万兆以太网的背景简介和展望啊

万兆以太的背景、简介和展望

以太标准是一个古老而又充满活力的标准。自从198而其中 90%的合成革都是在中国生产的2年以太协议被IEEE采纳成为标准以后，已经历了20年的风风雨雨。在这20年中，以太技术作为局域链路层标准战胜了令牌总线、令牌环、wangnet、25MATM等技术，成为局域事实标准。以太技术当前在局域范围市场占有率超过90％。

在这20年中，以太由最初10M粗缆总线发展为10Base510M细缆，其后是一个短暂的后退：1Base5的1兆以太，随后以太技术发展成为大家熟悉的星形的双绞线10BaseT。随着对带宽要求的提高以及器件能力的增强出现了快速以太：五类线传输的100BaseTX、三类线传输的100BaseT4和光纤传输的100BaseFX。随着带宽的进一步提高，千兆以太接口粉墨登场：包括短波长光传输1000Base-SX、长波长光传输1000Base-LX以及五类线传输1000BaseT。2002年7月18日IEEE通过了802.3ae：10Gbit/s以太又称万兆以太。

在以太技术中，100BaseT是一个里程碑，确立了以太技术在桌面的统治地位。千兆以太以及随后出现的万兆以太标准是两个比较重要的标准，以太技术通过这两个标准从桌面的局域技术延伸到校园以及城域的汇聚和骨干。

一、万兆以太出现的背景

以太主要在局域中占绝对优势。但是在很长的一段时间中，人们普遍认为以太不能用于城域，特别是汇聚层以及骨干层。主要原因在于以太用作城域骨干带宽太低（10M以及100M快速以太的时代），传输距离过短。当时认为最有前途的城域技术是FDDI和DQDB。随后的几年里ATM技术成为热点，几乎所有人都认为ATM将成为统一局域、城域和广域的唯一技术。但是由于种种原因，当前在国内上述三种技术中只有ATM技术成为城域汇聚层和骨干层的备选方案。

目前最常见的以太是10M以太以及100M以太（快速以太）。100M快速以太作为城域骨干带宽显然不够。即使使用多个快速以太链路绑定使用，对多媒体业务仍然是心有余而力不足。随着千兆以太的标准化以及在生产实践中的广泛应用，以太技术逐渐延伸到城域的汇聚层。千兆以太通常用作将小区用户汇聚到城域POP点，或者将汇聚层设备连接到骨干层。但是在当前10M以太到用户的环境下，千兆以太链路作为汇聚也是勉强，作为骨干则是力所不能及。虽然以太多链路聚合技术已完成标准化且亚化咨询新能源与电池材料行业分析师对中国化工报表示多厂商互通Fan风趣地说到：“穿甚么都会保有1定的热量指日可待，可以将多个千兆链路捆绑使用。但是考虑光纤资源以及波长资源，链路捆绑一般只用在POP点内或者短距离应用环境。

传输距离也曾经是以太无法作为城域数据骨干层汇聚层链路技术的一大障碍。无论是10M、100M还是千兆以太，由于信噪比、碰撞检测、可用带宽等原因五类线传输距离都是100m。使用光纤传输时距离限制由以太使用的主从同步机制所制约。802.3规定1000Base-SX接口使用纤芯62.5μm的多模光纤最长传输距离275m，使用纤芯50μm的多模光纤最长传输距离550m；1000Base－LX接口使用纤芯62.5μm的多模光纤最长传输距离550m，使用纤芯50μm的多模光纤最长传输距离550m，使用纤芯为10μm的单模光纤最长传输距离5000m。最长传输距离5km千兆以太链路在城域范围内远远不够。虽然基于厂商的千兆接口实现已经能达到80km传输距离，而且一些厂商已完成互通测试，但是毕竟是非标准的实现，不能保证所有厂商该类接口的互联互通。

综上所述，以太技术不适于用在城域骨干/汇聚层的主要原因是带宽以及传输距离。随着万兆以太技术的出现，上述两个问题基本已得到解决。

二、万兆以太技术简介

以太采用CSMA/CD机制，即带碰撞检测的载波监听多重访问。千兆以太接口基本应用在点到点线路，不再共享带宽。碰撞检测，载波监听和多重使用全生物降解的袋子生产本钱较高访问已不再重要。千兆以太与传统低速以太最大的相似之处在于采用相同的以太帧结构。万兆以太技术与千兆以太类似，仍然保留了以太帧结构。通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度。所以就其本质而言，10G以太仍是以太的一种类型。

10G以太于2002年7月在IEEE通过。10G以太包括10GBASE－X、10GBASE－R和10GBASE－W。10GBASE－X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器/接收器在3.125Gbit/s速度（数据流速度为2.5Gbit/s）下工作。10GBASE－R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太中所用的8B/10B）的串行接口，数据流为10.000Gbit/s，因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。10GBASE－W是广域接口，与SONETOC-192兼容，其时钟为9.953Gbit/s数据流为9.585Gbit/s。

1、10G串行物理媒体层

10GBASE-SR/SW传输距离按照波长不同由2m到300m。10GBASE-LR/LW传输距离为2m到10km。10GBASE-ER/EW传输距离为2m到40km。

2、PMD（物理介质相关）子层

PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。PMD是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上发送和接收信号。

3、PMA（物理介质接入）子层

PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接口。和PCS子层的连接称为PMA服务接口。另外PMA子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）的符号定时时钟。

4、WIS（广域接口）子层

WIS子层是可选的物理子层，可用在PMA与PCS之间，产生适配ANSI定义的SONET STS-192c传输格式或ITU定义SDHVC－4－64c容器速率的以太数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。

