與時(shí)俱進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

對(duì)業(yè)已沿革至第四代的以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，你或許認(rèn)為它應(yīng)顯出歲月的痕跡、現(xiàn)出老態(tài)，會(huì)被其它更新更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搶去風(fēng)頭。但實(shí)際上并非如此。

相反，以太網(wǎng)技術(shù)隨著變化的需求和標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)俱進(jìn)。最初，它只是連接PC端口的一種同軸總線本地局域網(wǎng)(LAN)。如今，以太網(wǎng)技術(shù)已演變?yōu)樵S多其它的聯(lián)網(wǎng)形態(tài)，從嵌入式控制器上的簡(jiǎn)單 I/O端口，到包括了骨干網(wǎng)路和回程的城域網(wǎng)，再到廣域網(wǎng)，就更不用說(shuō)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)了。

10Gbps以太網(wǎng)

10Gbps以太網(wǎng)已推出5年多了，它有幾種版本。但過(guò)了一段時(shí)間后，10Gbps以太網(wǎng)的價(jià)格才降下來(lái)并使公司采用這些速度更高的版本。通常，許多中小型單位采用10/100以太網(wǎng)，1Gbps版本對(duì)匯集骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已足夠快。

但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益增大、無(wú)線覆蓋范圍的擴(kuò)展以及更大數(shù)據(jù)流的出現(xiàn)，臺(tái)式機(jī)對(duì)1Gbps以及骨干網(wǎng)絡(luò)對(duì)10Gbps速率的要求就成為一種必然。隨著業(yè)務(wù)器虛擬化、配置了刀片業(yè)務(wù)器的數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)器中心的數(shù)量不斷增加，加之因特網(wǎng)搜索、視頻下載以及流視頻應(yīng)用的增多，采用10Gbps網(wǎng)絡(luò)變得至關(guān)重要。

如今，10Gbps設(shè)備得到了普遍采用，且正成為數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)器之間的主要鏈路。雖然大多數(shù)10Gbps LAN采用光纖連接，但更新的非屏蔽銅雙絞線(UTP)正緩慢進(jìn)入數(shù)據(jù)中心和其它短距離(30到100 m)應(yīng)用。

10Gbps電纜網(wǎng)絡(luò)(10GBaseT)是個(gè)有趣的技術(shù)案例。為達(dá)到這一看起來(lái)不可能的速率標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其四對(duì)特殊低損耗CAT6a UTP銅纜中的每一對(duì)，都要求以800M采樣速率同時(shí)進(jìn)行16個(gè)等級(jí)的脈幅調(diào)制(PAM)。一個(gè)低密度寄偶校驗(yàn)(LDPC)編碼機(jī)制可幫助規(guī)避因電纜損耗和噪聲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

在其上，各種精度均衡(fancy equalization)、回聲以及對(duì)近端交叉干擾、遠(yuǎn)端交叉干擾和外來(lái)(鄰近電纜)交叉干擾的去除都是由DSP實(shí)現(xiàn)的。為實(shí)現(xiàn)這些連接，采用了許多電路(即：800MHz/10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP邏輯)，從而使大多實(shí)現(xiàn)功耗很高。幾家公司業(yè)已把功耗降至3到5W/端口，這才勉強(qiáng)可以接受。

10Gbps電纜網(wǎng)絡(luò)(10GBaseT)的每端口成本比光纖低很多。雖然現(xiàn)已有10Gbps的電纜網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)，但因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)公司在知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)和其它問(wèn)題上的糾紛，10GBaseT一直沒有真正地火起來(lái)。盡管為數(shù)不多的這幾家公司實(shí)際上都接受該標(biāo)準(zhǔn)(802.3an)，但它們沒能合作起來(lái)創(chuàng)建一個(gè)市場(chǎng)。

目前，市面上有以X2、XFP、SFP和其它多源協(xié)定(MSA)格式出現(xiàn)的各種以太網(wǎng)光纖模塊。隨著用于10Gbps的新SFP+光纖收發(fā)器模塊的價(jià)位已變得有競(jìng)爭(zhēng)力，繼續(xù)采用電纜網(wǎng)絡(luò)的理由已越來(lái)越少。

40/100Gbps標(biāo)準(zhǔn)

