以太网简史.docx
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以太网简史
第一部分以太网络简史
以太网络最早是在1973年后在加州帕拉阿图的全（Xerox）公司实验室中构思和实际作出来。
由RobertMetcalfe博士（一般称他为“以太网之父”）所发展的﹐以太网络是以2.94Mb/s（Millionbitspersecond,每秒百万比特速度）（3Mb/s）的速度运作。
在1983年6月IEEE（标准委员会国际电子电极工程师协会）批准了第一个IEEE802.3的标准。
由双绞线的以太网络（Ethernet-twisted-pair）（10BASE-T）的标准在1960年9月被IEEE批准﹐因此很快的就变成了办公自动化应用之以太网络介质中较受欢迎的选择。
以太网络是在办公室﹑家中最常见的内部网络﹐其传输速率已由1983年初见时的10Mbps﹐进展至目前常见的1Gbps﹐速率在短短的几年内增加了一百倍。
目前正在发展以太网络的最新传输速率则是10Gbps﹐详细的标准规范将会制定在IEEE802.3标准﹐此标准已在2002年第二季度完成制定。
并使目前主要是为传送SONET/SDH数据框架的暗光纤（DarkFiber）可传送资料框架﹐以太网络跨入都会网络﹑广域网络的领域。
第二部分以太网络
2-1传统以太网络（Ethernet）
二十世纪八十年﹐IEEE的一个委员会意识到许多单位存在着这样的需求﹕即在现有的非屏蔽双绞线的基础上以10Mbit/s的运行速率在以太网上传输信息。
尽管有几个厂商已经开始了使用UTP电缆传输以太网信号的设备﹐但这类设备都是专用设备﹐不具有互操作性。
因此﹐IEEE的一个新的任务就是开发一种运行于10Mbit/s且使用UTP电缆的802.3网络标准。
IEEE在1990年9月作为802.3i通过了这一标准﹐但这一标准通常被称为10BASE-T﹐其中T代表使用双绞线。
10BASE-T标准支持10Mbit/s的运行速率﹐在不使用中继器的情况下使用双绞线传输的距离最大可达100米。
10BASE-T支持的传输距离在电子工业协会/电信工业协会（EIA/TIA）布线标准下最长可达100米﹐该布线距离由三段组成。
第一段最长可达90米﹐从接线柜中的接线板引至办公室墙壁上的电源的插座。
第二段和第三段的总长度最长可达10米﹐允许在电缆的两端使用插塞式电缆﹐从而限制互连的三段电缆的信号损耗。
由EIA/TIA制定的10BASE-T电缆标准实际上是基于信号速率的﹐而不是基于网络类型的。
2-2高速以太网络（FastEthernet）及其网络适配卡
2-2．1高速以太网络
为了提升以太网络的传输速率﹐IEEE于1993年成立802.3u工作小组﹐针对原基频的以太网络802.3进行研究﹐目标在于制订一个宽频的以太网络的规范。
在多家业者之协助下﹐终于1995年颁布了100Base-T的高速以太网络（FastEthernet）标准﹐其传输速率可高达100Mbps。
100Base-T的高速以太网络和10Base-T的传统以太网络﹐在架构上是类似的﹐两者的媒体存取控制技朮都是采用CSMA/CD。
高速以太网络的最大特色是可以和传统以太网络共存﹐两者的通讯协议﹑应用程序完全相同﹐因此对传统以太网络用户而言﹐要升级到高速以太网络可省却许多投资成本。
尽管高速以太网将局域网的工作速率从10BASE-T提高了10倍﹐但为了确保冲突检测的正确性﹐100BASE-T网的跨度降低为200米﹐其中网络节点和集线器之间的最大距离为100米。
较小的网络直径降底了传播延迟。
由于工作速率提高了10倍但网络帧大小没有改变﹐所以100BASE-T网络中帧周期和网络延迟的比率与10BASE-T网络是相同的。
2-2．2100Mb/s网络适配卡
虽然适当使用10BASE-T网络适配卡也许能使它们实现10Mbit/s的传输速率。
