万兆以太网技术特点及应用

发布: 2010-10-23 09:22 | 作者: 封铎 | 来源: | 字体: 小中大

相关专题：中国联通

　　万兆以太网技术的研究始于1999年底，当时成了IEEE802.3ae工作组，2000年方案成型并进行互操作性测试，2002年6月由IEEE正式发布了万兆以太网(1OGE)标准，这不仅使以太网协议族增加了新成员，并且从某种角度上可以说是以太网技术的一次飞跃。那么万兆以太网技术又有何特点并且其应用前景又是如何呢，下面作简单介绍。　

一、万兆以太网技术背景　

　　顾名思义，万兆以太网脱胎于局域网事实标准以太网技术(802.3)。以太网技术曾经与令牌总线(802.4)、令牌环(802.5)一起作为局域网领域的三大技术标准，但由于以太网所具有的平滑升级、结构简单、管理方便、造价低廉等特点使其脱颖而出，逐渐占据了技术的主流。　

　　在万兆以太网推出之前，以太网的发展大体经过了以下几个阶段以太网最初是采用l0M粗缆总线，而后改进为采用10Base5 10M细缆，随后以太网技术发展成为大家熟悉的星形的双绞线1OBaseT。随着人们对带宽要求的提高以及以太网器件能力的增强出现了快速以太网：五类线传输的1OOBaseTX、三类线传输的lOOBaseT4和光纤传输的 1OOBaseFX。接着千兆以太网接口也展露头脚：包括短波长光传输1000Base-SX、长波长光传输l000Base-LX以及五类线传输l000BaseT。目前千兆以太网正处于一个技术成熟，大量应用的繁荣期。　

　　以太网虽然在局域网中应用中占绝对优势，但是在很长的段时间中，人们普遍认为以太网不能用于城域网，特别是汇聚层以及骨干层。主要原因在于以太网用作城域网骨干带宽太低，传输距离过短。当时城域网技术使用较多的是FDDI(Fiber Distributed Data Interface光纤分布数据接口)和DQDB(Distributeed Queue Dual Bus分布式队列双路总线)，当随后ATM(Asynchronous Transfer Mode异步传输模式)技术成为热点后，大家都认为ATM将成为统一局域网、城域网和广域网的唯一技术。　

　　目前最常见的是10M以太网以及1OOM以太网(快速以太网)，1OOM快速以太网作为城域骨下网带宽显然不够。千兆以太网的日益广泛应用扩展了以太网的用途，使以太网技术逐渐延伸到城域网的汇聚层，但千兆以太网通常作将小区用户汇聚到城域POP点，或者将汇聚层设备连到骨干层，在当前10M以太网到用户的环境下，千兆以太网链路作为汇聚已是勉强，作为骨干则是力所不能及。虽然以太网多链路聚合技术允许多个千兆链路捆绑使用，但是考虑光纤资源以及波长资源，链路捆绑般只用在P0P(Point to Point)点内或者短距离应用环境。　

　　传输距离也是以太网技术无法作为城域数据网骨干层汇聚层链路技术的一大障碍。无论是10M、100M还是千兆以太网，由于信噪比、碰撞检测、可用带宽等原因五类线传输距离都是100m。使用光纤传输时距离限制由以太网使用的主从同步机制所制约。802.3规定1OOOBase-SX接口使用纤芯62.5μm的多模光纤最长传输距离275m，使用纤芯50μm的多模光纤最长传输距离55Om;1000Base-SX接口使用纤芯62.5μm的多模光纤最长传输距离550m，使用纤芯50μm的多模光纤最长传输距离550m，使用纤芯为l0μm的单模光纤最长传输距离5000m。最长传输距离5km千兆以太网链路在城域范围内远远不够。　

　　由于原有以太网技术用于城域网骨干/汇聚层所遇到的带宽以及传输距离的限制，并且由于以太网技术的突出优点，改进并扩展这一技术以适应新的要求就成了一种迫切的要求，万兆以太网技术就应运而生了。　

