要用于办公电脑互连 ，介质
应廉价、简单、易于布线。
四、千兆位以太网MAC操作
IEEE802．3z任务组在实现千兆位以太网标准时 ，
首先考虑与现有的10Mb／s、100Mb／s标准的兼容性。在
以不同速率远行的网段之间、在网络分段和交换式网
络之问、以及诸如此类的情况下，为了实现转发帧时的
无缝操作，干兆位以太网必须保留原来的帧格式 、最
大／最小 帧长 ，以及二进制指 数后退 算法 (B[narv
Exponential Backoff) 但在半双工干兆位以太 网中 ，由
于存在较大的传播延迟，必须xqcsMA／CD的介质存取
控制层(即MAC)做一些修改。下面介绍要修改的主要
内容。
1．半双工操作中时间槽和最小帧长的关系
在以太网中，由于多个D1’E共享网络 ，所以，任何
一 个DTE在发送一帧前要检测网上是否空闲，在发送
一 帧过程中，还必须检测是否与其它DTE发出的帧产
生冲突。检测冲突的办法是边发边收，如果收到的与发
出的不一致 ，则表明有冲突发生。由于帧在全部发出
后，就无法做冲突检测，析因冲突而损坏的数据最长要
等一个端端往返时间才能被发送端收到，所以，最小帧
长应是由以太网端端往返时延决定的，后者被称为时
间槽，时间槽等于发送出最小帧的时问，即一位信号在
端端之间往返舆所花费的时间。
在IOBASE—T中，规定最小帧长为512位，在UTP上
可使CSMA／CD正常工作的最大直径是2000米。对于
IOOBASE—T传输512位的时间下降为IOBASE—T的十分
之一 ，网络直径为200米。对于100l0BASE—T以太 网，网
络最大直径为20米。因此，IEEE802．3z规定干兆位以太
网时间槽为512字节(~114096位)的传输时间。
2．载波扩展
将共享式干兆位以太网中时间槽扩大为512B，这
只是使CSMA／CD可用的第一步。扩大时间槽后，如果
将最小帧长也扩展到512B，那 么 ，连接 10Mb／s或
100Mb／s以太网和干兆位以太网的网桥必须做512B~SJ
64B的分块 和反 向的组装 ；具有干兆位链路 的服务器 ，
在发出确认帧时，由于也是512B(原来是64B)，将是所
需长度的8倍 。IEEE802．3z决定用”载波扩展”技术将最
小帧长与时间槽分离开来。
在载波扩展时，最小帧长仍是64B。当DTE发送帧
时，如果帧长大于一个时间槽(512B)，则MAC向上层
返回“发送结束”状态。如果帧长小于一个时间槽，则发
送状态将被抑制(即不允许发送下一帧)，物理层将发
送一个特殊“扩展载波”符号序列，直到时间槽结束为
止。显然，这些特殊符号是在帧校验序列(FCS)之后被
发送的。如果发送数据或扩展载波符号时发生冲突，则
发送器放弃发送，像通常一样发出一个拥塞序列。
虽然载波扩展在不增加最小帧长的同时，解决了
保持和lOOMb／sk2太网相同的网络直径问题，但它增
加了短帧的发送时间。对于64B而言，尽管发送速度提
高了十倍，但发送时问中的7／8用于传送扩展符号。因
此，对于只有短帧的网络，有效吞吐率只有25％，但这
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第2期 快速以太网和千兆以太网技术 ·65·
种情况不多见。通常，每帧的额外开销是比较小的。下
面的“帧突发”技术用来提高千兆位以太网的效率 ，尤
其用于网络流量主要由短帧组成的情况。
3．帧突发
帧突发的原理是这样的：当DTE试图发送一个可
能需要、也可能不需要载波扩展的帧时，一个突发计时
器也将同时被启动。如果第一个帧发送完成(即没有发
生冲突)，DTE将在下述条件下选择另一个网络帧 ：(i)
存在另一个帧要发送；(ii)“突发计时器”还未失效。
DTE发送一个帧时，先检查是第一帧 ，还是后续的
突发帧。这只需检查突发计时器是否有效即可。
如果是第一帧，则发送器检查是否还有帧等待发
送 ，及突发计时器是否有效。如果突发计时器有效 ，发
送器在发送第一帧后发96位的载波扩展。注意，突发期
间的载波扩展被视为帧间间隔。如需要，只在突发中的
第一帧后扩展。
如存在另一帧等待发送，则在帧间间隔后开始发
送。如没有 ，就终止突发 ，突发计时器被清除，DTE放
弃介质。
4．载波扩展和帧突发在最坏情况下的效率比较
对 1Oo0Mb／sCSMA／CD网络而言 ，其正常情况下
效率可表示为：
P
—
P+I—+p
其中，P：数据包长度(位)；I：帧时间隔(96位)；P：
前导序列长度(64位)。
最坏情况下，P=512位，因此，计算如下：
512／(512+96+64、一76％
对于只有载波扩展的 1000Mb／sCSMA／CD网络而
言，其正常的效率可表示为：
11 面
其中，s：时间槽(4096位)
对于最短帧(p=512位)而言，效率最低 ，计算如
下 ：
512／(4096+96+64 ) 12％
只带载波扩展的千兆位 CSMA／CD网络在最坏情
况下比 IOOMB／s以太网的效率下降 64％。带帧突发的
千兆位以太网的效率可表示为(根据 MoHe等)：
11：
max{s,p}+n(P+I+p)
其中，n：第一帧后突发的帧数
和前面一样，最坏情况发生于 p=512位时。当突发
定时器为 65536时，一次突发过程中可发送的短帧数
为(65536—4096)／(512+64+96) 92。可得此时的效率
为 ： 93*512／(4096+92*672) 72％
这几乎是普通 CSMA／CD网络在最坏情况下的效
率 的 95％。
五、小结
本文介绍了 10BASE—T、100BASE-T和1O00BASE—
T，尤其对它们之间的差别做 了简单的说 明 。在
10BASE—T基础上 ，实现快速 以太 网主要是 修改
10Mb／s以太网的 AUI，MII是支持 100Mb／s传输率的
关键；在快速以太网基础上，实现千兆位以太网除了要
继续修改 MII，还要修改 MAC层 ，载波扩展和帧突发
技术是支持半双工模式千兆位 CSMA／CD网络的关
键。限于篇幅，对快速以太网、千兆位以太网的实现技
术这里仅做了部分阐述。以太网，尤其是快速以太网、
千兆位以太网是非常流行的组网技术，有全面深入了
解的必要。
参考文献 ：
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[6]SidmieFeit．组网用网高速局域网[M]．北京：电子工业出版社，2001．
On the Technology of Fast Ethernet and Gigabit Ethernet
ZHANG Lin．HUANG Xian-jiao
(Henan Financial＆ Economics Institute，Zhengzhou，Henan 450002 )
Abstract：Based upon the model of CSMA／CD issued by IEEE 802．3z，the evolvement process both from
Ethernet to fast Ethernet and then to Gigabit Ethernet is analyzed，and the modification on MAC layer in
CSMA／CD while implementing Gigabit Ethernet iS emphatically discussed．
Key words：layer Model of D1E；extend of carrier wave；frame burst (责任编辑：孙长忠)
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