万兆以太网：突破LAN的界限(1)

不久前，上海交通大学的两个主要校区间采用了万兆网络进行连接。虽然该校园网没有全面部署万兆以太网，但据了解，其局部工程的万兆应用在我国尚数首次。


上海交大的校园网隶属于国家“985工程”，
是数字化大学建设的示范项目，目的是建成国际上最先进的园区网。同时，上海交通大学校园网还是CERNET（中国教育科研网）的华东枢纽，CERNET承担了许多最先进的网络通信技术的试验项目，如IPv6网间互连试验。因此，上海交大要求基层网络要有较高的前瞻性和稳定性。


上海交大最初采用的是ATM网，后来又引进了IP网解决方案，根据“985工程”的要求，该网络要尽快升级为千兆、并最终全面过渡为万兆以太网。


根据上海交大初步的使用情况来看，该网络中所使用的极进网络的万兆以太网产品提供了丰富的网络功能，如基于策略的QoS、基于硬件的MPLS，和多播、组播功能，在整体校园网方案中发挥了十分重要的作用。


最近，各大国际、国内网络厂商也纷纷推出其万兆以太网产品。


1973年，施乐公司Palo Alto研究中心的研究人员Robert Mtetcalfe（后来创建了3Com公司）和David Boggs等人开发出了以太网技术，当时是为了实现该中心一个实验室内部的各台计算机的互联。


最初以太网的速率只有2.94Mbps。在经历了以太网、快速以太网、千兆以太网等阶段之后，如今的以太网已经发展到了10Gbps。


人们不仅在万兆以太网的技术和性能方面看到了其实质性的提高，也正因如此，以太网正在从局域网逐步延伸至城域网和广域网，在更广阔的范围内发挥其作用。


对此，我们应该密切关注万兆以太网的发展。本次报道对万兆以太网标准制定、技术的演进、应用前景进行了介绍，旨在帮助广大用户对其有较为全面的了解，以推动万兆技术的合理应用和以太网产业的良性发展。


万兆以太网：一“标”定方向


随着网络业务的不断增长，人们也在不断寻找高速、简化和低成本的网络解决方案，电信网络也正从针对语音业务的技术架构向面向大量数据传输的高速分组架构发展。对此，以太网技术将是具有明显优势的协议之一，以太网的发展也显得尤为重要。为了确保万兆以太网能够顺利地推广和商用，相应的标准必不可少。


1、IEEE牵头把关


1982年，IEEE把以太网技术标准定为802.3。随后，其技术类型经历了快速的发展变化，从粗缆的10Base5发展到细缆的10Base2，再到1Base5、双绞线10Base-T，又到快速以太网五类线传输的100Base-TX、三类线传输了100BaseT4和光纤传输的100BaseFX，随后又出现的千兆以太网接口，包括短波长光传输1000Base-SX、长波长光传输1000Base-LX以及五类线传输1000Base-T。今年6月，IEEE又正式通过了802.3ae：10Gbps以太网标准。


确定万兆以太网标准的目的是，将802.3协议扩展到10Gbps的工作速度，并扩展以太网的应用空间，使之能够包括WAN链接。这在显著增加带宽的同时与已安装的802.3接口基础、以前的研发投资和网络运作和管理原理保持了最大程度的兼容。


经过3年多的紧张工作，IEEE协会在今年6月12日，批准了10G以太网的正式标准——802.3ae，全称是“10G bit/s工作的媒体接入控制参数、物理层和管理参数”。在此标准的制定过程中，共产生了5个草案标准，而最后一次对标准做技术上的修改是在2001年5月。


IEEE 802.3ae工作组确立了万兆以太网标准必须满足的五个条件：


● 必须具备广阔的市场潜力，支持大量的应用，有多家厂商的支持，并且有多种类型的用户；


● 必须与其他现有的802.3协议标准以及开放式系统互联(OSI) 和简单网络管理协议（SNMP）管理规范相兼容；


● 必须与其他802.3标准有本质的区别，使之成为故障的“惟一”解决方案，而不是一个“可选”的解决方案；


● 必须在最终批准确定之前论证其在技术方面的可行性；


● 必须满足用户部署时的经济可行性，投资合理的成本（包括所有安装和管理费用）就能获得预期的性能提高。


2、功不可没的10GEA


在万兆以太网标准的制定过程中，不可忽视的是10GEA（万兆以太网联盟）。该联盟是由网络产业中的领导者3Com、Cisco、Extreme、Intel、Nortel、Sun和World Wide Packets等创立的。其使命是促进和加速网络市场中万兆以太网的引入; 此外，还支持IEEE 802.3ae工作组的活动，促进 802.3ae标准的发展，并推动万兆以太网产品之间的协同工作。事实证明，该联盟在推动基于标准的万兆以太网技术，并鼓励使用和实施万兆以太网作为一个连接多种计算、数据和通信设备的重要网络技术等方面，做出了很大贡献。目前，该联盟已有100多家企业参与，我国的中兴、华为等公司都是其成员。该联盟成员的主要职责包括：