隨著以太網(wǎng)速度的不斷增加，關(guān)于將其用做網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)并用于核心MAN和WAN的爭(zhēng)論就一直存在。由于以太網(wǎng)具有完全標(biāo)準(zhǔn)化的特性(包括許多不同廠家的器件間完全的互操作性和后向兼容能力)，這種想法很有吸引力。以太網(wǎng)的低成本也很有吸引力，在IT和網(wǎng)絡(luò)界人士中很受歡迎。40Gps和100Gbps版本將使其成為MAN和WAN領(lǐng)域內(nèi)的真正競(jìng)爭(zhēng)者。

Sonet/SDH仍是這些核心、邊緣和接入網(wǎng)絡(luò)的最重要技術(shù)。由OC-48 (2.5Gbps)和OC-192 (10Gbps) 衍變來(lái)的各種Sonet/SDH網(wǎng)絡(luò)具有廣泛應(yīng)途。此外，Sonet/SDH為OC-768或40Gbps設(shè)立了標(biāo)準(zhǔn)。40Gbps尚不通用，但越來(lái)越引人注目。不過(guò)，價(jià)格高是影響其被普遍采用的制約因素。

歸功于10Gbps以太網(wǎng)、半導(dǎo)體和光纖處理技術(shù)的進(jìn)展，數(shù)據(jù)速率已可達(dá)到100Gbps。2006年，IEEE成立了高速研究組(HSSG)來(lái)研究100Gbps標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)。2007年，HSSG同意為數(shù)據(jù)中心和其它市場(chǎng)增加一種40Gbps的中間過(guò)渡技術(shù)。

2008年，成立了一個(gè)名為100G之路聯(lián)盟(Road to 100G Alliance)的組織以研究問(wèn)題并提交建議。該聯(lián)盟在2008年末合并到以太網(wǎng)聯(lián)盟(Ethernet Alliance)。2008年初，IEEE建立了一個(gè)專門小組來(lái)創(chuàng)制新的、名為802.3ba的40/100Gbps標(biāo)準(zhǔn)。起碼到2010年，最終標(biāo)準(zhǔn)才會(huì)問(wèn)世。

另外，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(ITU-T)有一個(gè)負(fù)責(zé)跟蹤該技術(shù)(命名為RecommendationG.709)的100Gbps標(biāo)準(zhǔn)研究組�？偟膩�(lái)看，有可能出現(xiàn)幾個(gè)版本，它們中的大多數(shù)會(huì)涉及到光纖線纜的并行數(shù)據(jù)通路。

40Gbps標(biāo)準(zhǔn)可簡(jiǎn)單地用4個(gè)各為10Gbps數(shù)據(jù)流的4條并行光纖實(shí)現(xiàn)。一個(gè)100Gbps版本會(huì)需要并行光纖通路上的8到10個(gè)10Gbps數(shù)據(jù)通路。這兩個(gè)版本將主要用于數(shù)據(jù)中心等短距離應(yīng)用。對(duì)長(zhǎng)距離應(yīng)用，粗的或在一條光纖上采用4或8/10個(gè)光波長(zhǎng)(λ)的大容量波分復(fù)用(DWM)是個(gè)選擇。

無(wú)論采用哪種技術(shù)，業(yè)界的終極目標(biāo)是以100Gbps速率實(shí)現(xiàn)40公里傳輸距離，在單模光纖(SMF)上實(shí)現(xiàn)10公里傳輸距離，在光纖多模3(OM3)多模光纖(MMF)上實(shí)現(xiàn)100米傳輸距離。40Gbps網(wǎng)絡(luò)可能采用SNAP-4或4路小型可插拔(QSFP)線纜和連接器，100Gbps網(wǎng)絡(luò)可能采用SMAP-12 線纜和連接器。

光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇(OIF)正與IEEE小組合作研究一個(gè)可在4條并行信道上傳送25到28Gbps的版本。因在如此高數(shù)據(jù)速率下的衰減和色散問(wèn)題，在SMF上采用單路串行版本不在考慮之內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)可能包含一個(gè)距離為5到10m的銅版本或一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)版本。

