千兆位以太网概述

发布: 2010-10-20 14:27 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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千兆位以太网概述
    摘要千兆位以太网是一种新型高速局域网，它可以提供1GbpS的通信带宽，采用和传
统10兆，100兆以太网同样的CSMA／CD协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以
太网基础上平滑、连续性的网络升级，从而能最大限度的保护用户以前的投资。本文简
要介绍了千兆位以太网出现的背景，然后详细阐述了与其相关的实现技术及其特性，最后
介绍了其应用，并指出了其发展前景。
    一、千兆位以太网出现的背景
    以太网技术是当今应用最为广泛的网络技术，然而随着网络通信流量的不断增加，传
统10兆以太网在客户／服务器计算环境中已很不适应。通信的拥塞推进了对高速网络的需
求。
    在当今现有的高速局域网技术中，快速以太网或称100BASE一T已成为首选。快速以太
网建立在广泛接受的10BASE一丁以太网基础之上，提供向100兆bps的平滑、连续性的网络
升级。然而为服务器和台式机提供100BASE－T速率的发展，又显然产生了对主干网和服务
器更高网络速率的要求。这种更高速率的技术应能提供平滑的升级方式，具有较好的性能
价格比，不需要重新培训。
    从目前的发展看，最合适的解决方案是千兆以太网。千兆以太网可以为园区网络提供
1GbpS的通信带宽，而且具有以太网简易性；以及和其它类似速率的通信技术比较价格低
廉的特点。千兆以太网在当前以太网基础之上平滑过渡，综合平衡了现有的端点工作站、
管理工具和培训基础等各种因素。
    千兆以太网采用同样的CSMA／CD协议，同样的帧格式和同样的帧长。对于广大的网络
用户来说，这就意味着现有的投资可以在合理的初始开销上延续到千兆以太网，不需要对
技术支持人员和用户做重新培训，不需要作另外的协议和中间件的投资。结果是用户较低
的总体开销。
    由于上述特点和对全双工操作的支持，千兆以太网将成为10／100BASE一丁交换器、
连接高性能服务器的理想主干网互联技术，成为需要未来高于100BASE一T带宽的台式计算
机升级的理想技术。
    二、千兆位以太网技术
    1．千兆位以太网物理层
    与以太网和快速以太网～样，千兆位以太网（Gigabit Ethernet）只定义了物理层和
介质访问控制子层。实际上，物理层是千兆位以太网的关键组成，在IEEE802.3z中定义了
三种传输介质：多模光纤、单模光纤、同轴电缆。IEEE802.3ab则定义了非屏蔽双绞线介
质。除了以上几种传输介质外，还有一种多厂商定义的标准1000Base－LH，它也是一种光
纤标准，传输距离最长可达到100公里。
    千兆位以太网物理层的另外一个特点就是采用8B／10B编码方式，这与光纤通道技术
（Fiber Channel）相同，由此带来的好处是，网络设备厂商可以采用已有的8B／10B编码
／解码芯片，这无疑会缩短产品的开发周期，并且降低成本。
    2．千兆位以太网的特性
    由以太网所支持的简易网络升级，以及对新应用和数据类型处理的灵活性、网络的可
伸缩性，使得千兆以太网成为高速、高带宽网络的战略性选择。它主要具有以下几个特性：
    ·简便，直接性的高性能升级，而且无网络崩溃危险
    ·总体性的低开销，包括购置和维护开销
    ·可支持新应用和新数据类型的能力
    ·网络设计的灵活性
    ·仍然不能保证服务质量
    下面分别从这几个方面详细加以阐述。
   （1）简便，直接性的高性能升级，而且无网络崩溃危险
    网络管理员所面临的一个重要问题是如何获得更高网络带宽，而不至于使现存的网络
瘫痪。千兆以太网采用和以前的10兆、100兆以太网相同的格式，执行同样功能。这样，向
更高速度网络发展时，升级就成为直接性的和增加性的。所有的三种以太网都采用同样的
IEEE 802.3帧格式，同样的双工操作和流控机制。单工操作模式中，千兆以太网采用同样
的基本CSMA／CD访问方式解决共享介质的冲突问题。而且千兆以太网使用同样的、由IEEE 
802.3小组定义的管理对象。千兆以太网还是以太网，只是更快。
    ·以太网帧格式
    使用局域网交换器或路由器将现有的低速以太网设备和千兆以太网设备连接很简单；
利用同样的线路速率互联即可。千兆以太网使用同样的变量长度由于所有的以太网的帧格
