下面的光纤以太网标准中，支持1000m以上传输距离的是（65）。

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第65题

知识点：光纤以太网

关键词：传输光纤以太网章/节：局域网

A. 1000BASE-FX

B. 1000BASE-CX

C. 1000BASE-SX

D. 1000BASE-LX

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知识点讲解
· 光纤 · 以太网

光纤

光纤全称“光导纤维”。光纤是由前香港中文大学校长高锟提出并发明的。1970年美国康宁公司首先研制出衰减为20dB/km的单模光纤，从此以后，世界各国纷纷开展光纤研制和光纤通信的研究，并得到了广泛的应用。

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光的全反射原理而进行光传导的介质。是一种外包了一层保护层的、横截面积非常小的双层同心圆柱体。光纤结构如下图所示。

光纤剖面图

通常光纤与光缆两个名词会被混淆，多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。

光纤传输的优点

与其他传输介质相比，光纤传输的主要优点如下：

（1）传输频带宽、通信容量大。频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。载波频率为48.5～300MHz的VHF（Very high frequency，甚高频）频段，带宽约250MHz。可见光的频率达100THz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30THz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分（多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上），采用先进的相干光通信可以在30THz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，传输频带更宽。

（2）损耗低。在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31μm的光，每公里损耗在0.5dB以下，若传输1.55μm的光，每公里损耗更小，可达0.2dB以下。这就是同轴电缆的功率损耗的亿分之一倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。

（3）电磁绝缘性能好。光纤线缆传输的是光束，而光束是不受外界电磁干扰影响的，而且光纤本身也不向外辐射信号，也不容易窃听，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高安全的场合。

（4）中继器的间距距离大。整个通道的中继器数目可以减少，可以降低成本。根据贝尔实验室的测试，光纤线路中当数据速率为420Mb/s且距离为119km无中继器，误码率可以达到10^-8。

（5）重量轻。因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般小于10μm，外径也只有125μm，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。

（6）工作性能可靠。一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少（不像电缆系统那样需要几十个放大器），可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。

（7）成本不断下降。目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料（石英）来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势。

光纤通信原理

实际上，如果不是利用光全反射的原理，光纤传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实际利用价值。当光线经过两种不同折射率的介质进行传播时（如从玻璃到空气），光线会发生折射，如下图（a）所示。假定光线在玻璃上的入射角为α₁时，则在空气中的折射角为β₁。折射量取决于两种介质的折射率之比。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会射入空气，这样，光线将被完全限制在光纤中，而且几乎无损耗地向前传播，如下图（b）所示。

光折射原理

在上图（b）中仅给出了一束光在玻璃内部全反射传播的情况。实际上，任何以大于临界值角度入射的光线，在不同介质的边界都将按全反射的方式在介质内传播，而且不同频率的光线在介质内部将以不同的反射角传播。

光纤的分类

根据光纤纤芯直径的粗细，可将光纤分为多模光纤（Multi-mode Fiber，MMF）和单模光纤（Single-mode Fiber，SMF）两种。如果光纤纤芯的直径较粗，则当不同频率的光信号（实际上就是不同颜色的光）在光纤中传播时，就有可能在光纤中沿不同传播路径进行传播，将具有这种特性的光纤称为多模光纤。如果将光纤纤芯直径一直缩小，直至光波波长大小的时候，则光纤此时如同一个波导，光在光纤中的传播几乎没有反射，而是沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤。

（1）单模光纤。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。单模光纤的芯径为8～10μm，包层直径为125μm；使用的光波波长为1310nm、1550nm。

（2）多模光纤。多模光纤是在给定的工作波长上能以多个模式同时传输的光纤。多模光纤的纤芯直径较粗一般为50～200μm，包层直径为125～230μm；使用的光波波长为850nm、1300nm。

单模光纤的造价很高，且需要激光作为光源，但其无中继传输距离非常远，且能获得非常高的数据传输速率，一般用于广域网主干线路上。多模光纤相对来说无中继传播距离要短些，而且数据传输速率要小于单模光纤；但多模光纤的价格便宜一些，并且可以用发光二极管作为光源，多模光纤一般用于局域网组网时的传输介质。单模光纤与多模光纤的比较如下表所示。

单模光纤与多模光纤的比较

光纤的主要传播特性

光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时发生的信号衰减，其单位为dB/km。色散是到达接收端的延迟误差，即脉冲宽度，其单位是μs/km。光纤的损耗会影响传输的中继距离，色散会影响数据传输速率，两者都很重要。自1976年以来，人们发现使用1.3μm和1.55μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为0.5～0.2dB/km；而使用0.85μm波长的光信号通过光纤传输时的损耗幅度大约为3dB/km。使用0.85μm波长的光信号在多模光纤中传输时，色散可以降至10μs/km以下；而使用1.3μm波长的光信号在单模光纤中传输时，产生的色散近似于零。因此单模光纤在传输光信号时，产生的损耗和色散都比多模光纤要低得多，因此单模光纤支持无中继距离和数据传输速率都比多模光纤要高得多。