在考慮采用諸如差分相移鍵控(DPSK)、差分正交相移鍵控(DQPSK)、色散補(bǔ)償以及前向糾錯(cuò)(FEC)編碼方法等技術(shù)。未來(lái)的目標(biāo)包括：支持全雙工操作、保留幀格式和媒體接入控制器(MAC)接口以及在MAC接口具有好于10–12的位錯(cuò)率(BER)等。

設(shè)計(jì)師可采用Sierra Monolithic SMI4027復(fù)用器/時(shí)鐘倍頻器單元(MUX/CMU)來(lái)實(shí)現(xiàn) 40Gbps系統(tǒng)(圖1)。SMI4027及配套的SMI4037時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)單元/解復(fù)用器(CDR/DEMUX)實(shí)現(xiàn)了物理層(PHY)，它們工作在39.8到44.6Gbps并整合了一個(gè)完全SFI-5客戶端接口。另外，它們與Sonet/SDH 或以太網(wǎng)完全兼容。

運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)一直屬于“盡力完成(best effort)”式網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)一類，這類業(yè)務(wù)意味著有可能收不到全部數(shù)據(jù)包。因噪聲、沖突、包有效載荷違規(guī)(過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短)等原因，數(shù)據(jù)包可能丟失。由遲滯和變化的延誤決定的其非確定性特征限制了其在某些應(yīng)用中的使用。

以太網(wǎng)的這些缺點(diǎn)使其在諸如金融和保健業(yè)務(wù)、視頻流以及其它業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)起著至關(guān)重要作用等對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有苛刻要求的應(yīng)用中受到排斥。Sonet/SDH網(wǎng)絡(luò)提供性能保證，這就是其盡管昂貴和復(fù)雜但一直得以繼續(xù)使用和發(fā)展的原因�，F(xiàn)在，一種稱為運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)(Carrier Ethernet)的技術(shù)使以太網(wǎng)成為具有類似Sonet/SDH質(zhì)量的業(yè)務(wù)載體。

運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)是由城域以太網(wǎng)論壇(MEF)和其成員創(chuàng)制的，它為運(yùn)營(yíng)商級(jí)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)協(xié)議，從而使其有別于LAN以太網(wǎng)。此外，它定義了可使以太網(wǎng)在接入、城市和核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中發(fā)揮運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)功用的5個(gè)基本屬性。這5個(gè)屬性是：

· 諸如E-Line、E-LAN、透明專線、虛擬專線和LAN業(yè)務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)；它適用于帶有帶寬和QoS選項(xiàng)和層級(jí)的語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)匯聚網(wǎng)絡(luò)。

· 接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)絡(luò)之間的可擴(kuò)展性。

· 可靠性，能在不影響用戶的情況下對(duì)意外事件進(jìn)行檢測(cè)并恢復(fù)。

· 帶業(yè)務(wù)品質(zhì)協(xié)議(SLA)的QoS。

· 業(yè)務(wù)管理，具有監(jiān)控、診斷和集中管理網(wǎng)絡(luò)的能力；運(yùn)營(yíng)商級(jí)運(yùn)營(yíng)、管理和維護(hù)(OAM)；迅速提供業(yè)務(wù)。

MEF提供測(cè)試程序和認(rèn)證以確保滿足標(biāo)準(zhǔn)并實(shí)現(xiàn)互操作性。運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)是由類似RAD Data Communications的標(biāo)定設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖2)。

存儲(chǔ)局域網(wǎng)

企業(yè)、政府和其它機(jī)構(gòu)經(jīng)常需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。獨(dú)立磁盤冗余陣列(RAID)和簡(jiǎn)單磁盤捆綁(JBOD)存儲(chǔ)系統(tǒng)的市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，而且把它們與LAN和因特網(wǎng)連接起來(lái)很關(guān)鍵，這是開發(fā)專用存儲(chǔ)局域網(wǎng)(SAN)的原因。

廣為使用光纖信道(FC) 是一種通過(guò)主機(jī)總線適配器卡(HBA)把硬盤陣列與業(yè)務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的光纖網(wǎng)絡(luò)。其媒介是光纖線纜。T11組織業(yè)已為 1、2、4和8Gbps數(shù)據(jù)速率建立了標(biāo)準(zhǔn)。另外還定義了一個(gè)10Gbps標(biāo)準(zhǔn)。

