什么是以太网接入：以太网接入是指将以太网技术与综合布线相结合，作为公共电信网的接入网，直接向用户提供基于IP的多种业务传送信道

4.1 以太网技术在宽带接入领域的应用

4.1.1 以太网技术的发展

4.1.2 基于以太网技术的宽带接入网

一、以太网技术的应用方式

1、VLAN方式

VLAN方式的网络结构，将局域网交换机的每个用户端口配置成独立的VLAN，享有独立的VID（VLANID），利用支持VLAN的局域网交换机进行信息的隔离，用户的IP地址被绑定在端口的VLAN号上，以保证正确路由选择；同时，利用VLAN可以隔离ARP、DHCP等携带用户信息的广播消息，从而使用户数据的安全性得到了进一步提高。

缺点：无法对用户进行认证、授权。需要将用户的IP地址与该用户所连接的端口VID进行绑定，通过核实IP地址与VID来识别用户是否合法。

2、VLAN+PPPoE方式

可以解决用户数据的安全性问题，PPP协议提供了用户认证、授权以及分配用户IP地址的功能。

缺点：PPP不能支持组播业务。

二、基于以太网技术的宽带接入网实施方案

1、系统组成

（1）局端设备

具有汇聚用户侧设备网管信息的功能，它不同于路由器，路由器维护的是端口-网络地址映射表，而局端设备维护的是端口-主机地址映射表。

（2）用户端设备

不同于以太网交换机，只有链路层功能（只完成以太网帧的复用和解复用），在复用器方式下，各用户之间在物理层和链路层相互隔离。

特点：

（1）用户端设备可以在局端设备的控制下动态改变其端口速率，从而保证用户最低接入速率、限制用户最高接入速率，支持对业务的QoS保证。

（2）由局端设备控制各多播组状态和组内成员的情况，用户端设备只执行受控的多播复制，不需要多播组管理功能。

（3）局端设备支持对用户的认证、授权和计费以及用户IP地址的动态分配。

（4）局端设备与用户端设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道，保证设备的安全性。

2、以太网设备

（1）集线器（早期设备，共享带宽）

（2）以太网交换机

是一种在第二层（数据链路层）上工作的交换设备，它和集线器最大的不同在于能够自学习每个包的源地址和目的地址，并能动态建立一张转发路径表，由此使各个节点发送的数据包只在相对应的端口中发出而无须每次都广播，带宽指标是独占而非共享，从而极大地提高了通信效率和安全性。

3、以太网设备的实现方法

（1）10Base-S结构框图

混合线圈 ：实现２线和４线的转换。

分离滤波器 ：

是抑制电话等低频业务中的高频谐波，混合线圈和传输线之间一般还有用于抑制上下行频带相互间谐波干扰的高通和低通滤波器。从用户端来看，因为上行数据使用高频频带而下行数据使用低频频带，所以发送上行数据加高通滤波器，接收下行数据则加低通滤波器。而局端则正相反，发送接口加低通滤波器，接收接口加高通滤波器。

（2）基于AR2224的以太网交换机

AR2224的全称是Ardent2224，是支持网络管理功能的高端交换芯片。它共有24个10M/100M自适应以太网端口，可以通过MII与各种多通道以太网物理层芯片相连接；另有2个1000M端口，可用于连接上级高速数据通道，可以实现交换机的堆叠。芯片带有一个32位的通用CPU接口和一个串行接口，分别用来连接作为管理平台的32位嵌入式精简指令集计算机CPU或普通8051单片机。AR2224还带有符合PC100规范的同步DRAM接口和同步SRAM接口，通过扩展外部存储器可以缓存信息包和MAC地址表。

（3）整体系统参考设计

（4）前端混合线圈与滤波器

双绞电话线在一个频段上只能传送一个方向的信号。为了实现双向通信，必须要进行2/4线转换，其功能主要依靠前端混合线圈实现。

它和分离器、滤波器一样都是无源器件，理论上它们都可以由绕制电感线圈或用电容电阻的相应电路来完成。

一般建议使用专用模块，比如英国APC公司的APC77101和APV77112、APC77110。这种方法集成度比较高，性能有保障，但成本稍高。

4.1.3 以太网接入的主要技术问题

一、Ethernet的帧格式

1、Ethernet帧格式的发展

1980 DEC、Intel、Xerox制订了Ethernet I的标准。

1982 DEC、Intel、Xerox制订了Ethernet II的标准。

1982 IEEE开始研究Ethernet的国际标准802.3。

1983 Novell基于IEEE的802.3的原始版开发了专用的Ethernet帧格式。

1985 IEEE推出IEEE 802.3规范。

后来为解决Ethernet II与802.3帧格式的兼容问题推出折衷的Ethernet SNAP格式。

2、各种不同的帧格式

（1）Ethernet II

由6个字节的目的MAC地址，6个字节的源MAC地址，2个字节的类型域（用于标示封装在这个Frame里面数据的类型），这些就构成了Frame Header；接下来是46～1500 字节的数据和4字节的帧校验。

