隨著internet和intranet的發(fā)展,、網(wǎng)絡(luò)通信的模式已由過去80%的流量存在工作組或部門內(nèi)部 (僅20%的流量在主干網(wǎng)上)，快速擴(kuò)展為主干網(wǎng)上承擔(dān)80%的網(wǎng)絡(luò)流量,、只有20%的流量仍存在工作組或部門內(nèi)部,。這對(duì)主干網(wǎng)的通信能力提出了挑戰(zhàn),，千兆以太網(wǎng)的興起正適應(yīng)著這種發(fā)展。
通信網(wǎng)絡(luò)的流量也發(fā)生了很大的變化,。以前單一的純文本通信轉(zhuǎn)變?yōu)榘曇?、?shù)據(jù)和圖象等多媒體的綜合業(yè)務(wù)，這樣對(duì)通信帶寬的需求大大增加,。以符合H.323規(guī)范的視頻會(huì)議應(yīng)用為例,，傳每秒30幀的單向視頻數(shù)據(jù)需要384kbps的帶寬，總共則需要帶寬768kbps,。隨著internet的飛速發(fā)展,，用戶數(shù)目的驟增，現(xiàn)有主干網(wǎng)將無法滿足帶寬的需要,。
通信網(wǎng)絡(luò)流量的增加,，使FDDI和快速以太網(wǎng)出現(xiàn)了瓶頸。目前70%的主干網(wǎng)為FDDI,，它受限于100Mbps而無法進(jìn)行升級(jí),。此外，雖然可以在主干網(wǎng)交換機(jī)間加入更多的快速以太網(wǎng)以增加帶寬,，但這樣會(huì)提高端對(duì)端連接的費(fèi)用,，甚至其花費(fèi)可能比升級(jí)到使用千兆以太網(wǎng)的價(jià)格更高。曾經(jīng)把ATM看成唯一的升級(jí)解決方案,，ATM在技術(shù)上也確有先進(jìn)性,，但推廣ATM將引起網(wǎng)絡(luò)業(yè)界的一場革命,，它需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施完全更新,。然而，在全球已安裝的局域網(wǎng)中,，目前以太網(wǎng)占80%以上,，它代表著用戶數(shù)千億美元的投資。顯然,，這些網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)營者和管理者都不希望改變網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,，而強(qiáng)烈希望保留以太網(wǎng)技術(shù),。以便通過較少的投入獲得較大的網(wǎng)絡(luò)性能，在這樣的背景下,，千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用將是大勢所趨,。
1 千兆以太網(wǎng)規(guī)范
IEEE802.3z工作組負(fù)責(zé)制定了1000BASE－X規(guī)范，其中1000BASE－SX主要用于較小范圍的主干網(wǎng),，它使用短光波長(850nm),，芯徑為62.5μm的多模光纖，網(wǎng)絡(luò)最長直徑為220－275米,。而芯徑為50μm的多模光纖,，網(wǎng)絡(luò)最長直徑可達(dá)550米。1000BASE－SX是針對(duì)低價(jià)位的多模光纖而設(shè)計(jì)的,。而1000BASE－LX使用長波長(1300nm),、 對(duì)多模光纖而言，標(biāo)準(zhǔn)定義的千兆比特?cái)?shù)據(jù)流傳輸?shù)淖铋L距離為550米,，而單模光纖的覆蓋范圍能達(dá)到5公里,。因此，1000BASE－LX可用于更長距離的樓內(nèi)多模光纖主干網(wǎng)和單模光纖校園網(wǎng),。目前,，千兆以太網(wǎng)首選了美國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(ANSI)X3T11光纖通道標(biāo)準(zhǔn)的物理層(FC－0)改進(jìn)版本。802.3z工作組還定義了一種基于150(銅纜的標(biāo)準(zhǔn)1000BASE－CX,，它使用了與光纖一樣的8B/10B編碼,，傳輸碼速為1.25Gbps，覆蓋范圍為25米,，顯然這樣的網(wǎng)絡(luò)范圍無法滿足實(shí)際需要,。因此后成立的IEEE802.3ab工作組，制定了基于5類UTP(非屏蔽雙絞線)的千兆以太網(wǎng)規(guī)范1000BASE－T,。它在5類UTP的四對(duì)線上都傳輸1Gbps的數(shù)據(jù)流,，網(wǎng)絡(luò)直徑達(dá)到了200米。1000BASE－T能利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施并保證了升級(jí)的簡易性,，但1000BASE－T需要采用一些新的技術(shù)和新的編解碼方式,。千兆以太網(wǎng)各種方案的規(guī)范可參看圖1。
2 基本原理
