基于萬兆以太網(wǎng)的城域網(wǎng)建設方法研究

杜文晟

(湖北師范學院 經(jīng)濟與管理學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

以太網(wǎng)最早由Xerox公司提出，并且在1980年由DEC、Intel和Xerox共同開發(fā)并成為一個標準。1982年IEEE采納其作為局域網(wǎng)的三個標準之一(另兩個是IBM提出的令牌環(huán)和GM提出的令牌總線)，命名為802.3。另外一個曾經(jīng)被看作高速局域網(wǎng)未來的是ATM技術(shù)，在電信系統(tǒng)中使用比較多。經(jīng)過多年的發(fā)展，以太網(wǎng)通過自身不斷的完善與一次又一次的提速(從最初的10Mbps，到100Mbps、1Gbps再到本文討論的10Gbps)，尤其是其結(jié)構(gòu)簡單、維護方便的特點，使其在很多需要組建局域網(wǎng)的地方得到應用，令牌環(huán)、令牌總線和ATM市場份額越來越小。新世紀伊始，以千兆以太網(wǎng)為主干的校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)在全球各地快速地建立起來，確立了當時千兆主干+百兆到部門+十兆到桌面的典型布局。至此，除了部分建網(wǎng)比較早的地方和一些工業(yè)場所以外，以太網(wǎng)占據(jù)了所有局域網(wǎng)市場。

但是在范圍更廣的城域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)中，以太網(wǎng)還不是絕對主流，在這些市場中占主導的是SONET/SDH、RPRR甚至FDDI。不過從萬兆以太網(wǎng)開始，這種局面可能被打破。萬兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)，一方面使得局域網(wǎng)升級為萬兆核心+千兆匯聚+百兆到桌面，另一方面IEEE 802委員會針對城域網(wǎng)的特點對協(xié)議做了修改。從此開啟了用以太網(wǎng)建設城域網(wǎng)的時代。

1 萬兆以太網(wǎng)概述

還在千兆以太網(wǎng)標準剛剛通過的時候，IEEE 802委員會就開始著手下一代以太網(wǎng)的標準制定工作了。萬兆以太網(wǎng)并非單純地將速度提升到千兆以太網(wǎng)的10倍。由于量變引發(fā)質(zhì)變的必然，在萬兆以太網(wǎng)中引入了很多復雜的新技術(shù)。它本身有如下幾個特點[1]：

1)幀格式和10Mbps、100Mbps、1Gbps以太網(wǎng)的格式相同(進行局域網(wǎng)傳輸?shù)臅r候)，這就保證了上層軟件不需要做任何修改;

2)最小和最大幀長度保持不變，這樣便于和低速設備進行通信;

使用光纖和雙絞線作為物理介質(zhì)，其中雙絞線(10GBASE-T)為六類或以上，通信距離最高100m;

4)不再使用CSMA/CD協(xié)議，因此傳輸距離不受沖突檢測的限制。

萬兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)，除了在傳統(tǒng)優(yōu)勢的局域網(wǎng)領(lǐng)域繼續(xù)鞏固了以太網(wǎng)的地位之外，速度的提升也使得新的應用可以在局域網(wǎng)上開展，比如高清的視頻會議、高清多媒體流播放、高精度3D虛擬現(xiàn)實和跨網(wǎng)絡的海量數(shù)據(jù)傳輸。

而在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)，常用的OC192標準速率大約是10Gbps，萬兆以太網(wǎng)已經(jīng)達到(實際上是超過一點點)了OC192的速率，這樣就引出一個用以太網(wǎng)技術(shù)來進行廣域數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。所以制定萬兆以太網(wǎng)協(xié)議時，IEEE首次考慮將其應用在城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中，因此，802.3ae標準對于802.3以太網(wǎng)的協(xié)議做了諸多調(diào)整：