但是﹐如果要升级到100Mbit/s高速以太网或别的高速以太网时﹐必须认真考虑网络适配卡是否还能胜任。
举个例子﹐假如你们公司的10BASE-T网络已经满负荷工作﹐而公司还将增加多媒体服务﹐虽然把网络升级到10BASE-T可能在初期满足公司需要﹐但即使有10Mbit/s的传输速率﹐也有可能产生对视频服务器的访问冲突﹐导致视频传送的延迟。
在这种情况下﹐你应该考虑给视频服务器安装一块100BASE-T网络适配卡并将其连入100Mbit/s交换集线器。
GrandFunctionNetworkFastNic100EISA系列网络适配卡有一对光纤连接端﹐能够提供网络适配卡到开关端口的最大距离为400米的数据传输和接收能力﹐并且如果网络适配卡提供无冲突操作和全双工通信能力﹐那幺最大传输距离就能达2000米。
网络适配卡底部的边接端口是按照EISA规范设计的﹐能够在网络适配卡和计算器总线之间提供一个真32位信道。
这个扩展信道对于持续数据传送是非常重要的﹐因为一个NIC卡的工作站和一个全双工开关端口之间的全双工操作需要200Mb/s的吞吐量。
你可以使用GrandJunctionNetworkFastNic100EISA卡或兼容网络适配卡及100Mb/s集线器或交换器把高性能以太网扩展成一个具有大规模用户的网络GrandJunctionNetworkFasthub100是第一个商业销售的100BASE-T集线器工作方式类似于10Mb/s的10BASE-T集线器﹐用于向所有端口广播接收到的信号。
但100BASE-T集线器的是Fasthub100工作于100Mb/s。
厂家的100BASE-FX模型集线器100﹐它提供了12个多状态光纤电缆对﹐100BASE-FX集线器提供了在带有一个转发器的无网桥100BASE-FX网络中两站之间最大为305米的传输距离。
如果网络带有两个转发器﹐那幺最大传输距离减少210米。
相比之下﹐100BASE-FX集线器提供第五类UTP电缆﹐允许100米的最大电缆连接长度﹐在带有两个转发器的无网桥10BASE-T网络中最大传输距离为210米。
你可以使用最多两个GrandJunctionNetworkFasthub100集线器作为网络结构的顶层﹐它最多支持750个交换以太网用户及30个100BASE-T服务器﹐不过你得在每一个Fasthub端口连接一个GrandFunctionFastswitch10/100。
在服务器理想连接情况下﹐Fastswitch10/100能为服务器和工作站提供最多24个10Mb/s专用端口﹐最多4个100Mb/s100BASE-T的共享端口。
同Fasthub一起使用时﹐Fastswitch10/100包含5个端口专用于交换﹐另外﹐一个端口用于共享交换。
图2.1是一个分层的基于高速以太网的网络结构。
其中使用的GrandJunction100BASE-T集线器和交换集线器。
由于使用另外两个10BASE-T集线器﹐因此在下一层能够实现30个Fastswitch交换集线器的互连。
每个Fastswitch交换集线器能够轮流的提供最多25个端口用于交换。
因此﹐使用这个
10BASE-T集线器
100BASE-T集线器
厂家的产品能让你创建一个最多能容纳750个交换工作站和30个文件服务器的以太网。
由于高速以太网连接是把每个文件服务器连接到集线器上﹐因此在这个网络系统中允许多个用户同时访问文件服务器。
另外﹐当一个工作站需要访问一个交换集线器上的工作服务器时﹐可以通过顶层的100BASE-T集线器访问目的工作站所连接的集线器。
100Mb/s
高速交換式集线器
文件服务器
Ws=工作站
高速交换式集线器
ws
ws
文件服务器
100Mb/s
100Mb/s
10Mb/s
10Mb/s
ws
ws
100BASE-T集线器
100BASE-T集线器
