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萬兆乙太網是指傳輸速度為10Gbit/s的乙太網,其技術與千兆乙太網類似,仍然保留了乙太網幀結構。通過不同的編碼方式或波分復用提供10Gbit/s傳輸速度。10G乙太網標準以於2002年7月在IEEE通過。10G乙太網包括10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W三種。

1 萬兆乙太網 -乙太網標準

    

萬兆乙太網萬兆乙太網
    是一個古老而又充滿活力的標準。自從1982年乙太網協議被IEEE採納成為標準以後,已經歷了20年的風風雨雨。在這20年中,乙太網技術作為區域網鏈路層標準戰勝了令牌匯流排、令牌環、wangnet、25MATM等技術,成為區域網事實標準。乙太網技術當前在區域網範圍市場佔有率超過90%。 
   在這20年中,乙太網由最初10M粗纜匯流排發展為10Base510M細纜,其後是一個短暫的後退:1Base5的1兆乙太網,隨後乙太網技術發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出現了快速乙太網:五類線傳輸的100baseTX、三類線傳輸的100BaseT4和光纖傳輸的100BaseFX。隨著帶寬的進一步提高,千兆乙太網介麵粉墨登場: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乙太網又稱萬兆乙太網。 
   在乙太網技術中,100BaseT是一個里程碑,確立了乙太網技術在桌面的統治地位。千兆乙太網以及隨後出現的萬兆乙太網標準是兩個比較重要的標準,乙太網技術通過這兩個標準從桌面的區域網技術延伸到校園網以及城域網的匯聚和骨幹。
一、萬兆乙太網出現的背景
  乙太網主要在區域網中占絕對優勢。但是在很長的一段時間中,人們普遍認為乙太網不能用於城域網,特別是匯聚層以及骨幹層。主要原因在於乙太網用作城域網骨幹帶寬太低(10M以及100M快速乙太網的時代),傳輸距離過短。當時認為最有前途的城域網技術是FDDI和DQDB。隨後的幾年裡ATM技術成為熱點,幾乎所有人都認為ATM將成為統一區域網、城域網和廣域網的唯一技術。但是由於種種原因,當前在國內上述三種技術中只有ATM技術成為城域網匯聚層和骨幹層的備選方案。
  目前最常見的乙太網是10M乙太網以及100M乙太網(快速乙太網)。100M快速乙太網作為城域骨幹網帶寬顯然不夠。即使使用多個快速乙太網鏈路綁定使用,對多媒體業務仍然是心有餘而力不足。隨著千兆乙太網的標準化以及在生產實踐中的廣泛應用,乙太網技術逐漸延伸到城域網的匯聚層。千兆乙太網通常用作將小區用戶匯聚到城域pop點,或者將匯聚層設備連接到骨幹層。但是在當前10M乙太網到用戶的環境下,千兆乙太網鏈路作為匯聚也是勉強,作為骨幹則是力所不能及。雖然乙太網多鏈路聚合技術已完成標準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點內或者短距離應用環境。
  傳輸距離也曾經是乙太網無法作為城域數據網骨幹層匯聚層鏈路技術的一大障礙。無論是10M、100M還是千兆乙太網,由於信噪比、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乙太網使用的主從同步機制所制約。802.3規定1000Base-SX介面使用纖芯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介面使用纖芯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千兆乙太網鏈路在城域範圍內遠遠不夠。雖然基於廠商的千兆介面實現已經能達到80km傳輸距離,而且一些廠商已完成互通測試,但是畢竟是非標準的實現,不能保證所有廠商該類介面的互聯互通。
  綜上所述,乙太網技術不適於用在城域網骨幹/匯聚層的主要原因是帶寬以及傳輸距離。隨著萬兆乙太網技術的出現,上述兩個問題基本已得到解決。
二、 萬兆乙太網技術簡介
  乙太網採用CSMA/CD機制,即帶碰撞檢測的載波監聽多重訪問。千兆乙太網介面基本應用在點到點線路,不再共享帶寬。碰撞檢測,載波監聽和多重訪問已不再重要。千兆乙太網與傳統低速乙太網最大的相似之處在於採用相同的乙太網幀結構。萬兆乙太網技術與千兆乙太網類似,仍然保留了乙太網幀結構。通過不同的編碼方式或波分復用提供10Gbit/s傳輸速度。所以就其本質而言,10G乙太網仍是乙太網的一種類型。
  10G乙太網於2002年7月在IEEE通過。10G乙太網包括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,每一對發送器/接收器在3.125Gbit/s速度(數據流速度為2.5Gbit/s)下工作。10GBASE-R是一種使用64B/66B編碼(不是在千兆乙太網中所用的8B/10B)的串列介面,數據流為10.000Gbit/s,因而產生的時鐘速率為10.3Gbit/s。10GBASE-W是廣域網介面,與SONET OC-192兼容,其時鐘為9.953Gbit/s數據流為9.585Gbit/s。