二、万兆以太网技术要点　

　　虽然万兆以太网技术建立在传统以太网技术的基础上，但作为种“高速”以太网技术，它同原有的以太网技术又有什么优点或又有何异同呢？　

　　1.万兆以太网技术同原有以太网技术的差别　

　　从经典的OSI网络层次模型上看，以太网属于第2层协议。与1000BASE-X和1000BASE-T等前面几代以太网类似，万兆以太网(10GE)仍然属于以太网。与l0、100和1OOO Mbps以太网相同，万兆以太网(10GE)也使用IEEE 802.3以太网MAC(Medium Access Control介质访问控制)协议和帧长度。　

　　为了适应高带宽的要求和更长传输距离的要求，万兆以太网对原来的以太网技术也做了很大的改进，主要表现在：物理层实现方式、帧格式和MAC的工作速率及适配策略方面　

　　1)全双工的工作模式　

　　万兆位以太网只在光纤上工作，并只能在全双工模式下操作，这意味着不必使用冲突探测协议，因此它本身没有距离限制。它的优点是减少了网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，同时有望降低系统费用，并提供更快、更新的数据业务。

　　万兆以太网可继续在局域网中使用，也可用于广域网中，而这两者之间工作环境不同。不同的应用环境对于以太网各项指标的要求存在许多差异，针对这种情况，人们制定了两种不同的物理介质标准。这两种物理层的共同点是共用一个MAC层，仅支持全双工，省略了CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Dtection带冲突检测的载波侦听多路访问)策略，采用光纤作为物理介质。

　　2)物理层特点

　　10Gbps局域以太网物理层的特点是，支持802.3MAC全双工工作方式，允许以太网复用设备同时携带10路1G信号，帧格式与以太网的帧格式致，工作速率为10Gbps。10Gbps局域网可用最小的代价升级现有的局域网，并与10/100/1000Mbps兼容，使局域网的网络范围最大达到40km。

　　10G广域网物理层的特点是采用OC-192c帧格式在线路上传输，传输速率为9.58464Gbps，所以10G广域以太网MAC层必须有速率匹配功能。当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300km，采用多模光纤时，可达40km。10Gbps广域网物理层还可选择多种编码方式。　

　　3)帧格式

　　在帧格式方面，由于万兆以太网是高速以太网，所以为了与以前的所有以太网兼容，必须采用以太网的帧格式承载业务，为了达到10Gbps的高速率，并实现与骨干网无缝连接，在线路上采用0C-192c帧格式传输。这样就需要在物理子层实现从以太网帧到0C-192c帧的映射功能。同时，由于以太网在设计时是面向局域网的，网络管理较弱，传输距离短并且对物理线路没有任何保护措施，所以当以太网作为广域网进行长距离高速传输时，必然导致线路信号频率和相位较大的抖动。而以太网的传输是异步的，在宿端实现同步比较困难。因此，如果以太网帧在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。为此，对帧格式进行了修改，添加长度域和HEC域。　

　　4)速度适配　

　　在局域网与广域网的速率适配方面，10G局域以太网和广域以太网物理层的速率不同，局域网的数据率为1OGbps，广域网的数据率为9.58464Gbps。由于两种速率的物理层共用个MAC层，而MAC层的工作速率为10Gbps，所以必须采取相应的调整策略，将1OGMII接口的传输速率1OGbps降低，使之与物理层的传输速率9.58464Gbps相匹配，这是万兆以太网需要解决的问题。

　　5)接口方式

　　万兆以太网作为新代宽带技术，在接口类型及应用上提供了更为多样化的选择。局域网PHY(局域网接口)、城域网PHY(城域网接口)及广域网PHY(广域网接口)可以适用于不同的解决方案。

　　万兆以太网在局域网、城域网、广域网不同的应用上提供了多样化的接口类型，在届域网方面，针对数据中心或服务器群组的需要，可以提供多模光纤长达300m的支持距离，或针对大楼与大楼间/园区网的需要提供单模光纤长达10km的支持距离。在城域网方面，可以提供1550nm波长单模光纤长达40km的支持距离。在广域网方面，更可以提供0C-192C广域网PHY，支持长达70-100km的连接。

