千兆以太网

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千兆以太网(Giga Bit Ethernet)

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什么是千兆以太网

  千兆以太网是对10Mbps和100Mbps802.3以太网标准的一个扩展,它提供了1000Mbps的原始数据带宽,同时和现有的以太网保持完全兼容.千兆以太网提供全双工或半双工工作模式.在半双工的情况下,千兆以太网还将保持CSMA/CD(具有冲突检测的载波侦听多路访问协议)存取方式,最初的产品建立在光纤信道物理信号传输技术的基础之上,适用于在光导纤维上达到1000Mbps的数据传输速率.随着硅芯片技术和数字信号处理技术的发展,现在已有了适应千兆以太网的超5类电缆,这为千兆以太网无论是在技术上还是在实际应用中都提供了广泛的发展前景,而且可以利用现有的以太网基础设施,不需改变现有网络操作系统和应用程序,方便地升级为千兆以太网.这意味着可以花费不大的网络投资,不需增加网络协议及重新培训网络用户。

千兆以太网的技术特点

  根据IEEE802.3z工作组制定的标准,千兆以太网将原先的IEEE802.3以太网规范和ANSIX3T11光纤通道规范结合在一起,以实现物理接口,即千兆以太网利用以太网协议管理帧传送和媒质层存取(2层)以及物理接口的光纤通道、连接器和光缆(1层)。

  千兆以太网还利用以太网的传统存取方法,即所谓载波侦听多路存取冲突检测(CSMA/CD),并在协议上增加一些新的特性,以解决在高速环境里与标准的以太网帧结构相一致的物理特性问题,其中最著名的特性就是载体扩展和分组猝发传输.所谓载体扩展是适当加长控制帧,以保证可靠地检测冲突.但载体扩展也可能耗费大量的带宽,因为控制帧传送间隔较短,一般每隔几个数据帧就要传送控制帧.而分组猝发则可以弥补载体扩展之不足,它可让载体扩展只用于猝发数据帧的第一帧.单帧猝发限制在3kB左右,以防止一个节点占据整个网络.采用这两种技术,有可能把千兆以太网的冲突检测域扩展到200m,对于传送短的数据帧时,可使网络利用率达30%~40%;传送大的数据帧时,可使网络利用率达90%。

  尽管千兆以太网将网络主干带宽提升到千兆位,但是它仍然和传统的以太网技术一样缺乏拥塞控制,因此时常会影响到用户对服务器数据库数据的存取.以太网固有的弱点它仍然沿袭下来,在带宽的保证、在质量服务方面不如ATM.它始终不太适合多媒体应用,特别是声音图像这些数据.声音图像的应用不在于带宽的多少,有384k的带宽就可以传得很好,关键在于时延的抖动,而以太网在机制上就不适应,这就是它的缺点.最近虽然发展了一些用于多媒体传输的新协议,但应用还很少。

千兆以太网的构建

  千兆以太网络是由千兆交换机、千兆网卡、综合布线系统等构成的。千兆交换机构成了网络的骨干部分,千兆网卡安插在服务器上,通过布线系统与交换机相连,千兆交换机下面还可连接许多百兆交换机,百兆交换机连接工作站,这就是所谓的“百兆到桌面”。在有些专业图形制作、视频点播应用中,还可能会用到“千兆到桌面”,及用千兆交换机联到插有千兆网卡的工作站上,满足了特殊应用下对高带宽的需求。

  在建设网络之前,究竟用千兆还是百兆,要从实际出发,从应用出发,考虑网络应该具备哪些功能。不同的应用有不同的需求,而且几乎没有只有单一业务的网络。但是,在各种业务中,生产性业务肯定是优先级最高的。如果在网络中传输语音,那么语音业务也需要优先安排。如果对业务优先的需求很高,网络必须有QoS保证。这样的网络必须要智能化,在交换机端口能够识别是什么类型的业务通过,然后对不同的业务进行排队,为不同的业务分配不同的带宽,这样才能保证关键性业务的运行。数据业务本身是有智能的,不管多少带宽都可以传输,只是时间长短而已,但是语音或者视频就不一样了,如果带宽小了之后,马上就听不清楚了,或者图像产生抖动,这都是不允许的。所以QoS非常重要。对单纯的数据网络,在QoS方面的需求就很低。在规划网络的时候,必须先了解清楚哪些功能是必须的,哪些可以不考虑。例如,目前多址广播是比较重要的性能之一,如果需要在网络中传输图像,而网络不具备多址广播的特性,那么网络的带宽浪费就会非常严重,甚至根本无法实现。

