千兆位以太網(wǎng)概述

千兆位以太網(wǎng)概述
    摘要千兆位以太網(wǎng)是一種新型高速局域網(wǎng)，它可以提供1GbpS的通信帶寬，采用和傳
統(tǒng)10兆，100兆以太網(wǎng)同樣的CSMA／CD協(xié)議、幀格式和幀長，因此可以實現(xiàn)在原有低速以
太網(wǎng)基礎(chǔ)上平滑、連續(xù)性的網(wǎng)絡(luò)升級，從而能最大限度的保護(hù)用戶以前的投資。本文簡
要介紹了千兆位以太網(wǎng)出現(xiàn)的背景，然后詳細(xì)闡述了與其相關(guān)的實現(xiàn)技術(shù)及其特性，最后
介紹了其應(yīng)用，并指出了其發(fā)展前景。
    一、千兆位以太網(wǎng)出現(xiàn)的背景
    以太網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，然而隨著網(wǎng)絡(luò)通信流量的不斷增加，傳
統(tǒng)10兆以太網(wǎng)在客戶／服務(wù)器計算環(huán)境中已很不適應(yīng)。通信的擁塞推進(jìn)了對高速網(wǎng)絡(luò)的需
求。
    在當(dāng)今現(xiàn)有的高速局域網(wǎng)技術(shù)中，快速以太網(wǎng)或稱100BASE一T已成為首選�？焖僖蕴�
網(wǎng)建立在廣泛接受的10BASE一丁以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上，提供向100兆bps的平滑、連續(xù)性的網(wǎng)絡(luò)
升級。然而為服務(wù)器和臺式機提供100BASE－T速率的發(fā)展，又顯然產(chǎn)生了對主干網(wǎng)和服務(wù)
器更高網(wǎng)絡(luò)速率的要求。這種更高速率的技術(shù)應(yīng)能提供平滑的升級方式，具有較好的性能
價格比，不需要重新培訓(xùn)。
    從目前的發(fā)展看，最合適的解決方案是千兆以太網(wǎng)。千兆以太網(wǎng)可以為園區(qū)網(wǎng)絡(luò)提供
1GbpS的通信帶寬，而且具有以太網(wǎng)簡易性；以及和其它類似速率的通信技術(shù)比較價格低
廉的特點。千兆以太網(wǎng)在當(dāng)前以太網(wǎng)基礎(chǔ)之上平滑過渡，綜合平衡了現(xiàn)有的端點工作站、
管理工具和培訓(xùn)基礎(chǔ)等各種因素。
    千兆以太網(wǎng)采用同樣的CSMA／CD協(xié)議，同樣的幀格式和同樣的幀長。對于廣大的網(wǎng)絡(luò)
用戶來說，這就意味著現(xiàn)有的投資可以在合理的初始開銷上延續(xù)到千兆以太網(wǎng)，不需要對
技術(shù)支持人員和用戶做重新培訓(xùn)，不需要作另外的協(xié)議和中間件的投資。結(jié)果是用戶較低
的總體開銷。
    由于上述特點和對全雙工操作的支持，千兆以太網(wǎng)將成為10／100BASE一丁交換器、
連接高性能服務(wù)器的理想主干網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)，成為需要未來高于100BASE一T帶寬的臺式計算
機升級的理想技術(shù)。
    二、千兆位以太網(wǎng)技術(shù)
    1．千兆位以太網(wǎng)物理層
    與以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)～樣，千兆位以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）只定義了物理層和
介質(zhì)訪問控制子層。實際上，物理層是千兆位以太網(wǎng)的關(guān)鍵組成，在IEEE802.3z中定義了
三種傳輸介質(zhì)：多模光纖、單模光纖、同軸電纜。IEEE802.3ab則定義了非屏蔽雙絞線介
質(zhì)。除了以上幾種傳輸介質(zhì)外，還有一種多廠商定義的標(biāo)準(zhǔn)1000Base－LH，它也是一種光
纖標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離最長可達(dá)到100公里。
    千兆位以太網(wǎng)物理層的另外一個特點就是采用8B／10B編碼方式，這與光纖通道技術(shù)
（Fiber Channel）相同，由此帶來的好處是，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商可以采用已有的8B／10B編碼
／解碼芯片，這無疑會縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，并且降低成本。
