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以太网技术的发展与应用

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2003-10-31 10:29:50 周志敏

1.概述

随着网络技术飞速发展,多媒体应用愈来愈多,对网络的需求也越来越大,尤其是在服务器端上,100Mbps的速度已不能满足要求。于是Gigabit Ethernet诞生了。就如同Fast Ethernet的起源一样,Gigabit Ethernet也必须要能够向下相容Fast Ethernet以及Ethernet。目前中大型企业新一代的区域网络规划中,Gigabit Ethernet普遍使用在区域网络的骨干上,并以光纤介面为主流。在铜线(UTP)Gigabit部分,短期内则还不会像100baseTX那样快速延伸至桌面。

以太网最初是由Xerox公司研制而成的,并且在1980年由DEC公司和Xerox公司共同使之规范成形。后来它被作为802.3标准为电气与电子工程师协会(IEEE)所采纳。

以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的共享访问方案,即多个工作站都连接在一条总线上,所有的工作站都不断向总线上发出监听信号,但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输,而其他工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。冲突检测方法保证了只能有一个站在电缆上传输。早期以太网传输速率为10Mbps。

2.以太网技术标准

采用CSMA/CD(载波监听多路存取和冲突检测)介质访问控制方式的局域网技术,最初由Xerox公司于1975年研制成功,1979年7月~1982年间,由DEC、Intel和Xerox三家公司制定了以太网的技术规范DIX,以此为基础形成的IEEE802.3以太网标准在1989年正式成为国际标准。在20多年中以太网技术不断发展,成为迄今最广泛应用的局域网技术,产生了多种技术标准。

10base5;是原始的以太网标准,使用直径10mm的50欧姆粗同轴电缆,总线拓扑结构,站点网卡的接口为DB-15连接器,通过AUI电缆,用MAU装置栓接到同轴电缆上,末端用50欧姆/1W的电阻端接(一端接在电气系统的地线上);每个网段允许有100个站点,每个网段最大允许距离为500m,网络直径为2500m,既可由5个500m长的网段和4个中继器组成。利用基带的10M传输速率,采用曼彻斯特编码传输数据。

10Base2;是为降低10base5的安装成本和复杂性而设计的。使用廉价的R9-58型 50欧姆细同轴电缆,总线拓扑结构,网卡通过T形接头连接到细同轴电缆上,末端连接50欧姆端接器;每个网段允许30个站点,每个网段最 大允许距离为185m,仍保持10Base5的4中继器/5网段设计能力,允许的最大网络直径为5x185=925m。利用基带的10M传输速率,采用曼彻斯特 编码传输数据。与10base5相比,10Base2以太网更容易安装,更容易增加新站点,能大幅度降低费用。

10base-T;是1990年通过的以太网物理层标准。10base-T使用两对非屏蔽双绞 线,一对线发送数据,另一对线接收数据,用RJ-45模块作为端接器,星形拓扑结构,信号频率为20MHz,必须使用3类或更好的UTP电缆; 布线按照EIA568标准,站点—中继器和中继器—中继器的最大距离为100m。保持了10base5的4中继器/5网段的设计能力,使10base-T局域 网的最大直径为500m。10Base-T的集线器和网卡每16秒就发出“滴答”(Hear-beat)脉冲,集线器和网卡都要监听此脉冲,收到“滴答” 信号表示物理连接已建立,10base-T设备通过LED向网络管理员指示链路是否正常。双绞线以太网是以太网技术的主要进步之一,10base-T因为价格便宜、配置灵活和易于管理而流行起来,现在占整个以太网销售量的90%以上。

10base-F;是使用光缆的以太网,使用双工光缆,一条光缆用于发送数据, 另一条用于接收;使用ST连接器,星形拓扑结构;网络直径为2500m,定义了4种不同的规范:

10Base-FL;是10base-F中使用最多的部分,只有10base-FL连接时,光缆链路 段的长度可达到2000m,与FOIRL设备混用时,混合段的长度可达1000m。

10Base-FB;是用来说明一个同步信令骨干网段,用于在一个跨越远距离的 转发主干网系统中将专用的10Base-FB同步信令中继器连接在一起。单个10base-FB网段最长可达2000m。

10Base-FP;是用来说明点对点的连接方式,一个网段的长度可达500m。一个光 缆无源星形耦合器最多可连接33台计算机。

100base-T;是以太网标准的100M版,1995年5月正式通过了快速以太网/100Bas e-T规范,即IEEE 802.3u标准,是对IEEE802.3的补充。与10base-T一样采用星形拓扑结构,但100Base-T包含4个不同的物理层规范, 并且包含了网络拓扑方面的许多新规则。

100Base-TX;使用两对5类非屏蔽双绞线或1类屏蔽双绞线,一对用于发送数 据,另一对用于接收数据,最大网段长度为100m,布线符合EIA568标准;采用4B/5B编码法,使其可以125MHz的串行数据流来传送数据; 使用MLT-3(多电平传输-3)波形法来降低信号频率到125/3=41.6MHz。100Base-TX使100Base-T中使用最广的物理层规范。