　　6)变“尽力而为”为“端到端保证”

　　传统的万兆以太网是一种“尽力而为”的网络机制，它强调的是用户接入所实现的网络资源和信息的共享，而不提供带宽控制能力和支持实时业务的服务保证，也不能提供故障定位、多用户共享节点和网络计费等。但是，随着千兆和万兆以太网的出现以及在光纤上直接架构千兆和万兆以太网技术的成熟，以太网可以走入城域网和广域网，提供“端到端”的网络服务保证。

　　从速度来看，由最初的不到3Mbps发展到今天能10Gbps，以太网在30年中得到了30倍的成长。由于万兆以太网基于以太网技术，因此它是目前惟一能够从10Mbps速度无缝扩展到10Gbps速率的网络技术。

　　万兆以太网技术基本上承袭过去的以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及军、使用的方便性、网络的互操作性及简易性上都占有很大的引进优势。在升级到万兆以太网解决方案时，用户不需担心既有的程序或服务是否会受到影响，因此升级的风险是非常低的。这不仅在以往以太网升级到千兆以太网中得到了体现，同时在未来升级到万兆以太网，甚至四万兆(40G)、十万兆(100G)以太网，都将是个明显的优势。

2.万兆以太网的物理层　
　　万兆以太网有两种不同的物理层局域网物理层和广域网物理层，这两种物理层的数据率并不样。局域网物理层使用简单的编码机制在暗光纤(Dark fiber)和暗波长(Dark wave length)上传送数据。而广域网物理层则需要增加个SONET(Synchronous Optical Networks同步光纤网络)/SDH(Synchrenous Digital Hierarchy同步数字系列)子层，以便利用SONET/SDH作为第一层来传送数据。　

　　1）XGMII(10Gigabit Medium Independent Interface 10Gbps串行物理介质层)：包括10Gbase-R、10GBase Rw等。10GBase SR/SW传输距离按照波长不同由2-300 m。10Gbase-LR/LW传输距离为2 m-10km。1OGBase-ER/EW传输距离为2m-40km。它们各自对应不同的串行局域网物理层设备。　

　　2)PMD(Physical Medium Dependency物理介质相关)子层PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。PMD是物理层的最低子层，标准中规定，物理层负责从介质上发送和接收信号。　

　　3)PMA(Physical Medium Access物埋介质接入)子层：PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接口。和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用于对接收到的数据进行正确符号对齐(定界)的符号定时时钟。　

　　4）Mg Wide area network Interface Sublayer广域接口）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(Physical coding Sublayer物理编码)子层PCS子层位于协调子层(通过GMII)和物理介质接入层(PMA)子层之间。PCS子层完成将经过完善定义的以太网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RS/MAC的接口由XGMII提供，与下层PMA接口使用PMA服务接口。　

　　6)RS(Relation Sublayer协调子层)协调子层的功能是将XGMII的通路数据和相关控制信号映射到原始PLS服务接口定义(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10GbpsMAC和物理层间的逻辑接口。XGMII和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质。　

　　7）MDI(Medium Dependency Interface物理介质相关接口)用于将PMD子层和物理层的光缆相连接。　

　　3.万兆以太网使用的光纤介质　

　　万兆以太网能够使用多种光纤媒体。这些光纤媒体的型号具体表示方法为10Gbase-[媒体类型][编码方案][波长数]，或更加具体些表示为：10GBase[E/L/S][R/W/X][/4]。　

　　在光纤媒体表示方法的媒体类型中，S为短波长(850nm)，用于多模光纤在短距离(约为35m)传送数据L为长波长，用于在校园的建筑物之间或大厦的楼层进行数据传输，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为9Oom；E为特长波长，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。　

