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1、千兆以太網(wǎng)技術(shù)原理
1.1早期以太網(wǎng)技術(shù)
以太網(wǎng)：IEEE802.3定義了10Mbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用載波監(jiān)聽和沖突檢測(cè)(CSMA/CD) 協(xié)議，以半雙工方式運(yùn)行。從80年代末開始以太網(wǎng)取得了巨大的成功。10BaseT是運(yùn)行在3類或 更高類別的雙絞線上的以太網(wǎng)，10Base2/5是運(yùn)行在同軸電纜上的以太網(wǎng)，10BaseFL是運(yùn)行在 光纖上的以太網(wǎng)。由于沖突檢測(cè)的協(xié)議要求一個(gè)512位的時(shí)間槽保證無錯(cuò)誤的檢測(cè)到?jīng)_突，所以 以太網(wǎng)的距離覆蓋范圍受到了限制，10BaseFL最大的覆蓋距離為2km，10BaseT在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的 最大覆蓋距離為100m。
快速以太網(wǎng)：IEEE802.3u定義了100Mbps的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它可以用半雙工的方式運(yùn)行 CSMA/CD協(xié)議，也可以有全雙工的方式。由于快速以太網(wǎng)對(duì)以太網(wǎng)的后向兼容性，在90年代的 中后期，快速以太網(wǎng)成為局域網(wǎng)中的主流技術(shù)。100BaseTX是運(yùn)行于5類雙絞線上的快速以太網(wǎng)， 100BaseFX是運(yùn)行于光纖上的快速以太網(wǎng)。對(duì)于以半雙工方式運(yùn)行的快速以太網(wǎng)，同樣也有距離 覆蓋范圍的限制，并且由于快速以太網(wǎng)以100Mbps的速率運(yùn)行，時(shí)間槽長度同樣是512位，所以 它的最大距離覆蓋范圍是以太網(wǎng)的1/10，為200m。但是對(duì)于全雙工方式運(yùn)行的快速以太網(wǎng)， 在理論上就不再有距離的限制，而實(shí)際受限于電或光信號(hào)的衰減。如實(shí)際中運(yùn)行在單模光纖上 的100BasFX SMF的全雙工快速以太網(wǎng)最大覆蓋距離可達(dá)20km以上。
1.2千兆以太網(wǎng)協(xié)議
1998年6月在千兆以太網(wǎng)聯(lián)盟的推動(dòng)下IEEE正式發(fā)布了千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3。把以 太網(wǎng)的速率提高到了1000MbPs。而在此之前的1997年，就已經(jīng)有很多的廠商迫不及待地推出了 千兆以太網(wǎng)的產(chǎn)品，結(jié)網(wǎng)絡(luò)界帶來了全新的解決方案。到了現(xiàn)在的2000年，我們已經(jīng)可以很清 晰地看到，不僅以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)在桌面和工作組級(jí)網(wǎng)絡(luò)中打敗了ATM，在城域網(wǎng)中，千兆 以太網(wǎng)也憑借其良好的兼容性和優(yōu)異的性價(jià)比占據(jù)了絕對(duì)的上風(fēng)。可以預(yù)見未來隨著價(jià)格的下 跌，千兆以太網(wǎng)會(huì)象快速以太網(wǎng)一樣普及。
1.2.1 半雙工千兆以太網(wǎng) MAC層協(xié)議
對(duì)于快速以太網(wǎng)來說，512位的時(shí)間槽內(nèi)電波或光可以傳輸400m遠(yuǎn)，如果在千兆以太網(wǎng)中， 512位的時(shí)間槽內(nèi)電波或光的傳輸距離則只有40m遠(yuǎn)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半雙工千兆以太網(wǎng)的 覆蓋半徑只有20m。這樣的距離覆蓋范圍在實(shí)際中無法得到大規(guī)模推廣。為了解決這個(gè)問題， IEEE對(duì)以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議作了第一次重大修改：載波擴(kuò)展和幀突發(fā)。
(1)載波擴(kuò)展
