以太网10Base-T中物理层采用的编码方式为( ) 。

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第20题

知识点： 10Mb/s以太网数字数据编码编码物理层以太网

关键词： 10Base-T 编码物理层以太网章/节：数据通信基础知识局域网技术基础

A. 非归零反转

B. 4B5B

C. 曼彻斯特编码

D. 差分曼切斯特编码

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第22题 2018年上半年

45%

100Base-TX采用的传输介质是（）。

第37题 2010年上半年

45%

下面关于快速以太网标准100BASE-TX的描述中，正确的是（37）。

第38题 2015年上半年

52%

下面的标准中，支持大于550米距离光纤以太网的是（）。


知识点讲解
· 10Mb/s以太网 · 数字数据编码 · 编码 · 物理层 · 以太网

10Mb/s以太网

最开始以太网只有10Mb/s的吞吐量，它所使用的是CSMA/CD的访问控制方法，通常把这种最早期的10Mb/s以太网称为标准以太网。以太网主要采用双绞线和同轴电缆两种传输介质。

IEEE 802.3的一些以太网标准中，前面的数字表示传输速度，单位是Mb/s，最后的一个数字表示单段网线长度（基准单位是100m），Base是"基带"的意思，Broad代表"带宽"。

根据传输介质的不同，10Mb/s以太网可以分为4个标准，即10Base-5、10Base-2、10Base-T和10Base-F。

1）10Base-5

10Base-5是1983年IEEE 802.3工作组发布的"粗缆"以太网标准。10Base-5采用直径为10mm、阻抗为50Ω的细同轴电缆，拓扑结构为总线型。每个电缆段最长为500m，整个网络最大跨距为2500m。网络设计遵循5-4-3法则，即5个电缆段、4个中继器和3个共享网段。

10Base-5代表的具体意思是：数据传输速率为10Mb/s，采用基带信号，每个网段最长为500m。

2）10Base-2

10Base-2是1986年IEEE 802.3工作组发布的"细缆"以太网标准。10Base-2采用直径为5mm、阻抗为50Ω的细同轴电缆，拓扑结构为总线型。每个电缆段最长为185m，整个网络最大跨距为925m。网络设计遵循5-4-3法则。

10Base-2代表的具体意思是：数据传输速率为10Mb/s，采用基带信号，每个网段最长约为200m。

3）10Base-T

10Base-T是1991年IEEE 802.3工作组发布的"非屏蔽双绞线"以太网标准。10Base-T采用阻抗为100Ω的UTP双绞线，拓扑结构为星型。每个电缆段不超过100m，整个网络最大跨距为500m。网络设计遵循5-4-3法则。

10Base-T代表的具体意思是：数据传输速率为10Mb/s，采用基带信号，传输媒体为双绞线。

4）10Base-F

10Base-F是1993年IEEE 802.3工作组发布的"光纤"以太网标准。10Base-F采用多模光纤，拓扑结构为星型。每个电缆段不超过2000m，整个网络最大跨距为4000m。网络设计遵循5-4-3法则。

10Base-F代表的具体意思是：数据传输速率为10Mb/s，采用基带信号，传输媒体为光纤。

5）1Base-5

1Base-5使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速率为1Mb/s。

6）10Broad-36

10Broad-36使用同轴电缆（RG-59/U CATV），最大网段长度为3600m，是一种宽带传输方式。

数字数据编码

在数字信道中传输计算机数据时，要对计算机中的数字信号重新编码并进行基带传输。

对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

在基带传输中，数字信号的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如下图所示。

1）不归零编码

不归零编码（Non-Return-Zero, NRZ）用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。不归零编码有单极型不归零编码和双极型不归零编码两种。

单极型不归零编码，无电压表示0，恒定正电压表示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平，如下图所示。

双极型不归零编码，1码和0码都有电压，1为正电压，0为负电压，正负电压的幅度相等，判决门限为零电平，如下图所示。

2）曼彻斯特编码

曼彻斯特编码（Manchester Encoding），用电平的跳变表示二进制，电平由从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0，如下图所示。

3）差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding），每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0，如下图所示。

常用编码方案

两种曼彻斯特编码的最大优点是将时钟和数据包含在信号数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传送给对方，所以这种编码也称为自同步码。但缺点也很明显，那就是编码效率低。例如，要传送10Mb/s的数据，需要20MHz的脉冲。曼彻斯特编码常用在以太网中，而差分曼彻斯特编码常用在令牌环网中。

编码

编码过程

在给定了软件设计规格说明书后，下一步的工作就是编写代码。一般来说，编码工作可以分为四个步骤：

（1）确定源程序的标准格式，制订编程规范。

（2）准备编程环境，包括软硬件平台的选择，包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。

（3）编写代码。

（4）进行代码审查，以提高编码质量。为提高审查的效率，在代码审查前需要准备一份检查清单，并设定此次审查须找到的bug数量。在审查时，要检查软件规格说明书与编码内容是否一致；代码对硬件和操作系统资源的访问是否正确；中断控制模块是否正确等。