100Base-FX;使用多模(62.5或125um)或单模光缆,连接器可以是MIC/FDDI 连接器、ST连接器或廉价的SC连接器;最大网段长度根据连接方式不同而变化,例如:对于多模光纤的交换机-交换机连接或交换机-网卡 连接最大允许长度为412m,如果是全双工链路,则可达到2000m。100Base-FX主要用于高速主干网,或远距离连接,或有强电气干扰的环 境,或要求较高安全保密链接的环境。

100Base-T4;是为了利用大量的3类音频级布线而设计的。它使用4对双绞线, 3对用于同时传送数据,第4对线用于冲突检测时的接收信道,信号频率为25MHz,因而可以使用数据级3、4或5类非屏蔽双绞线,也可使用音 频级3类线缆。最大网段长度为100m,采用EIA568布线标准;由于没有专用的发送或接收线路,所以100Base-T4不能进行全双工操作; 100base-T4采用比曼彻斯特编码法高级的多的6B/6T编码法。

100Base-T2;随着数字信号处理技术和集成电路技术的发展,只用2对3类UTP 线就可以传送100Mbps的数据,因而针对100Base-T4不能实现全双工的缺点,IEEE开始制定100Base-T2标准。100Base-T2 采用2对音频或数据级3、4或5类UTP电缆,一对用于发送数据,另一对用于接收数据,可实现全双工操作;采用RJ45连接器,最长网段为 100m,符合EIA568布线标准。采用名为PAM5x5的5电平编码方案。

自动协商模式;在100Base-T问世以后,在以太网RJ-45连接器上可能出现的信 号可能是5种以上不同的以太网信号(10Base-T、10base-T全双工、100base-TX、100Base-TX全双工或100Base-T4)中的任一种。为了简化 管理,3.11.71 IEEE已推出了Nway(IEEE自动协商模式),它能使集线器和网卡知道线路另一端能有的速度,把速度自动调节到线路两端 能达到的最高速度(优先的顺序为:100Base-T2全双工,100Base-T2,100Base-TX全双工,100Base-T4,100Base-TX, 100Base-T全双工, 10Base-T)。这是增强型的10Base-T链路一体化信号方法,并与链路一体化反向兼容。这种技术避免了由于信号不兼容可能造成的网络 损坏。具有这种特性的装置仍允许人工选择可能的模式。

3.千兆以太网

千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术,给用户带来了提高核心网络的有效解决方案,这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。

千兆技术仍然是以太技术,它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统,因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统,能够最大程度地投资保护,因此该技术的市场前景十分看好。

为了能够侦测到64Bytes资料框的碰撞,Gigabit Ethernet所支持的距离更短。Gigabit Ethernet 支持的网络类型,如下表所示:

千兆以太网技术有两个标准:IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准,目前已完成了标准制定工作。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。

3.1IEEE802.3z

IEEE802.3z工作组负责制定光纤(单模或多模)和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X,采用8B/10B编码技术,信道传输速度为1.25Gbit/s,去耦后实现1000Mbit/s传输速度。 IEEE802.3z具有下列千兆以太网标准:

(1)1000Base-SX;1000Base-SX只支持多模光纤,可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤,工作波长为770-860nm,传输距离为220-550m。

(2)1000Base-LX 2 多模光纤;1000Base-LX可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤,工作波长范围为1270-1355nm,传输距离为550m。

单模光纤;1000Base-LX可以支持直径为9um或10um的单模光纤,工作波长范围为1270-1355nm,传输距离为5km左右。

(3)1000Base-CX采用150欧屏蔽双绞线(STP),传输距离为25m。

3.2IEEE802.3ab

IEEE802.3ab工作组负责制定基于UTP的半双工链路的千兆以太网标准,产生IEEE802.3ab标准及协议。IEEE802.3ab定义基于5类UTP的1000Base-T标准,其目的是在5类UTP上以1000Mbit/s速率传输100m。IEEE802.3ab标准的意义主要有以下两点:

(1)保护用户在5类UTP布线系统上的投资。

(2)1000Base-T是100Base-T自然扩展,与10Base-T、100Base-T完全兼容。不过,在5类UTP上达到1000Mbit/s的传输速率需要解决5类UTP的串扰和衰减问题,因此,使得IEEE802.3ab工作组的开发任务要比IEEE802.3z复杂些。

千兆以太网最初主要用于提高交换机与交换机之间或交换机与服务器之间的连接带宽。10/100Mbps交换机之间的千兆连接将极大地提高网络带宽,使网络可以支持更多的10M或100M的网段;也可以通过在服务器中增加千兆网卡,将服务器与交换机之间的数据传输速度提升至前所未有的境界。千兆网标准被所有主要的网络产品厂商所支持,其中包括HP、3Com、Cisco等公司。

3.3千兆以太网的主要特点

(1)简易性;千兆以太网继承了以太网、快速以太网的简易性,因此其技术原理、安装实施和管理维护都很简单。

(2)扩展性;由于千兆以太网采用了以太网、快速以太网的基本技术,因此由10Base-T、100Base-T升级到千兆以太网非常容易。

(3)可靠性;由于千兆以太网保持了以太网、快速以太网的安装维护方法,采用星型网络结构,因此网络具有很高的可靠性。

(4)经济性;由于千兆以太网是10Base-T和100Base-T的继承和发展,一方面降低了研究成本,另一方面由于10Base-T和100Base-T的广泛应用,作为其升级产品,千兆以太网的大量应用只是时间问题,为了争夺千兆以太网这个巨大市场,几乎所有著名网络公司都生产千兆以太网产品,因此其价格将会逐月下降。千兆以太网与ATM等宽带网络技术相比,其价格优势非常明显。