图2.1阶梯式的高速以太网的构造
高速交換式集线器
文件服务器
2-3超高速以太网络（GigabitEthernet）及其网络适配卡
2-3．1超高速以太网络
超高速以太网络（GigabitEthernet简称GBEthernet）是为了因愈来愈大量的多媒体数据传输需求所发展出来的﹐其传输速率可高达1Gbps﹐亦即每秒可传输10个位“1000Mbps”﹐为高速以太网络（100Mbps）的10倍。
2-3．21000Mb/s网络适配卡
如果考虑使用千兆位以太网﹐那幺计算器和网络适配卡之间（也就是总线和网络适配卡之间）的数据传送方式非常重要。
现在主要有两种PCI总线---32位PCI总线和64位PCI总线。
两种PCI总线都工作在33或66MHz频率上。
用总线字节宽度乘以总线速度为网络适配卡的理论字节传输速率﹑而用总线比特宽度乘以总线速度为网络适配卡的理论传输速率。
但由于帧复制﹑缓冲调整﹑校验和计算以及其它的一些操作开销使网络适配卡的实际传输速率为理论传输速率的60%左右。
表2.1列出了使用四种PCI总线
网络适配卡的实际的比特传输速率。
从中可以看出﹐如在一个33MHz总线的计算器上使用32位PCI网络适配卡﹐最多能够达到
千兆以太网传输速率的63%左右。
表2.1十亿比特以太网PCI总线因素
总线宽度
（比特）
总线速度
（MHz）
理论字节传输速率（Mbit/s）
理论比特率
（Gbit/s）
可能（的比特率（Gbit/s）
32
33
132
1.056
0.634
32
66
264
2.112
1.273
64
33
264
2.112
1.273
64
66
528
4.224
2.534
由于上述得出有关于63%的传输性能是综合各个厂家的网络适配卡的平均值。
因此﹐你可以选择高性能的32位PCI网络适配卡来提高千兆以太网的传输性能。
然而﹐这只限于使用33MHz总线和32位PCI网络适配卡。
如果使用66MHz总线和64位PCI网络适配卡﹐那幺根据表2.1可能的传输速率为1.273Gbit/s或2.534Gbit/s。
即使厂家使用低效的缓冲方法﹐其吞吐量大约减少20%﹐但传输速率还能大于1Gbit/s。
因此﹐对于千兆位以太网来说﹐更需要的是考虑总线宽度和总线速度﹐而不是厂家所发布的网络适配卡的性能。
第三部分变压器参数
3-1变压器的基本概念
图3.1简单变压器具有两个绕阻。
左手边绕阻﹐假设是连接
一个电压源﹐被称作一次绕阻。
右手边绕阻连接一个负载﹐并且被称作二次绕阻。
除了振幅可能大一点或是小一点以外﹐通常Transformer试图将与跨在一次绕阻上相似之电压传送至负载端。
变压器如欲达到这项功能﹐则跨接电压必须随时间而变化。
直流电压（如蓄电池）跨接在一次绕阻﹐则二次绕阻将不会产生电压﹐或于负载将无法产生功率。
若同时施以交流与直流电压于一次绕阻。
此时亦仅有交流电压才会传递转移至负载。
此因在二次侧绕阻的电压e与铁心的磁通Φ之变化量有关﹐其大小可以按下面定律计算。
E=-
×10-8（3.1）
此定律可陈述如下﹕于线圈的感应电压﹐与线圈之匝数及线圈磁通之时间变化率成比例（该磁通变化量可大可小）。
对一已知电压﹐假如磁通变化率并不高﹐则线圈匝数必須增加。
相反地﹐假如采用较少匝数﹐则磁通变化率必须加大﹐以产生一已知的电压。
磁通变化率可经由两种方式予以增加﹐其一可藉由加大磁通最大值﹐其二是减短磁通发生变化所需的时间即可。
在低频时﹐磁通变化所需的时间相对地增加﹐对一已知的电压则需要较多的匝数﹐此种情形即若稍大的磁通亦然。
当频率增高时﹐磁通变化所需的时间相对地减短。
因此﹐对一已知磁通仅需较少的匝数﹐来产生一已知的电压﹐所以低频变压器一般使用较多的匝数为其特征﹐反之﹐高频变压器则使用较少的匝数。
假如磁通中不随时间而变化﹐则感应电压将等于零。
方程式（3.1）为变压器的基本方程式。
