以太網技術大全

2020-04-18 13:01:59

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供稿：網友

從10M、100M、千兆到萬兆以太網，以太網技術的發展，在速率呈數量級增長的同時，其應用領域也在不斷拓寬。而不同應用領域各自的應用需求，又促進了在這些領域內以太網技術的個性化發展。與此同時，以太網的網絡處理器芯片技術和測試手段也在發展和成熟之中。

“以太網技術大全”是以太網相關技術集大成者，包括如下內容：光纖以太網、無線局域網、端到端的以太網、多層交換與負載均衡、網絡處理器、運營商級寬帶技術、以太網安全、以太網測試以及基于以太網的IP存儲等等。

技術的發展總是與某一歷史時段特定的應用需求密切相關，以太網技術的發展亦如此。而且，以太網技術的發展向來超前，從未滯后。 光纖以太網

光纖以太網產品可以借助以太網設備采用以太網數據包格式實現WAN通信業務。該技術可以適用于任何光傳輸網絡――光纖直接傳輸、SDH以及DWDM網絡傳輸。目前，光纖以太網可以實現10Mbps、100Mbps以及1Gbps等標準以太網速度，而達到10Gbps后它更將成為各種業務的亮點。

光纖以太網業務與其他寬帶接入(例如DS3)相比更為經濟高效，但到目前為止它的使用只限于辦公大樓或樓群內已鋪設光纖的地方。使用以太網的這種新方法的戰略價值不僅僅限于廉價的接入，它既可用于接入網，也可用于服務供應商網絡中的本地骨干網，它可以只用在第2層，也可以作為實現第3層業務的有效途徑，它可以支持IP、IPX以及其他傳統協議。此外，由于在本質上它仍屬于LAN，因此可用來幫助服務供應商管理企業LAN及企業LAN和其他網之間的互聯。

目前及規劃中的光纖以太網設備是以第2層LAN交換機、第3層LAN交換機、SONET設備和DWDM為基礎。一些公司正計劃推出專為網絡運營商設計的光纖以太網交換機，這種交換機具有多種特性，可以盡量確保服務質量(如實現數據包分類和擁塞管理等)。所有未來產品均可能要求下列關鍵技術和性能：高可靠性、高端口密度、服務質量保證等功能。

限制因素

光纖以太網的靈活性和相對較低的價格使它很受歡迎。但是有一個因素限制了它的直接影響力，即運營商已鋪設光纖的大樓或樓群很少。光纖是光纖以太網不可或缺的組件，所以光纖以太網業務只能在已部署光纖的地方，或者可以快捷廉價地鋪設新光纖的地方提供。

實現設備

光纖以太網最富吸引力的特點是能夠提供價格低廉的業務，因為它的多數設備的成本相對較低。大多數光纖以太網設備包括企業第2層以太網交換機，配備光纖接口。交換式光纖以太網產品通常是基于第2層LAN交換機。但是，有些廠商的方案是基于第三層交換機的。光纖以太網方案使SP能夠構建混合網絡，其中一些位于第2層，而另一些則是第2/3層的組合。

廣泛的用途

光纖以太網能夠支持以下業務類型。

● 高帶寬Internet接入以及(潛在的)其他通信接入，如幀中繼和專線;

● MAN城域網;

● MAN內的透明LAN業務，即固定速率的LAN到LAN通信;

● 存貯區域網(SAN)業務，以太網連接將在本地服務器和遠程存儲設備之間代替或傳輸光纖信道連接;

● VPN業務(類似于規劃中基于多協議標記轉換標準的VPN)，該業務是基于802.1p以太網標準;

● 為其他SP提供的業務，用于集合和連接DSL及電纜調制解調器;