(5)可管理维护性;千兆以太网采用基于简单网络管理协议(SNMP)和远程网络监视(RMON)等网络管理技术,许多厂商开发了大量的网络管理软件,使千兆以太网的集中管理和维护非常简便。

(6)广泛应用性;千兆以太网位局域主干网和城域主干网(借助单模光纤和光收发器)提供了一种高性能价格比的宽带传输交换平台,使得许多宽带应用能施展其魅力。例如在千兆以太网上开展视频点播业务和虚拟电子商务等。

本篇将对千兆以太网应用、千兆网交换机、千兆以太网与铜缆布线系统、千兆以太网与光缆布线系统等方面进行详细的阐述。

4.千兆以太网应用

千兆以太网相比其他技术具有宽的带宽的优势,并且仍具有发展空间,有关标准组织正在制定10G以太网络的技术规范和标准。同时基于以太网帧层及IP层的优先级控制机制和协议标准以及各种QoS支持技术也逐渐成熟,为实施要求更佳服务质量的应用提供了基础。伴随光纤制造和传输技术的进步,千兆位以太网的传输距离可达百公里,这使得其逐渐成为构建城域网乃至广域网络的一种技术选择。

---- 主干采用千兆以太网的好处在于:千兆位以太网将提供10 倍于快速以太网的性能并与现有的10/100 以太网标准兼容。同时为10/100/1000Mbps 开发的虚拟网标准 802.1Q以及优先级标准802.1p都已推广,千兆网已成为构成网络主干的主流技术。

---- 1998 年六月已制定完成的第一个千兆位以太网标准 802.3 以使用光纤线缆和短程铜线线缆的全双工链接为对象。针对半双工和远程铜线线缆的标准 802.3ab 于1999 年内出台。

---- 千兆位以太网将提供完美无缺的迁移途径,充分保护在现有网络基础设施上的投资。千兆位以太网将保留802.3和以太网帧格式以及802.3 受管理的对象规格,从而将使企业能够在升级至千兆性能的同时,保留现有的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序和网络管理战略与工具。

---- 千兆位以太网相对于原有的快速以太网、FDDI、ATM等主干网解决方案,提供了另一条改善交换机与交换机之间骨干连接和交换机与服务器之间连接的可靠、经济的途径。网络设计人员将能够建立有效使用高速、任务关键的应用程序和文件备份的高速基础设施。网络管理人员将为用户提供对Internet、Intranet、城域网与广域网的更快速的访问。

千兆位产品提供商,具有完整的千兆以太网产品线,可契合用户需求提供完整的解决方案。从核心的网络主干交换机到边缘的客户机服务器千兆接入,有针对用户需求设计的高性能的产品。如下我们给出一些典型的大楼、园区乃至城域网络的解决方案。千兆以太网交换机的部署,是一个非常引人注目的技术。目前,许多厂商的交换机把第2层交换和第3层交换融于一体,不论交换还是路由,都能提供至少1000pps的转发速率,甚至有的产品还可达到2000pps。这些高性能的特点对于Intranet来讲已显得非常重要,因为传统的局域网流量80/20自然法则(即80%的流量在本地工作组网络内和20%的流量流向骨干网)已经过时。

千兆以太网高速的多层数据包转发能力是千兆以太网技术能提供最好的性能价格比的有力例证。不仅如此,千兆以太网技术对于降低网络的长期拥有成本也是大有裨益的。

5.千兆网交换机

从1996年底开始,有些公司陆续推出集成了第2层交换和第3层路由的交换机产品,这种技术称之为“多层交换(multilayer switching)”。它为第2层交换技术增加了路由层服务,支持有选择的广播和组播抑制,支持VLAN及VLAN之间的数据包转发和防火墙功能,全面支持TCP/IP和IPX路由。

经过将近4年时间的发展,这些功能不断地得到了完善和加强,使得多层交换机比传统的路由器的性能价格比高出8至16倍。而新一代多层交换机以千兆以太交换技术为核心, 可以提供更加吸引人的性能价格比,是部门级网络和数据中心网络中替代传统路由器的最理想的可以提供多层交换的交换机。同时,其直接传输距离目前已达到130公里,完全可以实现以千兆以太网为骨干的大的企业局域网,骨干传输速率为2Gbps(全双工模式)。

值得一提的是,我国已有厂商(如深圳丰网)在消化吸收国外的先进技术后,现已推出同类产品,其网管特性、安全访问控制等更适合于中国市场。同时,其完善的售后服务和低廉的价格也足以使国内用户心动。相信由于有了国内厂商的参与竞争,多层千兆以太网交换机的价格居高不下的状况会很快改变,也必将进一步推动多层千兆以太网交换机的广泛使用。