為了使千兆以太網(wǎng)的距離覆蓋范圍達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，半雙工千兆以太網(wǎng)時(shí)間槽長度擴(kuò)展到了 4096位，這樣半雙工千兆以太網(wǎng)的距離覆蓋范圍擴(kuò)展到了160m。為了兼容以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng) 中的幀結(jié)構(gòu)，半雙工千兆以太網(wǎng)的最小幀長度仍需要保持為64byte。但考慮到時(shí)間槽長度為51 byte，為了能夠匹配時(shí)間糟的長度，當(dāng)某個(gè)DTE發(fā)送小于512byte幀時(shí)，半雙 工千兆以太網(wǎng)MAC 將在正常發(fā)送數(shù)據(jù)之后發(fā)送一個(gè)載波擴(kuò)展序列直到一個(gè)時(shí)間精結(jié)束。例如：某DTE發(fā)送一個(gè)64 byte幀，MAC將會(huì)在其后加入512-64=448byte的載波擴(kuò)展序列。如果DTE發(fā)送的幀長度大于512 byte，則MAC不做任何改變。
在載波擴(kuò)展的情況下，解決了半雙工千兆以太網(wǎng)距離覆蓋范圍的問題，但引入了一個(gè)新的 問題：對(duì)于長度較小的以太網(wǎng)幀的發(fā)送效率降低了。對(duì)于一個(gè)64byte的幀來說，盡管發(fā)送速度 較快速以太網(wǎng)增加了10倍，但發(fā)送時(shí)間增加了8倍。這樣的效率并未比快速以太網(wǎng)提高多少，為 了解決半雙工千兆以太網(wǎng)的效率問題，IEEE又引入了幀突發(fā)這種技術(shù)。
(2)幀突發(fā)
幀突發(fā)的工作方式如下：對(duì)于 DTE發(fā)送的第一個(gè)小于512byte的幀，依然使用載波擴(kuò)展到 512byte，但隨后發(fā)送的小于512byte的短幀不再使用載波擴(kuò)展，而是加入96bit的幀間隔序列 后連續(xù)發(fā)送短幀，最長可以突發(fā)到65536位。這種做法可以成立的原因在于一個(gè)正確配置的網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境里，如果某個(gè)DTE開始發(fā)送數(shù)據(jù)后，其他 DTE都可以通過載波監(jiān)聽協(xié)議檢測(cè)到其信號(hào)并 抑制本身的數(shù)據(jù)發(fā)射。使用了幀突發(fā)的半雙工千兆以太網(wǎng)的效率得到了改善，當(dāng)一個(gè)DTE連續(xù) 的突發(fā)64byte幀并突發(fā)持續(xù)65536位時(shí)，其效率約為72%。
1.2.2 全雙工千兆以太網(wǎng)MAC層協(xié)議
在全雙工千兆以太網(wǎng)中，由于每個(gè)千兆以太網(wǎng)DTE在通信時(shí)獨(dú)占一個(gè)信道，因此不需要考 慮以太網(wǎng)的沖突問題。自然，全雙工千兆以太網(wǎng)也不受時(shí)間槽長度的限制，從而也沒有距離覆 蓋范圍的限制。
與半雙工方式相比，全雙工千兆以太網(wǎng)的MAC層的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：
(1)在接受活動(dòng)中幀的發(fā)送不會(huì)被推遲
(2)全雙工方式下的沖突指示將被忽略
(3)沒有載波擴(kuò)展，最小幀長度仍為64字節(jié)
(4)沒有幀突發(fā)
在全雙工交換式以太網(wǎng)中，如果多個(gè)輸人端口同時(shí)向一個(gè)輸出瑞口輸出數(shù)據(jù)，那么將會(huì)在 輸出端口產(chǎn)生擁塞，這時(shí)一些輸入喘口發(fā)送的幀將會(huì)被丟棄。如果在以太網(wǎng)幀上承載的是TCP /IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，那么TCP的傳輸機(jī)制會(huì)自動(dòng)重發(fā)被丟棄的數(shù)據(jù)包，可以想象每個(gè)產(chǎn)生了丟 包的輸入端口都將重新發(fā)包，引發(fā)新一輪的擁塞和丟包，結(jié)果是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐率大幅下降。 為了避免丟包(丟幀)和重發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，IEEE在MAC層引入了802.3x流量控制協(xié)議來避免丟 包現(xiàn)象發(fā)生。