● 支持IEEE 802.3工作组在万兆以太网标准方面的工作；


● 提供资源以促进技术规范方面的汇聚和一致性；


● 促进业界了解、接受和发展万兆以太网标准；


● 加速万兆以太网产品和服务的采用和使用；


● 提供资源以建立和论证多厂商协同工作的能力，并在一般意义上鼓励和促进协同工作和活动；


● 促进万兆以太网技术和产品的供应商和用户之间的交流。


3、新标准出台


新的万兆以太网协议与传统的以太网模式保持兼容。它仍使用与现有以太网同样的媒体访问控制协议(MAC)、同样的可变长帧格式和同样的最小和最大帧长度(64至1514字节分组)以及同样的帧格式。


然而，与此前的以太网标准不同的是，10G以太网标准只工作于光纤介质上，因此可将以太网技术的应用进一步扩展到MAN和WAN领域。此外，万兆以太网只工作在全双工模式，这意味着可以同时发送和接收信号。


在今年5月于美国拉斯维加斯举行的Networld+ Interop展会上，10GEA赞助并展示了一个200多公里长的实际的端到端万兆以太网络。这一网络成功地展示了来自13家主要企业的19种不同设备(包括器件、交换系统、光缆和测试设备)间的互操作性。这清楚地表明，万兆以太网现在已经可以应用于许多实际网络，增强了人们对这一技术的信心。
万兆以太网的三个差异


万兆以太网技术是一种“高速”以太网技术，它适用于新型的网络结构，能够实现全网技术统一。这种以太网采用IEEE 802.3以太网媒体访问控制（MAC）协议、帧格
式和帧长度。万兆以太网与快速以太网和千兆以太网一样，是全双工的，因此它本身没有距离限制。它的优点是减少网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，同时有望降低系统费用，并提供更快、更新的数据业务。在某些网络公司的发展策略中，已经将万兆以太网技术作为了实现端到端光以太网的基础。


万兆以太网是在以太网技术的基础上发展起来的，不过工作速率大大提高，适用范围有了很大的变化，所以与原来的以太网技术相比有很大的差异，主要表现在：物理层实现方式、帧格式和MAC的工作速率及适配策略方面。


万兆以太网可继续在局域网中使用，也可用于广域网中，而这两者之间工作环境不同。不同的应用环境对于以太网各项指标的要求存在许多差异，针对这种情况，人们制定了两种不同的物理介质标准。这两种物理层的共同点是共用一个MAC层，仅支持全双工，省略了CSMA/CD策略，采用光纤作为物理介质。


10Gbps局域以太网物理层的特点是，支持802.3MAC全双工工作方式，允许以太网复用设备同时携带10路1G信号；帧格式与以太网的帧格式一致，工作速率为10Gbps。10Gbps局域网可用最小的代价升级现有的局域网，并与10/100/1000Mbps兼容，使局域网的网络范围最大达到40km。


10G广域网物理层的特点是采用OC-192c帧格式在线路上传输，传输速率为9.58464Gbps，所以10G广域以太网MAC层必须有速率匹配功能。当物理介质采用单模光纤时，传输距离可达300km；采用多模光纤时，可达40km。10Gbps广域网物理层还可选择多种编码方式。


在帧格式方面，由于万兆以太网实质是高速以太网，所以为了与以前的所有以太网兼容，必须采用以太网的帧格式承载业务，为了达到10Gbps的高速率，并实现与骨干网无缝连接，在线路上采用 OC-192c帧格式传输。这样就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧的映射功能。同时，由于以太网在设计时是面向局域网的，网络管理较弱，传输距离短并且对物理线路没有任何保护措施，所以当以太网作为广域网进行长距离高速传输时，必然导致线路信号频率和相位较大的抖动。而以太网的传输是异步的，在宿端实现同步比较困难。因此，如果以太网帧在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。为此，对帧格式进行了修改，添加长度域和HEC域。


在局域网与广域网的速率适配方面，10G局域以太网和广域以太网物理层的速率不同，局域网的数据率为10Gbps，广域网的数据率为9.58464Gbps 。由于两种速率的物理层共用一个MAC层，而MAC层的工作速率为10Gbps，所以必须采取相应的调整策略，将10GMII接口的传输速率10Gbps降低，使之与物理层的传输速率9.58464Gbps相匹配，这是万兆以太网需要解决的问题。
变“尽力而为”为“端到端保证”


