萬兆以太網(wǎng)

目錄
·一、萬兆以太網(wǎng)出現(xiàn)的背景
·二、 萬兆以太網(wǎng)技術(shù)簡介
·三、 萬兆以太網(wǎng)技術(shù)展望




　　以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是一個古老而又充滿活力的標(biāo)準(zhǔn)。自從1982年以太網(wǎng)協(xié)議被IEEE采納成為標(biāo)準(zhǔn)以后，已經(jīng)歷了20年的風(fēng)風(fēng)雨雨。在這20年中，以太網(wǎng)技術(shù)作為局域網(wǎng)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)勝了令牌總線、令牌環(huán)、wangnet、25MATM等技術(shù)，成為局域網(wǎng)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)技術(shù)當(dāng)前在局域網(wǎng)范圍市場占有率超過90％。

　　在這20年中，以太網(wǎng)由最初10M粗纜總線發(fā)展為10Base510M細(xì)纜，其后是一個短暫的后退：1Base5的1兆以太網(wǎng)，隨后以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成為大家熟悉的星形的雙絞線10BaseT。隨著對帶寬要求的提高以及器件能力的增強(qiáng)出現(xiàn)了快速以太網(wǎng)：五類線傳輸?shù)?00BaseTX、三類線傳輸?shù)?00BaseT4和光纖傳輸?shù)?00BaseFX。隨著帶寬的進(jìn)一步提高，千兆以太網(wǎng)接口粉墨登場：包括短波長光傳輸1000Base-SX、長波長光傳輸1000Base-LX以及五類線傳輸1000BaseT。2002年7月18日IEEE通過了802.3ae：10Gbit/s以太網(wǎng)又稱萬兆以太網(wǎng)。

　　在以太網(wǎng)技術(shù)中，100BaseT是一個里程碑，確立了以太網(wǎng)技術(shù)在桌面的統(tǒng)治地位。千兆以太網(wǎng)以及隨后出現(xiàn)的萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是兩個比較重要的標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)技術(shù)通過這兩個標(biāo)準(zhǔn)從桌面的局域網(wǎng)技術(shù)延伸到校園網(wǎng)以及城域網(wǎng)的匯聚和骨干。


一、萬兆以太網(wǎng)出現(xiàn)的背景
　　以太網(wǎng)主要在局域網(wǎng)中占絕對優(yōu)勢。但是在很長的一段時間中，人們普遍認(rèn)為以太網(wǎng)不能用于城域網(wǎng)，特別是匯聚層以及骨干層。主要原因在于以太網(wǎng)用作城域網(wǎng)骨干帶寬太低（10M以及100M快速以太網(wǎng)的時代），傳輸距離過短。當(dāng)時認(rèn)為最有前途的城域網(wǎng)技術(shù)是FDDI和DQDB。隨后的幾年里ATM技術(shù)成為熱點(diǎn)，幾乎所有人都認(rèn)為ATM將成為統(tǒng)一局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的唯一技術(shù)。但是由于種種原因，當(dāng)前在國內(nèi)上述三種技術(shù)中只有ATM技術(shù)成為城域網(wǎng)匯聚層和骨干層的備選方案。

　　目前最常見的以太網(wǎng)是10M以太網(wǎng)以及100M以太網(wǎng)（快速以太網(wǎng)）。100M快速以太網(wǎng)作為城域骨干網(wǎng)帶寬顯然不夠。即使使用多個快速以太網(wǎng)鏈路綁定使用，對多媒體業(yè)務(wù)仍然是心有余而力不足。隨著千兆以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化以及在生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)逐漸延伸到城域網(wǎng)的匯聚層。千兆以太網(wǎng)通常用作將小區(qū)用戶匯聚到城域POP點(diǎn)，或者將匯聚層設(shè)備連接到骨干層。但是在當(dāng)前10M以太網(wǎng)到用戶的環(huán)境下，千兆以太網(wǎng)鏈路作為匯聚也是勉強(qiáng)，作為骨干則是力所不能及。雖然以太網(wǎng)多鏈路聚合技術(shù)已完成標(biāo)準(zhǔn)化且多廠商互通指日可待，可以將多個千兆鏈路捆綁使用。但是考慮光纖資源以及波長資源，鏈路捆綁一般只用在POP點(diǎn)內(nèi)或者短距離應(yīng)用環(huán)境。

