千兆以太網(wǎng)技術(shù)綜述

2019-11-05 01:58:22

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供稿：網(wǎng)友

　　經(jīng)濟在高速發(fā)展，信息在迅猛膨脹。多媒體應用的日益增加、ip語音傳輸需求的激增，對網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了新的挑戰(zhàn)。局域以太網(wǎng)從10M開始發(fā)展，經(jīng)歷幾多的變遷，風風雨雨二十多年，發(fā)展到今天風靡一世的千兆以太網(wǎng)。千兆以太網(wǎng)以高效、高速、高性能而著稱，已經(jīng)廣泛應用在金融、商業(yè)、教育、政府機關(guān)及廠礦企業(yè)等各行各業(yè)。

千兆以太網(wǎng)及其發(fā)展現(xiàn)狀

千兆以太網(wǎng)是建立在以太網(wǎng)標準基礎(chǔ)之上的技術(shù)。千兆以太網(wǎng)和大量使用的以太網(wǎng)與快速以太網(wǎng)完全兼容，并利用了原以太網(wǎng)標準所規(guī)定的全部技術(shù)規(guī)范，其中包括CSMA/CD協(xié)議、以太網(wǎng)幀、全雙工、流量控制以及IEEE 802.3標準中所定義的治理對象。作為以太網(wǎng)的一個組成部分，千兆以太網(wǎng)也支持流量治理技術(shù)，它保證在以太網(wǎng)上的服務質(zhì)量，這些技術(shù)包括IEEE 802.1P第二層優(yōu)先級、第三層優(yōu)先級的QoS編碼位、非凡服務和資源預留協(xié)議（RSVP）。

千兆以太網(wǎng)還利用IEEE 802.1QVLAN支持、第四層過濾、千兆位的第三層交換。千兆以太網(wǎng)原先是作為一種交換技術(shù)設(shè)計的，采用光纖作為上行鏈路，用于樓宇之間的連接。之后，在服務器的連接和骨干網(wǎng)中，千兆以太網(wǎng)獲得廣泛應用，由于IEEE 802.3ab標準（采用5類及以上非屏蔽雙絞線的千兆以太網(wǎng)標準）的出臺，千兆以太網(wǎng)可適用于任何大中小型企事業(yè)單位。

目前，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。大到成千上萬人的大型企業(yè)，小到幾十人的中小型企業(yè)，在建設(shè)企業(yè)局域網(wǎng)時都會把千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為首選的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。千兆以太網(wǎng)技術(shù)甚至正在取代ATM技術(shù)，成為城域網(wǎng)建設(shè)的主力軍。

千兆以太網(wǎng)的特點

千兆以太網(wǎng)的特點主要包括如下。

1．千兆位以太網(wǎng)提供完美無缺的遷移途徑，充分保護在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上的投資。千兆位以太網(wǎng)將保留IEEE 802.3和以太網(wǎng)幀格式以及802.3受治理的對象規(guī)格，從而使企業(yè)能夠在升級至千兆性能的同時，保留現(xiàn)有的線纜、操作系統(tǒng)、協(xié)議、桌面應用程序和網(wǎng)絡(luò)治理戰(zhàn)略與工具；

2．千兆位以太網(wǎng)相對于原有的快速以太網(wǎng)、FDDI、ATM等主干網(wǎng)解決方案，提供了一條最佳的路徑。至少在目前看來，是改善交換機與交換機之間骨干連接和交換機與服務器之間連接的可靠、經(jīng)濟的途徑。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員能夠建立有效使用高速、要害任務的應用程序和文件備份的高速基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)治理人員將為用戶提供對Internet、Intranet、城域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的更快速的訪問。

3．IEEE 802.3工作組建立了802.3z和802.3ab千兆位以太網(wǎng)工作組，其任務是開發(fā)適應不同需求的千兆位以太網(wǎng)標準。該標準支持全雙工和半雙工1000Mbps，相應的操作采用IEEE 802.3以太網(wǎng)的幀格式和CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法。千兆位以太網(wǎng)還要與10BaseT和100BaseT向后兼容。此外，IEEE標準將支持最大距離為550米的多模光纖、最大距離為70千米的單模光纖和最大距離為100米的銅軸電纜。千兆位以太網(wǎng)填補了802.3以太網(wǎng)/快速以太網(wǎng)標準的不足。

