基于萬兆以太網的城域網建設方法研究

杜文晟

(湖北師范學院 經濟與管理學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

以太網最早由Xerox公司提出，并且在1980年由DEC、Intel和Xerox共同開發并成為一個標準。1982年IEEE采納其作為局域網的三個標準之一(另兩個是IBM提出的令牌環和GM提出的令牌總線)，命名為802.3。另外一個曾經被看作高速局域網未來的是ATM技術，在電信系統中使用比較多。經過多年的發展，以太網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)，尤其是其結構簡單、維護方便的特點，使其在很多需要組建局域網的地方得到應用，令牌環、令牌總線和ATM市場份額越來越小。新世紀伊始，以千兆以太網為主干的校園網、企業網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，除了部分建網比較早的地方和一些工業場所以外，以太網占據了所有局域網市場。

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

1 萬兆以太網概述

還在千兆以太網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的標準制定工作了。萬兆以太網并非單純地將速度提升到千兆以太網的10倍。由于量變引發質變的必然，在萬兆以太網中引入了很多復雜的新技術。它本身有如下幾個特點[1]：

1)幀格式和10Mbps、100Mbps、1Gbps以太網的格式相同(進行局域網傳輸的時候)，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，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協議，因此傳輸距離不受沖突檢測的限制。

萬兆以太網的出現，除了在傳統優勢的局域網領域繼續鞏固了以太網的地位之外，速度的提升也使得新的應用可以在局域網上開展，比如高清的視頻會議、高清多媒體流播放、高精度3D虛擬現實和跨網絡的海量數據傳輸。

而在廣域網范圍內，常用的OC192標準速率大約是10Gbps，萬兆以太網已經達到(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技術來進行廣域數據傳輸的問題。所以制定萬兆以太網協議時，IEEE首次考慮將其應用在城域網和廣域網中，因此，802.3ae標準對于802.3以太網的協議做了諸多調整：

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

首先萬兆以太網需要和現有的802.3系列局域網(10Mbps、100Mbps、1Gbps)保持兼容，包括物理層和MAC層。從快速以太網(100Mbps)開始，以太網就是用兩種不同的介質通過交換機互聯：光纖和雙絞線。到了萬兆以太網，這兩種介質仍然保留(具體細節上有所不同)。萬兆以太網首先要和千兆以太網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路千兆以太網的端口。

其次，萬兆以太網首次面向城域網和廣域網做了相應的設計，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標準，比如SDH。

2)MAC層的修改。萬兆以太網對802.3的MAC幀格式做了一定的修改，但是為了保持兼容，沒有修改各個區間的長度，而是當數據從局域網進入城域網時，由硬件修改MAC幀，回到局域網時再改回來。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字節前導碼中劃分出2字節的長度標識和5字節的前導碼；由于萬兆以太網只使用全雙工模式，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字節未變。

2 傳統的構建城域網方法概述

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

最初，出于對線路質量、性能、維護等方面的考慮，IEEE802委員會定義城域網是：使用光纖為介質，速率在45Mbps～150Mbps，支持數據、語音、圖形與視頻綜合業務傳輸，覆蓋跨度為50～100km的城市范圍，實現高速率高寬帶傳輸的數據通信網絡。

早期的城域網建設多采用了環形的FDDI結構，FDDI采用光纖作為傳輸介質，使用雙環拓撲，具有快速環自愈能力，提供高可靠性傳輸，速率為100Mbps，提供100km范圍內的局域網接入。FDDI和令牌環在很多地方是相似的，比如使用了令牌環的MAC協議，同時使用了802.2的LLC協議。

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

現代的城域網已經不僅僅是一種互聯手段，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，使用TCP/IP協議來連接各種互聯設備，在覆蓋城市的范圍內進行數據、語音、圖形、圖像、視頻等信息的綜合傳送。整合各個局域網內的資源，同時與廣域網交換信息，與有線電視網絡、電話交換網絡互聯互通，形成一個局部的綜合業務數字網絡。這個網絡應當能保證高帶寬和QoS，因此也被稱為寬帶城域網。

目前城域網的主流技術有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)和數字交叉系統(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、幀中繼和ATM。其拓撲結構如圖1.