2 萬兆乙太網 -結構


  1. 10G串列物理媒體層
  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(物理介質相關)子層
  PMD子層的功能是支持在PMA子層和介質之間交換串列化的符號代碼位。PMD子層將這些電信號轉換成適合於在某種特定介質上傳輸的形式。PMD是物理層的最低子層,標準中規定物理層負責從介質上發送和接收信號。
  3. PMA(物理介質接入)子層
  PMA子層提供了PCS和PMD層之間的串列化服務介面。和PCS子層的連接稱為PMA服務介面。另外PMA子層還從接收位流中分離出用於對接收到的數據進行正確的符號對齊(定界)的符號定時時鐘。
  4. WIS(廣域網介面)子層
  WIS子層是可選的物理子層,可用在PMA與PCS之間,產生適配ANSI定義的SONET STS-192c傳輸格式或ITU定義SDH VC-4-64c容器速率的乙太網數據流。該速率數據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子層位於協調子層(通過GMII)和物理介質接入層(PMA)子層之間。PCS子層完成將經過完善定義的乙太網MAC功能映射到現存的編碼和物理層信號系統的功能上去。PCS子層和上層RS/MAC的介面由XGMII提供,與下層PMA介面使用PMA服務介面。
  6. RS(協調子層)和XGMII(10Gbit/s介質無關介面)
  協調子層的功能是將XGMII的通路數據和相關控制信號映射到原始PLS服務介面定義(MAC/PLS)介面上。XGMII介面提供了10Gbit/s的MAC和物理層間的邏輯介面。XGMII和協調子層使MAC可以連接到不同類型的物理介質上。
  由於10G乙太網實質上是高速乙太網,所以為了與傳統的乙太網兼容必須採用傳統乙太網的幀格式承載業務。為了達到10Gbit/s的高速率可以採用OC-192c幀格式傳輸。這就需要在物理子層實現從乙太網幀到OC-192c幀格式的映射功能。同時,由於乙太網的原設計是面向區域網的,網路管理功能較弱,傳輸距離短並且其物理線路沒有任何保護措施。當乙太網作為廣域網進行長距離、高速率傳輸時必然會導致線路信號頻率和相位產生較大的抖動,而且乙太網的傳輸是非同步的,在接收端實現信號同步比較困難。因此,如果乙太網幀要在廣域網中傳輸,需要對乙太網幀格式進行修改。
  乙太網一般利用物理層中特殊的10B(Byte)代碼實現幀定界的。當MAC層有數據需要發送時,PCS子層對這些數據進行8B/10B編碼,當發現幀頭和幀尾時,自動添加特殊的碼組sfd(幀起始定界符)和EFD(幀結束定界符);當PCS子層收到來自底層的10B編碼數據時,可很容易地根據SFD和EFD找到幀的起始和結束從而完成幀定界。但是SDH中承載的千兆乙太網幀定界不同於標準的千兆乙太網幀定界,因為復用的數據已經恢復成8B編碼的碼組,去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆乙太網的前導(preamble)和幀起始定界符(SFD)進行幀定界,由於信息數據中出現與前導和幀起始定界符相同碼組的概率較大,採用這樣的幀定界策略可能會造成接收端始終無法進行正確的乙太網幀定界。為了避免上述情況,10G乙太網採用了HEC策略。
  IEEE802.3 HSSG小組為此提出了修改千兆乙太網幀格式的建議,在乙太網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,同時由於最大幀長為1518位元組,則最少需要11個比特(=2048),所以在復接MAC幀的過程中用兩個位元組替換前導頭兩個位元組作為長度欄位,然後對這8個位元組進行CRC-16校驗,將最後得到的兩個位元組作為HEC插入SFD之後。