式和长度都相同，没有必要作网络的其它变动。这种革命性的网络升级途径使得千兆以太
网可以“无缝”融入现存的以太网和快速以太网之中。
    作为对比，其它的高速网络技术使用完全不同的帧格式。举例说，ATM采用定长的数
据信元。ATM和以太网、快速以太网连接时，交换器或路由器必须作ATM信元和以太网帧之
间的转换。
    ·全双工和半双工操作
    按IEEE 802.3X的规定，通过全双工、交换方式连接的两个节点可同时发送、接收数据
包。千兆以太网在双工操作模式中延续同样的标准。而且千兆以太网采用标难以太网的流
控方法避免网络拥塞和超载。在单工操作模式中，千兆以太网也采用同样的CSMA／CD基本
访问方法，解决共享介质的访问冲突问题。
    千兆以太网增强了CSMA／CD的功能，以使千兆以太网在保持千兆位率的条件下仍能维
持200米的网络访问距离。如没有这种功能增强，发送工作站在传送最小的以太网包时，
可能在检测到冲突之前就已完成了传输，从而疏漏了这种由冲突产生的传输错误。这就会
使CSMA／CD无法正常操作。为了解决上述问题，CSMA／CD的最小载波时间和以太网“槽”
时间都加大了，从目前的64字节扩展到新的512字节（请注意最小的64字节包长度末受影
响）。小于512字节的包加上额外载波扩充。大于512字节的包则不作扩充。因为这些修改
可能影响传输小包的性能，所以在CDMS／CD算法中加入了新机制以作弥补。新机制称为包
突发（packet bursting）。包突发机制使服务器、交换器和其它网络设备发送小包，以充
分利用网络带宽。
    以双工方式操作的设备（交换器和其它缓冲型的转发设备）不作载波扩充，“槽”时
间扩充和包突发修改。全双工设备仍将继续使用常规的以太网96位帧间隔（IFG）和64位
的最小包长度。
      ·管理对象
    从以太网过渡到快速以太网，大多数网络管理员所熟悉的基本管理对象仍将在千兆以
太网上得以延续。例如，SNMP定义了获取设备级的以太网信息的标准方法。SNMP利用管理
信息库（MIB）记录关键性的统计信息，诸如冲突计数、发送或接收的数据包、出错率等
各种设备级的信息。其它的信息由远程监视（RMON）代理收集，通过网络管理的应用程序
江集各种统计数据。由于千兆以太网使用标准以太网帧，所以可以使用同样的MIB和RMON
代理，在千兆速率上作网络管理。
   （2）较低的总体开销
    总体开销是评价新型网络技术的一个重要的因素。总体开销不仅包括购买设备的开销，
还应包括培训、维护和纠错的开销。
    竞争和经济发展已经将以太网的连接开销大大降低了。虽然快速以太网产品只是从
1994年开始供货，但在前五年中其产品价格已经显著降低。千兆以太网将延续同样的发展
过程。甚至早期产品就能提供较好的性能价格比。IEEE的目标是以100BASE－FX连接价格
的2到3倍提供千兆以太网的连接。随着产品数量的增加，IC生产线会简化，低价光电设备
会被研究出来，千兆以太网端口价格将不断降低。
    交换式千兆以太网连接开销低于622  MbPS  ATM（假定物理介质相同），这是因为产
品相对简单，产品数量更大。千兆以太网中继器接口大大低于622  MbPSATM。为用户提供
性能价格比优越的数据中心主干网络和服务器连接的解决方案。
    最后，由于现有系统的用户早已熟悉了以太网技术，以太网的维护和纠错工具，以太
网的支持开销将远远低于其它的技术。千兆以太网只需要对人员的进一步培训，附加性购
置维护和纠错工具。除此之外，千兆以太网将比其它技术更快。一旦升级培训和升级工具
完成之后，网络支持人员可以有充分信心作千兆以太网的安装和纠错工作。
    （3）对新型应用和数据类型的支持
    INTRANET了应用的出现预示着新数据类型发展。包括视频和音频。在过去，人们认为
视频需要一种新的、专为多媒体设计的技术，但是如今由于下列因素，将数据和视频综合
在以太网上已经成为可能。
    · 快速以太网和千兆以太网所增大的网络带宽，和由局域网交换所增强的性能。
    ·新型协议的出现，诸如提供资源预留功能的资源预留协议（RSVP）
    ·新标准的出现，如802.1Q和802.1P，它们可支持虚拟网络（VLAN）和网络中传输数
据包的优先级功能。
    ·广泛传播的先进视频压缩技术，如 MPEG－2。
    这些技术和协议综合，使千兆以太网成为视频和多媒体通信的极其诱人的解决方案。
    （4）灵活的网络互联和网络设计
    网络管理员当今面临着无数个网络互联的选择，和网络设计的各种解决方案。这些抉
择包括各种路由和交换网络，包括建立规模不断增长的内部网络。基于带宽要求和经费情
