萬兆以太網技術背景、簡介和展望

以太網標準是一個古老而又充滿活力的標準。自從1982年以太網協(xié)議被IEEE采納成為標準以后，已經歷了20年的風風雨雨。在這20年中，以太網技術作為局域網鏈路層標準戰(zhàn)勝了令牌總線、令牌環(huán)、wangnet、25M ATM等技術，成為局域網事實標準。以太網技術當前在局域網范圍市場占有率超過90％。
在這20年中，以太網由最初10M粗纜總線發(fā)展為10Base5 10M細纜，其后是一個短暫的后退：1Base5的1 兆以太網，隨后以太網技術發(fā)展成為大家熟悉的星形的雙絞線10BaseT。隨著對帶寬要求的提高以及器件能力的增強出現(xiàn)了快速以太網：五類線傳輸的100BaseTX、三類線傳輸的100BaseT4和光纖傳輸的100BaseFX。隨著帶寬的進一步提高，千兆以太網接口粉墨登場：包括短波長光傳輸1000Base-SX、長波長光傳輸1000Base-LX 以及五類線傳輸1000BaseT。2002年7月18日IEEE通過了802.3ae：10Gbit/s以太網又稱萬兆以太網。在以太網技術中，100BaseT是一個里程碑，確立了以太網技術在桌面的統(tǒng)治地位。千兆以太網以及隨后出現(xiàn)的萬兆以太網標準是兩個比較重要的標準，以太網技術通過這兩個標準從桌面的局域網技術延伸到校園網以及城域網的匯聚和骨干。

一、萬兆以太網出現(xiàn)的背景
以太網主要在局域網中占絕對優(yōu)勢。但是在很長的一段時間中，人們普遍認為以太網不能用于城域網，特別是匯聚層以及骨干層。主要原因在于以太網用作城域網骨干帶寬太低（10M以及100M快速以太網的時代），傳輸距離過短。當時認為最有前途的城域網技術是FDDI和DQDB。隨后的幾年里ATM技術成為熱點，幾乎所有人都認為ATM將成為統(tǒng)一局域網、城域網和廣域網的唯一技術。但是由于種種原因，當前在國內上述三種技術中只有ATM技術成為城域網匯聚層和骨干層的備選方案。
目前最常見的以太網是10M以太網以及100M以太網（快速以太網）。100M快速以太網作為城域骨干網帶寬顯然不夠。即使使用多個快速以太網鏈路綁定使用，對多媒體業(yè)務仍然是心有余而力不足。隨著千兆以太網的標準化以及在生產實踐中的廣泛應用，以太網技術逐漸延伸到城域網的匯聚層。千兆以太網通常用作將小區(qū)用戶匯聚到城域POP點，或者將匯聚層設備連接到骨干層。但是在當前10M以太網到用戶的環(huán)境下，千兆以太網鏈路作為匯聚也是勉強，作為骨干則是力所不能及。雖然以太網多鏈路聚合技術已完成標準化且多廠商互通指日可待，可以將多個千兆鏈路捆綁使用。但是考慮光纖資源以及波長資源，鏈路捆綁一般只用在POP點內或者短距離應用環(huán)境。
傳輸距離也曾經是以太網無法作為城域數據網骨干層匯聚層鏈路技術的一大障礙。無論是10M、100M還是千兆以太網，由于信噪比、碰撞檢測、可用帶寬等原因五類線傳輸距離都是100m。使用光纖傳輸時距離限制由以太網使用的主從同步機制所制約。802.3規(guī)定1000Base-SX接口使用纖芯62.5μm的多模光纖最長傳輸距離275m，使用纖芯50μm的多模光纖最長傳輸距離550m；1000Base－LX接口使用纖芯62.5μm的多模光纖最長傳輸距離550m，使用纖芯50μm的多模光纖最長傳輸距離550m，使用纖芯為10μm的單模光纖最長傳輸距離5000m。最長傳輸距離5km千兆以太網鏈路在城域范圍內遠遠不夠。雖然基于廠商的千兆接口實現(xiàn)已經能達到80km傳輸距離，而且一些廠商已完成互通測試，但是畢竟是非標準的實現(xiàn)，不能保證所有廠商該類接口的互聯(lián)互通。
綜上所述，以太網技術不適于用在城域網骨干/匯聚層的主要原因是帶寬以及傳輸距離。隨著萬兆以太網技術的出現(xiàn)，上述兩個問題基本已得到解決。

二、萬兆以太網技術簡介