（2）Novell Ethernet

其帧头与Ethernet有所不同，其中Ethernet II帧头中的类型域变成了长度域，后面接着的两个字节为0xFFFF用于标识该帧是Novell Ether类型的Frame。由于前面的0xFFFF占掉了两个字节，所以数据域缩小为44～1498个字节，帧校验不变。

（3）IEEE 802.3/802.2

其Frame Header和Ethernet II的帧头有所不同，既把Ethernet II类型域变成了长度域，又引入802.2协议（LLC）在802.3帧头后面添加了一个逻辑链路控制（LLC）首部，由DSAP（Destination Service Access Point）、SSAP（Source SAP）和一个控制域各1 个字节（byte）构成。服务访问点（SAP）用于标识帧的上层协议。

（4）Ethernet SNAP

Ethernet SNAP帧格式与802.3/802.2 帧格式的最大区别在于：Ethernet SNAP帧格式中，把DSAP和SSAP字段内容均被固定为16进制数0xAA，控制域内容被固定为16进制数0x03；增加了一个5 字节的SNAP ID，其中前面3个字节通常与源MAC地址的前3个字节相同，为厂商代码（Organizationally Unique Identifier，OUI ID），有时也可设为0；后2 个字节与Ethernet II的类型域相同。

3、如何区分不同的帧格式

Ethernet中存在这四种Frame，如何区分Ethernet II与其他三种格式的Frame呢？如果帧头跟随源MAC地址的2个字节值大于1500，则此Frame为Ethernet II格式；接着比较紧接着的2个字节，如果为0xFFFF，则为Novell Ether 类型的Frame；如果为0xAAAA，则为Ethernet SNAP格式的Frame；如果都不是则为Ethernet 802.3/802.2格式的帧。

二、认证计费

用户认证授权计费（AAA）一般包括用户终端、AAA Client、AAA Server和计费软件四个环节。

（1）AAA Client与AAA Server之间采用RADIUS协议进行通信。

（2）AAA Server和计费软件之间的通信为内部协议,计费时可根据经营方式的需要考虑按时长、流量、次数、应用、带宽等多种方式进行。

（3）用户终端与AAA Client之间的通信方式通常称为“认证方式”，目前的主要技术有PPPoE、DHCP＋WEB、IEEE802.1x三种 。

三、用户和网络安全

主要体现在用户通信信息的保密、用户账号和密码的安全、用户IP地址防盗用、重要网络设备（如DHCP服务器）的安全等方面。

互不信任的不同用户间信息保密，通过以太网交换机实现端口隔离，实现用户之间的二层隔离和三层受控互通。用户账号和密码的安全依靠相应信息的加密传送实现。用户IP地址防盗用可通过绑定机制实现，例如IP地址与MAC地址、用户端口的绑定。对于DHCP服务器的安全，应防止用户通过改变MAC地址申请IP地址而耗尽地址资源。

四、服务质量控制

一是应保证网络上有足够的带宽，二是可借鉴Diffserv（差分服务）的一些方法，如整形、管制、分类、队列调度、拥塞控制等。

五、网络管理

为了满足电信网络运行、维护、管理的需要，应当对设备的网管功能提出比较全面的要求。当前，以太网接入网络中的设备应支持基于SNMPv2的网元级管理。

4.2 千兆以太网接入技术

千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术。千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象

千兆以太网已经发展成为主流网络技术。大到成千上万人的大型企业，小到几十人的中小型企业，在建设企业局域网时都会把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术。千兆以太网技术正在成为城域网建设的主力军

4.2.1 千兆以太网技术的特点

1、千兆以太网提供完美无缺的迁移途径，充分保护在现有网络基础设施上的投资。在升级的同时，保留现有的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序、网络管理策略与工具。

2、千兆以太网相对于原有的快速以太网、FDDI、ATM等主干网解决方案，提供了一条最佳的路径。网络管理人员将为用户提供对Internet、城域网与广域网的更快速的访问。