千兆以太網(wǎng)目前定義了以光纖和銅線傳輸?shù)膬煞N標(biāo)準(zhǔn),。在光纖通道中采用了8B/10B編碼,，將每8比特?cái)?shù)據(jù)編碼為10比特，雖保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但帶來了冗余,。在光纖中千兆以太網(wǎng)為達(dá)到1.0Gbps的數(shù)據(jù)速率，實(shí)際的傳輸波特率用1.25Gbaud,。相比之下,，基于銅線的1000Base－T中實(shí)際的傳輸波特率僅僅為125Mbaud,，1000Base－T用了5類UTP中全部四對(duì)線，并在每對(duì)線上以雙工方式同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,。與其它以太網(wǎng)的編碼方式不同,，1000Base－T采用的編碼方式為5級(jí)編碼(PAM5)。在PAM5編碼方式下并同時(shí)使用4對(duì)線傳輸數(shù)據(jù),，使1000Base－T在每個(gè)信號(hào)脈沖內(nèi),，能夠并行傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)(125Msymbols/second * 8bit/symbol ＝1Gb/s)。
千兆以太網(wǎng)可以在全雙工或半雙工模式下運(yùn)行,，在全雙工模式下：在同一連接的兩個(gè)通道上,，同時(shí)雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將使用不同的頻段，這樣使千兆以太網(wǎng)在全雙工模式下,，能提供實(shí)際為2Gbps的帶寬,，它是半雙工模式下帶寬的2倍。由于全雙工模式只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,，其兩個(gè)站點(diǎn)間的帶寬為專有,，因此不存在沖突，網(wǎng)絡(luò)直徑也不會(huì)受到CSMA/CD(載波監(jiān)聽/沖突檢測)機(jī)制的限制,。顯然,，對(duì)于主干網(wǎng)和高速服務(wù)器間的連接，全雙工模式是最理想的,。設(shè)計(jì)千兆以太網(wǎng)的初衷也正是針對(duì)交換型的全雙工網(wǎng)絡(luò),，為其提供更大的帶寬。但是從實(shí)際情況來看,，因交換機(jī)的核心電路比中繼器要復(fù)雜得多,，故交換型全雙工網(wǎng)絡(luò)比半雙工網(wǎng)絡(luò)要昂貴得多。
在某些應(yīng)用場合,，半雙工模式千兆以太網(wǎng)更經(jīng)濟(jì)和更有效,，特別在數(shù)據(jù)不總是持續(xù)高流量的情形下，為了充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,，也只好使用共享型的CSMA/CD千兆以太網(wǎng),，以便兼容某些僅支持半雙工操作的現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)，如100Base－T4,。實(shí)際上大量存在基于CSMA/CD沖突檢測機(jī)制的半雙工千兆以太網(wǎng),，其網(wǎng)絡(luò)直徑將會(huì)受到限制，這是千兆以太網(wǎng)技術(shù)中一個(gè)非常重要的問題,，下面將對(duì)此專門進(jìn)行討論,。
3 千兆以太網(wǎng)的沖突域問題
CSMA/CD定義了在共享型網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的一種機(jī)制,，即傳送一幀前,、 在每個(gè)主機(jī)上都檢測信道是否空閑,，如果信道處于忙，則延遲發(fā)送,。如果信道空閑,，就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也對(duì)信道保持監(jiān)聽,，如檢測到?jīng)_突則放棄當(dāng)前發(fā)送,，并向其它站點(diǎn)發(fā)出阻塞信號(hào)，以便通知全網(wǎng)發(fā)生了一次沖突,。
CSMA/CD機(jī)制中的一個(gè)重要參數(shù)是碰撞槽時(shí)間(Slot time),，它定義了最壞情況下檢測到碰撞的最大時(shí)間間隔，一般用每位傳輸時(shí)間(位時(shí)─BT)來表示,。 如圖2所示,，如果A發(fā)出的幀在B處發(fā)生碰撞，則檢測到最大的碰撞槽時(shí)間為網(wǎng)絡(luò)中環(huán)回的延時(shí),，即在半雙工模式下,，為了最大程度地減小幀丟失和幀的誤重發(fā)，必須保證每一幀的成功傳送時(shí)間,，至少為一個(gè)碰撞槽時(shí)間,。它限制最短幀長，即傳送一個(gè)最短幀的時(shí)間應(yīng)等于一個(gè)碰撞槽時(shí)間,。如果幀長過短,，則可能A發(fā)出的幀在B處發(fā)生碰撞時(shí)，A將無法檢測到碰撞,，這會(huì)因碰撞造成該幀丟棄,，又未能重發(fā)該幀。
須知,，在這種機(jī)制中網(wǎng)絡(luò)速率的提高必然伴隨著網(wǎng)絡(luò)最大直徑的減小,，或者是碰撞槽時(shí)間的增加。在10Mbps以太網(wǎng)中最短幀長為64字節(jié),，相應(yīng)的碰撞槽時(shí)間就是512位時(shí),。如圖2所示，它等于檢測到碰撞的總時(shí)間,，即網(wǎng)絡(luò)的環(huán)回延時(shí)：