1)對物理層實現(xiàn)方法的修改。萬兆以太網(wǎng)需要同時考慮局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)應用，這意味著萬兆以太網(wǎng)必須綜合考慮三種不同的網(wǎng)絡對誤碼率、抖動和QoS等不同的要求，必須從物理層開始，設計出適合三種網(wǎng)絡的底層實現(xiàn)方法，并和MAC層能良好地連接。

首先萬兆以太網(wǎng)需要和現(xiàn)有的802.3系列局域網(wǎng)(10Mbps、100Mbps、1Gbps)保持兼容，包括物理層和MAC層。從快速以太網(wǎng)(100Mbps)開始，以太網(wǎng)就是用兩種不同的介質(zhì)通過交換機互聯(lián)：光纖和雙絞線。到了萬兆以太網(wǎng)，這兩種介質(zhì)仍然保留(具體細節(jié)上有所不同)。萬兆以太網(wǎng)首先要和千兆以太網(wǎng)在各方面保持向下兼容，其中包括沖突窗口、載波擴展、幀突發(fā)處理等。要確保能夠把10條1Gbps的線路復用為1條10Gbps的，也就是能支持10路千兆以太網(wǎng)的端口。

其次，萬兆以太網(wǎng)首次面向城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)做了相應的設計，主要考慮了和SONET/SDH的無縫連接，主要是OC-192/STM-64標準。這里面有一個速率匹配的問題：萬兆以太網(wǎng)是10Gbps的速率，而OC-192是9.58464Gbps，為了兩者能夠匹配，使用專門的XGMII(類似千兆以太網(wǎng)的GMII)將MAC層和物理層分開。MAC層仍然使用802.3，在物理層則可以使用各種廣域網(wǎng)標準，比如SDH。

2)MAC層的修改。萬兆以太網(wǎng)對802.3的MAC幀格式做了一定的修改，但是為了保持兼容，沒有修改各個區(qū)間的長度，而是當數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)進入城域網(wǎng)時，由硬件修改MAC幀，回到局域網(wǎng)時再改回來。這是因為將802.3ae幀封裝在OC-192幀里面，需要識別多個802.3ae幀的起始。主要修改有：將7字節(jié)前導碼中劃分出2字節(jié)的長度標識和5字節(jié)的前導碼；由于萬兆以太網(wǎng)只使用全雙工模式，因此完全廢棄了CSMA/CD，從而也就沒有了爭用期的概念，不過最大幀長度保持在1518字節(jié)未變。

2 傳統(tǒng)的構(gòu)建城域網(wǎng)方法概述

新世紀伊始，北美地區(qū)的廣域網(wǎng)市場出現(xiàn)了帶寬過剩的現(xiàn)象，很多長途線路和廣域網(wǎng)運營商倒閉，其原因是相對低速的接入方式(以56K調(diào)制解調(diào)器為主)已經(jīng)無法滿足用戶需求。許多ISP雖然有大量的廣域網(wǎng)帶寬資源，但是無法解決大量用戶接入的問題。因為傳統(tǒng)的Modem接入是用戶通過電話線路直接連接到電信公司的調(diào)制解調(diào)器池，隨著終端用戶的快速增加，調(diào)制解調(diào)器池無法滿足大量用戶接入。并且，各個組織內(nèi)部建立的局域網(wǎng)也需要進行互聯(lián)，這使人們意識到，在廣域網(wǎng)和接入網(wǎng)/局域網(wǎng)之間還有一個中間層，即城域網(wǎng)，而且制約大規(guī)模Internet接入的瓶頸就在城域網(wǎng)上。

最初，出于對線路質(zhì)量、性能、維護等方面的考慮，IEEE802委員會定義城域網(wǎng)是：使用光纖為介質(zhì)，速率在45Mbps～150Mbps，支持數(shù)據(jù)、語音、圖形與視頻綜合業(yè)務傳輸，覆蓋跨度為50～100km的城市范圍，實現(xiàn)高速率高寬帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。