● 可管理的LAN業務和可管理的Internet安全性業務。

更多的應用可望相繼出現，如光纖以太網話音業務，這意味著光纖以太網將用作向VoIP骨干網傳輸話音的接入技術。不管是從需求面或者是從供應面來看，整體網絡都朝著寬帶的腳步邁進，這給予以太網一個很好的發展空間。從技術面來看，二十年來，以太網帶寬由十兆、百兆、千兆，一直發展到2002年的萬兆，甚至四萬兆、十萬兆都已經處于研究討論階段，這使得以太網技術有了很好的擴展性；從應用面來看，以太網不僅僅只局限在局域網的應用，不僅僅只局限在城域網的應用，萬兆以太網更進一步將以太網延伸到廣域網的應用，這使得我們過去推動的“全球以太網”概念變得更加實際而可行。若再配合IEEE于2000年底成立的EFM工作組（Ethernet in the First Mile）試圖發展的新型寬帶接入技術，或者目前已經流行的以太網小區接入、大樓接入，提供端到端的以太網解決方案變得更加可行。從而，不止IP統一了上層網絡，以太網也統一了下層網絡，透過IP，透過以太網，整個網絡端到端形成從接入網、城域網到廣域網間無縫的連接，從網絡的投資成本、邏輯管理、兼容性、以及端到端的服務質量（QoS），以太網都具有相當的競爭優勢。

端到端以太網方案以以太網作為接入技術，不但成本低，而且帶寬比現行的Cable Modem、ADSL、ISDN、Modem接入都要高，因此不但可以作為一般用戶Internet連接，或者多媒體點播或廣播用途，更可以作為企業用戶實現VPN虛擬私有專網互聯使用; 大型企業各分支機構可以透過端到端的以太網實現企業內部VPN互聯，企業與其合作伙伴也可以透過端到端的以太網實現企業外部VPN互聯。

對用戶或者對運營商來說，找到一個低成本、高帶寬、具安全性能的VPN互連方案是個很關鍵的問題，而其答案其實就在最簡單的802.1p/802.1q VLAN標準上頭，我們可以采用二層的VLAN技術來提供VPN服務，但是也有幾個問題需要解決。

末端用戶的帶寬管理

不同用戶有不同的帶寬需求，或者基于使用者付費原則，不同費用等級的用戶可以享有不同的帶寬，因此接入設備必須支持帶寬限制功能。

服務質量（QoS）機制

不同的業務需要不同的服務質量保證，或者不同等級的用戶享有不同的服務級別，這些不管是透過二層的802.1p還是三層的IP ToS技術來實現，網絡設備都必須能夠對流量進行分類、標記、甚至測量或整形，以實現QoS機制。

VLAN的擴展

基于802.1p/802.1q VLAN標準的VLAN數量只有4096個VLAN，對企業組網也許夠用，但對運營商提供基于VLAN的VPN服務而言，4096個VPN無法滿足大量成長的客戶需求，因此必須對VLAN數量做相當的擴展。

目前的Super VLAN技術在原有分組（僅有一個VLAN標記）中再加入一組VLAN標記，使得VLAN數目可以擴展到4096×4096，這就相當于將端對端的VLAN細切成骨干VLAN及邊緣VLAN，骨干VLAN類似于ATM中的VPI，而邊緣VLAN類似于ATM中的VCI一樣。

VLAN的安全性與用戶隔離

以二層VLAN作為VPN使用，跨VLAN的互聯基本上已被阻斷，從而提供了基本的安全功能，運營商甚至可以利用更多的手段如ACL、MAC地址過濾等來加強安全性能。如果有必要對相同VLAN下面的不同用戶進行隔離，private VLAN也是可性的方法之一。

生成樹協議（STP）的收斂、擴展與分流

以端到端以太網的VLAN技術來提供二層的VPN服務將形成一張大型的二層網絡，對STP來講，不管是冗余鏈路的收斂時間，網絡拓撲結構的擴展或者阻斷鏈路（Block）的帶寬利用都將造成很大的影響，因此必須引進快速生成樹（RSTP）、超級生成樹（Super STP）、VLAN群組生成樹（RVGST）等技術來強化生成樹協議（STP）在大型網絡中的擴展性。

非生成樹協議技術

在更大型的網絡中也可以考慮采用諸如RPR（Resilient Packet Ring）、MRP（Metro Ring Protocol）等環狀拓撲技術或VSRP（Virtual Switch Redundant Protocol）星狀拓撲技術來取代生成樹協議，從而使得光纖資源得到更多的節省，網絡的收斂達到次秒級的水準。
以太網穿越SDH骨干網

端到端以太網穿越骨干網時，并不是所有骨干網都是百兆/千兆以太網所組成的城域網來支撐。更多時候，以太網必須穿越SDH骨干網到達另一邊的以太網，因此提供以太網VLAN功能穿越SDH是必需的功能。