中繼器延時(shí)*2＋電纜延時(shí)*2＋DTE延時(shí)*2＋MAU延時(shí)*2＝512位時(shí)
10Mb/s網(wǎng)絡(luò)中的512位時(shí)＝51.2us,，推算出網(wǎng)絡(luò)直徑約為2000米。從10Mb/s以太網(wǎng)向100Mb/s快速以太網(wǎng)升級(jí)時(shí),，當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展遇到的問題是增加網(wǎng)絡(luò)分段,，所以采取了保留原來的碰撞槽時(shí)間，而同時(shí)把網(wǎng)絡(luò)直徑減小到200米的解決辦法,。如果仍用減小網(wǎng)絡(luò)直徑的辦法,，把網(wǎng)絡(luò)速率從100Mb/s提高到1000Mb/s,，則網(wǎng)絡(luò)直徑將減小到20米，在通常情況下這是網(wǎng)絡(luò)用戶無法接受的,。于是在千兆以太網(wǎng)中采用增加碰撞槽時(shí)間的辦法,，把碰撞槽時(shí)間增大到512字節(jié)。根據(jù)前面的分析,，這將導(dǎo)致最短幀長的增加,。為了易于升級(jí)、千兆以太網(wǎng)又必須保留和原有以太網(wǎng)相同的幀結(jié)構(gòu),，這樣就不能簡單地增加最短幀長,，故千兆以太網(wǎng)在保留原有64字節(jié)的最短幀長同時(shí)，還采取了幾種相應(yīng)的解決辦法：
· 載波擴(kuò)展法(Carrier Extension): 把載波監(jiān)聽時(shí)間擴(kuò)展到一個(gè)碰撞槽時(shí)間(512字節(jié)),，如果發(fā)送的幀長短于512字節(jié),，則在發(fā)送完畢該幀后繼續(xù)保持載波監(jiān)聽/檢測碰撞。此方法不足之處在于：
(1) 如果數(shù)據(jù)幀已發(fā)送完畢,，接收端也已經(jīng)接收到了完整的數(shù)據(jù)幀,，卻在載波擴(kuò)展期間發(fā)生了碰撞，則發(fā)送端將檢測到碰撞,，并認(rèn)為數(shù)據(jù)幀無效重發(fā)該幀,。對(duì)于接收端來說，為了避免數(shù)據(jù)幀重復(fù),，也不得不丟棄已接收到的完整數(shù)據(jù)幀,。
(2)對(duì)于短幀的傳輸效率較低：在最壞情況下，假
設(shè)傳輸均為64字節(jié)的短幀,，每一幀都需要實(shí)際傳輸512字節(jié)的碼流,。雖然傳輸速率比快速以太網(wǎng)提高了10倍，傳輸碼流也同時(shí)增加了8倍,，但效率總共才提高了25%,。不過在網(wǎng)絡(luò)通信中的短幀很少，故載波擴(kuò)展法仍然能達(dá)到較高的效率,。
· 幀組發(fā)方法(Frame Bursting)：這是對(duì)載波擴(kuò)展的改進(jìn)方法,，它在CSMA/CD機(jī)制中加入了多幀組發(fā)的功能，而保留了一次發(fā)一幀的機(jī)制,。它的最大組長是基于最大幀長而不是碰撞槽時(shí)間,，在一個(gè)幀組開始時(shí)，第一個(gè)碰撞槽時(shí)間內(nèi)只傳輸一幀,，如幀長短于512字節(jié)則采用載波擴(kuò)展方法,。在第一個(gè)碰撞槽時(shí)間結(jié)束時(shí)檢測信道，如信道忙則該幀組結(jié)束。否則傳輸一系列短幀,，中間用96位時(shí)的幀間隙隔開,，直到最大組長。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果證明：最大組長越長,，性能的提高越明顯。顯然,，幀組發(fā)是一種很好的方案,。
· 改進(jìn)CSMA/CD：使用緩沖分發(fā)器(buffered distributor)，也稱為全雙工中繼器(full－duplex repeater),。它采用了帶有流量控制機(jī)制的全雙工連接,，在每一個(gè)端口增加了輸入緩沖區(qū)。全雙工中繼器包括傳統(tǒng)半雙工中繼器和交換機(jī)的一些功能,，是綜合考慮性能與價(jià)格的產(chǎn)物,。象傳統(tǒng)以太網(wǎng)中繼器一樣，它把接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送到所有相連的其它端口,，無需進(jìn)行地址分析與選擇,，并提供低價(jià)格的共享介質(zhì)操作。它同時(shí)也支持全雙工操作,，在多個(gè)端口接收數(shù)據(jù)并先將其保存在緩沖區(qū)內(nèi),。當(dāng)緩沖區(qū)要溢出時(shí)，全雙工中繼器使用802.3x流量控制機(jī)制,，通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)暫停發(fā)送數(shù)據(jù),。實(shí)際上，這解決了CSMA/CD機(jī)制中,，因碰撞檢測帶來網(wǎng)絡(luò)直徑減小的問題,，把碰撞檢測功能放在中繼器上進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)全雙工連接上的收發(fā)操作,。
4 服務(wù)質(zhì)量QoS (Quality of Service)