    2．千兆位以太網(wǎng)的特性
    由以太網(wǎng)所支持的簡易網(wǎng)絡(luò)升級，以及對新應(yīng)用和數(shù)據(jù)類型處理的靈活性、網(wǎng)絡(luò)的可
伸縮性，使得千兆以太網(wǎng)成為高速、高帶寬網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略性選擇。它主要具有以下幾個特性：
    ·簡便，直接性的高性能升級，而且無網(wǎng)絡(luò)崩潰危險
    ·總體性的低開銷，包括購置和維護(hù)開銷
    ·可支持新應(yīng)用和新數(shù)據(jù)類型的能力
    ·網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的靈活性
    ·仍然不能保證服務(wù)質(zhì)量
    下面分別從這幾個方面詳細(xì)加以闡述。
   （1）簡便，直接性的高性能升級，而且無網(wǎng)絡(luò)崩潰危險
    網(wǎng)絡(luò)管理員所面臨的一個重要問題是如何獲得更高網(wǎng)絡(luò)帶寬，而不至于使現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)
癱瘓。千兆以太網(wǎng)采用和以前的10兆、100兆以太網(wǎng)相同的格式，執(zhí)行同樣功能。這樣，向
更高速度網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時，升級就成為直接性的和增加性的。所有的三種以太網(wǎng)都采用同樣的
IEEE 802.3幀格式，同樣的雙工操作和流控機制。單工操作模式中，千兆以太網(wǎng)采用同樣
的基本CSMA／CD訪問方式解決共享介質(zhì)的沖突問題。而且千兆以太網(wǎng)使用同樣的、由IEEE 
802.3小組定義的管理對象。千兆以太網(wǎng)還是以太網(wǎng)，只是更快。
    ·以太網(wǎng)幀格式
    使用局域網(wǎng)交換器或路由器將現(xiàn)有的低速以太網(wǎng)設(shè)備和千兆以太網(wǎng)設(shè)備連接很簡單；
利用同樣的線路速率互聯(lián)即可。千兆以太網(wǎng)使用同樣的變量長度由于所有的以太網(wǎng)的幀格
式和長度都相同，沒有必要作網(wǎng)絡(luò)的其它變動。這種革命性的網(wǎng)絡(luò)升級途徑使得千兆以太
網(wǎng)可以“無縫”融入現(xiàn)存的以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)之中。
    作為對比，其它的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用完全不同的幀格式。舉例說，ATM采用定長的數(shù)
據(jù)信元。ATM和以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)連接時，交換器或路由器必須作ATM信元和以太網(wǎng)幀之
間的轉(zhuǎn)換。
    ·全雙工和半雙工操作
    按IEEE 802.3X的規(guī)定，通過全雙工、交換方式連接的兩個節(jié)點可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)
包。千兆以太網(wǎng)在雙工操作模式中延續(xù)同樣的標(biāo)準(zhǔn)。而且千兆以太網(wǎng)采用標(biāo)難以太網(wǎng)的流
控方法避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和超載。在單工操作模式中，千兆以太網(wǎng)也采用同樣的CSMA／CD基本
訪問方法，解決共享介質(zhì)的訪問沖突問題。
    千兆以太網(wǎng)增強了CSMA／CD的功能，以使千兆以太網(wǎng)在保持千兆位率的條件下仍能維
持200米的網(wǎng)絡(luò)訪問距離。如沒有這種功能增強，發(fā)送工作站在傳送最小的以太網(wǎng)包時，
可能在檢測到?jīng)_突之前就已完成了傳輸，從而疏漏了這種由沖突產(chǎn)生的傳輸錯誤。這就會
使CSMA／CD無法正常操作。為了解決上述問題，CSMA／CD的最小載波時間和以太網(wǎng)“槽”
時間都加大了，從目前的64字節(jié)擴展到新的512字節(jié)（請注意最小的64字節(jié)包長度末受影
響）。小于512字節(jié)的包加上額外載波擴充。大于512字節(jié)的包則不作擴充。因為這些修改
可能影響傳輸小包的性能，所以在CDMS／CD算法中加入了新機制以作彌補。新機制稱為包