以太网

以太网是最早使用的局域网，也是目前使用最广泛的网络产品。以太网有10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s等多种速率。

以太网传输介质

以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤三种，以IEEE 802.3委员会习惯用类似于10Base-T的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成：

（1）10：表示速率，单位是Mb/s。

（2）Base：表示传输机制，Base代表基带，Broad代表宽带。

（3）T：传输介质，T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长。

传输介质的具体命名方案如下表所示，了解这些知识是十分必要的。

以太网传输介质表

以太网时隙

时间被分为离散的区间称为时隙（Slot Time）。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0，1或多个帧，分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况。

设置时隙理由

在以太网规则中，若发生冲突，则必须让网上每个主机都检测到。信号传播整个介质需要一定的时间。考虑极限情况，主机发送的帧很小，两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到了冲突，于是发送阻塞信号。B的阻塞信号还没有传输到A，A的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突，而误认为已发送成功，不再发送。由于信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间，所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。

在最坏情况下，检测到冲突所需的时间

若A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ-ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就会检测到冲突，并发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的发送时间必须大于2τ。

按照标准，10Mb/s以太网采用中继器时，连接最大长度为2500m，最多经过4个中继器，因此规定对于10Mb/s以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。51.2μs也就是512位数据在10Mb/s以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节，因此以太网帧的最小长度为64字节。

冲突发生的时段

（1）冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时的时段。

（2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧。

（3）512位时是主机捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时，而没有发生冲突，以后也就不会再发生冲突了。

提高传统以太网带宽的途径

以往被淘汰、传统的以太网是以10Mb/s速率半双工方式进行数据传输的。随着网络应用的迅速发展，网络的带宽限制已成为进一步提高网络性能的瓶颈。提高传统以太网带宽的方法主要有以下3种。

交换以太网

以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议，因此从本质上说它在网络负载较低时性能不错，但如果网络负载很大时，冲突会很常见，因此导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题，“交换式以太网”应运而生，这种系统的核心是使用交换机代替集线器。交换机的特点是，其每个端口都分配到全部10Mb/s的以太网带宽。若交换机有8个端口或16个端口，那么它的带宽至少是共享型的8倍或16倍（这里不包括由于减少碰撞而获得的带宽）。

交换以太网能够大幅度的提高网络性能的主要原因是：

.减少了每个网段中的站点的数量；

.同时支持多个并发的通信连接。

网络交换机有三种交换机制：直通（Cut through）、存储转发（Store and forward）和碎片直通（Fragment free Cut through）。

交换式以太网具有几个优点：第一，它保留现有以太网的基础设施，保护了用户的投资；第二，提高了每个站点的平均拥有带宽和网络的整体带宽；第三，减少了冲突，提高了网络传输效率。

全双工以太网

全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽，即每个方向都支持10Mb/s，这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。

全双工操作吸引人的另一个特点是它不需要改变原来10Base-T网络中的电缆布线，可以使用和10Base-T相同的双绞线布线系统，不同的是它使用一对双绞线进行发送，而使用另一对进行接收。这个方法是可行的，因为一般10Base-T布线是有冗余的（共4对双绞线）。

高速服务器连接

众多的工作站在访问服务器时可能会在服务器的连接处出现瓶颈，通过高速服务器连接可以解决这个问题。使用带有高速端口的交换机（如24个10Mb/s端口，1个100Mb/s或1000Mb/s高速端口），然后再把服务器接在高速端口上并使用全双工操作。这样服务器就可以实现与网络200Mb/s或2000Mb/s的连接。

以太网的帧格式

以太网帧的格式如下图所示，包含的字段有前导码、目的地址、源地址、数据类型、发送的数据，以及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外，其余字段的长度都是固定的。

以太网的帧结构

注：字段的长度以字节为单位

前导码（P）字段占用8字节。

目的地址（DA）字段和源地址（SA）字段都是占用6字节的长度。目的地址用于标识接收站点的地址，它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址，当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制数可表示为01：00：00：00：00：00，假如全部48位（每字节8位，6字节即48位）都是1时，该地址表示是一个广播地址。源地址用于标识发送站点的地址。

类型（Type）字段占用两字节，表示数据的类型，如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包，而0x0806表示ARP数据包，0x8035表示RARP数据包。

数据（Data）字段占用46～1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据，如果数据不够长度，必须在不足的空间插入填充字节来补充。

帧校验序列（FCS）字段是32位（即4字节）的循环冗余码。

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