　　在光纤媒体的表示方法的编码方案中，X为局域网物理层中的8B/10B编码，R为局域网物理层中的64B/66B编码，W为广域网物理层中的64B/66B编码(简化的SONET/SDH封装)。最后的波长数可以为4，使用的是宽波分复用(WWDM)。在进行短距离传输时，WWDM要比密集波分复用(DWDM)适宜得多。如果不使用波分复用，则波长数就是l，并且可将其省略。　

三、万兆以太网技术的应用　

　　由于万兆以太网技术的突出优点，万兆以太网技术可以用来作为包含局域网、城域网和广域网(使用以太网作为端到端的第二层传输方法)的网络体系结构的基础。在局域网中，核心网络技术将提升到万兆以太网，能够在城域范围内工作的万兆以太网也将成为一种发展趋势。　

　　万兆以太网目前在网络架构方面的大部分应用主要利用了新技术的下列主要优势。远程和扩展远程光纤连接，为高速应用提供的最佳链路利用率为那些对延迟非常敏感的应用提供的低延时，支持现有的以太网功能，例如QoS、安全性、多播、链路集中等。　

　　万兆以太网技术由于是过去以太网技术的延伸，因此在既有的网络市场上，尤其是宽带需求较为迫切的几个市场上将会有较大的发挥空间，这包括以下几个不同的市场领域。　
　　1.宽带交换机与宽带交换机互联　

　　过去必须采用数个千兆捆绑以满足交换机互联所需的高带宽，因而浪费了更多的光纤资源。现在可以采用万兆互联，甚至4个万兆捆绑互联，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　

　　目前的文件和数据服务器所需要的数据带宽是非常可观的，一个高性能的文件管理器可以管理多个千兆位以太网网卡，并且由于它采用了优化的系统软件和加速的网卡硬件，可以轻松地占用所有接口卡中的所有带宽。这种巨大的处理能力，无论是事务处理还是执行关键任务型应用，都会将任何高性能的网络容量使用到极限。只有在服务器群的分布层和核心层采用一种非常高速的技术，例如万兆以太网，才可能更加平稳地实现它们的增长，以及满足高级应用对于廉价原始带宽的不断增长的需求。在愈来愈多的服务器改用千兆以太网作为上连技术后，数据中心或群组网络的骨干带宽需求相应增加，以千兆或千兆捆绑作为平台已不能满足用户需求，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.城域网宽带汇聚层与骨干层　

　　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，也是万兆以太网非常大的一个市场空间。　

　　4.新兴的宽带广域网　

　　由于以太网与SONET/SDH在长期的发展中有相当的价格优势，而万兆以太网又支持与SONE T/SDH基础架构的无缝连接能力，这使得过去直是SONE T/SDH垄断的广域网市场出现了新的竞争者，万兆以太网方案将在广域网市场取得一定的发展。　

　　5.SoIP(storage over IP基于IP的存储)或SAN(Storage Area Network存储区域网络)　

　　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性能因素，因此千兆以太网及万兆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。万兆以太网不仅可以满足存储设备的高速互联，也可以买现存储设备的备份(Backup)及灾难恢复(Disaster Recovery)。出于成本的考虑下，万兆以太网可以在这个新兴的应用上得到发挥。　

　　6.高性能计算应用　

　　通过先进的程序进行新的计算科学研究，设计出新的高性能计算机架构和网络，可以促进计算机科学研究在算法、可视化、系统软件和工具方面的发展。这里大量的分布式计算能力和高速通信链路的需要对于满足很多要求非常严格的应用需求至关重要。为了将所有必要的计算能力整合到　起，完成这些要求非常严格的任务，研究机构可以将很多独立的高速CPU连接到起，利用万兆以太网或者万兆以太网通道连接传输大量的处理器目通信，这些信息对于确保一个大规模的分布式超级计算机集群的最佳性能至关重要。　

　　综上所述，万兆以太网作为一种高速以太网络，不仅仅是简单的网络速度的提升，并且为以太网的应用开拓了更为广阔的空间。

作者：封铎来源：中国联通网站