电压随时间而变﹐可以多种形式出现。
如:
正弦波﹑指数﹑锯齿波或脉波等。
“磁通变化”是二次绕阻感应电压的一个必要条件﹐在二次侧之感应电压﹐是指由那些连结两个线圈的磁通部分所产生者。
在方程式（3.1）中Φ表示磁通（单位为马克士威而）﹐t表示时间（单位秒）﹐而e表示感应电压（单位为伏特）。
假如﹐所有的磁通量连结两个绕阻﹐则方程式（3.1）证实在一次与二次间每匝之感应电压均相等﹐或者
e1/e2=N1/N2（3.2）
式中符号﹕e1=一次电压e2=二次电压
N1=一次线圈匝数N2=二次线圈匝数
变压器主要能隔离异常或瞬间高压﹐故Hi-pot的能耐在变压器中是相当重要的一环。
另有阻抗匹配的作用﹐当不同阻抗的接口要连接在一起时﹐改变变压器的圈数比是最简单方式。
一个理想的变压器只做交流的传输﹐即是以耦合方式在初级线圈与次级线圈作电磁传输﹐然杂散电容会为noise提供一个信道。
变压器参数可以分为功能参数和网络参数﹐功能参数包括﹕漏感L.L﹑电感OCL﹑圈比TurnRatio﹑极性Polarity﹑耐压Hi-pot等.网络参数包括:
插入损失InsertionLoss﹑回馈损失ReturnLoss﹑串音CrossTalk﹑共模巨斥比CMRR﹑延时RiseTime等。
3-2功能参数
3-2.1漏感（LEAKAGEINDUCTANCE）
由一次侧线匝发出之磁通,却没有与二次侧线匝交连﹔反之亦然﹐其仅于各绕阻产生漏电抗或自感﹐对于互感磁通并无任何贡献。
漏磁通越高﹐漏侧电感愈大﹐此因绕阻的电感量等于绕阻内单位电流的磁交连大小。
在图3.2里﹐流经铁心路径lc之所有磁通是为“互磁通”。
图3.2
在于漏磁通是相当小的磁通﹐它经由二次绕阻进入铁心﹐再回到二次绕阻的另一边﹐而没有与一次绕阻交连。
若磁通仅与一次绕阻交连﹐其情形也是相同。
但是﹐如磁通经由一次绕侧阻出发﹐进入铁心再回到一次绕侧阻﹐而不与二次绕侧阻具有些许交连实是不可能之事。
因此﹐一﹑二次绕阻如未交错式安排﹐则漏磁通将愈少﹐直到介于节段间距C之界限方止。
这些空间亦包含了漏磁通﹐事实上﹐如果大量地交错安置﹐或是说空间够大﹐则大多数的漏磁通将流经于此。
线圈的平均线匝长度大一些﹐绕阻之横向距离b短一些﹐及铁心窗高度a大一些等﹐以上情况均将增加漏磁通。
已有许多计算漏电感的方程式被推导出﹐其中经由Fortescue氏所提出者是相当的准确。
计算公式（参考Snelling,1969）如下﹕
Ls=
10.6N2.（MT）（2nc+a）
109n2.b
Ls﹕一﹑二次绕阻的漏电感（单位:
亨利）
MT﹕整体绕阻的平均线匝长度（单位口寸）
n﹕绕阻间的介质系数（n=2﹐图3.2）
c﹕绕阻间的介质厚度（单位口寸）
a﹕绕阻的高度（单位口寸）
b﹕绕阻的横向宽度（单位口寸）
当介质的厚度c远小于铁芯窗的高度时﹐如使用线匝交错安置方式将获得最大的增益﹐当nc值与铁心框的高度相近时﹐漏电感随n值的增加并未减少许多。
对于高压变压器而言﹐因为于空间c中之漏磁通﹐如想要减少漏电感通常是非常地困难。
因此﹐具有较少线匝数﹑较短之线匝平均长度,且较低与较宽的铁心框算均将有助于得到较低值的漏电感。
3-2.2电感OCL
电感量愈大能量愈大。
3-2.3圈比TurnRatio﹑极性Polarity
圈比（TurnRatio）变压器初级侧线圈与次级侧线圈之比。
极性（Polarity）:
变压器的电压与电流成反比的关系:
E1I1=E2I2（3.3）
或E1/I1=E2/I2（3.4）
将（3.4式）之匝数代入（3.3式）可得﹕
N1I1=N2I2（3.5）
或者是一次侧与二次的侧安匝数﹐为大小相等﹐但方向相反﹐此等式反对I1的负载部分成立﹐也就是说﹐激磁电流被视作非常地小﹐近乎可忽略。
如果负载侧有一直流成分（但不在一次侧）﹐反之亦然﹐则此方程式（3.5）仅对交流成分才成立。
它为一个1﹕1转换比的变压器。