圖1 基于SONET/SDH的城域網(來源：ChinaByte)

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

1)業務分級

將業務分為A，B，C三級。其中A細分為兩級，B細分為兩級。數據類型實際上被分為5級，每一級有不同的QoS，保證業務的區分度，分別對應實時業務，非實時業務和盡力傳送。

2)拓撲自動發現

保證了對環上新增和移去的節點，動態實現拓撲結構更新。如果要增加或者減少RPR上的總帶寬，則可以結合LCAS功能來實現。使用LCAS可以動態地調整帶寬，而不影響原有業務。

3)空間重用

RPR單播幀在目的節點剝離的機制，實現了環上帶寬的空間重用。環上帶寬可以幾個點的業務共用，帶寬利用率提高。

4)公平算法

RPR內環和外環都支持獨立的公平算法。公平算法保證了低優先級的B_EIR和C類業務在RPR環上的公平接入。通過設置公平算法的權重，可以使不同的結點具有不同的接入速率。節點可以分別在外環和內環上設置不同的權重。

5)保護

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

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

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

3 萬兆以太網對城域網的支持

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

世界上的以太網用戶已經有上億，以太網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都可以在以太網上運行。從以太網的發展歷程來看，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以太網的發展當然也會是光纖+全雙工點對點連接+局域網+城域網+廣域網的方向。

為此，802.3ae標準特地為城域網和廣域網引入了一些新特性；

1)物理層支持3種波長的光纖：850nm、1310nm和1550nm(如圖3)。1550納米波長經常用于城域網和廣域網應用，因為它傳輸距離可達40km。1310nm波長經常用于連接園區網，或連接遠程辦公室。此外，1310nm波長也可以用于同一大樓內的多層基礎設施。最后，850nm波長主要用于數據中心內部，因為使用擁有2000MHz-km的模態帶寬的激光優化多模光纖，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。帶有萬兆網絡接口卡(NIC)的高速服務器，更適合用850nm的萬兆以太網。

2)為了匹配廣域網現有的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：通過XGMII發送HOLD信號，讓MAC在一個時鐘周期內停止發送；每個幀間隙IPG中，有物理層想MAC發送Busy Idle信號，則MAC層停止發送，直到物理層發送Normal Idle信號；采用IPG延長機制，MAC每次發完一個幀后，根據平均速率動態調整IPG。

圖3 萬兆以太網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幀結構。這樣在以太網幀較短的時候，可以將多個以太網幀插入到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，用來創建一個10GBASE-W的PHY，在數據率和格式上同ANSI發布的SONET OC-192或者ITU發布的SDH-VC-4-64c相兼容。設計WIS的目的是使得10BASE-W設備在PHY子層可以產生能直接映射為OC-102/VC-4-64c數據流的以太網數據流，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將有效數據吞吐量約束到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 具體構建方法

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

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，而萬兆以太網最小幀長64字節，最大幀長1518字節，因此需要在SDH幀內識別以太網幀的界限，從而導致了對以太網幀格式的修改，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短幀，或者單個以太網幀插入多個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應用于城域網建設的主流技術，它充分利用了萬兆以太網對光纖介質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進行長距離通信，真正使用萬兆以太網作為城域網核心交換機制。這種方案的一種結構如圖4.

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

以太網原本是用作局域網的技術，在城域網和廣域網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SONET/SDN的地方。比如技術成熟度、鏈路保護機制(SDN的環自愈機制保證了其魯棒性)，不過從實現方式上看萬兆以太網更加簡單，從而成本更低廉，交換式的組網方式可擴展性非常好。

5 結束語

縱觀整個以太網發展的歷程，可以發現以太網一直是以性價比、易用性、升級平滑性取勝，隨著以太網的進一步發展，可以預見今后出現以太網橫跨局域網、城域網和廣域網的局面是有可能出現的。

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

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