千兆以太網技術綜述

2019-11-05 01:58:22

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供稿：網友

　　經濟在高速發展，信息在迅猛膨脹。多媒體應用的日益增加、ip語音傳輸需求的激增，對網絡的帶寬提出了新的挑戰。局域以太網從10M開始發展，經歷幾多的變遷，風風雨雨二十多年，發展到今天風靡一世的千兆以太網。千兆以太網以高效、高速、高性能而著稱，已經廣泛應用在金融、商業、教育、政府機關及廠礦企業等各行各業。

千兆以太網及其發展現狀

千兆以太網是建立在以太網標準基礎之上的技術。千兆以太網和大量使用的以太網與快速以太網完全兼容，并利用了原以太網標準所規定的全部技術規范，其中包括CSMA/CD協議、以太網幀、全雙工、流量控制以及IEEE 802.3標準中所定義的治理對象。作為以太網的一個組成部分，千兆以太網也支持流量治理技術，它保證在以太網上的服務質量，這些技術包括IEEE 802.1P第二層優先級、第三層優先級的QoS編碼位、非凡服務和資源預留協議（RSVP）。

千兆以太網還利用IEEE 802.1QVLAN支持、第四層過濾、千兆位的第三層交換。千兆以太網原先是作為一種交換技術設計的，采用光纖作為上行鏈路，用于樓宇之間的連接。之后，在服務器的連接和骨干網中，千兆以太網獲得廣泛應用，由于IEEE 802.3ab標準（采用5類及以上非屏蔽雙絞線的千兆以太網標準）的出臺，千兆以太網可適用于任何大中小型企事業單位。

目前，千兆以太網已經發展成為主流網絡技術。大到成千上萬人的大型企業，小到幾十人的中小型企業，在建設企業局域網時都會把千兆以太網技術作為首選的高速網絡技術。千兆以太網技術甚至正在取代ATM技術，成為城域網建設的主力軍。

千兆以太網的特點

千兆以太網的特點主要包括如下。

1．千兆位以太網提供完美無缺的遷移途徑，充分保護在現有網絡基礎設施上的投資。千兆位以太網將保留IEEE 802.3和以太網幀格式以及802.3受治理的對象規格，從而使企業能夠在升級至千兆性能的同時，保留現有的線纜、操作系統、協議、桌面應用程序和網絡治理戰略與工具；

2．千兆位以太網相對于原有的快速以太網、FDDI、ATM等主干網解決方案，提供了一條最佳的路徑。至少在目前看來，是改善交換機與交換機之間骨干連接和交換機與服務器之間連接的可靠、經濟的途徑。網絡設計人員能夠建立有效使用高速、要害任務的應用程序和文件備份的高速基礎設施。網絡治理人員將為用戶提供對Internet、Intranet、城域網與廣域網的更快速的訪問。

3．IEEE 802.3工作組建立了802.3z和802.3ab千兆位以太網工作組，其任務是開發適應不同需求的千兆位以太網標準。該標準支持全雙工和半雙工1000Mbps，相應的操作采用IEEE 802.3以太網的幀格式和CSMA/CD介質訪問控制方法。千兆位以太網還要與10BaseT和100BaseT向后兼容。此外，IEEE標準將支持最大距離為550米的多模光纖、最大距離為70千米的單模光纖和最大距離為100米的銅軸電纜。千兆位以太網填補了802.3以太網/快速以太網標準的不足。

千兆以太網的構建

千兆以太網絡是由千兆交換機、千兆網卡、綜合布線系統等構成的。千兆交換機構成了網絡的骨干部分，千兆網卡安插在服務器上，通過布線系統與交換機相連，千兆交換機下面還可連接許多百兆交換機，百兆交換機連接工作站，這就是所謂的“百兆到桌面”。在有些專業圖形制作、視頻點播應用中，還可能會用到“千兆到桌面”，及用千兆交換機聯到插有千兆網卡的工作站上，滿足了非凡應用下對高帶寬的需求。

在建設網絡之前，究竟用千兆還是百兆，要從實際出發，從應用出發，考慮網絡應該具備哪些功能。不同的應用有不同的需求，而且幾乎沒有只有單一業務的網絡。但是，在各種業務中，生產性業務肯定是優先級最高的。假如在網絡中傳輸語音，那么語音業務也需要優先安排。假如對業務優先的需求很高，網絡必須有QoS保證。這樣的網絡必須要智能化，在交換機端口能夠識別是什么類型的業務通過，然后對不同的業務進行排隊，為不同的業務分配不同的帶寬，這樣才能保證要害性業務的運行。數據業務本身是有智能的，不管多少帶寬都可以傳輸，只是時間長短而已，但是語音或者視頻就不一樣了，假如帶寬小了之后，馬上就聽不清楚了，或者圖像產生抖動，這都是不答應的。所以QoS非常重要。對單純的數據網絡，在QoS方面的需求就很低。在規劃網絡的時候，必須先了解清楚哪些功能是必須的，哪些可以不考慮。例如，目前多址廣播是比較重要的性能之一，假如需要在網絡中傳輸圖像，而網絡不具備多址廣播的特性，那么網絡的帶寬浪費就會非常嚴重，甚至根本無法實現。