推动技术发展的主要因素推动高速多层交换技术发展的最大因素是采用廉价的10/100M自适应网卡的Interne t和Intranet的大量部署。目前的网络已经离传统的c/s计算模式的层次结构越来越远,传统的c/s模式的80/20流量法则已成为过去。在网络设计方面, 传统的路由器加Hub或第2层交换机的网络部署模式也将变成历史。

另外,Intranet支持更加复杂的和对带宽敏感的各种多媒体数据流,如数据、文件、图片、动画、声音和视频等。一个Intranet最终用户对带宽的要求至少要比非Intranet 用户多50%~100%。同时,宽带接入已成为发展趋势。

目前,国内10/100M快速以太网卡的价格已低至100元左右,所以,为最终用户提供100 M的连接成本已经到了用户可以承受的水平。仅从价格角度来看, 用快速以太网接入已是一个"何时"的问题,而不是"是否"的问题。

另一个值得注意的问题是,为用户提供快速以太网连接可以提供更多的带宽余量来处理突发的交通量,这点是10BASE-T技术无法比拟的。突发流量是IP网络应用的特点之一。廉价和高带宽使得快速以太网不论在用户端还是服务器端都得以广泛的应用。

为了在无阻塞和处理突发交通流量的能力之间取得平衡,新一代交换机平台必须提供高于用户请求连接的8~16倍速率的主干连接,而以千兆以太网为主干正好满足了用户端的快速以太网连接的服务请求。这对于充分处理突发流量非常重要。

同时,在校园网或城域网中,不管跨越几个网络层,对于随机的Intranet交通量都要求提供端到端的持续不变的高性能。为了实现这一点,在一台交换机中同时具备高性能的第2层和第3层转发能力是唯一的解决方案。

无阻塞能力和有选择的转发功能是用户的主要需求。而各种非常有效的网管工具使得网络管理员能够有效且高效地把业务策略注入转发引擎中,其性能可以通过网管软件实时监测。这将从根本上有助于用户根据公司的短期和长期业务发展需要确定和交付所需的网络服务。新一代千兆以太网交换机支持这些特点和服务,同时也支持通用的路由协议,如IP/RIP或IP/OSPF等。这也大大降低了网络设备的复杂性。

6.千兆以太网与铜缆布线系统

千兆位以太网,包括1000BASE-SX(短波长激光器)和1000BASE-LX(长波长激光器)标准将提供一系列光纤的布线方式,由此使网络管理者更加重视他们的光纤基础设施。千兆位以太网是第一个千兆位应用,它被基于结构化布线系统的网络所采用。由于带宽的需求继续在布线系统期望的使用期内,超过千兆位的应用也将出现。从10Mbps或100Mbps以太网向千兆以太网的迁移经常被视为一次需要从铜线电缆向光缆的费用昂贵的升级。实际上情况并不一定如此,目前在企业中铜缆主要是支持快速以太网,同时这些现有的5类电缆也可以为千兆以太网提供可靠的支持。

IEEE 1000Base-T规范支持将5类或增强5类电缆用于成功的千兆位传输。在现有线缆上实现从100Mbps到千兆位的跳跃是通过几种信令的变化完成的,这些信令进一步利用了已经安装在多数企业网络中的电缆。

5类电缆一般为非屏蔽双绞线,它包含四对双绞线。快速以太网(100Base-T)和10Bas e-T只使用这些双绞线中的两对双绞线,留下了两对双绞线未使用。千兆以太网(1000Bas e-T)则使用所有这四对双绞线。

与全双工快速以太网相似,1000Base-T发送和接收信号同时进行。不同之处是1000B ase-T使用四对发送/接收双绞线,每对双绞线以250Mbps的速率运行。

在某些方面,5类电缆上运行千兆以太网比10/100Mbps 以太网布线更容易。1000Bas e-T规范具有包括自动交叉电缆连接在内的链路自动协商的特性。自动协商成功地实现了1000Base-T网卡、集线器、交换机或其他一些在端口初始化后可以以半双工运行的设备之间的电缆连接。

如果错误地连接到100Mbps端口的话,许多1000Base-T接口中内置的智能性还能够协商正确的速度。千兆位端口将以最高的共同速度运行,从而防止对两方设备接口中的任何一个接口造成损坏。在服务器上以及网络中相关设备上使用1000Base-T 网卡使用户可以在提供有效的高速连接的同时,继续使用5类电缆基础设施。

当以前从10Mbps向100Mbps迁移时,尽管意味着向更高质量的电缆的升级,但仍看起来像个奇迹。而今天从100Mbps向千兆数据传输速率迁移更是非同寻常,同时传送和接收、改进了的数据编码方式以及非凡的过滤技术使得这种迁移成为可能。更令人感到惊奇的是今天将传输速度提高十倍利用现有电缆技术得以实现的这一事实。增强型5类电缆和仍未确定的6类电缆保证了千兆信号质量的进一步改善。

基于计算机技术历史提出的下一个问题是:我们可以期望在5类(或更高)电缆上实现2Gbps或者甚至10Gbps 以太网吗?工程技术人员愿意面对这样的挑战,但是在使用非屏蔽双绞线电缆的情况下,答案是:这可能行不通。即使在5类电缆速度超过千兆以太网的情况下,部署这类技术的费用可能超过使用更合适的光纤接口解决方案的费用。