编码准则

在嵌入式系统中，由于资源有限，且实时性和可靠性要求较高，因此，在开发嵌入式软件时，要注意对执行时间、存储空间和开发／维护时间这三种资源的使用进行优化。也就是说，代码的执行速度要越快越好，系统占用的存储空间要越小越好，软件开发和维护的时间要越少越好。

具体来说，在编写代码时，需要做到以下几点：

.保持函数短小精悍。一个函数应该只实现一个功能，如果函数的代码过于复杂，将多个功能混杂在一起，就很难具备可靠性和可维护性。另外，要限制函数的长度，一般来说，一个函数的长度最好不要超过100行。

.封装代码。将数据以及对其进行操作的代码封装在一个实体中，其他代码不能直接访问这些数据。例如，全局变量必须在使用该变量的函数或模块内定义。对代码进行封装的结果就是消除了代码之间的依赖性，提高了对象的内聚性，使封装后的代码对其他行为的依赖性较小。

.消除冗余代码。例如，将一个变量赋给它自己，初始化或设置一个变量后却从不使用它，等等。研究表明，即使是无害的冗余也往往和程序的缺陷高度关联。

.减少实时代码。实时代码不但容易出错、编写成本较高，而且调试成本可能更高。如果可能，最好将对执行时间要求严格的代码转移到一个单独的任务或者程序段中。

.编写优雅流畅的代码。

.遵守代码编写标准并借助检查工具。用自动检验工具寻找缺陷比人工调试便宜，而且能捕捉到通过传统测试检查不到的各种问题。

编码技术

编程规范

在嵌入式软件开发过程中，遵守编程规范，养成良好的编程习惯，这是非常重要的，将直接影响到所编写代码的质量。

编程规范主要涉及的三方面内容：

.命名规则。从编译器的角度，一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度，一个好的名字不仅要合法，还要载有足够的信息，做到“见名知意”，并且在语意清晰、不含歧义的前提下，尽可能地简短。

.编码格式。在程序布局时，要使用缩进规则，例如变量的定义和可执行语句要缩进一级，当函数的参数过长时，也要缩进。另外，括弧的使用要整齐配对，要善于使用空格和空行来美化代码。例如，在二元运算符与其运算对象之间，要留有空格；在变量定义和代码之间要留有空行；在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。

.注释的书写。注释的典型内容包括：函数的功能描述；设计过程中的决策，如数据结构和算法的选择；错误的处理方式；复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意，注释的内容应该与相应的代码保持一致，同时要避免不必要的注释，过犹不及。

性能优化

由于嵌入式系统对实时性的要求较高，因此一般要求对代码的性能进行优化，使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例，在编写代码时，需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说，整数的算术运算最快，其次是带有硬件支持的浮点运算，而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此，在编码时要遵守以下准则：

.尽量使用整数（char、short、int和long）的加法和减法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用乘法。

.尽量避免使用除法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用浮点数。

下图是一个例子，其中两段代码的功能完全一样，都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化，但采用两种不同的方法来实现。下图（a）采用数组下标的方法，在定位第i个数组元素时，需要将i乘以结构体元素的大小，再加上数组的起始地址。下图（b）采用的是指针访问的方法，先把指针fp初始化为数组的起始地址，然后每访问完一个数组元素，就把fp加1，指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上，将这两段代码分别重复10 700次，右边这段代码需要1ms，而左边这段代码需要2.13ms。

算术运算性能优化的例子

物理层

IEEE 802.11定义了3种PLCP帧格式来对应3种不同的PMD子层通信技术。

1）FHSS

对应于FHSS通信的PLCP帧格式如下图所示。

用于FHSS方式的PLCP帧

SYNC是0和1的序列，共80比特作为同步信号。SFD的比特模式为0000110010111101，用作帧的起始符。PLW代表帧的长度，共12位，所以帧最大长度可以达到4096字节。PSF是分组信令字段，用来标识不同的数据速率。起始数据速率为1Mb/s，以0.5的步长递增。PSF=0000时，代表数据速率为1Mb/s;PSF为其他数值时，则在起始速率的基础上增加一定倍数的步长，例如PSF=0010，则1Mb/s+0.5Mb/s×2=2Mb/s。16位的CRC是为了保护PLCP头部所加的，它能纠正2比特错。MPDU代表MAC协议数据单元。

2）DSSS

下图所示为采用DSSS通信时的帧格式。

用于DSSS方式的PLCP帧

与前一种不同的字段解释如下：SFD字段的比特模式为1111001110100000。Signal字段表示数据速率，步长为100kb/s，比FHSS精确5倍。Service字段保留未用。Length字段指MPDU的长度。

3）DFIR

下图所示为采用漫反射红外线时的PLCP帧格式。

用于DFIR方式的PLCP帧

DFIR的SYNC比FHSS和DSSS的都短，因为采用光敏二极管检测信号不需要复杂的同步过程。Data rate字段=000，表示1Mb/s;Data rate字段=001，表示2Mb/s。DCLA是直流电平调节字段，通过发送32个时隙的脉冲序列来确定接收信号的电平。MPDU的长度不超过2500字节。

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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