以太網采用CSMA/CD機制，即帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多重訪問。千兆以太網接口基本應用在點到點線路，不再共享帶寬。碰撞檢測，載波監(jiān)聽和多重訪問已不再重要。千兆以太網與傳統(tǒng)低速以太網最大的相似之處在于采用相同的以太網幀結構。萬兆以太網技術與千兆以太網類似，仍然保留了以太網幀結構。通過不同的編碼方式或波分復用提供10Gbit/s傳輸速度。所以就其本質而言，10G以太網仍是以太網的一種類型。 #p#page_title#e#
10G以太網于2002年7月在IEEE通過。10G以太網包括10GBASE－X、10GBASE－R和10GBASE－W。10GBASE－X使用一種特緊湊包裝，含有1個較簡單的WDM器件、4個接收器和4個在1300nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對發(fā)送器/接收器在3.125Gbit/s速度（數據流速度為2.5Gbit/s）下工作。10GBASE－R是一種使用64B/66B編碼（不是在千兆以太網中所用的8B/10B）的串行接口，數據流為10.000Gbit/s，因而產生的時鐘速率為10.3Gbit/s。10GBASE－W是廣域網接口，與SONET OC-192兼容，其時鐘為9.953Gbit/s數據流為9.585Gbit/s。
1、10G串行物理媒體層
10GBASE-SR/SW傳輸距離按照波長不同由2m到300m。10GBASE-LR/LW傳輸距離為2m到10km。10GBASE-ER/EW傳輸距離為2m到40km。
2、PMD（物理介質相關）子層
PMD子層的功能是支持在PMA子層和介質之間交換串行化的符號代碼位。PMD子層將這些電信號轉換成適合于在某種特定介質上傳輸的形式。PMD是物理層的最低子層，標準中規(guī)定物理層負責從介質上發(fā)送和接收信號。
3、PMA（物理介質接入）子層
PMA子層提供了PCS和PMD層之間的串行化服務接口。和PCS子層的連接稱為PMA服務接口。另外PMA子層還從接收位流中分離出用于對接收到的數據進行正確的符號對齊（定界）的符號定時時鐘。
4、WIS（廣域網接口）子層
WIS子層是可選的物理子層，可用在PMA與PCS之間，產生適配ANSI定義的SONET STS-192c傳輸格式或ITU定義SDH VC－4－64c容器速率的以太網數據流。該速率數據流可以直接映射到傳輸層而不需要高層處理。
5、PCS（物理編碼）子層
PCS子層位于協(xié)調子層（通過GMII）和物理介質接入層（PMA）子層之間。PCS子層完成將經過完善定義的以太網MAC功能映射到現(xiàn)存的編碼和物理層信號系統(tǒng)的功能上去。PCS子層和上層RS/MAC的接口由XGMII提供，與下層PMA接口使用PMA服務接口。
6、RS（協(xié)調子層）和XGMII（10Gbit/s介質無關接口）
協(xié)調子層的功能是將XGMII的通路數據和相關控制信號映射到原始PLS服務接口定義(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10Gbit/s的MAC和物理層間的邏輯接口。XGMII和協(xié)調子層使MAC可以連接到不同類型的物理介質上。
由于10G以太網實質上是高速以太網，所以為了與傳統(tǒng)的以太網兼容必須采用傳統(tǒng)以太網的幀格式承載業(yè)務。為了達到10Gbit/s的高速率可以采用OC-192c幀格式傳輸。這就需要在物理子層實現(xiàn)從以太網幀到OC-192c幀格式的映射功能。同時，由于以太網的原設計是面向局域網的，網絡管理功能較弱，傳輸距離短并且其物理線路沒有任何保護措施。當以太網作為廣域網進行長距離、高速率傳輸時必然會導致線路信號頻率和相位產生較大的抖動，而且以太網的傳輸是異步的，在接收端實現(xiàn)信號同步比較困難。因此，如果以太網幀要在廣域網中傳輸，需要對以太網幀格式進行修改。