向10千兆位以太网的迁移出于多种理由将需要光纤。首先,光技术已经得到证明可以超越10Gbps。第二,密集波分复用光纤中的光技术的进步使数据速率的大幅提高超越目前使用中的速度成为可能。第三,今天光部件的价格具有了与铜缆的竞争力。第四,长距离传输对于运行在1Gbps上的光纤和铜线都是个问题,1000Base-T规范只支持100米的距离。现在正在制定10Gbps标准的IEEE委员会预期多模光纤上的10Gbps通信距离仅限制在85米。最终的结果是什么呢?随着网络带宽不断增长,向光缆的迁移是不可避免的。但是,在今后几年中,将现有5类电缆用于千兆以太网将成为满足许多企业计算需要的可行的替代办法。目前线缆的类别大致可归纳为以下几类:

CAT 1: 传统电话线。适于模拟语音和数据。

CAT 2: 最初为IBM 3类。适于4 Mbps令牌网局域网和T1,较少使用。

CAT 3: 为10 Mbps以太网设计,广泛用于数字PBX系统,但由于Cat 5出现而趋于衰退。

CAT 4: 为10 Mbps以太网和10 Mbps令牌网设计,较少使用。

CAT 5: 为100 Mbps以太网和155 Mbps ATM设计。这是目前大多数企业安装的首选线缆。

CAT 6: 用于1000 Mbps以太网。

CAT 7: 屏蔽双绞线标准,提供比6类更高的带宽,预计将主要应用于欧洲市场。

网络布线从5类、超5类到6类甚至7类的转换,布线业内有很多猜测。在未来的几年中,网络布线将进一步实现从5类到超5类及超5类到6类的转换。这一过程的第一阶段是超5类取代5类,已在进行中,到2001年上半年,一旦6类标准正式出台,6类就以更快速度取代上一代产品。

7.千兆以太网与光缆布线系统

比起50微米光纤,62.5微米光纤已得到世界标准和用户的青睐,并在世界市场上取得了优势。这一优势取决于坚实的技术原因,此种光纤最适合于间距2公里范围之内的数据通信,它与低成本LED发射器相匹配。62.5微米光纤通过从LED光源上聚集更多的光,并降低折射引起的光能损耗,因此取得了更长的链接。但是,LED已经不能满足更高的数据传输速率的要求,并且低成本的CD激光器和VCSEL (垂直孔表面发射激光器)的数据传输率高于622Mbps。这些低成本激光器将用于千兆位以太网和应用于更高的数据传输率。

由于这些新的激光源产生的光能很好地与62.5微米和50微米光纤相匹配,所以光纤的模带宽现在成为了确定可传输最大距离的决定因素。62.5 和50微米光纤的主模带宽标准在千兆位以太网标准草案中得到确认,鉴于千兆位以太网的标准,50微米光纤的支持者认为,在较高带宽和较长距离条件下,比起62.5微米光纤,50微米光纤是一个更好的长期解决办法。所以用户对他们现有的光纤安装以及再安装光纤主干的潜在需要感到担心,但是,这种观点势必导致只重视千兆位以太网的发展,而忽略了这样一个事实,即结构化布线既要保证向下的兼容性,又要考虑到未来十几到二十几年应用系统发展的需要。

布线安装应在可能的地方允许发展1000BASE-SX,因为它比1000BASE-LX便宜得多。但是必须密切重视现有的应用以及未来数据传输率的提高。下列情况必须予以考虑;

①如果大楼内或校园主干网距离小于220米,160MHz/km的62.5微米光纤,可支持100 0BASE-SX。

②增强的200MHz/km的62.5微米光纤对千兆位以太网的支持至少达到275米。关于中心光纤结构的TIA技术通告(TSB-72)和目前向ISO 11801提议的中心光纤布线等级规定了300米的距离,一份关于美国公司的布线调查提出,92%的建筑物范围内的主干网距离小于550米。如果已经完成布线,而且布线距离超过62.5微米光纤支持的1000BASE-SX所规定的距离,考虑到成本核算的因素,可以选择62.5微米光纤支持的 1000BASE-LX的电子设备。

③对于新的布线安装,在采用50微米光纤时必须考虑如下因素:

与已安装的62.5微米光纤不兼容;使用LED光源的传统局域网的配置会导致2-5dB的衰减,以及对最大支持传输距离的影响;对某些应用不支持,如FDDI、 100VG-AnyLAN和光纤通道的某些形式;与TIA/EIA 568A相矛盾;市场占有份额小;供应商少等等。

另外,安装50微米光纤用于支持275到550米间的距离是不必要的。2.5Gbps的ATM需要使用单模光纤,而不是多模光纤。一般说来,长距离的网络传输必须考虑使用单模光纤,因为它是千兆位以太网距离大于550米情况下的首要选择,在校园主干网上可以看到这种使用,从长远来看,单模光纤将极有可能成为2.5Gbps ATM以及更高速率网络布线的前提。