現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)從單一的數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)向多媒體通信方式,，即話音、實(shí)時(shí)視頻與數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸,。通常應(yīng)根據(jù)對(duì)時(shí)延的敏感程度把服務(wù)類別進(jìn)行分類(CoS),，并引入服務(wù)質(zhì)量(QoS)的概念。在IEEE802.1p(現(xiàn)在的802.1D)中對(duì)不同服務(wù)種類進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類并在數(shù)據(jù)包的格式中進(jìn)行了定義,。不同類別的數(shù)據(jù)流根據(jù)此優(yōu)先級(jí)順序,，排成隊(duì)列進(jìn)行傳輸。資源保留協(xié)議(RSVP)是一種基于IP的接入控制算法,，它讓端站為優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)流保留一定的帶寬,，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。在Ipv4中的服務(wù)類型(TOS)字段中，可以為互連網(wǎng)絡(luò)的QoS提供幾種標(biāo)識(shí)功能,，傳輸延遲,、吞吐量、優(yōu)先級(jí)和可靠程度都可以用該字段來標(biāo)識(shí),。在網(wǎng)絡(luò)中QoS實(shí)現(xiàn)的一種更有效的方法是套接地址,，在IP中可由IP地址和端口號(hào)組成套接地址，不同端口號(hào)對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用,，一對(duì)套接地址提供具體端口間連接的唯一標(biāo)識(shí),，它將用到第四層的交換。既然許多千兆以太網(wǎng)廠商都提供多層交換機(jī)(包括了第四層的交換),，甚至有廠商宣稱他們的產(chǎn)品能夠在OSI的所有七層實(shí)現(xiàn)交換,，那么套接地址就具有更大的優(yōu)越性。
傳統(tǒng)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)來傳輸數(shù)據(jù),，它面向無連接的傳輸技術(shù),，傳輸變長的數(shù)據(jù)幀，在網(wǎng)絡(luò)中每一幀各自選擇路由,，不能保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸,，已被證實(shí)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)是行之有效的。但隨著網(wǎng)絡(luò)中多媒體業(yè)務(wù)的大量增加,、在千兆以太網(wǎng)中也增加了對(duì)服務(wù)質(zhì)量QoS的支持,。為了面向?qū)崟r(shí)業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)層以上千兆以太網(wǎng)還需要添加RSVP(資源保留協(xié)議)和OSPF(改進(jìn)最短開通道優(yōu)先協(xié)議)及RTP(實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議),。RSVP通過資源保留來支持不同的應(yīng)用優(yōu)先級(jí),，OSPF可以在逐段鏈路上支持基于服務(wù)質(zhì)量的路由選擇，RTP則在數(shù)據(jù)包中加入優(yōu)先級(jí)信息,，以保證快速傳送,。在千兆以太網(wǎng)的第二層，需要IEEE802.3q配合解決優(yōu)先級(jí)問題,，802.3p配合解決有效廣播問題,。在全雙工連接和流量控制方面還要802.3x協(xié)議的支持?？梢钥闯?，相對(duì)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)在QoS方面有了很大改進(jìn),。
5 最新進(jìn)展
1998年6月IEEE已經(jīng)通過了基于光纖和150(銅線的千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3z,。同年7月，802.3ab工作組宣布1000BASE－T技術(shù)上的所有問題已經(jīng)得到解決,，12月28日千兆以太網(wǎng)聯(lián)盟(由3Com,、Cisco和intel等八十家網(wǎng)絡(luò)公司組成的千兆以太網(wǎng)研究開發(fā)組織)宣布對(duì)802.3ab標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開放投票,，又在1999年3月正式達(dá)成了協(xié)議。千兆以太網(wǎng)的前景一片光明,，必將成為新一代高速網(wǎng)絡(luò)的主流,。
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