流量控制的原理是當(dāng)交換機(jī)檢測(cè)到發(fā)生擁塞的端口之后，就會(huì)向輸入端口發(fā)送暫停幀，通 知其抑制發(fā)送的流量，最后達(dá)到消除擁塞。流量控制并不能提高整個(gè)交換機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐能力， 但是避免了在交換機(jī)內(nèi)的丟包現(xiàn)象。
1.2.3千兆以太網(wǎng)物理層協(xié)議
IEEE定義了幾種用于不同物理介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)接口，有1000Base-CX，1000Base-SX， 1000Base-LX，1000Base-T，其中1000Base-CX是用于155Ω平衡同軸電纜上的接口，在實(shí)際 中沒有真正的產(chǎn)品，1000Base-T是可用于5類或更高類別雙絞線的接口，它的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3 ab，這一標(biāo)準(zhǔn)剛剛于1999年6月發(fā)布，現(xiàn)在市場中剛剛推出商用的產(chǎn)品。
1000Base—SX使用850nm波長激光的接口，只適用于多模光纖。 1000Base-LX使用1300nm 波長激光的接口，適用于單模和多模光纖。1000Base一SX主要用于校園網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)骨干。 1000Base一LX主要應(yīng)用于城域網(wǎng)，現(xiàn)在城域網(wǎng)中另外一種應(yīng)用較多的是1000Base一LH的長距離 千兆以太網(wǎng)光接口，一般使用1300nm或1550nm波長的激光，可達(dá)到50km以上甚至100km的無中 繼傳輸距離。
需要特別指出的是，由于 IEEE給出的是最惡劣傳輸條件下的千兆以太網(wǎng)傳輸距離，在實(shí) 際應(yīng)用中，各個(gè)廠商的產(chǎn)品的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如阿爾卡特的PowerRail千兆路 由交換機(jī)的1000Base—LX接口在實(shí)際測(cè)試中可以無中繼的傳輸 22km。
1.3千兆以太網(wǎng)效率
半雙工以太網(wǎng)的效率問題一直是其弱點(diǎn)，在一個(gè)半雙工以太網(wǎng)里的工作站(如計(jì)算機(jī))數(shù) 增加到某一門限值后，盡管每個(gè)工作站是以 10Mbps速率發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于沖突的增加，每 個(gè)工作站不得不等待很長時(shí)間后才有可能發(fā)送數(shù)據(jù)，因此每個(gè)工作站得到的平均可用帶寬急劇 下降。在全雙工的交換式以太網(wǎng)中，CSMA/CD協(xié)議中的CD沖突檢測(cè)機(jī)制不再需要，每臺(tái)工作站 可以得到獨(dú)占的帶寬。因此全雙工交換式以太網(wǎng)的效率不再取決于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的工作站數(shù)，而是由 以太網(wǎng)幀的長度而決定。
1.4千兆以太網(wǎng)可靠性
從傳統(tǒng)意義上，以太網(wǎng)被看作是一種局域網(wǎng)(LAN)技術(shù)，被大量的應(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)中，因 此以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng)的可靠性并沒有被作為最關(guān)鍵的因素加以考慮。隨著交換式全雙工快 速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的成熟，越來越多的運(yùn)營商選擇千兆以太網(wǎng)作為城域網(wǎng)MAN的首選技術(shù)， 這時(shí)千兆以太網(wǎng)的可靠性就成為運(yùn)營商考慮的關(guān)鍵因素。
用千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的城域網(wǎng)，現(xiàn)在有兩種成熟的技術(shù)：
(1)千兆以太網(wǎng)端口聚合;
(2)千兆以太網(wǎng)1+1備份。
