萬兆以太網標準的核心內容詳細分析

2019-11-04 20:49:09

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供稿：網友

　　以太網從誕生到現在已經有25年的歷史，由于它成本低、可靠性高、安裝和維護相對簡單，因此大受人們歡迎。今天，以太網幾乎承擔了Internet上所有的通信任務。
　　
　　隨著技術的發展和網絡速度的提高，萬兆（10G）以太網技術開始列入業界的議事日程。擬議中的萬兆以太網標準與早期的以太網標準之間存在巨大差別，非凡是萬兆以太網只用光纖，并且只在全雙工模式下運行。這就是說，萬兆以太網將不再使用沖撞檢測協議。
　　
　　萬兆以太網不會使現有的網絡基礎設施投資變成明日黃花。它依舊是以太網標準，現有的各種以太網標準可以很方便地移植到未來的新標準中。萬兆標準開發非凡工作組正在努力使萬兆以太網能夠與其他網絡技術實現互通。此外，該工作組還在向新標準添加一些非凡的技術，使以太網數據包能夠在SONET中順利通行。
　　
　　萬兆以太網標準計劃在2002年中期開始采用。由于在當前的網絡通信中，分組交換數據量已經超過語音通信量，占據了主導地位，因此，業界希望新的萬兆以太網標準能夠將原來主要用于語音通信的網絡和數據網絡融合為一體。
　　
　　本期“萬兆以太網主題報道”全面介紹萬兆以太網標準的制訂情況、標準核心內容、市場應用等，為讀者全面展示網絡發展的核心方向和它的市場前景，包括以下幾篇文章：
　　
　　萬兆以太網標準的核心內容 D10
　　
　　標準制訂流程 D11
　　
　　萬兆以太網市場蓄勢待發 D12
　　
　　10G技術的更高應用 D12
　　
　　10G遭遇障礙 D13
　　
　　以太網發展小史 D13
　　
　　在國際標準組織開放式系統互聯（OSI）參考模型下，以太網是第二層協議。萬兆以太網使用IEEE 802.3以太網介質訪問控制協議（MAC）、IEEE 802.3以太網幀格式以及IEEE 802.3最小和最大幀尺寸。
　　
　　正如1000Base-X和1000Base-T（千兆以太網）都屬于以太網一樣，從速度和連接距離上來說，萬兆以太網是以太網技術自然發展中的一個階段。但是，因為它是一種只適用于全雙工模式，并且只能使用光纖的技術，所以它不需要帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD）。除此之外，萬兆以太網與原來的以太網模型完全相同。
　　
　　在以太網中，PHY表示以太網的物理層設備，它對應于OSI模型的第一層。PHY通過連接介質（光纖或銅線）與MAC層相連，而MAC層對應的是OSI模型中的第二層。在以太網的體系結構中，PHY（第一層）進一步劃分為物理介質層（PMD）和物理編碼子層（PCS）。例如，光纖收發機屬于PMD，PCS由編碼器和一個并串轉換器或復用功能組成。
　　
　　802．3ae規范定義了兩種PHY類型：局域網 PHY和廣域網PHY。廣域網PHY在局域網PHY功能的基礎上增加了一個擴展特性集。這些PHY惟一的區別在PCS上。同時，PMD也有多種類型。
　　
　　芯片接口（XAUI）
　　在萬兆以太網非凡工作組的諸多創新中，有一個被稱做XAUI（讀作“Zowie”）的接口。其中的“AUI”部分指的是以太網連接單元接口（Ethernet Attachment Unit Interface）。“X”代表羅馬數字10，它意味著每秒萬兆(10Gbps)。XAUI被設計成一個接口擴展器，它擴展的接口就是XGMII（與介質無關的萬兆接口）。XGMII是一個74位信號寬度的接口（發送與接收用的數據路徑各占32位），可用于把以太網MAC層與物理層（PHY）相連。在大多數典型的以太網MAC和PHY相連的、芯片對芯片的應用中，XAUI可用來代替或者擴展XGMII。
　　
　　XAUI是一種從1000Base-X萬兆以太網的物理層直接發展而來的低針數、自發時鐘串行總線。XAUI接口的速度為1000Base-X 的2.5倍。通過調整4根串行線，這種4bit的XAUI接口可以支持萬兆以太網10倍于千兆以太網的數據吞吐量。
　　