况，以太网可为共享式的（使用中继器）或交换式的网络。然而高速网络的抉择应当不受
互联方式和网络拓扑的限制。
    千兆以太网可以是交换、路由和共享式的。所有当今的网络互联技术，包括正在发展
的如IP相关技术和第三层交换技术和千兆以太网都是兼容的，这和以太网和快速以太网的
情况相同。
   （5）仍然不能保证服务质量（QOS）
    千兆以太网提供高速连接能力，但本身不提供完整的服务功能如服务质量（QOS），
自动冗余容错，或式高层寻径功能。这些功能在其它开放标准中定义。如同所有的以太网
描述，千兆以太网定义OSI协议模型的数据链路层（第二层），TCP和IP分别在传送层（第
四层）和网络层（第三层）部分中定义，允许在应用之间的可靠通信服务。QOS等问题在
最初的千兆以太网描述中未曾涉及，但是必须由此类标准的几种中加以定义。
    三、千兆以太网的应用
    千兆以太网的最初应用将是园区和建筑中要求更高带宽的各种设备之间的通信，包括
路由器，交换器，集线器，中继器和服务器等。例如交换器到路由器，交换器到交换器，
交换器到服务器，和中继器到交换器连接。在早期阶段，千兆以太网预计不会广泛用于台
式环境。不论什么场合，网络操作系统（NOS），台式机的应用和NIC驱动程序都会保持不
变。MIS管理员不仅可以继续使用现有多模光纤，而且也可以考虑当前的网络管理、网络
应用和工具的投资，在原有投资和新投资上取得平衡。
   （1）对交换器到交换器连接的升级，可以获得100／1000M交换器之间的1000MbpS信道。
    ～个非常直接的升级方案是将快速以太网交换器之间、或中继器之间的100MbpS的链
路升到1000MbpS。如此的高带宽、交换器到交换器的链路可以使100／1000交换器支持更
多数量的交换式或共享式的快速以太网网段。
    （2）对交换器到服务器连接的升级，可获得从应用到文件服务器的高速访问能力。
    最简单的升级方案是将快速以太网交换器升级为千兆以太网交换器，以获得从具备千
兆以太网网卡的高性能的超级服务器集群到网络的高速互联能力。
   （3）对交换式快速以太主干网的升级，这可以通过用千兆位以太网交换器或中继器汇
接快速以太网交换器来实现。
    连接多个10／100交换器的快速以太网主干交换器可以升级为千兆以太网交换器，支
持多台100／1000交换器，以及其它的设备如路由器，带有千兆以太网接口和上联功能的
集线器，在需要时也可以是千兆以太网中继器和数据缓冲分配器。一旦主干升级为千兆以
太网交换器，高性能的服务器可以通过千兆以太网接口卡直接连接到主干上，为使用高带
宽的用户提供更高的访问吞吐能力。同时网络可以支持更多数量的网段，为每个网段提供
更高带宽，使各网段支持更多的节点接入能力。
    （4）对共享式FDDI主干网的升级，可通过用千兆位以太网交换器或中继器安装FDDI
交换器或以太网到FDDI交换器／路由器来实现。
    园区或建筑FDDI主干网络可以采用利用千兆以太网交换器或数据缓冲分配器，更换现
有的FDDI集中器、集线器或以太网到FDDI路由器的方式升级。升级仅要求在路由器、交换
器或中继器上安装新的以太网接口。在光纤上的投资受到保护，每个网段带宽增加了至少
十倍，总带宽增大。
    （5）对高性能的台式机升级，用千兆位以太网接口卡连接千兆以太网交换器或中继
器可以实现。
    在采用千兆以太网的最后阶段，当快速以太网或FDDI连接的台式机带宽也不够时，千
兆以太网网卡NIC就派上用场，用千兆以太网的连接能力升级高性能的台式机。高性能台
式计算机就连接到千兆以太网交换器或数据缓冲分配器上。
    四、千兆位以太网与ATM
    可以预见，千兆位以太网技术将取代ATM成为局域网络骨干的首选技术，这一结论主
要来自于以下几点。
    首先，由于价格方面的因素，ATM往往只用做网络的骨干，而终端用户的桌面系统仍
然是以太网，通过局域网仿真（LANE）等技术可以实现网络的互连，但大大增加了系统的
复杂性和造价。而千兆以太网可以实现与原有的10M和100M以太网的无缝连接，系统的成
本和复杂性相对于前者都大大降低。
    其次，由于近年来Internet和TCP／IP协议的迅速普及，网络被越来越多的用于传输
IP业务。而这正是ATM的弱项，据资料显示，ATM传输IP信包会增加30％的额外开销，这主
要是因为需要把一个IP信包拆成多个信元分别传输。这也正是目前IP over SDH、IPOver
 WDM等技术呼声日高的原因所在。
    当然，由于ATM技术实现了音频、视频、数据的统一传输，在以多媒体应用为主要业
务的网络中仍然有较大的技术优势。