  10G WAN物理層並不是簡單的將乙太網MAC幀用OC-192c承載。雖然借鑒了OC-192c的塊狀幀結構、指針、映射以及分層的開銷,但是在SDH幀結構的基礎上做了大量的簡化,使得修改後的乙太網對抖動不敏感,對時鐘的要求不高。具體表現在:減少了許多開銷位元組,僅採用了幀定位位元組A1和A2、段層誤碼監視B1、蹤跡位元組J0、同步狀態位元組S1、保護倒換位元組K1和K2以及備用位元組Z0,對沒有定義或沒有使用的位元組填充00000000。減少了許多不必要的開銷,簡化了SDH幀結構,與千兆乙太網相比,增強了物理層的網路管理和維護,可在物理線路上實現保護倒換。其次,避免了繁瑣的同步復用,信號不是從低速率復用成高速率流,而是直接映射到OC-192c凈負荷中。
  10G以太區域網和10G以太廣域網(採用OC-192c)物理層的速率不同,10G以太區域網的數據率為10Gbit/s,而10G以太廣域網的數據率為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。採用什麼樣的調整策略將10GMII介面的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的調整策略有3種:
  在GMII介面處發送HOLD信號,MAC層在一個時鐘周期停止發送;
  利用「Busy idle」,物理層向MAC層在IPG期間發送「Busy idle」,MAC層收到后,暫停發送數據。物理層向MAC層在IPG期間發送「Normal idle」, MAC層收到后,重新發送數據;
  採用IPG延長機制:MAC幀每次傳完一幀,根據平均數據速率動態調整IPG間隔。
[編輯本段]三、 萬兆乙太網技術展望
  萬兆乙太網在設計之初就考慮城域骨幹網需求。首先帶寬10G足夠滿足現階段以及未來一段時間內城域骨幹網帶寬需求(現階段多數城域骨幹網骨幹帶寬不超過2.5G)。其次萬兆乙太網最長傳輸距離可達40公里,且可以配合10G傳輸通道使用,足夠滿足大多數城市城域網覆蓋。 採用萬兆乙太網作為城域網骨幹可以省略骨幹網設備的POS或者ATM鏈路。首先可以節約成本:乙太網埠價格遠遠低於相應的POS埠或者ATM埠。其次可以使端到端採用乙太網幀成為可能:一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優先順序信息,另一方面可以省略在數據設備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數據包分片,簡化網路設備。在城域網骨幹層採用萬兆乙太網鏈路可以提高網路性價比並簡化網路。
  我們可以清楚地看到,10G乙太網可以應用在校園網、城域網、企業網等。但是由於當前寬頻業務並未廣泛開展,人們對單埠10G骨幹網的帶寬沒有迫切需求,所以10G乙太網技術相對其他替代的鏈路層技術(例如2.5G POS、捆綁的千兆乙太網)並沒有明顯優勢。思科和JUNIPER公司已推出10G乙太網介面(依據802.3ae草案實現),但在國內幾乎沒有應用。目前城域網的問題不是缺少帶寬,而是消耗大量帶寬的Killer Application,是如何將城域網建設成為可管理、可運營並且可盈利的網路。所以10G乙太網技術的應用將取決於寬頻業務的開展。只有廣泛開展寬頻業務,例如視頻組播、高清晰度電視和實時遊戲等,才能促使10G乙太網技術廣泛應用,推動網路健康有序發展。

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