千兆以太网国际标准

  1997年1月,通过了IEEE 802.3z第一版草案;

  1997年6月,草案V3.1获得通过,最终技术细节就此制定;

  1998年6月,正式批准IEEE 802.3z标准;

  1999年6月,正式批准IEEE 802.3ab标准(即1000Base-T),可以把双绞线用于千兆以太网中。

  千兆位以太网标准主要针对三种类型的传输介质:单模光纤;多模光纤上的长波激光(称为1000BaseLX)、多模光纤上的短波激光(称为1000BaseSX);1000BaseCX介质,该介质可在均衡屏蔽的150欧姆铜缆上传输。IEEE 802.3z委员会模拟的1000BaseT标准允许将千兆位以太网在5类、超5类、6类UTP双绞线上的传输距离扩展到100米,从而使建筑楼宇内布线的大部分采用5类UTP双绞线,保障了用户先前对以太网、快速以太网投资。对于网络管理人员来说,也不需要再接受新的培训,凭借已经掌握的以太网网络知识,完全可以对千兆以太网进行管理和维护。

  千兆以太网的标准化包括编码/译码、收发器和网络介质三个主要模块,其中不同的收发器对应于不同的网络介质类型。1000BASE-LX基于1300nm的单模光缆标准时,使用8B/10B编码解码方式,最大传输距离为5000米。1000BASE-SX基于780nm的FibreChannel optics,使用8B/10B编码解码方式,使用50微米或62.5微米多模光缆,最大传输距离为300米到500米。连接光纤所使用的SC型光纤连接器与快速以太网100BASE FX所使用的连接器的型号相同。1000BASE-CX是一种基于铜缆的标准,使用8B/10B编码解码方式,最大传输距离为25米。1000BASE-T基于非屏蔽双绞线传输介质,使用1000BASE-T 铜物理层Copper PHY编码解码方式,传输距离为100米。1000BASE-T在传输中使用了全部4对双绞线并工作在全双工模式下。这种设计采用 PAM-5 (5级脉冲放大调制) 编码在每个线对上传输 250Mbps。双向传输要求所有的四个线对收发器端口必须使用混合磁场线路,因为无法提供完美的混合磁场线路,所以无法完全隔离发送和接收电路。任何发送与接收线路都会对设备发生回波。因此,要达到要求的错误率(BER)就必须抵消回波。1000BASE-T无法对频率集中在125MHz之上的频段进行过滤,但是使用扰频技术和网格编码能对80MHz之后的频段进行过滤。为了解决5类线在如此之高的频率范围内因近端串扰而受到的限制,应该采用合适的方案来抵消串扰。

  最初的千兆以太网采用高速780纳米光纤信道的光元件传输光纤上的信号,采用8B/10B的编码和解码方法实现光信号的串行化和复原。目前光纤信道技术的数据运行速率为1.063Gbps,将来会提高到1.250Gbps,使数据速率达到完整的1000Mbps。对于更长的连接距离,将采用1300纳米的光元件。为了适应硅技术和数字信号处理技术的发展,应在MAC层和PHY层之间制定独立于介质的逻辑接口,以使千兆以太网工作在非屏蔽双绞线电缆系统中。这一逻辑接口将适用于非屏蔽双绞线电缆系统的编码方法,并独立于光纤信道的编码方法。下图说明了千兆以太网的组成。

参考文献

  • 林立春.千兆以太网的技术分析与应用[J].淮北煤师院学报:自然科学版.2003,1
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