早期的城域網(wǎng)建設多采用了環(huán)形的FDDI結(jié)構(gòu)，F(xiàn)DDI采用光纖作為傳輸介質(zhì)，使用雙環(huán)拓撲，具有快速環(huán)自愈能力，提供高可靠性傳輸，速率為100Mbps，提供100km范圍內(nèi)的局域網(wǎng)接入。FDDI和令牌環(huán)在很多地方是相似的，比如使用了令牌環(huán)的MAC協(xié)議，同時使用了802.2的LLC協(xié)議。

IEEE802委員會的定義是在FDDI的基礎上得出的，城域網(wǎng)主要介于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間，主要用途是解決大量的局域網(wǎng)互聯(lián)。但是隨著新的應用和服務的不斷出現(xiàn)，尤其是三網(wǎng)融合的目標的提出，城域網(wǎng)的概念已經(jīng)悄悄發(fā)生了變化。

現(xiàn)代的城域網(wǎng)已經(jīng)不僅僅是一種互聯(lián)手段，更是一個基于某一個城市范圍的信息基礎設施，運營商可以基于城域網(wǎng)，使用TCP/IP協(xié)議來連接各種互聯(lián)設備，在覆蓋城市的范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)、語音、圖形、圖像、視頻等信息的綜合傳送。整合各個局域網(wǎng)內(nèi)的資源，同時與廣域網(wǎng)交換信息，與有線電視網(wǎng)絡、電話交換網(wǎng)絡互聯(lián)互通，形成一個局部的綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡應當能保證高帶寬和QoS，因此也被稱為寬帶城域網(wǎng)。

目前城域網(wǎng)的主流技術(shù)有SDH和RPR，其中SDH主要采用了下一代的MSTP(Multi-Service Transport Platform)來代替功能單一的分插多路復用器(Add-drop Multiplexer，ADM)和數(shù)字交叉系統(tǒng)(Digital cross-connect system，DCS)，這將使得IP over SDH更為可行，并且可以在SDH上集成IP、以太網(wǎng)、幀中繼和ATM。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 基于SONET/SDH的城域網(wǎng)(來源：ChinaByte)

RPR彈性分組環(huán)(802.17)則是另一種采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)的光纖網(wǎng)，為了直接在光纖上傳輸IP分組而設計，采用空間復用協(xié)議SRP，同樣符合寬帶城域網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)：核心層、匯聚層和接入層，RPR在核心和匯聚部分都使用環(huán)，稱為核心環(huán)和匯聚環(huán)，從而也具有了環(huán)自愈的能力。RPR具有如下優(yōu)點：

1)業(yè)務分級

將業(yè)務分為A，B，C三級。其中A細分為兩級，B細分為兩級。數(shù)據(jù)類型實際上被分為5級，每一級有不同的QoS，保證業(yè)務的區(qū)分度，分別對應實時業(yè)務，非實時業(yè)務和盡力傳送。

2)拓撲自動發(fā)現(xiàn)

保證了對環(huán)上新增和移去的節(jié)點，動態(tài)實現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)更新。如果要增加或者減少RPR上的總帶寬，則可以結(jié)合LCAS功能來實現(xiàn)。使用LCAS可以動態(tài)地調(diào)整帶寬，而不影響原有業(yè)務。

3)空間重用

RPR單播幀在目的節(jié)點剝離的機制，實現(xiàn)了環(huán)上帶寬的空間重用。環(huán)上帶寬可以幾個點的業(yè)務共用，帶寬利用率提高。

4)公平算法

RPR內(nèi)環(huán)和外環(huán)都支持獨立的公平算法。公平算法保證了低優(yōu)先級的B_EIR和C類業(yè)務在RPR環(huán)上的公平接入。通過設置公平算法的權(quán)重，可以使不同的結(jié)點具有不同的接入速率。節(jié)點可以分別在外環(huán)和內(nèi)環(huán)上設置不同的權(quán)重。

5)保護

wrapping+string， wrapping相當于斷纖處環(huán)回，倒換時間快，但是路徑不是最優(yōu)。String保護模式倒換時間慢，但選擇最優(yōu)路徑。