3、IEEE 802.3工作组建立了802.3z和802.3ab千兆以太网工作组，其任务是开发适应不同需求的千兆以太网标准。该标准支持全双工和半双工1000Mbit/s，相应的操作采用IEEE 802.3以太网的帧格式和CSMA/CD媒质访问控制方法。千兆以太网还要与10Base-T和100Base-T向后兼容。此外，IEEE还针对多模光纤、单模光纤和铜轴电缆三类传输媒质制定802.3千兆以太网标准，填补了802.3以太网/快速以太网标准的不足。

4.2.2 千兆以太网的构建

一、千兆以太网联网规范

1、1000Base-SX就是针对工作于多模光纤上的短波长（850nm）激光收发器而制定的IEEE802.3z标准。

2、1000Base-LX就是针对单模或多模光纤上的长波长(1300nm) 激光收发器而制定的IEEE802.3z标准。

3、1000Base-CX就是针对屏蔽绞合线或同轴电缆的短途铜线缆而制定的IEEE802.3z标准。

4、1000Base-T千兆以太网物理层标准规定了100米长的4对五类非屏蔽双绞线的工作方式。

二、千兆以太网卡

当服务器和工作站的传输速率提高至1Gbit/s的时候，必须小心地挑选千兆以太网网卡（NIC），否则其CPU可能无法适应网络的吞吐量，理论上，一个工作站有多少吞吐量取决于其总线结构、内存结构和CPU速度。总线为32位的计算机只能提供1Gbit/s的吞吐量，64位的计算机能提供2Gbit/s的吞吐量。

千兆以太网需要第三代适配器，其包含一个机械精简指令集计算处理器，该处理器能执行智能的和主机特有的卸载功能。进入的数据直接从网上传到主机存储器单元，处理器就立刻对其进行调整以便访问。

三、千兆以太网交换机

随着千兆位的通信流经过局域网主干，交换并传输数据、图像和声音构成的混合信息，主干交换机得发挥高端作用，通信管理、拥挤控制和服务质量等成为千兆网所关心的重要问题。

四、缓存式分配器

缓存式分配器是一种全双工、多端口的类似集线器的设备，可将两个工作在1Gbit/s以上的802.3链路连接起来。能把分组转发到除源链路外的其它所有链路上，提供共享带宽域（与802.3的冲突域相对），也被称为“盒子中的CSMA/CD”。允许分组在转发到达各链路的帧之前先加以缓冲。

五、千兆以太网构建举例

1、以太网升级到千兆以太网的几点说明

（1）把10M、100M网络升级至千兆的条件并不多，最主要的是综合布线条件。

（2）如果原来的网络只覆盖了一幢建筑，而且最远的网络节点与网络中心的距离不超过100米，则可以利用原来的五类或超五类布线系统。如果原来的布线系统达不到五类标准，或者采用了总线型布线系统而不是星型布线系统，则必须重新布五类线。

（3）升级至千兆以太网，首先要将网络主干交换机升级至千兆，以提高网络主干所能承受的数据流量。以前的百兆交换机作为分支交换机，以前的集线器则可以在布线点不足的地方使用。

（4）若服务器需要吞吐大量的数据，在原来的服务器上添加千兆网卡（优选64位PCI的千兆网卡）。

（5）网络主干升级了，网络的分支也应随之升级。如果原来的用户计算机已经安装了10M/100M自适应网卡，则可以不必升级网卡，否则需要将10M网卡更换为10M/100M自适应网卡。

2、升级方式的举例

（1）升级交换机到交换机的连接

（2）升级交换机到服务器的连接

（3）升级交换式快速以太网主干

（4）升级共享FDDI主干

（5）升级到高性能桌面

4.3 万兆以太网接入技术

4.3.1 国内万兆以太网的发展

在国内网络厂商中，华为率先推出了支持万兆的高端路由器和交换机，包括：

（1）华为QuidwayS8500万兆多层核心交换机；

（2）华为QuidwayNetEngine5000万兆核心路由器；

（3）华为QuidwayNetEngine80/40第五代高端核心

路由器。

该系列万兆路由器和交换机的推出，标志着我国大容量核心路由器和以太网交换机设计技术已经迈入国际一流水平。

应用前景：

1、宽带交换机与宽带交换机互连

过去需要采用数个千兆捆绑来满足交换机互连所需的高带宽；现在可以采用万兆互连，甚至4个万兆捆绑互连，达到40G的宽带水平。

2、数据中心或服务器群组网络中作为宽带汇聚

在愈来愈多的服务器改用千兆以太网技术后，数据中心或群组网络的骨干带宽相应增加，以千兆或千兆捆绑作为平台已不敷使用，升级到万兆以太网在服务质量及成本上都将占有相对的优势。