經過多年發展，以太網技術基本解決了上面幾個主要問題，由于以太網的高度普及和VLAN技術的不斷演進，在端到端以太網絡中采取二層VLAN技術來實現VPN業務不但簡單、低成本、高帶寬，而且兼容性特別高，對個別用戶或運營商來說，VPN互聯增值服務在端到端以太網中是高度可行的方案，客戶無需苦苦等待MPLS VPN。

負載均衡技術

TCP/IP 流量的激增，新型網絡流量管理設備也相伴產生，這樣的設備提供智能內容交換能力，運用此能力可監控網絡請求及服務器系統，通過分發訪問流量來獲得最佳的響應。

Web、內容或第四層至七層交換機這類設備已不再陌生，其利用負載均衡技術, 智能化地將Internet流量轉發到應用服務器。更先進的 Web 交換機能夠提供基于第七層的流量分發，通過更詳細地檢查 IP 信息包，并基于 HTTP 報頭、URL 和 Cookies 進行轉發。針對全球性公司，Web 交換機能夠將訪問流量分發到位于世界各地的服務器，為用戶提供最佳的響應時間和無與倫比的整體可靠性。

SLB 技術

SLB是一種通用術語，是一種能夠提供以下功能的技術：最大化提高服務器利用率；為應用提供高整體可用性; 透明地實現網絡服務器的負載均衡，使其對用戶來說，就像是一個整體；提供易管理性。服務器負載均衡設備使用預測器技術和先進的可配置應用組合，以達到預期的流量分發結果。預測器技術是較低層的技術，其采用統計分配方法來劃分到達服務器的數據流量。

進一步的增強使得SLB可基于更高層的 HTTP 協議信息轉發流量?，F在的服務器負載均衡設備也稱 Web 交換機或第四層至七層交換機。

GSLB技術

全局服務器負載均衡或GSLB 是功能更為強大的 SLB實施。只不過SLB是在數據中心操作，而GSLB 是基于全局來進行操作。使用GSLB 不僅能夠縮短Web響應時間，而且還可使全球的客戶察覺不到服務器的故障。

GSLB 的基本前提是改進互聯網中采用的處理流程，將客戶機請求匹配到合適的服務器。這可以通過稱為 DNS查找的進程來實現。GSLB通過排列 DNS 中所存儲的 IP 地址順序對 DNS 的查找過程進行了改進。排序是根據幾種度量方式完成的，這些度量方式可以測試某個 IP 地址對應的特定站點的健康狀況。 網絡處理器

網絡處理器（Network Processor）是一種可編程器件，它特定地應用于通信領域的各種任務，比如包處理、協議分析、路由查找、聲音/數據的匯聚、防火墻、QoS等。

網絡處理器器件內部通常由若干個微碼處理器和若干硬件協處理器組成，多個微碼處理器在網絡處理器內部并行處理，通過預先編制的微碼來控制處理流程。而對于一些復雜的標準的操作(如內存操作、路由表查找算法、QoS的擁塞控制算法、流量調度算法等)則采用硬件協處理器來進一步提高處理性能。從而實現了業務靈活性和高性能的有機結合。

NP具有的優勢如下。

1．高性能

在基于網絡處理器的硬件平臺中，各種算法可以通過硬件實現，內部一般都集成了幾個甚至幾十個轉發微引擎和硬件協處理器、硬件加速器，在實現復雜的擁塞管理、隊列調度、流分類和QoS功能的前提下，同樣可以達到極高的查找、轉發性能，實現“硬轉發”。

2．可以靈活擴展的硬件特性

由于NP可以支持編程，一旦有新的技術或者需求出現，可以很方便地通過微碼編程實現，系統的“硬件”功能可以通過軟件模塊（微碼）的方式方便地進行添加、刪除。所以，對于特殊的用戶需求，基于NP的產品可以實現定制開發，即可以通過模塊刪減開發能滿足不同用戶需求的產品。

所以NP提供了更快的技術、功能跟進和更加靈活的擴展能力，特別是在新規格、新標準的支持上，基于NP技術構建的產品在當前業界對MPLS/IPv6等等新興標準的支持中已經明顯表現出其優勢。

3．高可靠性

基于NP的設備解決方案中，提供了更高的集成度，大部分功能都能使用一個或者兩個芯片實現，從而避免了從前通過多個芯片、芯片組系統間配合實現的方式所帶來的隱患和功能、性能下降，NP芯片系統轉產前都經過了嚴格的測試和各種抗干擾和破壞性試驗，從而使采用NP的系統的可靠性大大提高。