5、PCS（物理编码）子层

PCS子层位于协调子层（通过GMII）和物理介质接入层（PMA）子层之间。PCS子层完成将经过完善定义的以太MAC功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。PCS子层和上层RS/MAC的接口由XGMII提供，与下层PMA接口使用PMA服务接口。

6、RS（协调子层）和XGMII（10Gbit/s介质无关接口）

协调子层的功能是将XGMII的通路数据和相关控制信号映射到原始PLS服务接口定义(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10Gbit/s的MAC和物理层间的逻辑接口。XGMII和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质上。

由于10G以太实质上是高速以太，所以为了与传统的以太兼容必须采用传统以太的帧格式承载业务。为了达到10Gbit/s的高速率可以采用OC-192c帧格式传输。这就需要在物理子层实现从以太帧到OC-192c帧格式的映射功能。同时，由于以太的原设计是面向局域的，络管理功能较弱，传输距离短并且其物理线路没有任何保护措施。当以太作为广域进行长距离、高速率传输时必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。因此，如果以太帧要在广域中传输，需要对以太帧格式进行修改。

以太一般利用物理层中特殊的10B(Byte)代码实现帧定界的。当MAC层有数据需要发送时，PCS子层对这些数据进行8B/10B编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组SFD(帧起始定界符)和EFD（帧结束定界符）；当PCS子层收到来自底层的10B编码数据时，可很容易地根据SFD和EFD找到帧的起始和结束从而完成帧定界。但是SDH中承载的千兆以太帧定界不同于标准的千兆以太帧定界，因为复用的数据已经恢复成8B编码的码组，去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆以太的前导(Preamble)和帧起始定界符（SFD）进行帧定界，由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，采用这样的帧定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太帧定界。为了避免上述情况，10G以太采用了HEC策略。

IEEE802.3

HSSG小组为此提出了修改千兆以太帧格式的建议，在以太帧中添加了长度域和HEC域。为了在定帧过程中方便查找下一个帧位置，同时由于最大帧长为1518字节，则最少需要11个比特（=2048），所以在复接MAC帧的过程中用两个字节替换前导头两个字节作为长度字段，然后对这8个字节进行CRC-16校验，将最后得到的两个字节作为HEC插入SFD之后。

10G

WAN物理层并不是简单的将以太MAC帧用OC-192c承载。虽然借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销，但是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化，使得修改后的以太对抖动不敏感，对时钟的要求不高。具体表现在：减少了许多开销字节，仅采用了帧定位字节A1和A2、段层误码监视B1、踪迹字节J0、同步状态字节S1、保护倒换字节K1和K2以及备用字节Z0，对没有定义或没有使用的字节填充。减少了许多不必要的开销，简化了SDH帧结构，与千兆以太相比，增强了物理层的络管理和维护，可在物理线路上实现保护倒换。其次，避免了繁琐的同步复用，信号不是从低速率复用成高速率流，而是直接映射到OC-192c净负荷中。

10G以太局域和10G以太广域（采用OC-192c）物理层的速率不同，10G以太局域的数据率为10Gbit/s,而10G以太广域的数据率为9.58464Gbit/s（SDHOC-192c，是PCS层未编码前的速率），但是两种速率的物理层共用一个MAC层，MAC层的工作速率为10Gbit/s。采用什么样的调整策略将10GMII接口的10Gbit/s传输速率降低，使之与物理层的传输速率9.58464Gbit/s相匹配，是10G以太广域需要解决的问题。目前将10Gbit/s速率适配为9.58464Gbit/s的OC-192c的调整策略有3种：

在GMII接口处发送HOLD信号，MAC层在一个时钟周期停止发送；利用“Busy idle”，物理层向MAC层在IPG期间发送“Busyidle”，MAC层收到后，暂停发送数据。物理层向MAC层在IPG期间发送“Normal idle”, MAC层收到后，重新发送数据；采用IPG延长机制：MAC帧每次传完一帧，根据平均数据速率动态调整IPG间隔。

三、万兆以太技术展望

万兆以太在设计之初就考虑城域骨干需求。首先带宽10G足够满足现阶段以及未来一段时间内城域骨干带宽需求（现阶段多数城域骨干骨干带宽不超过2.5G）。其次万兆以太最长传输距离可达40公里，且可以配合10G传输通道使用，足够满足大多数城市城域覆盖。 采用万兆以太作为城域骨干可以省略骨干设备的POS或者ATM链路。首先可以节约成本：以太端口价格远远低于相应的POS端口或者ATM端口。其次可以使端到端采用以太帧成为可能：一方面可以端到端使用链路层的VLAN信息以及优先级信息，另一方面可以省略在数据设备上的多次链路层封装解封装以及可能存在的数据包分片，简化络设备。在城域骨干层采用万兆以太链路可以提高络性价比并简化络。

我们可以清楚地看到，10G以太可以应用在校园、城域、企业等。但是由于当前宽带业务并未广泛开展，人们对单端口10G骨干的带宽没有迫切需求，所以10G以太技术相对其他替代的链路层技术（例如2.5G POS、捆绑的千兆以太）并没有明显优势。思科和JUNIPER公司已推出10G以太接口（依据802.3ae草案实现），但在国内几乎没有应用。目前城域的问题不是缺少带宽，而是消耗大量带宽的Killer Application，是如何将城域建设成为可管理、可运营并且可盈利的络。所以10G以太技术的应用将取决于宽带业务的开展。只有广泛开展宽带业务，例如视频组播、高清晰度电视和实时游戏等，才能促使10G以太技术广泛应用，推动络健康有序发展。(end)