雖然FC工作得很好且應(yīng)用廣泛，但擴(kuò)展和維護(hù)費(fèi)用卻很高。盡管如此，雖然已出現(xiàn)了諸如因特網(wǎng)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(iSCSI)等低成本替代方案，許多用戶仍想以某種方式繼續(xù)采用FC。

iSCSI選項(xiàng)是廣為使用的、用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的SCSI串行版本。它利用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)媒介傳輸SCSI命令和數(shù)據(jù)，因而成本低得多，且可以在現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。但是，iSCSI目前還僅限于中小企業(yè)應(yīng)用。

即將問(wèn)世的替代技術(shù)集FC和以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)于一身。它是由T11組織正在開發(fā)的以太網(wǎng)光纖通道(FCoE)標(biāo)準(zhǔn)。它把FC數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)LAN進(jìn)行傳輸。

其它以太網(wǎng)增強(qiáng)版本

其它以太網(wǎng)增強(qiáng)版本包括工業(yè)以太網(wǎng)、LXI儀器系統(tǒng)和以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)等。

工業(yè)以太網(wǎng)利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)替代其它專為具有嚴(yán)苛和關(guān)鍵特性工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的其它網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)必須工作在噪聲很大、溫度變化很寬、大氣腐蝕性很嚴(yán)重的極端環(huán)境中。在這些應(yīng)用場(chǎng)合中，采取特殊屏蔽和保護(hù)措施的線纜和連接器很有幫助。

另外，許多工業(yè)應(yīng)用要求確定性。也就是說(shuō)，它們必須能準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)交互和相應(yīng)的控制和測(cè)量行為進(jìn)行定時(shí)。

以太網(wǎng)也備受諸如遲滯、延誤和不精準(zhǔn)定時(shí)等“盡力滿足”類業(yè)務(wù)所常見的各類問(wèn)題的困擾。解決方案之一是采用IEEE 1588準(zhǔn)確定時(shí)協(xié)議(PTP)。PTP利用由硬件生成的時(shí)間戳記提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)同步，可精確到納秒級(jí)。在以太網(wǎng)上采用1588 PTP的這種組合，甚至可適用于對(duì)定時(shí)有最苛刻要求的工業(yè)應(yīng)用。IEEE 1588 PTP還被用于運(yùn)營(yíng)商級(jí)以太網(wǎng)。

LXI(LAN對(duì)儀器的擴(kuò)展)是為取代過(guò)去在測(cè)試系統(tǒng)中非常流行的通用儀器總線(GPIB)而設(shè)計(jì)的儀器通信標(biāo)準(zhǔn)。它連接測(cè)試儀器、PC以及因特網(wǎng)以進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試、測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)和訪問(wèn)等各種操作組合。許多儀器已整合了LXI，以后會(huì)更多。因?yàn)橐蕴�網(wǎng)成本低、應(yīng)用廣，所以LXI是基于以太網(wǎng)的。

最后，業(yè)界正在開發(fā)為城域網(wǎng)中的PON而設(shè)計(jì)的10Gbps版本，該P(yáng)ON用于傳送數(shù)字電視和因特網(wǎng)接入業(yè)務(wù)。PON采用低成本光纖把視頻和其它業(yè)務(wù)傳輸?shù)阶�戶和企業(yè)，不需要昂貴的中繼器或其它有源現(xiàn)場(chǎng)中繼硬件。有線電視和電信基礎(chǔ)設(shè)施普遍采用PON傳輸更高速度和更高品質(zhì)的視頻。

最初的PON標(biāo)準(zhǔn)由 ITU-T制定，被命名為APON、BPON，最新的叫GPON。用于Gbit速率業(yè)務(wù)是被稱為EPON或GEPON的低速以太網(wǎng)PON。它被命名為802.3ah，在亞洲很流行而在美國(guó)沒有，美國(guó)的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)是GPON。IEEE眼下正開發(fā)一款稱為802.3av的10Gbps版本，它將在一條光纖上采用不同光波長(zhǎng)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)1和10Gbps業(yè)務(wù)。2009年下半年預(yù)計(jì)會(huì)推出802.3av的最終版本。

作者：Louis E. Frenzel

通信技術(shù)編輯

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