4．豐富的流分類、擁塞管理、隊列調度和QoS功能

大多數NP都使用硬件的并行操作方式，很多以前用軟件實現時無法保證性能的復雜策略QoS、流操作等等功能，在使用了NP之后，可以更加容易地得到實現，同時，對性能沒有影響，這在軟件實現和基于ASIC的系統中是難以實現的。

5．管理更加方便有效

NP都提供了和上層CPU標準的接口或者內置管理CPU，可以和其他CPU實現高速通信。NP一般都提供了大量硬件計數器，可以方便地實現各種MIB統計功能，為網管提供支持，而對業務系統而言，沒有開銷，不會因為復雜、細致的網管功能影響業務系統的性能。

6．可以實現靈活組合

NP作為一種器件，都提供了靈活的配置功能，可以通過NP的不同形式組合或者和其他CPU的組合，實現系統的靈活配置，滿足不同設備的需求，方便了系統設計，加快了設備的開發進度。 運營商寬帶技術

以太網的成功體現之一就是在電信領域的滲透，不僅僅是電信運營商為了用戶的需要提供適應以太網傳輸需要的技術，同時電信運營商在城域網中使用以太網技術。

以太網透傳

LANE：這是一個聽似比較久遠的技術。在很多利用ATM技術構建數據網絡的運營商，會向用戶提供這樣的服務。以太網可以通過運營商ATM網絡實現透明傳輸。

下一代的SDH/SONET：對于傳統電信運營商來說，SDH（歐洲和中國采用的標準）和SONET（北美的標準）是他們傳輸網絡中主要采用的技術體制。很多廠商推出了新的SDH和SONET技術滿足用戶的高速網絡互聯的業務需要，實現以太網在SDH/SONET上的透明傳輸，這類產品正在部署中。

Martini draft：這是一種新興的IETF標準。MPLS在電信網中得到普遍推廣，Martini draft是利用MPLS VPN技術透明傳輸以太網數據的技術，傳輸流的VLAN標簽與MPLS的標簽有映射關系，這一VPN 通道可以利用 MPLS 的流量管理特性來保證質量和實現鏈路迂回。

透明的局域網服務(TLS) ：是一種利用二、三層以太網交換機和802.1Q標準封裝協議提供端到端連接的方案，它同時可以提供多點之間的VLAN服務。有些廠商開發了超級匯聚 VLAN 的技術，利用交換機的二次標簽技術解決了這一窘境。

運營商使用的以太網技術

光纖以太網：直接在暗光纖上傳輸以太網業務，用于城區的短距離傳送(<70公里)。

RPR(Resilient Packet Ring)以太網：通過以IEEE 802.17標準來充分利用現有SDH環路網絡的功能。使以太網業務能夠借助SDH網絡的恢復功能傳輸幾千公里。

密波分復用以太網：使以太網絡可以通過多個波長或多種光波或一根光纖進行傳送，從而極大地提高網絡容量。

CWDM:與DWDM相比，CWDM更適合于構建城域網絡，它在一根光纖中傳輸的波長數量少，同時CWDM設備成本更低，功耗更低，有些廠商已經推出了交換機使用的CWDM GBIC。

10G以太網：萬兆以太網與SONET OC-192幀結構的融合，可以與OC-192電路和SONET/SDH設備一起運行，保護了傳統基礎設施投資，使供應商能夠在不同地區中通過城域網提供端到端以太網。

EPON (Ethernet PON) 和 GPON (Gigabit PON)：EPON是點到多點光以太網，可以較低的成本提供較高的帶寬。根據光分離比，無源光以太網（EPON）在遵守服務水平協議的同時可以支持30 Mbps的用戶帶寬，還能夠實現100 Mbps或更高的突發流量。EPON可以提供多種經濟優勢。

Ethernet over VDSL技術：該技術幫助人們利用電話線資源拓展以太網的覆蓋。VDSL可以在銅雙絞線上提供10Mbps以上的速度，還能夠克服ADSL技術的選線率低、速率不穩定等問題。

無線局域網：IEEE802.11a/b/g等無線局域網技術都給電信運營商提供了很好的服務手段，一方面可以提供類似移動數據服務。另一方面可以提供無線的以太網接入服務，或者是做本地的傳輸服務。