千兆以太網(wǎng)的構(gòu)建

千兆以太網(wǎng)絡(luò)是由千兆交換機、千兆網(wǎng)卡、綜合布線系統(tǒng)等構(gòu)成的。千兆交換機構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的骨干部分，千兆網(wǎng)卡安插在服務器上，通過布線系統(tǒng)與交換機相連，千兆交換機下面還可連接許多百兆交換機，百兆交換機連接工作站，這就是所謂的“百兆到桌面”。在有些專業(yè)圖形制作、視頻點播應用中，還可能會用到“千兆到桌面”，及用千兆交換機聯(lián)到插有千兆網(wǎng)卡的工作站上，滿足了非凡應用下對高帶寬的需求。

在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)之前，究竟用千兆還是百兆，要從實際出發(fā)，從應用出發(fā)，考慮網(wǎng)絡(luò)應該具備哪些功能。不同的應用有不同的需求，而且?guī)缀鯖]有只有單一業(yè)務的網(wǎng)絡(luò)。但是，在各種業(yè)務中，生產(chǎn)性業(yè)務肯定是優(yōu)先級最高的。假如在網(wǎng)絡(luò)中傳輸語音，那么語音業(yè)務也需要優(yōu)先安排。假如對業(yè)務優(yōu)先的需求很高，網(wǎng)絡(luò)必須有QoS保證。這樣的網(wǎng)絡(luò)必須要智能化，在交換機端口能夠識別是什么類型的業(yè)務通過，然后對不同的業(yè)務進行排隊，為不同的業(yè)務分配不同的帶寬，這樣才能保證要害性業(yè)務的運行。數(shù)據(jù)業(yè)務本身是有智能的，不管多少帶寬都可以傳輸，只是時間長短而已，但是語音或者視頻就不一樣了，假如帶寬小了之后，馬上就聽不清楚了，或者圖像產(chǎn)生抖動，這都是不答應的。所以QoS非常重要。對單純的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在QoS方面的需求就很低。在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的時候，必須先了解清楚哪些功能是必須的，哪些可以不考慮。例如，目前多址廣播是比較重要的性能之一，假如需要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸圖像，而網(wǎng)絡(luò)不具備多址廣播的特性，那么網(wǎng)絡(luò)的帶寬浪費就會非常嚴重，甚至根本無法實現(xiàn)。

千兆以太網(wǎng)國際標準

1997年1月，通過了IEEE 802.3z第一版草案；

1997年6月，草案V3.1獲得通過，最終技術(shù)細節(jié)就此制定；

1998年6月，正式批準IEEE 802.3z標準；

1999年6月，正式批準IEEE 802.3ab標準(即1000Base-T)，可以把雙絞線用于千兆以太網(wǎng)中。

千兆位以太網(wǎng)標準主要針對三種類型的傳輸介質(zhì)：單模光纖；多模光纖上的長波激光（稱為1000BaseLX）、多模光纖上的短波激光（稱為1000BaseSX）；1000BaseCX介質(zhì)，該介質(zhì)可在均衡屏蔽的150歐姆銅纜上傳輸。IEEE 802.3z委員會模擬的1000BaseT標準答應將千兆位以太網(wǎng)在5類、超5類、6類UTP雙絞線上的傳輸距離擴展到100米，從而使建筑樓宇內(nèi)布線的大部分采用5類UTP雙絞線，保障了用戶先前對以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)的投資。對于網(wǎng)絡(luò)治理人員來說，也不需要再接受新的培訓，憑借已經(jīng)把握的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)知識，完全可以對千兆以太網(wǎng)進行治理和維護。

千兆以太網(wǎng)的標準化包括編碼/譯碼、收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)三個主要模塊，其中不同的收發(fā)器對應于不同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)類型。1000BASE-LX基于1300nm的單模光纜標準時，使用8B/10B編碼解碼方式，最大傳輸距離為5000米。1000BASE-SX基于780nm的FibreChannel optics，使用8B/10B編碼解碼方式，使用50微米或62.5微米多模光纜，最大傳輸距離為300米到500米。連接光纖所使用的SC型光纖連接器與快速以太網(wǎng)100BASE FX所使用的連接器的型號相同。1000BASE-CX是一種基于銅纜的標準，使用8B/10B編碼解碼方式，最大傳輸距離為25米。1000BASE-T基于非屏蔽雙絞線傳輸介質(zhì)，使用1000BASE-T 銅物理層Copper PHY編碼解碼方式，傳輸距離為100米。1000BASE－T在傳輸中使用了全部4對雙絞線并工作在全雙工模式下。這種設(shè)計采用 PAM-5 (5級脈沖放大調(diào)制) 編碼在每個線對上傳輸 250Mbps。雙向傳輸要求所有的四個線對收發(fā)器端口必須使用混合磁場線路，因為無法提供完美的混合磁場線路，所以無法完全隔離發(fā)送和接收電路。任何發(fā)送與接收線路都會對設(shè)備發(fā)生回波。因此，要達到要求的錯誤率（BER）就必須抵消回波。1000BASE－T無法對頻率集中在125MHz之上的頻段進行過濾，但是使用擾頻技術(shù)和網(wǎng)格編碼能對80MHz之后的頻段進行過濾。為了解決5類線在如此之高的頻率范圍內(nèi)因近端串擾而受到的限制，應該采用合適的方案來抵消串擾。