以太網一般利用物理層中特殊的10B(Byte)代碼實現(xiàn)幀定界的。當MAC層有數據需要發(fā)送時，PCS子層對這些數據進行8B/10B編碼，當發(fā)現(xiàn)幀頭和幀尾時，自動添加特殊的碼組SFD(幀起始定界符)和EFD（幀結束定界符）；當PCS子層收到來自底層的10B編碼數據時，可很容易地根據SFD和EFD找到幀的起始和結束從而完成幀定界。但是SDH中承載的千兆以太網幀定界不同于標準的千兆以太網幀定界，因為復用的數據已經恢復成8B編碼的碼組，去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆以太網的前導(Preamble)和幀起始定界符（SFD）進行幀定界，由于信息數據中出現(xiàn)與前導和幀起始定界符相同碼組的概率較大，采用這樣的幀定界策略可能會造成接收端始終無法進行正確的以太網幀定界。為了避免上述情況，10G以太網采用了HEC策略。
IEEE802.3 HSSG小組為此提出了修改千兆以太網幀格式的建議，在以太網幀中添加了長度域和HEC域。為了在定幀過程中方便查找下一個幀位置，同時由于最大幀長為1518字節(jié)，則最少需要11個比特（=2048），所以在復接MAC幀的過程中用兩個字節(jié)替換前導頭兩個字節(jié)作為長度字段，然后對這8個字節(jié)進行CRC-16校驗，將最后得到的兩個字節(jié)作為HEC插入SFD之后。 #p#page_title#e#
10G WAN物理層并不是簡單的將以太網MAC幀用OC-192c承載。雖然借鑒了OC-192c的塊狀幀結構、指針、映射以及分層的開銷，但是在SDH幀結構的基礎上做了大量的簡化，使得修改后的以太網對抖動不敏感，對時鐘的要求不高。具體表現(xiàn)在：減少了許多開銷字節(jié)，僅采用了幀定位字節(jié)A1和A2、段層誤碼監(jiān)視B1、蹤跡字節(jié)J0、同步狀態(tài)字節(jié)S1、保護倒換字節(jié)K1和K2以及備用字節(jié)Z0，對沒有定義或沒有使用的字節(jié)填充00000000。減少了許多不必要的開銷，簡化了SDH幀結構，與千兆以太網相比，增強了物理層的網絡管理和維護，可在物理線路上實現(xiàn)保護倒換。其次，避免了繁瑣的同步復用，信號不是從低速率復用成高速率流，而是直接映射到OC-192c凈負荷中。
10G以太局域網和10G以太廣域網（采用OC-192c）物理層的速率不同，10G以太局域網的數據率為10Gbit/s,而10G以太廣域網的數據率為9.58464Gbit/s（SDH OC-192c，是PCS層未編碼前的速率），但是兩種速率的物理層共用一個MAC層，MAC層的工作速率為10Gbit/s。采用什么樣的調整策略將10GMII接口的10Gbit/s傳輸速率降低，使之與物理層的傳輸速率9.58464Gbit/s相匹配，是10G以太廣域網需要解決的問題。目前將10Gbit/s速率適配為9.58464Gbit/s的OC-192c的調整策略有3種：
在GMII接口處發(fā)送HOLD信號，MAC層在一個時鐘周期停止發(fā)送；
利用“Busy idle”，物理層向MAC層在IPG期間發(fā)送“Busy idle”，MAC層收到后，暫停發(fā)送數據。物理層向MAC層在IPG期間發(fā)送“Normal idle”, MAC層收到后，重新發(fā)送數據；
采用IPG延長機制：MAC幀每次傳完一幀，根據平均數據速率動態(tài)調整IPG間隔。

 三、萬兆以太網技術展望
萬兆以太網在設計之初就考慮城域骨干網需求。首先帶寬10G足夠滿足現(xiàn)階段以及未來一段時間內城域骨干網帶寬需求（現(xiàn)階段多數城域骨干網骨干帶寬不超過2.5G）。其次萬兆以太網最長傳輸距離可達40公里，且可以配合10G傳輸通道使用，足夠滿足大多數城市城域網覆蓋?！　〔捎萌f兆以太網作為城域網骨干可以省略骨干網設備的POS或者ATM鏈路。首先可以節(jié)約成本：以太網端口價格遠遠低于相應的POS端口或者ATM端口。其次可以使端到端采用以太網幀成為可能：一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優(yōu)先級信息，另一方面可以省略在數據設備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數據包分片，簡化網絡設備。在城域網骨干層采用萬兆以太網鏈路可以提高網絡性價比并簡化網絡。