圖2 基于RPR的城域網(wǎng)拓撲(使用3Com設備)(來源：ChinaByte)

而隨著新的低成本的GE、10GE技術(shù)的成熟，局域網(wǎng)(主要是以太網(wǎng))的帶寬大大提高。DWDM技術(shù)的成熟使得遠程傳輸更加便宜和高效，廣域網(wǎng)的帶寬也大大提高。寬帶城域網(wǎng)恰好可以綜合利用這些技術(shù)，在兩者之間建立橋梁，促進三網(wǎng)融合。

3 萬兆以太網(wǎng)對城域網(wǎng)的支持

在萬兆以太網(wǎng)之前，以太網(wǎng)(IEEE 802.3)一直致力于局域網(wǎng)范圍內(nèi)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。但是隨著速率的提高和光纖的逐漸普及，在城域網(wǎng)乃至廣域網(wǎng)中使用以太網(wǎng)技術(shù)的呼聲也越來越高。而從速率、技術(shù)成熟度、成本等方面來看，使用以太網(wǎng)作為城域網(wǎng)的骨干也是比較合理的。

世界上的以太網(wǎng)用戶已經(jīng)有上億，以太網(wǎng)具有良好的可擴展性，從10M到10G可以平滑順利地升級，覆蓋范圍從100m到100km。目前主流的操作系統(tǒng)都可以在以太網(wǎng)上運行。從以太網(wǎng)的發(fā)展歷程來看，從10Mbps到100Mbps是以雙絞線和CSMA/CD為主，到了1Gbps和10Gbps，則以光纖和點對點全雙工鏈接為主，雙絞線為輔。100G以太網(wǎng)的發(fā)展當然也會是光纖+全雙工點對點連接+局域網(wǎng)+城域網(wǎng)+廣域網(wǎng)的方向。

為此，802.3ae標準特地為城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)引入了一些新特性；

1)物理層支持3種波長的光纖：850nm、1310nm和1550nm(如圖3)。1550納米波長經(jīng)常用于城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)應用，因為它傳輸距離可達40km。1310nm波長經(jīng)常用于連接園區(qū)網(wǎng)，或連接遠程辦公室。此外，1310nm波長也可以用于同一大樓內(nèi)的多層基礎設施。最后，850nm波長主要用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，因為使用擁有2000MHz-km的模態(tài)帶寬的激光優(yōu)化多模光纖，其傳輸距離只能達到300m.當前的多模光纖(62.5μm和50μm)支持的長度極限在20m到28m之間。帶有萬兆網(wǎng)絡接口卡(NIC)的高速服務器，更適合用850nm的萬兆以太網(wǎng)。

2)為了匹配廣域網(wǎng)現(xiàn)有的OC-192標準的速率，設計了專用的XGMII接口，將速率從10Gbps降至9.58464Gbps，這可以通過三種方式實現(xiàn)：通過XGMII發(fā)送HOLD信號，讓MAC在一個時鐘周期內(nèi)停止發(fā)送；每個幀間隙IPG中，有物理層想MAC發(fā)送Busy Idle信號，則MAC層停止發(fā)送，直到物理層發(fā)送Normal Idle信號；采用IPG延長機制，MAC每次發(fā)完一個幀后，根據(jù)平均速率動態(tài)調(diào)整IPG。

圖3 萬兆以太網(wǎng)所用的三種光纖波長(來源：ChinaByte)

3)將MAC幀封裝到OC-192幀之前，修改MAC幀結(jié)構(gòu)。這樣在以太網(wǎng)幀較短的時候，可以將多個以太網(wǎng)幀插入到OC-192幀當中，并且仍然能很好地識別幀邊界，提高傳輸效率。