最初的千兆以太網(wǎng)采用高速780納米光纖信道的光元件傳輸光纖上的信號，采用8B/10B的編碼和解碼方法實現(xiàn)光信號的串行化和復原。目前光纖信道技術(shù)的數(shù)據(jù)運行速率為1.063Gbps，將來會提高到1.250Gbps，使數(shù)據(jù)速率達到完整的1000Mbps。對于更長的連接距離，將采用1300納米的光元件。為了適應硅技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，應在MAC層和PHY層之間制定獨立于介質(zhì)的邏輯接口，以使千兆以太網(wǎng)工作在非屏蔽雙絞線電纜系統(tǒng)中。這一邏輯接口將適用于非屏蔽雙絞線電纜系統(tǒng)的編碼方法，并獨立于光纖信道的編碼方法。下圖說明了千兆以太網(wǎng)的組成。

如何升級至千兆以太網(wǎng)

把10M、100M網(wǎng)絡(luò)升級至千兆的條件并不多，最主要的是綜合布線條件。千兆以太網(wǎng)指的是網(wǎng)絡(luò)主干的帶寬，要求主干布線系統(tǒng)必須滿足千兆以太網(wǎng)的要求。假如原來的網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離相隔幾百米至幾公里的多幢建筑物，則原來的主干布線一般采用的是多模或單模光纖，能夠滿足千兆主干的要求，可以不必重新敷設(shè)光纖了。在建筑物之間的距離小于550米的情況下，一般敷設(shè)價格相對低廉的多模光纖就可以滿足千兆以太網(wǎng)的需要。

假如原來的網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了一幢建筑，而且最遠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中心的距離不超過100米，則可以利用原來的5類或超5類布線系統(tǒng)。假如原來的布線系統(tǒng)達不到5類標準，或者采用了總線型布線系統(tǒng)而不是星型布線系統(tǒng)，則必須重新布5類線。

升級至千兆以太網(wǎng)，首先要將網(wǎng)絡(luò)主干交換機升級至千兆，以提高網(wǎng)絡(luò)主干所能承受的數(shù)據(jù)流量，從而達到加快網(wǎng)絡(luò)速度的目的。以前的百兆交換機作為分支交換機，以前的集線器則可以在布線點不足的地方使用。目前千兆交換機的產(chǎn)品已經(jīng)很多，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的要求和預算等實際情況選擇。

網(wǎng)絡(luò)上的服務器需要吞吐大量的數(shù)據(jù)，假如網(wǎng)絡(luò)主干升級至千兆，但是服務器網(wǎng)卡還停留在百兆的水平上，服務器網(wǎng)卡就會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，必須使用千兆網(wǎng)卡才能消除這個瓶頸，解決方法是在原來的服務器上添加千兆網(wǎng)卡。注重應該優(yōu)先選購64位PCI的千兆網(wǎng)卡，其性能比普通PCI千兆網(wǎng)卡高一些。千兆網(wǎng)卡可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的要求和預算等實際情況選擇。

　

網(wǎng)絡(luò)主干升級了，網(wǎng)絡(luò)的分支也應隨之升級。假如原來的用戶計算機已經(jīng)安裝了10M/100M自適應網(wǎng)卡，則可以不必升級網(wǎng)卡，只要將網(wǎng)卡接到百兆交換機上就可以了；假如原來使用的是10Mbps網(wǎng)卡，則需要將網(wǎng)卡更換為10M/100M自適應網(wǎng)卡，這樣才能提高工作站訪問服務器的速度。

千兆以太網(wǎng)的前景猜測

預計到2005年之前，數(shù)據(jù)傳輸量每年將以3倍的速度增長，并于當年超過語音傳輸量，成為全球通信網(wǎng)絡(luò)主要的傳輸方式。面對日益增長的數(shù)據(jù)流和多媒體服務，大容量、高速率、多功能模塊高端網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的市場規(guī)模將不斷擴大。可以預見的是，千兆以太網(wǎng)交換機所占的市場份額會越來越大。隨著Internet的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)上層出不窮應用的出現(xiàn)，萬兆以太網(wǎng)將是以后的主流，但至少在近兩年內(nèi)，千兆以太網(wǎng)仍然是市場上的主流。

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