　　傳輸距離也曾經(jīng)是以太網(wǎng)無法作為城域數(shù)據(jù)網(wǎng)骨干層匯聚層鏈路技術(shù)的一大障礙。無論是10M、100M還是千兆以太網(wǎng)，由于信噪比、碰撞檢測、可用帶寬等原因五類線傳輸距離都是100m。使用光纖傳輸時距離限制由以太網(wǎng)使用的主從同步機(jī)制所制約。802.3規(guī)定1000Base-SX接口使用纖芯62.5μm的多模光纖最長傳輸距離275m，使用纖芯50μm的多模光纖最長傳輸距離550m；1000Base－LX接口使用纖芯62.5μm的多模光纖最長傳輸距離550m，使用纖芯50μm的多模光纖最長傳輸距離550m，使用纖芯為10μm的單模光纖最長傳輸距離5000m。最長傳輸距離5km千兆以太網(wǎng)鏈路在城域范圍內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。雖然基于廠商的千兆接口實(shí)現(xiàn)已經(jīng)能達(dá)到80km傳輸距離，而且一些廠商已完成互通測試，但是畢竟是非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，不能保證所有廠商該類接口的互聯(lián)互通。
　　綜上所述，以太網(wǎng)技術(shù)不適于用在城域網(wǎng)骨干/匯聚層的主要原因是帶寬以及傳輸距離。隨著萬兆以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，上述兩個問題基本已得到解決。


二、 萬兆以太網(wǎng)技術(shù)簡介
　　以太網(wǎng)采用CSMA/CD機(jī)制，即帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問。千兆以太網(wǎng)接口基本應(yīng)用在點(diǎn)到點(diǎn)線路，不再共享帶寬。碰撞檢測，載波監(jiān)聽和多重訪問已不再重要。千兆以太網(wǎng)與傳統(tǒng)低速以太網(wǎng)最大的相似之處在于采用相同的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)。萬兆以太網(wǎng)技術(shù)與千兆以太網(wǎng)類似，仍然保留了以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)。通過不同的編碼方式或波分復(fù)用提供10Gbit/s傳輸速度。所以就其本質(zhì)而言，10G以太網(wǎng)仍是以太網(wǎng)的一種類型。

　　10G以太網(wǎng)于2002年7月在IEEE通過。10G以太網(wǎng)包括10GBASE－X、10GBASE－R和10GBASE－W。10GBASE－X使用一種特緊湊包裝，含有1個較簡單的WDM器件、4個接收器和4個在1300nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對發(fā)送器/接收器在3.125Gbit/s速度（數(shù)據(jù)流速度為2.5Gbit/s）下工作。10GBASE－R是一種使用64B/66B編碼（不是在千兆以太網(wǎng)中所用的8B/10B）的串行接口，數(shù)據(jù)流為10.000Gbit/s，因而產(chǎn)生的時鐘速率為10.3Gbit/s。10GBASE－W是廣域網(wǎng)接口，與SONET OC-192兼容，其時鐘為9.953Gbit/s數(shù)據(jù)流為9.585Gbit/s。

1. 10G串行物理媒體層
　　10GBASE-SR/SW傳輸距離按照波長不同由2m到300m。10GBASE-LR/LW傳輸距離為2m到10km。10GBASE-ER/EW傳輸距離為2m到40km。

2. PMD（物理介質(zhì)相關(guān)）子層
　　PMD子層的功能是支持在PMA子層和介質(zhì)之間交換串行化的符號代碼位。PMD子層將這些電信號轉(zhuǎn)換成適合于在某種特定介質(zhì)上傳輸?shù)男问�。PMD是物理層的最低子層，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定物理層負(fù)責(zé)從介質(zhì)上發(fā)送和接收信號。

3. PMA（物理介質(zhì)接入）子層
　　PMA子層提供了PCS和PMD層之間的串行化服務(wù)接口。和PCS子層的連接稱為PMA服務(wù)接口。另外PMA子層還從接收位流中分離出用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的符號對齊（定界）的符號定時時鐘。

4. WIS（廣域網(wǎng)接口）子層
　　WIS子層是可選的物理子層，可用在PMA與PCS之間，產(chǎn)生適配ANSI定義的SONET STS-192c傳輸格式或ITU定義SDH VC－4－64c容器速率的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。該速率數(shù)據(jù)流可以直接映射到傳輸層而不需要高層處理。