在主干网或服务器的连接使用62.5微米多模光纤,并结合使用更优秀的单模光纤,是支持当今先进的网络应用的最经济合算的方式,而且为将来更高速度的局域网和宽带视频提供保证。

以上建议必须考虑到每个用户的使用情况以及规划基础。对于是选择单模光纤还是选择62.5微米多模光纤,这取决于对超过多模光纤支持能力的应用需求的预测,30%的单模应用比例对大多数采用千兆位以太网的用户是足够了。在资金充裕的条件下,采用更高比例的单模光纤,从长远来看将是合算的。

本篇就将对光以太网、光以太网的建设、光接入网络技术以及以太网的QoS做讲解。

8.光以太网(Optical Ethernet)

光以太网的出现,彻底解决了上述问题。从2000年下半年以来,包括北电网络公司在内的一些电信设备公司提出了光以太网的概念。这一解决方案的核心是利用光纤的巨大带宽资源和以太网的成熟和易用为运营商建造新一代的宽带城域接入网,满足市场对带宽的巨大需求。

光以太网将以太网的优越性扩展到了城域网,如低成本的以太网接口(10Mbps、100Mbps、1Gbps),由于以太网在企业和个人计算机上的广泛使用,使得以太网的硬件成本非常低,大大降低了运营商的网络建设成本。以太网已经有26年的历史,技术的成熟更降低了网络的风险。通过跨广域网的VLAN实现虚拟专用网络应用,不需要企业改变他们现有的IP地址编址,大大简化了企业的管理成本,使得光以太网可以同时为住宅用户和商业用户服务。

光以太网技术用于建设公共电信网,必须满足对电信网的几个基本要求:

8.1高可靠性

电信网络99.999%的可靠性不仅体现在网络设备的可靠性,同时对组网技术、路由选择、拥塞控制、故障恢复、路径保护和流量管理提出了要求。网络的可靠性包含以下几个方面:

链路/路径的保护和故障恢复、拥塞控制、路由选择和流量控制。已有的以太网技术在这几方面存在缺陷。如在城域网的组网中,经常会出现环路,Spanning Tree设计用来消除环路,这样不仅带宽不能有效利用,并且当链路发生故障时,Spanning Tree的重构又需要多达十几秒的时间。与传统的SDH相比,是无法接受的。为解决以上问题,IEEE成立了802.17工作组专门致力与环结构以太网技术RPR的研究。以期在网络可靠性方面有较大的提高。北电网络公司是该工作组的发起人之一。

8.2可提供SLA

对商业用户而言,ATM和帧中继是他们熟悉的业务。以太网如果想成为这些业务的替代产品,必须能够满足用户对服务等级的严格要求。

8.3高可扩展性

扩展性包括两个方面,一是对业务的汇聚能力,以便为更多的用户提供服务。另一方面是业务的颗粒度要比较细,能够满足不同用户或同一用户不同时期对带宽的要求。

8.4用户管理

表现在对用户的识别和管理,以及为不同用户提供不同服务等级的能力。以太网技术具有非常好的扩展性,可以非常方便地扩展用户的数量,同时他的统计复用功能大大提高了网络中继带宽的利用率。但在用户管理和网络可靠性方面,目前的以太网技术还不能满足电信网的要求。

用户管理是一切业务的基础,目前很多已建和在建的宽带城域网都没有用户管理的功能,不能提供按使用计费的功能,因此,只能对用户实行包月制。使业务推广受到极大的限制。用户管理包括我们通常所讲的用户认证、授权和计费三个方面的功能。目前PPPoE是比较常用的一种用户管理手段.

BRAS是宽带接入网关,如北电网络公司的Shasta 5000就是此类设备。他可以安装在端局的POP节点,负责终结由用户PC机发起的PPPoE进程。在BRAS的后面,连接了运营商的Radius认证服务器和Radius计费服务器。当用户登录时,BRAS将用户输入的用户名和口令传送到认证服务器,验证通过后,BRAS将允许用户接入网络,并启动计费服务器对用户进行计费。

为了方便用户的使用,一种更为方便的业务在线申请方式已经在一些BRAS上实现。在这种方式下,BRAS后方增加了一台门户服务器。没有申请业务的用户可以通过缺省用户名/口令 如BRAS/BRAS登录网络,这时,该用户只能通过浏览器访问门户服务器。门户服务器的主页上是可供选择的业务类型。用户可以在这里选定用户名/口令以及申请的业务类型。门户服务器将自动更新BRAS和认证服务器的记录。用户在几分钟内就可以完成注册和业务申请。极大地方便了用户的使用,节省了运营开支。

由于目前城域网的建设处于第一阶段,运营商往往希望以最小的投资尽快占领市场,相对比较昂贵的BRAS投资往往超出他们的预算,因此目前采用BRAS PPPoE用户管理方式的网络较少。BRAS的大量使用应该出现在网络建设的第二阶段之后。

与此同时,作为以太网标准的制定者,IEEE也开始探讨以太网在城域网范围内使用所涉及的安全和认证方面的问题,提出了802.1x草案。该方案的核心内容是如图。

靠近用户一侧的以太网交换机上放置一个EAP代理,用户PC机运行EAPoE的客户端软件与交换机通信。初始状态下,交换机上的所有端口处于关闭状态。当用户通过EAPoE登录交换机时,交换机将用户同时提供的用户名口令传送到后台的Radius认证服务器上。如果用户名/口令通过了验证,则相应的以太网端口打开,允许用户访问。802.1x的实现基于以太网交换机,为运营商提供了一种更为经济实用的用户管理方式。