千兆以太網國際標準

1997年1月，通過了IEEE 802.3z第一版草案；

1997年6月，草案V3.1獲得通過，最終技術細節就此制定；

1998年6月，正式批準IEEE 802.3z標準；

1999年6月，正式批準IEEE 802.3ab標準(即1000Base-T)，可以把雙絞線用于千兆以太網中。

千兆位以太網標準主要針對三種類型的傳輸介質：單模光纖；多模光纖上的長波激光（稱為1000BaseLX）、多模光纖上的短波激光（稱為1000BaseSX）；1000BaseCX介質，該介質可在均衡屏蔽的150歐姆銅纜上傳輸。IEEE 802.3z委員會模擬的1000BaseT標準答應將千兆位以太網在5類、超5類、6類UTP雙絞線上的傳輸距離擴展到100米，從而使建筑樓宇內布線的大部分采用5類UTP雙絞線，保障了用戶先前對以太網、快速以太網的投資。對于網絡治理人員來說，也不需要再接受新的培訓，憑借已經把握的以太網網絡知識，完全可以對千兆以太網進行治理和維護。

千兆以太網的標準化包括編碼/譯碼、收發器和網絡介質三個主要模塊，其中不同的收發器對應于不同的網絡介質類型。1000BASE-LX基于1300nm的單模光纜標準時，使用8B/10B編碼解碼方式，最大傳輸距離為5000米。1000BASE-SX基于780nm的FibreChannel optics，使用8B/10B編碼解碼方式，使用50微米或62.5微米多模光纜，最大傳輸距離為300米到500米。連接光纖所使用的SC型光纖連接器與快速以太網100BASE FX所使用的連接器的型號相同。1000BASE-CX是一種基于銅纜的標準，使用8B/10B編碼解碼方式，最大傳輸距離為25米。1000BASE-T基于非屏蔽雙絞線傳輸介質，使用1000BASE-T 銅物理層Copper PHY編碼解碼方式，傳輸距離為100米。1000BASE－T在傳輸中使用了全部4對雙絞線并工作在全雙工模式下。這種設計采用 PAM-5 (5級脈沖放大調制) 編碼在每個線對上傳輸 250Mbps。雙向傳輸要求所有的四個線對收發器端口必須使用混合磁場線路，因為無法提供完美的混合磁場線路，所以無法完全隔離發送和接收電路。任何發送與接收線路都會對設備發生回波。因此，要達到要求的錯誤率（BER）就必須抵消回波。1000BASE－T無法對頻率集中在125MHz之上的頻段進行過濾，但是使用擾頻技術和網格編碼能對80MHz之后的頻段進行過濾。為了解決5類線在如此之高的頻率范圍內因近端串擾而受到的限制，應該采用合適的方案來抵消串擾。

最初的千兆以太網采用高速780納米光纖信道的光元件傳輸光纖上的信號，采用8B/10B的編碼和解碼方法實現光信號的串行化和復原。目前光纖信道技術的數據運行速率為1.063Gbps，將來會提高到1.250Gbps，使數據速率達到完整的1000Mbps。對于更長的連接距離，將采用1300納米的光元件。為了適應硅技術和數字信號處理技術的發展，應在MAC層和PHY層之間制定獨立于介質的邏輯接口，以使千兆以太網工作在非屏蔽雙絞線電纜系統中。這一邏輯接口將適用于非屏蔽雙絞線電纜系統的編碼方法，并獨立于光纖信道的編碼方法。下圖說明了千兆以太網的組成。

如何升級至千兆以太網

把10M、100M網絡升級至千兆的條件并不多，最主要的是綜合布線條件。千兆以太網指的是網絡主干的帶寬，要求主干布線系統必須滿足千兆以太網的要求。假如原來的網絡覆蓋距離相隔幾百米至幾公里的多幢建筑物，則原來的主干布線一般采用的是多模或單模光纖，能夠滿足千兆主干的要求，可以不必重新敷設光纖了。在建筑物之間的距離小于550米的情況下，一般敷設價格相對低廉的多模光纖就可以滿足千兆以太網的需要。

假如原來的網絡只覆蓋了一幢建筑，而且最遠的網絡節點與網絡中心的距離不超過100米，則可以利用原來的5類或超5類布線系統。假如原來的布線系統達不到5類標準，或者采用了總線型布線系統而不是星型布線系統，則必須重新布5類線。

升級至千兆以太網，首先要將網絡主干交換機升級至千兆，以提高網絡主干所能承受的數據流量，從而達到加快網絡速度的目的。以前的百兆交換機作為分支交換機，以前的集線器則可以在布線點不足的地方使用。目前千兆交換機的產品已經很多，可以根據網絡的要求和預算等實際情況選擇。

網絡上的服務器需要吞吐大量的數據，假如網絡主干升級至千兆，但是服務器網卡還停留在百兆的水平上，服務器網卡就會成為網絡的瓶頸，必須使用千兆網卡才能消除這個瓶頸，解決方法是在原來的服務器上添加千兆網卡。注重應該優先選購64位PCI的千兆網卡，其性能比普通PCI千兆網卡高一些。千兆網卡可以根據網絡的要求和預算等實際情況選擇。

　

網絡主干升級了，網絡的分支也應隨之升級。假如原來的用戶計算機已經安裝了10M/100M自適應網卡，則可以不必升級網卡，只要將網卡接到百兆交換機上就可以了；假如原來使用的是10Mbps網卡，則需要將網卡更換為10M/100M自適應網卡，這樣才能提高工作站訪問服務器的速度。

千兆以太網的前景猜測

預計到2005年之前，數據傳輸量每年將以3倍的速度增長，并于當年超過語音傳輸量，成為全球通信網絡主要的傳輸方式。面對日益增長的數據流和多媒體服務，大容量、高速率、多功能模塊高端網絡產品的市場規模將不斷擴大?？梢灶A見的是，千兆以太網交換機所占的市場份額會越來越大。隨著Internet的發展和網絡上層出不窮應用的出現，萬兆以太網將是以后的主流，但至少在近兩年內，千兆以太網仍然是市場上的主流。

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