萬兆以太網技術發展及應用

文｜魏大強 翟麗華

1 以太網技術的發展

以太網（Ethernet）技術由施樂公司（Xerox）于1973年提出并實現，它采用“載波監聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD”的共享訪問方案，將多個工作站都連接在一條總線上，所有的工作站都不斷向總線發出監聽信號。但在同一時刻，只能有一個工作站在總線上傳輸，其他工作站必須等待傳輸結束后，再開始自己的傳輸。由于以太網技術具有共享性、開放性，加上設計技術上的一些優勢（如結構簡單、算法簡潔、良好的兼容性和平滑升級）以及關鍵的傳輸速率的大幅提升，它不但在局域網領域站穩了腳跟，而且在城域網甚至廣域網范圍內都得到了進一步的應用。

最早的以太網傳輸速率為10Mbps。采用CSMA/CD介質訪問控制方式的局域網技術。而在1979年7月至1982年間，當時的DEC、Intel和Xerox三家公司共同制定了以太網技術規范DIX。在這個技術規范的基礎上，形成了IEEE 802.3以太網標準，并在1989年正式成為一種以太網技術的國際標準。在20多年進程中，以太網技術經歷了不斷發展，成為迄今最廣泛應用的局域網技術。

千兆以太網技術作為一種高速以太網技術，給用戶帶來了提高核心網絡的有效解決方案。它繼承了傳統以太網技術價格便宜的特點，采用與10M以太網相同的幀格式、幀結構、網絡協議、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統。由于這項技術可以不用改變傳統以太網的桌面應用和操作系統，因此可與10M或100M的以太網很好地配合工作。在升級到千兆以太網時，不必改變網絡應用程序、網管部件和網絡操作系統，能夠最大程度地保護用戶投資。

再發展就進入到以太網的萬兆時代。萬兆以太網使用IEEE 802.3以太網介質接入控制（MAC）協議、IEEE 802.3以太網幀格式和IEEE 802.3幀格式，不需要修改以太網介質接入控制（MAC）協議或分組格式。所以，能夠支持所有網絡的上層服務，包括在OSI七層模型的第二/三層或更高層次上運行的智能網絡服務，具有高可用性、多協議標記交換（MPLS）、含IP語音（VoIP）在內的服務質量（QoS）、安全與策略實施、服務器負載均衡（SLB）和Web高速緩存等特點。

2 10GBase-T萬兆以太網技術

萬兆以太網技術（10GBase-T）始于2002年6月IEEE 802.3ae 10GE標準的正式發布。在物理層，IEEE 802.3ae大致分為兩種類型，一種為傳統以太網連接速率為10Gbps的“LANPHY”；另一種為連接SDH/SONET速率為9.58464Gbps的“WANPHY”；WANPHY與 SONETOC-192幀結構的融合，可以與SONETOC-192電路和SONET/SDH設備一起運行，保護了傳統基礎設施投資，使運營商能夠在不同地區中通過城域網提供端到端以太網。在傳輸介質方面，IEEE 802.3ae可以支持9μm單模、50μm多模和62.5μm多模光纖。在數據鏈路層，IEEE 802.3ae繼承了IEEE 802.3以太網的幀格式及最大/最小幀長度，支持多層星型連接、點到點連接及拓撲組合，充分保證對已有應用的兼容性，對上層應用沒有影響，使得升級風險降低。與全雙工快速以太網和千兆位以太網一樣，萬兆以太網也采用全雙工，因此沒有固有的距離限制。由于萬兆以太網仍然是以太網，使用了相關的管理工具和體系結構，因而能縮短實施和推廣時間。

在 制 定IEEE 802.3ae后，IEEE著 手10GBase-T網絡在銅纜上傳輸標準的研究和制定。2002年11月成立了兩個研究銅纜萬兆以太網的組織，一個組織研究在Cat.5e或Cat.6雙絞線上的10GBase-T；另一個組織研究用4對同軸電纜實現萬兆以太網的方法。西蒙公司于2003年1月率先在全球市場推出10Gip全系統10G布線解決方案。近期推出的MTPTM即插即用型光纖網絡布線解決方案，可保證對重要數據中心鏈路的支持。目前，西蒙是唯一擁有全套7類/F級連接器的公司。西蒙的TERATM系統是完全支持4連接情況下100m萬兆傳輸的7類F級布線系統，也是世界上性能最好的支持多媒體應用的標準化銅纜布線系統。