突發(fā)（packet bursting）。包突發(fā)機制使服務(wù)器、交換器和其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送小包，以充
分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。
    以雙工方式操作的設(shè)備（交換器和其它緩沖型的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備）不作載波擴充，“槽”時
間擴充和包突發(fā)修改。全雙工設(shè)備仍將繼續(xù)使用常規(guī)的以太網(wǎng)96位幀間隔（IFG）和64位
的最小包長度。
      ·管理對象
    從以太網(wǎng)過渡到快速以太網(wǎng)，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)管理員所熟悉的基本管理對象仍將在千兆以
太網(wǎng)上得以延續(xù)。例如，SNMP定義了獲取設(shè)備級的以太網(wǎng)信息的標(biāo)準(zhǔn)方法。SNMP利用管理
信息庫（MIB）記錄關(guān)鍵性的統(tǒng)計信息，諸如沖突計數(shù)、發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)包、出錯率等
各種設(shè)備級的信息。其它的信息由遠(yuǎn)程監(jiān)視（RMON）代理收集，通過網(wǎng)絡(luò)管理的應(yīng)用程序
江集各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于千兆以太網(wǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，所以可以使用同樣的MIB和RMON
代理，在千兆速率上作網(wǎng)絡(luò)管理。
   （2）較低的總體開銷
    總體開銷是評價新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個重要的因素�？傮w開銷不僅包括購買設(shè)備的開銷，
還應(yīng)包括培訓(xùn)、維護(hù)和糾錯的開銷。
    競爭和經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)將以太網(wǎng)的連接開銷大大降低了。雖然快速以太網(wǎng)產(chǎn)品只是從
1994年開始供貨，但在前五年中其產(chǎn)品價格已經(jīng)顯著降低。千兆以太網(wǎng)將延續(xù)同樣的發(fā)展
過程。甚至早期產(chǎn)品就能提供較好的性能價格比。IEEE的目標(biāo)是以100BASE－FX連接價格
的2到3倍提供千兆以太網(wǎng)的連接。隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加，IC生產(chǎn)線會簡化，低價光電設(shè)備
會被研究出來，千兆以太網(wǎng)端口價格將不斷降低。
    交換式千兆以太網(wǎng)連接開銷低于622  MbPS  ATM（假定物理介質(zhì)相同），這是因為產(chǎn)
品相對簡單，產(chǎn)品數(shù)量更大。千兆以太網(wǎng)中繼器接口大大低于622  MbPSATM。為用戶提供
性能價格比優(yōu)越的數(shù)據(jù)中心主干網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器連接的解決方案。
    最后，由于現(xiàn)有系統(tǒng)的用戶早已熟悉了以太網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)的維護(hù)和糾錯工具，以太
網(wǎng)的支持開銷將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它的技術(shù)。千兆以太網(wǎng)只需要對人員的進(jìn)一步培訓(xùn)，附加性購
置維護(hù)和糾錯工具。除此之外，千兆以太網(wǎng)將比其它技術(shù)更快。一旦升級培訓(xùn)和升級工具
完成之后，網(wǎng)絡(luò)支持人員可以有充分信心作千兆以太網(wǎng)的安裝和糾錯工作。
    （3）對新型應(yīng)用和數(shù)據(jù)類型的支持
    INTRANET了應(yīng)用的出現(xiàn)預(yù)示著新數(shù)據(jù)類型發(fā)展。包括視頻和音頻。在過去，人們認(rèn)為