3、城域网宽带汇聚与骨干更新

在宽带城域网的大量建设中，接入层会有愈来愈多的万兆或千兆以太网上连到城域网的汇聚层，而汇聚层也会有愈来愈多的千兆以太网上连到城域网的骨干层，这使得像万兆或万兆捆绑这样的宽带需求在城域网中的汇聚层及骨干层有相当多的市场需求。

4、新兴的宽带广域网

以太网与SONET/SDH在长期发展中有相当的价格优势，而万兆以太网又支持与SONET/SDH基础架构的无缝连接能力，这使得过去一直是SONET/SDH垄断的广域网市场出现了新的竞争者。

5、存储网络（SoIP或SAN）

在以太网技术作为存储网络平台时，时延与高带宽都是关键性的部件，因此千兆以太网及万兆位以太网都可以用来架构一个以太网平台的存储网络。这是一个新兴的应用，不仅可以满足存储设备的高速互连，也可以实现存储设备的备份（Backup）及灾难恢复，在考虑到成本的情况下，千兆以太网与万兆以太网都可以在这个新兴的应用上得到发挥。

4.3.2 万兆以太网技术的分析

万兆以太网于2002年7月在IEEE通过，主要包括10GBase-X、10GBase-R和10GBase-W。

10GBase-X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送/接收器以3.125Gbit/s速度（数据流速度为2.5Gbit/s）工作。

10GBase-R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太网中所用的8B/10B）的串行接口，数据流为10.000Gbit/s，因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。

10GBase-W是广域网接口，与SONET OC-192兼容，其时钟为9.953Gbit/s，数据流为9.585Gbit/s。

1、10G串行物理媒质层

按照波长不同，10G Base-SR/SW传输距离为2m到300m，10G Base-LR/LW传输距离为2m到10km，10GBase-ER/EW传输距离为2m到40km。

2、PMD（物理媒质关联）子层

PMD子层的功能是支持在物理媒质接入子层（PMA）和媒质之间交换串行化的符号代码位，将这些电信号转换成适合于在某种特定媒质上传输的形式。PMD是物理层的最低子层，负责从媒质上发送和接收信号。

3、PMA（物理媒质接入）子层

PMA子层提供了物理编码（PCS）和物理媒质关联（PMD）子层之间的串行化服务接口， PCS子层的连接称为PMA服务接口。另外，PMA子层还从接收位流中分离出符号定时时钟，该定时时钟用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）。

4、WIS（广域网接口）子层

WIS子层是可选的物理子层，可用在PMA与PCS之间，产生适配ANSI定义的SONET STS-192c传输格式或ITU定义SDH VC-4-64c容器速率的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。

5、PCS（物理编码）子层

PCS子层位于协调子层（RS）和物理媒质接入（PMA）子层之间。PCS子层完成将以太网媒质访问控制（MAC）功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。PCS子层和上层接口由10Gbit/s媒体无关接口提供，与下层使用PMA服务接口。

6、RS（协调子层）和10Gbit/s媒体无关接口

协调子层的功能是将10Gbit/s媒体无关接口的通路数据和相关控制信号映射到MAC/PCS接口上。10Gbit/s媒体无关接口提供了10Gbit/s的MAC和物理层间的逻辑接口。10Gbit/s媒体无关接口和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理媒质上。

7、万兆以太网的帧定界

以太网一般利用物理层中特殊的10B代码实现帧定界的。当MAC层有数据需要发送时，PCS（物理编码）子层对这些数据进行8B/10B编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组SFD（帧起始定界符）和EFD（帧结束定界符），因而PCS子层可很容易地根据接收的SFD和EFD找到帧的起始和结束从而完成帧定界。

在利用千兆以太网的前导和帧起始定界符进行帧定界时，由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界，因此，万兆以太网采用了HEC策略。

8、万兆以太网的传输速率

10G以太网实质上是高速以太网，为了与传统的以太网兼容必须采用传统以太网的帧格式承载业务。同时，为了达到10Gbit/s的高速率可以采用OC-192c帧格式传输。这就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能，借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销，但是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化。

10G以太局域网和10G以太广域网物理层的速率不同，10G以太局域网的数据率为10Gbit/s，而10G以太广域网的数据率为9.58464Gbit/s 。

4.3.3 万兆以太网的应用

1、10GE在校园网的应用

2、10GE直接作为城域网骨干