局域网设计/以太网演进
随着以太网的成功，出现了新的问题
- 需要 更高速度: DIX 以太网 II 支持的传输速度为 10 Mbit/s，而 FDDI 在骨干网中使用的速度要高得多（100 Mbit/s），但用光纤布线建筑物会太贵；
- 需要 互联多个网络: 不同技术（例如以太网、FDDI、令牌环）的网络难以互联，因为它们具有不同的 MTU → 在所有地方使用相同技术可以解决这个问题。
快速以太网，标准化为 IEEE 802.3u (1995)，将传输速度提高到 100 Mbit/s，并相应地将最大冲突直径缩短了 10 倍（约 200-300 m），保持相同的帧格式和相同的 CSMA/CD 算法。
快速以太网物理层与 10 Mbit/s 以太网物理层完全不同：它部分源于 FDDI 世界中的现有标准，以至于快速以太网和 FDDI 在物理层上兼容，并最终放弃了同轴电缆
- 100BASE-T4: 使用 4 对的双绞铜线；
- 100BASE-TX: 使用 2 对的双绞铜线；
- 100BASE-FX: 光纤（仅在骨干网中）。
当快速以太网推出时，它的采用率相当低，因为
- 距离限制: 网络规模有限 → 快速以太网不适合骨干网；
- 骨干网瓶颈: 用 100 Mbps FDDI 技术制作的骨干网与快速以太网技术中的接入网络具有相同的速度 → 它不太可能能够排出来自接入网络的所有流量。
快速以太网随着以下情况的出现开始被更广泛地采用
- 引入 网桥: 它们打破了冲突域，克服了距离限制；
- 引入骨干网中的 千兆以太网: 它避免了骨干网的瓶颈。
千兆以太网，标准化为 IEEE 802.3z (1998)，将传输速度提高到 1 Gbit/s，并引入了两个功能，“载波扩展”和“帧突发”，以使 CSMA/CD 协议能够继续工作。
将传输速度提高十倍会使最大冲突直径缩短 10 倍，降至几十米，这对于布线来说太短了 → 为了使最大冲突直径保持不变，最小帧大小应增加到 512 字节[1]。
然而，扩展最小帧会导致不兼容问题：在网桥连接快速以太网和千兆以太网时，来自快速以太网的最小帧无法进入千兆以太网 → 而不是扩展帧，而是扩展了时隙，即最小传输时间单位：一个由填充虚拟位（最多 448 字节）组成的载波扩展被追加到所有小于 512 字节的帧
| 7 字节 | 1 字节 | 64 到 1518 字节 | 0 到 448 字节 | 12 字节 |
| 前导码 | SFD | 以太网 II DIX/IEEE 802.3 帧 | 载波扩展 | IFG |
| 512 到 1518 字节 | ||||
- 缺点
- 载波扩展占用通道 无用位。
例如，对于 64 字节长的帧，有用吞吐量非常低 - 在更新的纯交换网络中，全双工模式已启用 → CSMA/CD 已禁用 → 载波扩展已无用。
1518 字节的最大帧大小现在已经过时：在 10 Mbit/s 以太网中，通道占用率为 1.2 毫秒，这是一个合理的时间来保证 统计复用，而在千兆以太网中，通道占用率为 12 微秒 → 冲突的频率要低得多 → 为了减少与有用数据相关的报头开销，提高效率，可以增加最大帧大小。
然而，扩展最大帧会导致不兼容问题：在网桥连接快速以太网和千兆以太网时，来自千兆以太网的最大帧无法进入快速以太网 → 帧突发包括将几个标准大小的帧一个接一个地连接起来，而不释放通道
| 帧 1[2] + 载波扩展 |
填充 | 帧 2[2] | 填充 | ... | 填充 | 最后一帧[2] | IFG | |
| 突发限制（8192 字节） | ||||||||
- 只有第一个帧可能会被载波扩展，以确保冲突窗口已满；在接下来的帧中，载波扩展是无用的，因为如果发生冲突，第一帧会已经检测到它；
- 帧与帧之间的 IFG 被替换为“填充扩展”（FILL）到帧字节，并宣布将会有另一个帧；
- 发送站会保持一个字节计数器：当它到达字节编号 8192 时，当前正在传输的帧必须是最后一个 → 最多可以使用帧突发发送 8191 字节 + 1 帧。
- 优点
- 冲突机会数量减少：一旦第一个帧在没有冲突的情况下传输，所有其他站都会通过 CSMA 检测到通道处于忙碌状态；
- 第一个帧之后的帧不需要载波扩展 → 有用吞吐量增加，特别是在 小帧的情况下，因为节省了载波扩展。
- 缺点
- 帧突发没有解决 减少报头开销的主要目标：它选择在每个帧中保留所有报头（包括前导码、SFD 和 IFG），以使处理硬件更简单；
- 通常，使用帧突发的站必须发送大量数据 → 大帧不需要载波扩展 → 载波扩展没有节省；
- 在更新的纯交换网络中，全双工模式已启用 → CSMA/CD 已禁用 → 帧突发没有优势，因此是无用的。
千兆以太网可以在以下传输物理介质上工作
- 双绞铜线:
- 屏蔽 (STP): 1000BASE-CX 标准使用 2 对（25 米）；
- 非屏蔽 (UTP): 1000BASE-T 标准使用 4 对（100 米）；
- 光纤: 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 标准使用 2 根光纤，可以
- 多模光纤 (MMF): 价值较低 (275-550 米);
- 单模光纤 (SMF): 最大长度为 5 公里。
- GBIC
千兆以太网首次引入了千兆位接口转换器 (GBIC)，这是一种常见的解决方案，可以实现更新物理层而不必更新其他设备的功能：千兆以太网板没有集成在板上的物理层，但它仅包含逻辑部分（从数据链路层向上），用户可以将实现物理层的所需 GBIC 插入专用板槽。
10 千兆以太网，标准化为 IEEE 802.3ae (2002)，将传输速度提高到 10 Gbps，最终放弃了半双工模式，消除了所有源自 CSMA/CD 的问题。
它尚未在接入网络中使用，但主要用于
- 在骨干网中：它通过光纤 (26 米到 40 公里) 工作，因为由于信号衰减限制，双绞线不再足够；
- 在数据中心中：除了光纤外，还使用非常短的电缆将服务器连接到机架顶部 (TOR) 交换机：[3]
- 双轴电缆：同轴电缆，最初使用是因为通过双绞线传输的设备消耗的功率过大；
- 10Gbase T：屏蔽双绞线，具有非常高的延迟；
- 在城域网 (MAN) 和广域网 (WAN) 中：10 千兆以太网可以传输到现有的 MAN 和 WAN 基础设施上，尽管传输速度降低到 9.6 Gb/s。
40 千兆以太网和100 千兆以太网，均标准化为 IEEE 802.3ba (2010)，将传输速度分别提高到 40 Gbit/s 和 100 Gbit/s：传输速度的演变首次不再是 10 倍，而是决定在中间速度定义一个标准，因为 100 千兆以太网的成本仍然很高。此外，40 千兆以太网可以传输到现有的 DWDM 基础设施上。
这些速度仅在骨干网中使用，因为它们目前不仅不适合主机，也不适合服务器，因为它们非常接近处理单元中的内部速度（总线、内存等）→ 网络不再是瓶颈。