传统的万兆以太网是一种“尽力而为”的网络机制，它强调的是用户接入所实现的网络资源和信息的共享，而不提供带宽控制能力和支持实时业务的服务保证，也不能提
供故障定位、多用户共享节点和网络计费等。但是，随着千兆和万兆以太网的出现以及在光纤上直接架构千兆和万兆以太网技术的成熟，以太网可以走入城域网和广域网，提供“端到端”的网络服务保证。


从速度来看，由最初的不到3Mbps发展到今天的10Gbps，以太网在30年中得到了30倍的成长。由于万兆以太网基于以太网技术，因此它是目前惟一能够从10Mbps速度无缝扩展到10Gbps速率的网络技术。


万兆以太网技术基本上承袭过去的以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及率、使用的方便性、网络的互操作性及简易性上都占有很大的引进优势。在升级到万兆以太网解决方案时，用户不需担心既有的程序或服务是否会受到影响，因此升级的风险是非常低的。这不仅在以往以太网升级到千兆以太网中得到了体现，同时在未来升级到万兆以太网，甚至四万兆（40G）、十万兆（100G）以太网，都将是一个明显的优势。


根据万兆以太网标准IEEE 802.3ae，万兆以太网将保留802.3帧格式、保留802.3最小/最大帧长度、局域网/城域网 PHY（物理层）的速率可达万兆，而广域网 PHY的速率为9.29 千兆（可支持SONET/SDH）。


万兆以太网与以往的以太网技术的不同之处主要表现在以下两点: 首先是具有适用于单模光纤的长距离接口（40km以上），可用于局域网PHY或广域网PHY；其次是万兆以太网提供了可选择的广域网PHY。万兆位以太网只在光纤上工作，并只能在全双工模式下操作，这意味着不必使用冲突探测协议。正是由于这些特征，以太网的速度才可达每秒万兆位。


万兆以太网作为新一代宽带技术，在接口类型及应用上提供了更为多样化的选择。局域网PHY（局域网接口）、城域网PHY（城域网接口）及广域网PHY（广域网接口）可以适用于不同的解决方案。


万兆以太网在局域网、城域网、广域网不同的应用上提供了多样化的接口类型，在局域网方面，针对数据中心或服务器群组的需要，可以提供多模光纤长达300m的支持距离，或针对大楼与大楼间/园区网的需要提供单模光纤长达10km的支持距离。在城域网方面，可以提供1550nm波长单模光纤长达40km的支持距离。在广域网方面，更可以提供OC-192C 广域网PHY，支持长达70～100km的连接。


万兆标准意味着以太网将具有更高的带宽和更远的传输距离。万兆标准内容包括10GBase-X、10GBase-R和10GBase-W三种类型。10GBase-X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器/接收器在3.125Gbps速度（数据流速度为2.5Gbps）下工作。10GBase-R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太网中所用的8B/10B）的串行接口，数据流为10.000Gbps，因而产生的时钟速率为10.3Gbps。10GBase-W是广域网接口，与SONET OC-192兼容，其时钟为9.953Gbps, 数据流为9.585Gbps。


目前，网络拓扑设计和操作已经随着智能化万兆以太网多层交换机的出现发生了转变。以太网带宽可以从10Mbps 扩大到10Gbps，而不影响智能化网络服务，比如第三层路由和第四层至七层智能，包括服务质量(QoS)、服务级别(CoS)、高速缓存、服务器负载均衡、安全性和基于策略的网络功能。由于部署IEEE 802.3ae后整个环境的以太网性质相同，因此这些服务可以按线速提供到网络上，而且局域网、城域网和广域网中的所有网络物理基础设施都支持这些服务。


从以前的以太网方案中可以看出，随着新技术的发展，10Gbps通信成本有可能大大降低。与 10Gbps 通信激光器相比，万兆以太网短链接（在单模上小于40km）可以使用更低成本的未冷却的光学系统，某些情况下可以使用垂直腔面发射激光器 (VCSEL)，它可能有更低的 PMD 成本。此外，该产业还受到发展迅猛的商业芯片市场的支持，可提供高度集成的硅解决方案。


一、万兆以太网的技术特点


万兆以太网最主要的特点包括：


● 保留802.3以太网的帧格式；


● 保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长；


● 只使用全双工工作方式，彻底改变了传统以太网的半双工的广播工作方式；


● 使用光纤作为传输媒体(而不使用铜线);


● 使用点对点链路，支持星形结构的局域网；


● 数据率非常高，不直接和端用户相连；


● 创造了新的光物理媒体相关(PMD)子层。


二、万兆以太网的物理层


万兆以太网有两种不同的物理层：局域网物理层和广域网物理层，这两种物理层的数据率并不一样。局域网物理层使用简单的编码机制在暗光纤(Dark fiber)和暗波长(Dark wave length)上传送数据。而广域网物理层则需要增加一个SONET/SDH组帧子层，以便利用SONET/SDH作为第一层来传送数据。