帶寬控制：電信運營商使用的以太網設備對帶寬控制能力要求很高，不同的交換設備采用的技術不同，且能夠提供的帶寬控制能力不同，比如初始帶寬為64Kbps或者1Mbps，遞增的粒度為1Kbps。

遠程管理與維護：對于電信運營商來說網絡的可維護、可管理性非常重要，一些廠商提供對交換機物理端口、線路進行遠程回環測試的功能。另外，配合一些廠商私有的軟件，他們可以遠程的對一組交換機或者其他以太網產品進行配置、管理、升級。

遠程線內供電：IEEE802.3af標準規定了在5類雙絞線中對以太網產品進行直流供電。在這一標準公布之前，已經有很多廠商能夠提供這樣的功能。

QoS：電信運營商對QoS的要求很高，以太網的IEEE802.1p技術結合IP層的DiffServ技術都備受重視。 基于以太網的IP存儲

一些使用以太網的存儲協議正迅速成為網絡存儲管理員詞典中的內容：FC/IP、Internet SCSI(iSCSI)、Fibre Channel Back Bone (FC-BB)和Internet光纖通道協議(iFCP)。所有這些協議，不管是作為千兆還是萬兆以太網部署，都運行在IP上面。

IP存儲協議的真正好處是它們不關心基礎的傳輸機制是什么，IP存儲不在意WAN連接是否是千兆以太網或者SONET不是點到點。

有200多家廠商正在開發iSCSI解決方案。廠商具有如此之高興趣的原因之一是IP存儲提供了一條在無需基于光纖通道技術的條件下，進入高速增長的存儲網絡領域的道路。

在存儲領域，SCSI的重要不言而喻，作為成熟的技術，它滿足了塊級數據傳輸的需求。雖然現在SAN利用串行光纖通道取代了SCSI的并行傳送機制，但它仍然使用SCSI協議，保留了SCSI控制器API。

相比之下，IP的技術特點決定了它在塊級數據傳輸上的劣勢。另外，IP不能保證數據包從信源傳送到目的，SCSI要求數據包不僅到達目的地，還要以準確的次序到達。作為一個折衷方案，人們自然地想到了用IP封裝塊級數據（iSCSI）或者是用IP把FC SAN連接起來（FCIP）。iSCSI是一個供硬件設備使用的可以在IP基于以太網的IP存儲

協議的上層運行的SCSI指令集。簡單地說，iSCSI可以實現在IP網絡上運行SCSI協議，使其能夠在諸如高速千兆以太網上進行路由選擇。

iSCSI最適于部署在從光纖通道設備向工作站或服務器傳輸塊級存儲數據的工作組中，不過，你可以將iSCSI與FC/IP或iFCP相結合，連接遠程辦公室和數據中心。 iSCSI使基于IP以太網的服務器可以訪問光纖通道SAN。由于iSCSI是一項新技術，因此，它仍將經歷定義、互操作性、部署和管理階段。這就是說，200多家開發iSCSI解決方案的公司的影響以及大量的已有IP網絡，將使iSCSI能夠對SAN產生真正的影響。

FC/IP是WAN和城域網(MAN)中最常用的存儲協議。它非常適用于在地理上分布的存儲區域網絡(SAN)之間鏡像保存數據，它很少(即使有的話)用作一項跨LAN傳輸存儲數據的技術。在FC/IP中，光纖通道幀被FC/IP封裝在IP包中。

FC/IP是一項利用TCP/IP協議在IP網絡上連接兩個SAN的IETF標準。這項協議具有實現糾錯和檢測的優點：即如果IP網絡錯誤率高的話，它就重試。這是在一條低性能、高錯誤率的IP網絡上連接SAN的理想途徑。

FC-BB是光纖通道骨干標準，它定義了跨多種類型的網絡連接SAN的方法。FC-BB描述了一種不需要重試方法的IP封裝方式：即它依賴于高層的SCSI糾錯方法。這種IP封裝可以在硬件中完成并可以擴展到數千兆位的速率。惟一的要求是網絡必須速度高且錯誤率低。
在iFCP網關中終結光纖通道會話，并將它轉換為iFCP上的TCP/IP會話。這種目的網關接收iFCP信息，啟動一次光纖通道會話，然后將iFCP信息轉換為光纖通道格式。對于需要保持以太網基礎設施的用戶來說，iFCP是一項很好的技術。iFCP技術背后的想法是利用無