此外,10G以太网标准已经接近完成,这将为以太网技术在城域网中的应用开辟更为广阔的空间。

9.光以太网的建设

光以太网首先在北美得到应用。在近两年,北美出现了一批城域以太网运营商(MEC),如Yipes,Cogent,Telseon等。以Yipes为例,他目前在美国约20个大城市提供公共以太网接入业务,他的网络中大量使用千兆以太网交换机,通过光纤到大楼为用户提供Internet接入和透明局域网互连(TLS)业务,主要客户是ISP、律师事务所、基于Web的企业等商业用户和学校。

与北美不同,中国的以太网接入业务首先瞄准了住宅用户。北美的私人住宅非常分散,采用光纤到路边的方法,每对光纤覆盖的用户数量非常小,因此,在北美使用ADSL和Cable Modem更为经济。中国的情况完全不同,城市的居民集中居住在各类小区内,小区内的住宅数量在300到2000户之间。运营商采用光纤到小区的方法非常经济实用。据测算,以太网接入用户的成本(不计光纤和双绞线)约在30到60美元之间,大大低于ADSL和Cable Modem。

在国内,宽带IP城域网的建设从1999年开始。部分省市的有线电视台为向其有线电视用户提供Internet接入服务,选择以太网技术建设城市宽带网,采用以太网/HFC混合的方式,在某些小区提供以太网到用户,在另一些小区采用以太网到小区,Cable Modem到用户的方式提供服务。2000年以来,各地电信公司纷纷开始建设宽带城域网,以以太网到用户为主,ADSL为辅。

宽带城域网的建设基本可以分为3个阶段。第一阶段主要目标是抢占市场,运营商充分认识到市场就是公司的生命线,所以包括中国电信、联通、网通、有线电视公司等都把快速接入商业楼宇和住宅小区为第一要物。在这一阶段,大家纷纷采用现有的各种以太网交换机快速搭起网络的架构,提供的主要业务是包月制的Internet接入服务。第二阶段,运营商从公共运营网络的角度重新审视自己已建成的宽带城域网,并且从各种角度进行优化,提高网络的可靠性、可管理性,并考虑采用新的技术。以太网在城域网中的应用,同样对业界和设备厂商也提出了挑战。由于目前以太网产品主要应用在企业网环境下,在设备可靠性、网络可靠性等方面存在弱点。另外,发展基于以太网的组网技术、用户管理、带宽管理、计费系统成为主要任务。所以,第二阶段的主要任务是将宽带城域网优化成为一个真正意义的公共电信网。第一阶段网络建设完成之后,运营商的的关注焦点将转向业务,第三阶段的主要任务是在已有网络的基础上,如何开发出更多吸引用户的业务,带来更多的业务收入,使其在网络上的投资价值最大化。目前来看,宽带城域网的主要业务是Internet接入。我们可以在几个方面拓展业务面。

宽带给人们插上了梦想的翅膀,视觉的享受是人们的最爱。不能想象在城市中修建了上下十车道的大街后,人们只在上面骑自行车、赶马车。典型的视频应用如VOD、WebTV、视频会议、网络视频游戏、甚至高清晰电视节目。在商业用户服务方面,基于运营商网络的VPN和防火墙将是商业用户的主要应用。

10.光接入网络技术

据Forrester Research估计,在今后两年里有一半的企业用户打算将带宽增加一倍。那么这种带宽从何而来,企业用户目前只有不多的几种选择:带宽受限的T-1线路或价格昂贵且还不如普及的T-3线路。

光纤接入是解决这一问题的答案,据Vertical Systems Group表示,目前只有3%的企业连接到光纤网络上,同时76%的企业距光纤网的距离在一英里(约为1.6 公里)之内。但是,直到目前为止,将光纤直接连接到企业的唯一途径是使用价格昂贵的SONET设备,因此无法将光纤连接到每个建筑上。

光接入网络技术(OAN)是消除阻挡在局域网和广域网中不断增加的容量之间瓶颈的实用技术。OAN 使服务提供商可以向各种规模的企业提交基于光纤的宽带服务。基于无源光学网络(passive optical network, PON)的OAN不需要在外部站中安装贵重的有源电子设备,因此使服务提供商可以高性价比地向企业提供所需的带宽。

OAN由三个部分构成:一台安装在服务提供商中心局的光接入交换机(OAS);一台安装在客户端的智能光终端(IOT);以及一台安装在上述两种设备之间的PON。在PON 环境中除了光纤线路之外唯一所需的外部设备是无源光分路器和耦合器。这两种设备可以像水管子上的T 形连接器那样分离或合并传输流:将一半的光线传向一个方向, 另一半传向另一个方向。耦合器/分路器可以从很多光学部件生产厂商那里买到。