隨著10GBase-T標準的制定，萬兆以太網的光模塊技術也得到了迅速的發展。萬兆以太網光模塊已有300針MSA模塊、XENPAK、XPAK、X2和XFP五 種。 其 中300針MSA模塊屬于第一代模塊，最初面向SDH網絡而設計，尺寸大并且價格比較昂貴。Xenpak是面向萬兆以太網的第一代光模塊，相對300針MSA而言價格低且尺寸小，現在各個光模塊生產廠商正在積極進行小型化10G光模塊的研發。Xpak和X2是Xenpak模塊的直接改進版，體積縮小了40%，光接口、電接口都與原來保持一致。Finisar等公司正在研發的XFP相比以上各種MSA都不同。在電接口方面沒有采用標準的XAUI接口，而是采用了自行規定的XFI接口。XFP支持局域網PHY和廣域網 PHY，具有可插拔、尺寸更加小巧、價格更有競爭力等特點。

3 10GBase-T技術的應用領域

萬兆以太網技術突破了傳統以太網近距離傳輸的限制。除了應用在局域網和園區網外，也能方便應用在城域網甚至廣域網范圍內，來構建高性能的網絡核心。

（1）寬帶IP城域網

10GBase-T網絡設備可提供高密度萬兆、千兆以太網接口，為服務提供商和企業用戶提供城域網和廣域網的連接。萬兆以太網在裸光纖上最遠可以傳輸40km～80km，滿足城域范圍的要求。也可以連接DWDM和SDH/SONET設備實現廣域范圍的傳輸。

（2）醫療行業

醫療行業會采用10GBase-T技術，尤其是涉及到數字化放射治療計劃時，通過熔合的過程能將多張反映身體結構和新陳代謝變化的圖像合在一起。利用這一技術，治療計劃制定者能利用這些圖像使放射束充分對準腫瘤而對周圍組織的傷害最小。

（3）數據中心和Internet交換中心

隨著Internet應用的普及，大量的數據訪問需要一個可升級、高性能的內容服務匯聚網絡。數據中心需要匯聚數百計的快速以太網和千兆以太網線路，在用戶端，服務器匯聚網絡要提供具有L2交換、L3路由的高密度10GE路由器和交換機。萬兆以太網設備可滿足匯聚網絡的需求，并為未來網絡升級預留空間。

4 10GBase-T銅纜布線

開發這項技術的主要驅動力是成本，現實應用需要降低成本。10GBase-T技術標準的目的是用3倍的成本實現10倍的性能，衡量的標準是目前使用最先進的以太網技術（以千兆以太網技術來衡量，成本是其3倍，性能達到其10倍）。對于大范圍的實施萬兆以太網來說，利用光纖傳輸的解決方案已經證明過于昂貴，因此銅纜的解決方案得以開發。

測試表明，10G以太網需要至少500MHz（起初是625MHz）的線性傳輸性能。大多數的增強5類電纜只有150MHz或250MHz，標準也只要求150MHz。6類雖沒有被強制其性能達到500MHz，但對于高帶寬傳輸是更好的介質；許多制造商提供的電纜標稱600MHz，正是預計到有應用需要更高的性能。萬兆銅纜以太網10GBase-T標準工作組宣布的布線系統支持目標包括：4連接器雙絞線銅纜系統信道；100m長度 F級（7類）布線信道；55m長度 E級（6類）布線信道；100m長度新型E級（6類）信道。

在過去的十年，對帶寬的需求呈指數級增長。以太網應用從10Base-T、100Base-T、1000Base-T發展到現在的10GBase-T。眾所周知，芯片存儲和處理能力每18個月增加一倍。網絡設備和布線基礎設施必須和這種更新速度保持一致。出于上述原因及其他諸如不斷增加的基于IP應用之類的因素，對10G布線系統提供的帶寬需求只是時間問題。布線系統是網絡設備中最難升級的一部分，其使用壽命至少10年，是有源網絡電子設備生命周期的兩倍。盡管布線系統只占整個網絡總投資的5%，但它卻是構建整個網絡的基礎。因此當打算更新或升級網絡時，最好是投資高質量、高性能的布線系統。

第四屆“西蒙杯”一等獎論文作品