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乙太網是目前使用最廣泛的區域網技術。由於其簡單、成本低、可擴展性強、與IP網能夠很好地結合等特點,乙太網技術的應用正從企業內部網路向公用電信網領域邁進。乙太網接入是指將乙太網技術與綜合布線相結合,作為公用電信網的接入網,直接向用戶提供基於IP的多種業務的傳送通道。乙太網技術的實質是一種二層的媒質訪問控制技術,可以在五類線上傳送,也可以與其它接入媒質相結合,形成多種寬頻接入技術。乙太網與電話銅纜上的VDSL相結合,形成EoVDSL技術;與無源光網路相結合,產生EPON技術;在無線環境中,發展為WLAN技術。

1 乙太網協議 -發展歷史

乙太網協議乙太網布線

1975年:美國施樂(Xerox)公司的PaloAlto研究中心研製成功[METC76],該網採用無源電纜作為匯流排來傳送數據幀,故以傳播電磁波的「以太(Ether)」命名。

1981年:美國施樂(Xerox)公司+數字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司聯合推出乙太網(EtherNet)規約[ETHE80]。

1982年:修改為第二版,DIXEthernetV2因此:「乙太網」應該是特指「DIXEthernetV2」所描述的技術。

80年代初期:美國電氣和電子工程師學會IEEE802委員會制定出區域網體系結構,即IEEE802參考模型。IEEE802參考模型相當於OSI模型的最低兩層。

1983年:IEEE802委員會以美國施樂(Xerox)公司+數字裝備公司(Digital)+英特爾(Intel)公司提交的DIXEthernetV2為基礎,推出了IEEE802.3。

IEEE802.3又叫做具有CSMA/CD(載波監聽多路訪問/衝突檢測)的網路。CSMA/CD是IEEE802.3採用的媒體接入控制技術,或稱介質訪問控制技術。

因此:IEEE802.3以「乙太網」為技術原形,本質特點是採用CSMA/CD的介質訪問控制技術。「乙太網」與IEEE802.3略有區別。但在忽略網路協議細節時,人們習慣將IEEE802.3稱為」乙太網」。

2 乙太網協議 -四種轉變

乙太網協議千兆位乙太網

轉變1:企業中的千兆位乙太網

複雜的應用程序以及更強大的PC持續推動網路流量達到新高,因此關鍵連接帶寬不足。隨著應用程序需要更大帶寬,台式機的10Mbps連接升級到了100Mbps。當10/100Mbps自適應乙太網連接的成本接近常規乙太網時,更加劇了這種趨勢。這促使客戶在購買新電腦時就擴充網路容量,以最大限度降低今後更新這些台式機的成本。

類似的原因也正推動千兆位乙太網的採用。為了提高性能,伺服器已配備千兆位乙太網。在桌面領域,不斷下降的價格正在加快千兆位乙太網的採用,並延續著目前的趨勢:10/100/1000Mbps乙太網開始取代10/100Mbps乙太網。如果千兆位乙太網成本低廉,並且IT經理被強烈要求升級客戶機以滿足未來需求,千兆位將很快成為桌面的目標。特別是在工作環境趨向於互相協作,通常需要共享大量文件以及有集中應用和多任務的地方更是如此。預計到2002年中期,全世界50%以上的網卡銷售額將來自於千兆位乙太網產品(CahnersIn-Stat,2001年)。

乙太網協議無線以太轉換器

轉變2:無線網路

無線乙太網連接是乙太網的邏輯擴展,有助於促進目前向"虛擬"企業的大範圍過渡。以前,無線區域網市場只受到IT產業本身的關注。早期的採用無線網路的企業僅局限於需要持續移動的行業。

在過去幾年裡,無線網路的效益得到了廣泛的認可,同時無線設備的價格也變得更適中和便於使用。這些因素使無線區域網在更大範圍內被公認為移動用戶的理想解決方案,以及廣大企業用戶的「即時基礎設施」。許多分析家認為隨著無線區域網市場的快速發展,它將進入"全盛時期"。

促使無線網路從垂直市場到主流應用發生的幾個變化:

標準和改善的性能--IEEE802.11標準自1999年發布以來已成為無線區域網的主要標準。802.11b高速標準目前已被絕大多數無線設備廠商採用,數據速率高達11Mbps。它的出現為早期部署無線區域網的企業以及家庭網路使用提供了一種選擇。無線技術還在繼續發展,IEEE802.11a標準隨之出現,它將為新一代無線區域網提供更快的數據速率、更遠的覆蓋距離以及更高的安全性。

移動設備擴展--多種新型無線設備要求能夠接入企業網和廣域網,這擴大了無線乙太網解決方案的應用範圍。其中包括配置無線網卡的攜帶型電腦和台式機、帶有內建無線設備的PDA和掌上電腦、互聯網接入應用和VOIP電話。

乙太網協議乙太網晶元

轉變3:網路存儲

快速增長的電子郵件和電子商務導致IP網路數據傳輸量的劇增。數據流量的增加促使數據存儲脫離傳統直接連接存儲(DAS)模式,演變為網路的一種基礎設施。由此業界目睹了存儲域網路(SAN)和網路連接存儲(NAS)兩種替代方案的興起和流行。