視頻需要一種新的、專為多媒體設(shè)計的技術(shù)，但是如今由于下列因素，將數(shù)據(jù)和視頻綜合
在以太網(wǎng)上已經(jīng)成為可能。
    · 快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)所增大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，和由局域網(wǎng)交換所增強的性能。
    ·新型協(xié)議的出現(xiàn)，諸如提供資源預(yù)留功能的資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）
    ·新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，如802.1Q和802.1P，它們可支持虛擬網(wǎng)絡(luò)（VLAN）和網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)
據(jù)包的優(yōu)先級功能。
    ·廣泛傳播的先進(jìn)視頻壓縮技術(shù)，如 MPEG－2。
    這些技術(shù)和協(xié)議綜合，使千兆以太網(wǎng)成為視頻和多媒體通信的極其誘人的解決方案。
    （4）靈活的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
    網(wǎng)絡(luò)管理員當(dāng)今面臨著無數(shù)個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的選擇，和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的各種解決方案。這些抉
擇包括各種路由和交換網(wǎng)絡(luò)，包括建立規(guī)模不斷增長的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)�；�于帶寬要求和經(jīng)費情
況，以太網(wǎng)可為共享式的（使用中繼器）或交換式的網(wǎng)絡(luò)。然而高速網(wǎng)絡(luò)的抉擇應(yīng)當(dāng)不受
互聯(lián)方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南拗啤?br />    千兆以太網(wǎng)可以是交換、路由和共享式的。所有當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，包括正在發(fā)展
的如IP相關(guān)技術(shù)和第三層交換技術(shù)和千兆以太網(wǎng)都是兼容的，這和以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)的
情況相同。
   （5）仍然不能保證服務(wù)質(zhì)量（QOS）
    千兆以太網(wǎng)提供高速連接能力，但本身不提供完整的服務(wù)功能如服務(wù)質(zhì)量（QOS），
自動冗余容錯，或式高層尋徑功能。這些功能在其它開放標(biāo)準(zhǔn)中定義。如同所有的以太網(wǎng)
描述，千兆以太網(wǎng)定義OSI協(xié)議模型的數(shù)據(jù)鏈路層（第二層），TCP和IP分別在傳送層（第
四層）和網(wǎng)絡(luò)層（第三層）部分中定義，允許在應(yīng)用之間的可靠通信服務(wù)。QOS等問題在
最初的千兆以太網(wǎng)描述中未曾涉及，但是必須由此類標(biāo)準(zhǔn)的幾種中加以定義。
    三、千兆以太網(wǎng)的應(yīng)用
    千兆以太網(wǎng)的最初應(yīng)用將是園區(qū)和建筑中要求更高帶寬的各種設(shè)備之間的通信，包括
路由器，交換器，集線器，中繼器和服務(wù)器等。例如交換器到路由器，交換器到交換器，
交換器到服務(wù)器，和中繼器到交換器連接。在早期階段，千兆以太網(wǎng)預(yù)計不會廣泛用于臺
式環(huán)境。不論什么場合，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS），臺式機的應(yīng)用和NIC驅(qū)動程序都會保持不
變。MIS管理員不僅可以繼續(xù)使用現(xiàn)有多模光纖，而且也可以考慮當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)
應(yīng)用和工具的投資，在原有投資和新投資上取得平衡。
   （1）對交換器到交換器連接的升級，可以獲得100／1000M交換器之間的1000MbpS信道。