5. PCS（物理編碼）子層
　　PCS子層位于協(xié)調(diào)子層（通過GMII）和物理介質(zhì)接入層（PMA）子層之間。PCS子層完成將經(jīng)過完善定義的以太網(wǎng)MAC功能映射到現(xiàn)存的編碼和物理層信號系統(tǒng)的功能上去。PCS子層和上層RS/MAC的接口由XGMII提供，與下層PMA接口使用PMA服務(wù)接口。

6. RS(協(xié)調(diào)子層)和XGMII(10Gbit/s介質(zhì)無關(guān)接口)
　　協(xié)調(diào)子層的功能是將XGMII的通路數(shù)據(jù)和相關(guān)控制信號映射到原始PLS服務(wù)接口定義(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10Gbit/s的MAC和物理層間的邏輯接口。XGMII和協(xié)調(diào)子層使MAC可以連接到不同類型的物理介質(zhì)上。

　　由于10G以太網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是高速以太網(wǎng)，所以為了與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)兼容必須采用傳統(tǒng)以太網(wǎng)的幀格式承載業(yè)務(wù)。為了達(dá)到10Gbit/s的高速率可以采用OC-192c幀格式傳輸。這就需要在物理子層實(shí)現(xiàn)從以太網(wǎng)幀到OC-192c幀格式的映射功能。同時，由于以太網(wǎng)的原設(shè)計(jì)是面向局域網(wǎng)的，網(wǎng)絡(luò)管理功能較弱，傳輸距離短并且其物理線路沒有任何保護(hù)措施。當(dāng)以太網(wǎng)作為廣域網(wǎng)進(jìn)行長距離、高速率傳輸時必然會導(dǎo)致線路信號頻率和相位產(chǎn)生較大的抖動，而且以太網(wǎng)的傳輸是異步的，在接收端實(shí)現(xiàn)信號同步比較困難。因此，如果以太網(wǎng)幀要在廣域網(wǎng)中傳輸，需要對以太網(wǎng)幀格式進(jìn)行修改。

　　以太網(wǎng)一般利用物理層中特殊的10B(Byte)代碼實(shí)現(xiàn)幀定界的。當(dāng)MAC層有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，PCS子層對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行8B/10B編碼，當(dāng)發(fā)現(xiàn)幀頭和幀尾時，自動添加特殊的碼組SFD(幀起始定界符)和EFD（幀結(jié)束定界符）；當(dāng)PCS子層收到來自底層的10B編碼數(shù)據(jù)時，可很容易地根據(jù)SFD和EFD找到幀的起始和結(jié)束從而完成幀定界。但是SDH中承載的千兆以太網(wǎng)幀定界不同于標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)幀定界，因?yàn)閺?fù)用的數(shù)據(jù)已經(jīng)恢復(fù)成8B編碼的碼組，去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆以太網(wǎng)的前導(dǎo)(Preamble)和幀起始定界符（SFD）進(jìn)行幀定界，由于信息數(shù)據(jù)中出現(xiàn)與前導(dǎo)和幀起始定界符相同碼組的概率較大，采用這樣的幀定界策略可能會造成接收端始終無法進(jìn)行正確的以太網(wǎng)幀定界。為了避免上述情況，10G以太網(wǎng)采用了HEC策略。

　　IEEE802.3 HSSG小組為此提出了修改千兆以太網(wǎng)幀格式的建議，在以太網(wǎng)幀中添加了長度域和HEC域。為了在定幀過程中方便查找下一個幀位置，同時由于最大幀長為1518字節(jié)，則最少需要11個比特（=2048），所以在復(fù)接MAC幀的過程中用兩個字節(jié)替換前導(dǎo)頭兩個字節(jié)作為長度字段，然后對這8個字節(jié)進(jìn)行CRC-16校驗(yàn)，將最后得到的兩個字節(jié)作為HEC插入SFD之后。