根據IDC預計,存儲域網路和網路連接存儲在今後幾年有望出現快速增長並佔領全球存儲系統市場26%的份額。

基於乙太網、稱為iSCSI(互聯網SCSI或SCSIoverIP)的一種新興技術將為網站、服務提供商、企業和其它組織提供一款高速、低成本、遠程存儲解決方案。iSCSI標準使得構建基於IP的SAN成為可能。傳統的SCSI命令和數據傳輸在TCP/IP層之上的一層執行,iSCSI數據塊流量可以通過乙太網協議傳輸。

千兆位iSCSI結合了SCSI、乙太網和TCP/IP等所有廣泛部署的技術,最大限度地減少了互操作性問題。

轉變4:城域網中的乙太網

千兆位乙太網向桌面的移植助長了伺服器和企業幹線對10千兆位乙太網的需求。10千兆位乙太網的出現能夠滿足高速網路的多種關鍵需求,包括比當前替代技術更低的擁有成本、靈活性、以及與現有乙太網網路的互操作性。綜合所有這些因素,使得10千兆位乙太網成為城域網(MAN)的最佳選擇。在城域網中實施乙太網將把乙太網的速度和成本優勢與光網路的傳輸距離和可靠性完美結合起來。

現在正是將乙太網標準應用於城域網的大好時機。憑藉成本優勢、互操作性和向更高性能水平輕鬆移植的能力,10千兆位乙太網將自然而然地融入城域網。

3 乙太網協議 -相關網路協議

IEEE802.1—概述、體系結構和網路互連,以及網路管理和性能測量。

IEEE802.2—邏輯鏈路控制LLC。最高層協議與任何一種區域網MAC子層的介面。

IEEE802.3—CSMA/CD網路,定義CSMA/CD匯流排網的MAC子層和物理層的規範。

IEEE802.4—令牌匯流排網。定義令牌傳遞匯流排網的MAC子層和物理層的規範。

IEEE802.5—令牌環形網。定義令牌傳遞環形網的MAC子層和物理層的規範。

IEEE802.6—城域網。

IEEE802.7—寬頻技術。

IEEE802.8—光纖技術。

IEEE802.9—綜合話音數據區域網。

IEEE802.10—可互操作的區域網的安全。

IEEE802.11—無線區域網。

IEEE802.12—優先高速區域網(100Mb/s)。

IEEE802.13—有線電視(Cable-TV)

4 乙太網協議 -技術發展

乙太網協議乙太網發展

作為廣泛應用的區域網技術,乙太網近年來在很多方面得到了發展。從10M/100M到1G以及目前正在走向成熟的10G,乙太網的速率不斷提高;在從共享式、半雙工、利用CSMA/CD機制到交換式、點對點、全雙工以及流量控制、生成樹、VLAN、CoS等機制的採用,乙太網的功能和性能逐步改善;從電介面UTP傳輸到光介面光纖傳輸,乙太網的覆蓋範圍大大增加;從企業和部門的內部網路,到公用電信網的接入網、城域網,乙太網的應用領域不斷擴展。

5 乙太網協議 -技術問題

由於乙太網從本質上說仍是一種區域網技術,採用這種技術提供公用電信網的接入,建設可運營、可管理的寬頻接入網路,需要妥善解決一系列技術問題,包括認證計費和用戶管理、用戶和網路安全、服務質量控制、網路管理等。

認證計費

乙太網作為一種區域網技術,沒有認證、計費等機制,但要利用這種技術作為可運營、可管理的用戶接入方式,必須考慮用戶認證授權計費(AAA)。AAA一般包括用戶終端、AAAClient、AAAServer和計費軟體四個環節。AAAClient與AAAServer之間的通信採用RADIUS協議。AAAServer和計費軟體之間的通信為內部協議。計費時可根據經營方式的需要考慮按時長、流量、次數、應用、帶寬等多種方式進行。

用戶終端與AAAClient之間的通信方式通常稱為「認證方式」,目前的主要技術有以下三種:PPPoE、DHCP+WEB、IEEE802.1x。PPPoE方式的標準、設備成熟;承載數據與認證數據都需通過PPPoE封裝,對用戶控制能力強,但網路性能和設備處理效率低,容易形成流量瓶頸;設備價格高。DHCP+WEB方式無特殊封裝,認證通過後承載數據可直接轉發,網路性能和設備處理效率較高,但對用戶控制能力相對較弱;不論是否通過認證,均佔用IP地址。另外,認證層次過高會影響認證效率,也會對某些網路資源的安全性帶來一定隱患。近來IEEE802.1x技術發展很快,這種方式中承載數據通道與認證通道分開,網路性能和設備處理效率較高;認證通過後分配IP地址;認證效率較高;更重要的是,它基於乙太網內核,實現比較簡單,與乙太網設備能夠很好融合,設備成本低。總之,三種方式各有特點,應根據具體應用情況合理選擇。

