数据传输速率不断提升的以太网技术

数据传输速率不断提升的以太网技术 2010-09-14 18:50:47 很难想象一种技术利用最初为语音业务设计的铜线，竟然能几乎天衣无缝地使带宽增大2个数量级。本文阐述当今的以太网(Ethernet)如何像20年前那样继续令人惊奇。 要点 厂商们每年销售的以太网端口总数大约为3亿件。 后向兼容性和可扩展性是以太网获得成功的关键。 调制技术的发展使带宽按数量级增长。 早在二十世纪七十年代，要把计算机连接到外围设备或者其它计算机简直就是一场噩梦。那时的一个典型数据处理中心是由一台中央小型机或大型机以及许多简易终端和行式打印机组成。中央处理器与其外围设备之间的连接几乎总是采用速度超不过9600波特的RS-232串行总线。结果，终端通信速度很慢，连支持一个小规模操作所需的接线室实际上也令人费解。担任施乐公司Palo Alto研究中心研究员的Bob Metcalfe和David Boggs，由于预见到普遍性计算的爆炸性增长，当时正在研究一种以2.94 Mbps的数据传输速率，把该公司的多台计算机和打印机连接起来的系统。他俩在1976年发表的一篇论文描述了这种在本地分布的计算机系统之间传递数据包的广播通信系统，并将其命名为Ethernet——以太网(参考文 献1)。他俩与数字设备公司(DEC)和英特尔公司(Intel)合作，开始制定一套与厂商无关的标准，这套标准随后被IEEE接纳为802系列标准之一，这方面的标准开发工作一直延续至今。 在各厂商每年总共销售大约3亿端口的情况下，以太网已经渗透到商业和局域联网的方方面面。主要是由于固有的安全问题，自动化工程师很快就会承认以太网在面对现场总线技术时为获得接纳而付出的长期努力。这种情形在过程控制行业内是个争论点，因为在这个行业中，许多部署使得以太网局限于完成数据采集和后台办公职责。但是，很多硅半导体厂商都将以太网包含在其微控制器中，因而这项技术会继续打入嵌入式系统领域。另一方面，以太网继续面对其在城域数据传送方面的 挑战，许多厂商提供桥接器芯片，以简化与广域网骨干技术，例如SONET/SDH(同步光网络/同步数字系统)的连接。而同样在消费者和专业用户之类的市场上，最新的无线以太网也正在急速地侵占有线设备的销售份额。 如果你正在着手以太网设计，或者只是想鉴赏诸如Gbps铜线传输、以太网供电以及ZigBee之类现代开发成果，则回顾一下促使以太网在首次商用之后二十年继续发展的技术基础是非常有益的。你几乎肯定会对无论是最早的以太网系统为实施者提供的灵活性，还是当前一代开发者延续的独创性感到惊讶万分。本文着眼于最流行的有线以太网，其目前的数据传输速率为10 Mbps,10 Gbps不等。 CSMA/CD成为以太网的特点 最初的DIX(DEC/Intel/Xerox)以太网标准在获得批准之前，曾由IEEE于1983年加以修订。该标准描述了一种采用CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)协议10-Mbps半双工通信媒体。这种网络组件适合于ISO(国际标准化组织)的OSI(开放系统互连)模型(ISO/IEC 7498-1:1994)的较低两层，用以提供物理层服务和数据链路层服务(图1)。这两层通称为网络层，由网络连接媒体(例如电缆)、通信硬件(例如收发器IC)以及将物理层数据流转换并传递到较高层进一步处理的驱动软件组成。从这种意义上说，传统的以太网是一种无连接的、不可靠的或“尽力传送”的系统。因此，这种协议将数据分组并试图将其传送到预期的目的地，而不是首先检查目的地是否有空或者数据是否能安全到达;如果应用系统需要，则高级软件可完成这些功能。 图1，以太网服务映射到标准的ISO/OSI模型的较低层，以提供与独立于媒体的通信服务。 现今最流行的以太网产品仍然采用最初的帧格式(图2)和CSMA/CD机制，为了适应后续的较高速度或不同应用特性而进行的调整较少。尽管有不需要的存在免除在两个节点之间进行仲裁的全双工网络，但大多数工程师还是会立刻将以太网与CSMA/CD联系起来。与后来制定的要求每个节点具有预定义的网络访问优先级来简化确定性响应的协议——例如CAN(控制区域网)——不同，所有的以太网节点都具有同等的访问权;因此，以太网不适合实时控制用途。当一个传统以太网节点打算发送数据时，它首先接收网络的信息，以确定媒体是否被占用(载波侦听阶段)，如果没有，这个节点就开始发送数据。如果另一个节点也同时尝试发送数据，就会发生数据冲突，在同轴网络上产生一个过高的电压，或者在半双工双绞线网络上同时进行发送/接收。检测到这种异常情况时，每个节点都会停止数据传送，并发送一个拥塞模式，通知其它节点推迟任何即将进行的数据传送。这个拥塞模式长度为32位，由一个与帧校验序列场中CRC值不一致的任意序列(通常全为“1”)组成。因此，所有接收节点都会丢弃这个毁坏的分组。