图3.3中的外加电压为E1,一次电流为I1.感应电压Ei比E1略低﹐对两绕阻而言。
二者具有相同的大小及方向的特性。
此二次电侧流I2交流向与一次电流侧I1相反﹐此瞬时的极性以符号“+”与“-”来表示。
也就是说﹐当E1达到正向最大值时﹐同样地﹐感应电压Ei与二次电压E2亦同。
习惯上﹐用“点”符号来表示具有相同极性的两个端点﹔在图里﹐点符号表示在电路右手边的绕阻与左边具有相同的绕阻方向。
图3.3变压器的极性
3-2.4耐压Hi-pot
变压器能够承受的电压值。
3-3网络参数
3-3.1插入损失InsertionLoss
插入损失（InsertionLoss）是指输入与输出讯号的振幅电压比。
db=20log（E1/E2）
以db值来表示度量单位﹐以“_”来表示衰减﹐完美的传输InsertionLoss是趋近于零。
加入变压器后﹐讯号在变压器上能量衰减的量﹐数值越大﹐表示衰减愈多（以0dB为准）
图3.4
3-3.2回馈损失ReturnLoss
回馈损失（ReturnLoss）是指待测物的阻抗与标准阻抗的差距比。
db=20log（ＩS＋Ｉm/Ｉs-Ｉm）
以db值来表示度量单位﹐以“_”来表示衰减﹐完美的匹配ReturnLoss是无限大。
3-3.3串音CrossTalk
串音（CrossTalk）是信号从一信道进入另一信道的藕合能量﹐单位用（分贝）表示﹐该数值就是量测其互相干扰的比率﹐越小越好。
串音表示一对信号线上的信号对另一对信号线的电磁干扰。
这种干扰会产生噪声。
由于发送信号线和接收信号线是绞合
在一起的﹐而发送信号在信号源处最强﹐所以最大的干扰发生在电缆连接器处﹐并随着发送信号在电缆中的传播而减弱。
图3.5
3-3.4共模巨斥比CMRR
共模巨斥比（CMRR）是指抗噪声比。
第五部分以太网络的未来
随着频宽的需求﹐已有30年历史的以太网络---Ethernet（IEEE802.3）的速度也在近年来突飞猛进﹐今年3月随着IEEE802.3ae标准的草案已制订完成﹐的速度终于诞生。
以太网混合了各种技朮特色﹐正因为如此以太网比之其它局域网能够提供更多的网络解决方案以满足用户的通信要求。
除了能支持广泛的技朮特色外﹐以太网还是一种成本正在下降的网络。
由于生产成本低以及最近对双绞线支持的增多﹐所以以太网的构建成本只有其它局域网的几分之一。
实际上﹐到1998年初﹐用于IBMPC及其兼容的个人计算机系统的10Mb/s以太网卡的价格已不到20美金﹐而10/100Mb/s网卡的价格低于125美金。
而且﹐一些笔记本和膝上型计算机的制造厂商已将以太网芯片组集成在其便式计算机中﹐使得需要传输数据到网络上的其它计算机或打印机的用户仅需要将计算机的连线插入到办公室的电话线的插孔即可。
尽管上面提到的理由已经足够﹐以太网的可升级性和产业界持续开发新产品的努力是使用以太网的另两个原因。
考虑可升级性﹐你可以获得具有可相互操作性的设备将原有的10Mb/s的网络升级到100Mb/s甚至1Gb/s﹐并且可以选择多个制造商的产品。
考虑新产品开发的好处﹐过去十年来﹐大量新产品投放市场使以太网用户得以提升网络性能并管理网络。
也许最有价值的产品要算以太网交换机系列产品了﹐它们使工作站和服务器能够同时进行多重交叉连接﹐并可利用宽管道技朮使用聚集在一起的多个端口进行传输。
尽管贵单位现在可能不需要100Mb/s或1Gb/s的数据传输能力﹐也不需要将上述速率的多个信道聚集用﹐但是如果将来需要﹐随时都可以利用这些能力。
对于其它一些单位﹐例如使用局域网作为用户访问因特网的网关的因特网业务提供商﹐升级到1Gb/s的能力是大有好处的。
正是由于有这样的能力﹐以太网确确实实是“大众的网络”。
不论是小型商业部门﹑大型公司还是大学和政府部门的网络需求﹐以太网都能够满足。
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