用戶和網路安全

用戶和網路安全對於整個電信網特別是數據通信網來說都是一個重大課題,在乙太網接入網路中,主要體現在用戶通信信息的保密、用戶賬號和密碼的安全、用戶IP地址防盜用、重要網路設備(如DHCP伺服器)的安全等方面。乙太網技術用於企業內部時,不同用戶之間需要互傳信息,反映在設備上,傳統的二層乙太網交換機中,單播幀和廣播幀在不同埠間是能夠互通的。當乙太網技術用於提供公用電信網的接入時,由於不同用戶間互不信任的關係,必須實現用戶之間的二層隔離和三層受控互通。這就要求乙太網交換機實現埠隔離,目前的主要方法有劃分基於802.1q的VLAN,採用埠隔離的晶元,或通過其它私有技術實現(如利用僅在本交換機上有效的VLAN或其它設置達到埠隔離的目的,但不改變802.1q的VLAN標記)。

用戶賬號和密碼的安全依靠相應信息的加密傳送實現。用戶IP地址防盜用可通過綁定機制實現,例如IP地址與MAC地址、用戶埠的綁定。對於DHCP伺服器的安全,應防止用戶通過改變MAC地址申請IP地址而耗盡地址資源。

服務質量控制

在服務質量(QoS)方面,乙太網技術只有流量控制、CoS(802.1p)等比較簡單的機制。為提高服務質量,一方面,應保證網路上有足夠的帶寬,另一方面,可借鑒Diffserv的一些方法,如整形(shaping)、管制(policing)、分類、隊列調度(如採用WFQ等演算法)、擁塞控制(如採用WRED等演算法)等。如何通過乙太網技術保證服務質量是一個比較複雜的問題,還需要進一步研究,目前這方面的基本要求是能夠對用戶的最高接入帶寬進行限制。

網路管理

由於傳統的乙太網主要用於企業內部,因此乙太網交換機的網管功能一般較弱。為了滿足電信網路運行、維護、管理的需要,應當對設備的網管功能提出比較全面的要求。當前,乙太網接入網路中的設備應支持基於SNMPv2的網元級管理。

6 乙太網協議 -網路結構和設備要求

乙太網協議乙太網接入設備

乙太網接入的網路結構可以有多種形式,邊緣接入設備可看作「L2+」,即傳統二層交換機的改進;乙太網接入網關可看作「L3+」,即傳統三層設備(路由器或三層交換機)的改進。由於乙太網接入是一種新技術、新應用,相關標準尚不完全成熟;相應地,適合這種應用的設備還不多,在功能、性能方面仍不夠完善。目前,不少製造商、運營商等都在進行這方面的研究。

7 乙太網協議 -接入的其它問題

在乙太網接入的發展上,目前的主要問題包括市場、技術、維護三方面。在市場方面,由於寬頻業務仍處於發展初期,用戶實裝率比較低。而乙太網接入應用於居民小區或商業大樓時,不論有多少用戶,都必須對整座樓進行綜合布線,並安裝具有一定數量埠的設備。因此,儘管乙太網設備(包括交換機和用戶網卡)平均每埠的成本較低(低於ADSL),但如果將較低的實裝率(目前一般低於10%)這一因素考慮在內,上述成本可能遠高於ADSL。這是目前影響乙太網接入發展的主要原因。在技術方面,目前還不夠成熟,仍存在上述幾個關鍵問題有待解決。在維護方面,由於乙太網傳輸距離的限制,實際建設時,一般要將二層交換機安裝在居民樓內,而在電信機房之外放置大量有源設備,需要考慮和解決很多問題(如供電、散熱、防塵、防盜等),必然會帶來較大的維護成本。

8 乙太網協議 -應用新進展

乙太網協議乙太網發展

乙太網技術作為數據鏈路層的一種簡單、高效的技術,以其為核心,與其它物理層技術相結合,形成乙太網技術接入體系。EoVDSL方式結合了乙太網技術和VDSL技術的特點,與ADSL和(五類線上的)乙太網技術相比,具有一定的潛在優勢。WLAN技術的應用不斷推廣,EPON技術的研究開發正取得積極進展。隨著上述「可運營、可管理」相關關鍵技術問題的逐步解決,乙太網技術接入體系將在寬頻接入領域得到更加廣泛的應用。

同時,乙太網技術的應用正在向城域網領域擴展。IEEE802.17RPR技術在保持乙太網原有優點的基礎上,引入或增強了自愈保護、優先順序和公平演算法、OAM等功能,是乙太網技術的重要創新。對乙太網傳送的支持,成為新一代SDH設備(MSTP)的主要特徵。10G乙太網技術的迅速發展,推動了乙太網技術在城域網範圍內的廣泛應用,WAN介面(10Gbase-W)的引入為其向骨幹網領域擴展提供了可能。

總之,乙太網技術由於其簡單、低成本、易擴展的優勢,在用戶桌面系統和企業內部網路已非常普及,隨著技術的發展創新,其應用領域正逐步向接入網、城域網、甚至廣域網/骨幹網方面拓展,形成基於IP/Ethernet的端到端無縫連接。

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