    ～個非常直接的升級方案是將快速以太網(wǎng)交換器之間、或中繼器之間的100MbpS的鏈
路升到1000MbpS。如此的高帶寬、交換器到交換器的鏈路可以使100／1000交換器支持更
多數(shù)量的交換式或共享式的快速以太網(wǎng)網(wǎng)段。
    （2）對交換器到服務(wù)器連接的升級，可獲得從應(yīng)用到文件服務(wù)器的高速訪問能力。
    最簡單的升級方案是將快速以太網(wǎng)交換器升級為千兆以太網(wǎng)交換器，以獲得從具備千
兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡的高性能的超級服務(wù)器集群到網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)能力。
   （3）對交換式快速以太主干網(wǎng)的升級，這可以通過用千兆位以太網(wǎng)交換器或中繼器匯
接快速以太網(wǎng)交換器來實現(xiàn)。
    連接多個10／100交換器的快速以太網(wǎng)主干交換器可以升級為千兆以太網(wǎng)交換器，支
持多臺100／1000交換器，以及其它的設(shè)備如路由器，帶有千兆以太網(wǎng)接口和上聯(lián)功能的
集線器，在需要時也可以是千兆以太網(wǎng)中繼器和數(shù)據(jù)緩沖分配器。一旦主干升級為千兆以
太網(wǎng)交換器，高性能的服務(wù)器可以通過千兆以太網(wǎng)接口卡直接連接到主干上，為使用高帶
寬的用戶提供更高的訪問吞吐能力。同時網(wǎng)絡(luò)可以支持更多數(shù)量的網(wǎng)段，為每個網(wǎng)段提供
更高帶寬，使各網(wǎng)段支持更多的節(jié)點接入能力。
    （4）對共享式FDDI主干網(wǎng)的升級，可通過用千兆位以太網(wǎng)交換器或中繼器安裝FDDI
交換器或以太網(wǎng)到FDDI交換器／路由器來實現(xiàn)。
    園區(qū)或建筑FDDI主干網(wǎng)絡(luò)可以采用利用千兆以太網(wǎng)交換器或數(shù)據(jù)緩沖分配器，更換現(xiàn)
有的FDDI集中器、集線器或以太網(wǎng)到FDDI路由器的方式升級。升級僅要求在路由器、交換
器或中繼器上安裝新的以太網(wǎng)接口。在光纖上的投資受到保護(hù)，每個網(wǎng)段帶寬增加了至少
十倍，總帶寬增大。
    （5）對高性能的臺式機升級，用千兆位以太網(wǎng)接口卡連接千兆以太網(wǎng)交換器或中繼
器可以實現(xiàn)。
    在采用千兆以太網(wǎng)的最后階段，當(dāng)快速以太網(wǎng)或FDDI連接的臺式機帶寬也不夠時，千
兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡NIC就派上用場，用千兆以太網(wǎng)的連接能力升級高性能的臺式機。高性能臺
式計算機就連接到千兆以太網(wǎng)交換器或數(shù)據(jù)緩沖分配器上。
    四、千兆位以太網(wǎng)與ATM
    可以預(yù)見，千兆位以太網(wǎng)技術(shù)將取代ATM成為局域網(wǎng)絡(luò)骨干的首選技術(shù)，這一結(jié)論主
要來自于以下幾點。
    首先，由于價格方面的因素，ATM往往只用做網(wǎng)絡(luò)的骨干，而終端用戶的桌面系統(tǒng)仍
然是以太網(wǎng)，通過局域網(wǎng)仿真（LANE）等技術(shù)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連，但大大增加了系統(tǒng)的
復(fù)雜性和造價。而千兆以太網(wǎng)可以實現(xiàn)與原有的10M和100M以太網(wǎng)的無縫連接，系統(tǒng)的成
本和復(fù)雜性相對于前者都大大降低。
    其次，由于近年來Internet和TCP／IP協(xié)議的迅速普及，網(wǎng)絡(luò)被越來越多的用于傳輸
IP業(yè)務(wù)。而這正是ATM的弱項，據(jù)資料顯示，ATM傳輸IP信包會增加30％的額外開銷，這主
要是因為需要把一個IP信包拆成多個信元分別傳輸。這也正是目前IP over SDH、IPOver
 WDM等技術(shù)呼聲日高的原因所在。
    當(dāng)然，由于ATM技術(shù)實現(xiàn)了音頻、視頻、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸，在以多媒體應(yīng)用為主要業(yè)
務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中仍然有較大的技術(shù)優(yōu)勢。