4)設計了一個WAN Interface Sublayer(WIS)/10G BASE-W標準[2]。WIS是一個可選的PHY子層，用來創(chuàng)建一個10GBASE-W的PHY，在數(shù)據(jù)率和格式上同ANSI發(fā)布的SONET OC-192或者ITU發(fā)布的SDH-VC-4-64c相兼容。設計WIS的目的是使得10BASE-W設備在PHY子層可以產(chǎn)生能直接映射為OC-102/VC-4-64c數(shù)據(jù)流的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，而無需MAC或者高層的處理。實際上WIS是定義了一個SONET/SDH標準的邏輯幀格式的子集。另外，WIS將有效數(shù)據(jù)吞吐量約束到OC-192/VC-4-64c的有效負荷容量，即9.58464GB/s，不支持多路SONET/SDH格式。

4 具體構(gòu)建方法

從第2章可以看到，傳統(tǒng)的構(gòu)建城域網(wǎng)的方法在主干上都是一個環(huán)形的結(jié)構(gòu)，這是為了保障城域網(wǎng)的容錯性。一旦主干上某個節(jié)點發(fā)生故障或者光纖發(fā)生斷裂(如施工破壞等)，其他節(jié)點仍然能通信(只是路徑有所改變，不再是最優(yōu))。但是以太網(wǎng)最初是總線式的，后來成為點對點式(交換機)。要在以太網(wǎng)中使用環(huán)形拓撲，需要在交換機上設置同級互聯(lián)接口。

IP over 10GE over SDH

這個方案就是將IP封裝在802.3ae幀當中，然后修改幀頭部格式，并插入到SDH幀，然后在光纖上傳送.

標準的SDH幀是810字節(jié)，而萬兆以太網(wǎng)最小幀長64字節(jié)，最大幀長1518字節(jié)，因此需要在SDH幀內(nèi)識別以太網(wǎng)幀的界限，從而導致了對以太網(wǎng)幀格式的修改，這種修改可以由硬件進行。這種方法可以識別單個SDH幀中插入多個以太網(wǎng)短幀，或者單個以太網(wǎng)幀插入多個SDH幀中。

IP over 10GE over WDM-based optical

這種方法省略了SDH層，從而降低了開銷。DWDM的中心頻率是1552.52nm，間隔為100GHz，這和10GE的光纖波長1550nm差不多。

IP over 10GE over fabric (PEF)

這個方案應該是未來萬兆以太網(wǎng)應用于城域網(wǎng)建設的主流技術(shù)，它充分利用了萬兆以太網(wǎng)對光纖介質(zhì)的支持和光纖長距離傳輸衰減小的特點，將IP封裝到802.3ae幀之后，直接在光纖上傳送，直接利用萬兆以太網(wǎng)進行長距離通信，真正使用萬兆以太網(wǎng)作為城域網(wǎng)核心交換機制。這種方案的一種結(jié)構(gòu)如圖4.

圖4 使用BigIron設備的萬兆以太網(wǎng)設備構(gòu)建城域網(wǎng)(來源：ChinaByte)

以太網(wǎng)原本是用作局域網(wǎng)的技術(shù)，在城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中使用效果如何還有待觀察，不過因為自身的特點，仍然有一些比不上傳統(tǒng)SONET/SDN的地方。比如技術(shù)成熟度、鏈路保護機制(SDN的環(huán)自愈機制保證了其魯棒性)，不過從實現(xiàn)方式上看萬兆以太網(wǎng)更加簡單，從而成本更低廉，交換式的組網(wǎng)方式可擴展性非常好。

5 結(jié)束語

縱觀整個以太網(wǎng)發(fā)展的歷程，可以發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)一直是以性價比、易用性、升級平滑性取勝，隨著以太網(wǎng)的進一步發(fā)展，可以預見今后出現(xiàn)以太網(wǎng)橫跨局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的局面是有可能出現(xiàn)的。

[1]吳功宜. 計算機網(wǎng)絡高級教程[M]. 北京：清華大學出版社，2007.

[2]IEEE.IEEE Standards Specification Document：IEEE 802.3ae[S].2002.