OAS是一种将来自分布在PON上“下游”的数百个IOT的传输流汇集起来的IP/ATM 交换机,配置标准接口的OAS提供了一个进入广域网的有效输入点。IOT是一种低价客户端设备,它可以支持宽带语音和数据服务。

基于PON的光纤接入网络技术使服务提供商可以在更好地利用光线嵌入基础的同时, 向众多企业用户提供具有从1M到100Mbps以及专用波长的灵活带宽的宽带语言和数据服务。

在接入网络中,一种规格不可能满足所有的需求,目前T-1、T-3和数字用户线路就是这种情况。OAN 使企业用户可以享用各种规格的灵活的带宽:从1M 到100Mbps以及专用波长的带宽。此外,OAN使企业用户可以迅速地改善其带宽状况来支持他们对带宽需求的变化,例如,一个零售商可以在假日季节将其服务水平由3M变为10Mbps。

由于没有几家公司准备使用占用整个波长的服务,因此OAN 应用能否将波长分为较小的波长十分重要。正如密集波分复用技术可以增加光纤线路上的波长量一样,分割波长的能力增加了一种波长所能提供服务的终点的数量。在具有这种功能时,服务提供商不需要在向每个客户提交波长时进行大量的投资。

OAN的另一个关键属性是利用嵌入式光纤基础设施。通过在外部站中使用无源光纤分路器和耦合器,服务提供商只需在一所办公区附近部署少量的光纤线路,然后再由办公区辐射出去为多数企业用户提供服务。

提交高容量宽带光纤基础设施终将消除公共网络中的最后一公里障碍,企业用户在可以不受限制地访问Internet的情况下,最终将享受到虚拟专用网络、企业对企业电子商务和应用外包等下一代服务。

11.以太网的QoS

以太网交换ASIC(专用集成电路)可以根据第一层到第七层信息对帧或分组分类。这就可以确切了解帧或分组属于哪个应用或会话,然后能够在逐个应用或流量的基础上实施带宽管理或带宽分配。这种智能通常称为基于策略的服务质量(QoS),通过这种智能,集中策略管理程序可以维护与客户、应用及相应服务水平协议(SLA)有关的所有必要细节。

通过先进的QoS,可以为客户提供一条物理以太网连接,不管物理速率是多少(10/ 100/1000/ 10000 Mbps),都可以在硬件中采用速率整形功能,确切地提供客户所需的带宽数量。此外,现在可以在一条物理管道中,在逐个应用或流量的基础上应用优先处理功能,而不像当前SONET/ATM网络那样需要单独的时隙或虚拟连接。这实现了极高的扩充能力,而这在现有的技术中是不可能实现的。同时,可以预计在以太网中将实现下一次增长浪潮。

QoS已经得到各个标准机构的支持,如IETF、ITU等,因为它使得以太网能够在现有技术上运行。为支持SONET/SDH上以太网协议,IETF (RFC 2878:桥接控制协议)和ITU已经标准化一个可互换的规范,可以透明地传输嵌入VLAN标记、且标记保持不变的以太网帧。

然而,万兆以太网并不仅仅是提供了更大的管道。基于策略的QoS是其另一个基本组成部分,Extreme Networks以有效的方式提供了这种功能。

QoS对万兆以太网如此重要的原因是:因为万兆以太网在初期可能会部署在过量使用的链路上,这些链路要求多得多的带宽。未经检查的过量使用(在QoS缺乏或不足时)几乎是达尔文式的吞吐量方法。例如,带宽密集型UDP/IP业务一般会消耗大量的带宽资源,而TCP/IP业务则获得较低的优先权,迫使会话速度大大降慢或超时。基于策略的QoS允许城域网供应商在提供的特级服务中,设置和强制实施严格的业务门限,有效地防止这种问题。服务配置严格遵守SLA,而不会影响其它服务。然而,这一规则有一个例外,即如果存在没有使用的带宽容量,那么可以为需要带宽的任何其它服务提供多余的带宽。这要远比SONET时分复用(TDM)方法经济实用,SONET时分复用强制配置固定数量的带宽,如果不使用这些带宽,就会造成带宽浪费。Extreme基于策略的QoS功能还有一个优点,即它允许分片为客户提供城域以太网带宽。

通过在万兆位链路上采用Extreme基于策略的QoS,可以简便地开通对时间敏感的业务,如IP语音(VoIP)、流式音频和实时视频,这些应用对时延和抖动都特别敏感。通过Extreme技术,这些应用可以获得所需的处理。基于策略的QoS对传统的客户应用同样非常关键,这些应用的最初目标并不是扩展到企业中,如IPX数据库。当然,这并没有阻止企业推动这些以太网应用,这些应用一般都远远超越原始局限,提供了关键事务型数据。通过支持Extreme基于策略的QoS,城域网供应商可以帮助客户实现商业目标。Extreme在每个端口上提供了八个基于优先权的队列。这可以以特级价格为特级客户提供特级服务。根据每MB价格,各种客户在网络上被分隔开来,分别获得自己购买的相应服务。另一个非常重要的功能是能够根据预定的DiffServ代码点重新映射分组,这也称为“着色”。基本上,着色技术自动强制实施服务水平协议,从而防止客户超越优先权,滥用访问权限。这超出了实施端到端QoS的范畴。

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