1. XGMII（10Gbps串行物理介质层）：包括10GBase-R、10GBase-RW等。10GBase-SR/SW传输距离按照波长不同由2～300m。10GBase-LR/LW传输距离为2m～10km。10GBase-ER/EW传输距离为2m～40km。它们各自对应不同的串行局域网物理层设备。


2. PMD（与物理介质相关）子层：PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。PMD是物理层的最低子层，标准中规定，物理层负责从介质上发送和接收信号。


3. PMA（物理介质接入）子层：PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接口。和PCS子层的连接称为PMA服务接口。另外PMA子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）的符号定时时钟。


4. WIS（广域网接口）子层：WIS子层是可选的物理子层，可用在PMA与PCS之间，产生适配ANSI定义的SONET STS-192C传输格式或ITU定义SDH VC-4-64c容器速率的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。


5. PCS（物理编码）子层：PCS子层位于协调子层（通过GMII）和物理介质接入层（PMA）子层之间。PCS子层完成将经过完善定义的以太网MAC功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。PCS子层和上层RS/MAC的接口由XGMII提供，与下层PMA接口使用PMA服务接口。


6. RS（协调子层）：协调子层的功能是将XGMII的通路数据和相关控制信号映射到原始PLS服务接口定义(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10Gbps MAC和物理层间的逻辑接口。XGMII和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质上。


7．MDI（物理介质相关接口）：用于将PMD子层和物理层的光缆相连接。


三、万兆以太网使用的光纤介质


万兆以太网能够使用多种光纤媒体。这些光纤媒体的型号具体表示方法为：10GBase-[媒体类型][编码方案][波长数]，或更加具体些，[1，3]表示为：10GBase-[E/L/S][R/W/X][/4]。


在光纤媒体表示方法的媒体类型中，S为短波长(850nm)，用于多模光纤在短距离(约为35m)传送数据；L为长波长，用于在校园的建筑物之间或大厦的楼层间进行数据传输，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为900m；E为特长波长，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550 nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。


在光纤媒体的表示方法的编码方案中，X为局域网物理层中的8B/10B编码，R为局域网物理层中的64B/66B编码，W为广域网物理层中的64B/66B编码(简化的SONET/SDH封装)。最后的波长数可以为4，使用的是宽波分复用(WWDM)。在进行短距离传输时，WWDM要比密集波分复用(DWDM)适宜得多。如果不使用波分复用，则波长数就是1，并且可将其省略。


四、万兆以太网的广域网接口子层


万兆以太网物理层的数据率是10.000Gbps(表示精确的10Gbps)，因此一个万兆以太网交换机可以支持正好10个1G以太网端口。


但是广域网物理层的数据率要比10Gbps略低一些。这样做才能和所谓的“10Gbps”的SONET/SDH(即OC-192)相连接。OC-192的数据率并非精确的10Gbps，而是9.953280Gbps。在去掉帧首部的开销后，其有效载荷的数据率只有9.584640Gbps。因此，为了使万兆以太网的帧能够插入到OC-192帧的有效载荷中，就必须设法降低进入物理层的数据率。


具体做法是，在MAC子层的以太网帧之间插入一些附加帧间隔(IPG，Inter-Packet Gap)。每一个IPG的字节数与前一帧的长度成正比。在进行64B/66B的编码过程中，要将插入的IPG再卸除掉。WIS子层组成SONET/SDH帧后的数据率已经变成为OC-192速率，即9.953280Gbps。


显然，这种所谓的“10Gbps”速率无法支持10个1G以太网端口。在WIS和PMA子层之间有一个10G的16比特接口(XSBI，10G Sixteen-Bit Interface)，是由IEEE 802.3ae制订的一个16比特的数据接口，它基本上和光网络互连论坛(OIF，Optical Internetworking Forum)制订的OIF SFI-4接口标准相同。SFI是SERDES Framer Interface的缩写，它定义了在SONET/SDH帧形成器和高速SERDES逻辑之间的电信号接口。


需要注意的是，10G以太网并没有SONET/SDH的同步接口，只有异步的以太网接口。因此，10G以太网在和SONET/SDH连接时，出于经济上的考虑，具有SONET的某些特性，如OC-192的链路速率、SONET/SDH的组帧格式等; 同时还提供最基本的管理信息，使得网管可将10G以太网的广域网物理层链路当成是SONET/SDH链路，并且可以进行性能监视和故障隔离。但广域网物理层与SONET/SDH并不全部兼容。


例如，10G以太网没有昂贵的TDM的支持，没有使用分层的精确时钟，没有某些性能指标(如抖动)，也没有完整的网络管理功能，如OAM&P。因此，10G以太网只能说是“SONET化的”以太网(SONETising Ethernet)，或者说是一种“轻型SONET(SONET Lite)”。