　　10G WAN物理層并不是簡單的將以太網(wǎng)MAC幀用OC-192c承載。雖然借鑒了OC-192c的塊狀幀結(jié)構(gòu)、指針、映射以及分層的開銷，但是在SDH幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了大量的簡化，使得修改后的以太網(wǎng)對抖動不敏感，對時鐘的要求不高。具體表現(xiàn)在：減少了許多開銷字節(jié)，僅采用了幀定位字節(jié)A1和A2、段層誤碼監(jiān)視B1、蹤跡字節(jié)J0、同步狀態(tài)字節(jié)S1、保護(hù)倒換字節(jié)K1和K2以及備用字節(jié)Z0，對沒有定義或沒有使用的字節(jié)填充00000000。減少了許多不必要的開銷，簡化了SDH幀結(jié)構(gòu)，與千兆以太網(wǎng)相比，增強(qiáng)了物理層的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)，可在物理線路上實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換。其次，避免了繁瑣的同步復(fù)用，信號不是從低速率復(fù)用成高速率流，而是直接映射到OC-192c凈負(fù)荷中。

　　10G以太局域網(wǎng)和10G以太廣域網(wǎng)（采用OC-192c）物理層的速率不同，10G以太局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)率為10Gbit/s,而10G以太廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)率為9.58464Gbit/s（SDH OC-192c，是PCS層未編碼前的速率），但是兩種速率的物理層共用一個MAC層，MAC層的工作速率為10Gbit/s。采用什么樣的調(diào)整策略將10GMII接口的10Gbit/s傳輸速率降低，使之與物理層的傳輸速率9.58464Gbit/s相匹配，是10G以太廣域網(wǎng)需要解決的問題。目前將10Gbit/s速率適配為9.58464Gbit/s的OC-192c的調(diào)整策略有3種：

　　在GMII接口處發(fā)送HOLD信號，MAC層在一個時鐘周期停止發(fā)送；

　　利用“Busy idle”，物理層向MAC層在IPG期間發(fā)送“Busy idle”，MAC層收到后，暫停發(fā)送數(shù)據(jù)。物理層向MAC層在IPG期間發(fā)送“Normal idle”, MAC層收到后，重新發(fā)送數(shù)據(jù)；

　　采用IPG延長機(jī)制：MAC幀每次傳完一幀，根據(jù)平均數(shù)據(jù)速率動態(tài)調(diào)整IPG間隔。


三、 萬兆以太網(wǎng)技術(shù)展望
　　萬兆以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初就考慮城域骨干網(wǎng)需求。首先帶寬10G足夠滿足現(xiàn)階段以及未來一段時間內(nèi)城域骨干網(wǎng)帶寬需求（現(xiàn)階段多數(shù)城域骨干網(wǎng)骨干帶寬不超過2.5G）。其次萬兆以太網(wǎng)最長傳輸距離可達(dá)40公里，且可以配合10G傳輸通道使用，足夠滿足大多數(shù)城市城域網(wǎng)覆蓋�！　〔捎萌f兆以太網(wǎng)作為城域網(wǎng)骨干可以省略骨干網(wǎng)設(shè)備的POS或者ATM鏈路。首先可以節(jié)約成本：以太網(wǎng)端口價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的POS端口或者ATM端口。其次可以使端到端采用以太網(wǎng)幀成為可能：一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優(yōu)先級信息，另一方面可以省略在數(shù)據(jù)設(shè)備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數(shù)據(jù)包分片，簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在城域網(wǎng)骨干層采用萬兆以太網(wǎng)鏈路可以提高網(wǎng)絡(luò)性價比并簡化網(wǎng)絡(luò)。

　　我們可以清楚地看到，10G以太網(wǎng)可以應(yīng)用在校園網(wǎng)、城域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等。但是由于當(dāng)前寬帶業(yè)務(wù)并未廣泛開展，人們對單端口10G骨干網(wǎng)的帶寬沒有迫切需求，所以10G以太網(wǎng)技術(shù)相對其他替代的鏈路層技術(shù)（例如2.5G POS、捆綁的千兆以太網(wǎng)）并沒有明顯優(yōu)勢。思科和JUNIPER公司已推出10G以太網(wǎng)接口（依據(jù)802.3ae草案實(shí)現(xiàn)），但在國內(nèi)幾乎沒有應(yīng)用。目前城域網(wǎng)的問題不是缺少帶寬，而是消耗大量帶寬的Killer Application，是如何將城域網(wǎng)建設(shè)成為可管理、可運(yùn)營并且可盈利的網(wǎng)絡(luò)。所以10G以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將取決于寬帶業(yè)務(wù)的開展。只有廣泛開展寬帶業(yè)務(wù)，例如視頻組播、高清晰度電視和實(shí)時游戲等，才能促使10G以太網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用，推動網(wǎng)絡(luò)健康有序發(fā)展。

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