　　XAUI使用與1000Base-X同樣的8B/10B傳輸編碼，并通過印刷電路板上的銅線等常用介質提供高質量的完整數據。XAUI還包括其他一些優勢：由于采用自發時鐘，所以產生的電磁干擾（EMI）極小；具有強大的多位總線變形補償能力；可實現更遠距離的芯片對芯片的傳輸；具備較強的錯誤檢測和故障隔離功能；功耗低，能夠將XAUI輸入/輸出集成到CMOS中等。
　　
　　許多零部件廠商都已經公布在自己的獨立芯片、專用集成電路（ASIC）芯片、甚至FPGA（可編程門陣列）中提供XAUI接口能力。萬兆以太網的XAUI技術與其他主要的工業標準是相同或相當的，如InfinaBand、萬兆光纖通道以及通用的銅線和光纖主干互連等，這一點可以確保萬兆互連技術能夠在健康有序的市場競爭中，以低廉的的成本提供出色的產品。
　　
　　XAUI的具體應用目標包括：從MAC到物理層芯片之間的互連，以及從MAC到光纖收發器模塊之間的直接連接。XAUI是標準草案建議中萬兆可插式光纖模塊（XGP）的接口。將XAUI解決方案與XGP集成為一體后，萬兆以太網的多個端口便可以實現MAC與光纖模塊之間的互連。這種連接方式成本低、效率高，而且只需要通過印刷線路的銅導線便可實現MAC與光纖模塊之間的連接。
　　
　　相關物理介質層（PMD）
　　IEEE 802.3ae 非凡工作組已經開發了一個標準草案，它所提供的物理層可以支持光纖傳輸介質。其連接距離如右表所示。
　　
　　為了達到特定的距離，非凡工作組共選擇了4個PMD。其中，非凡工作組選擇了1310納米串聯PMD來實現2公里和10公里單模式光纖（SMF）的連接；選擇1550納米的串聯方案來實現（或者超越）40公里的SMF目標。對40公里PMD的支持說明，千兆以太網已經能夠成功地應用在城域網和局域網的遠距離通信中。非凡工作組還選用串行850納米收發器，在多模光纖上使用850納米的PMD實現65米的傳輸目標。
　　
　　另外，非凡工作組選擇了兩種寬波分復用（WWDM）的PMD，其中一種是1310納米的單模光纖，用于10公里范圍的應用；另一種1310納米PMD用于在已安裝的多模光纖上實現300米的傳輸目標。
　　
　　物理層（PHY）
　　局域網物理層和廣域網物理層將在共同的PMD上工作，因此，它們支持的距離也相同。這些物理層的惟一區別在于物理編碼子層（PCS）各有不同。萬兆局域網物理層的用途是以10倍的帶寬來支持現有的千兆以太網應用，這也是目前性價比最高的解決方案。隨著時間的推移，預計LAN PHY將被用于純光纖交換網絡環境中，并且可以擴展到廣域網的范圍。然而，為了能與現有的廣域網兼容，萬兆以太網WAN PHY將會支持現有的和未來將要安裝的SONET/SDH（同步光纖網絡/同步數字層）電路交換話音接入設備。
　　
　　廣域網物理層（WAN PHY）與局域網物理層（LAN PHY）的區別在于廣域網接口子層（WIS）包含一個簡化的SONET/SDH 幀編制器。因為SONET OC-192/SDH STM-64的運行速率只有萬兆以太網的百分之幾，所以要想實施一個能夠與局域網物理層以10Gbps和諧工作的MAC也較為簡單；同樣，也可以以較為簡單的方式實施能夠與廣域網物理層配合工作的MAC，其有效速率大約為9.29Gbps。
　　
　　為了降低廣域網物理層在實施過程中的成本，工作組沒有實現物理層與SONET/SDH波動、分層時鐘，以及某些光纖規格兼容。從根本上來說，廣域網物理層是使用通用以太網PMD實現的高性價比連接。它可以向SONET/SDH基礎設施提供訪問能力，使基于包的ip/以太網交換機可以附加至SONET/SDH和時分復用（TDM）基礎設施上。在廣域網傳輸主干網上，這一特性使得以太網可以將SONET/SDH作為其第一傳輸層。
　　
　　還有一點需要指出的是，以太網仍然是一種異步連接。與任何以太網一樣，萬兆以太網的計時和同步工作在每個字符的數據位流中進行，但是接收端的集線器、交換機或路由器可能會對數據進行重新計時和同步。相比之下，同步協議，包括SONET/SDH在內，要求所有設備共享同一系統時鐘，其目的是避免在傳送和接收設備之間出現時間錯亂。因為假如發生時間錯亂，網絡傳輸過程中的錯誤會增多，非凡對于那些需要及時傳輸數據的網絡來說，時間錯亂是最為致命的問題。
　　
　　廣域網物理層將諸如交換機或路由器這樣的數據設備連入SONET/SDH或光纖網絡中。這樣便可以以最簡單的方式對以上網絡中的以太網進行擴展。因此，兩臺路由器在工作時就似乎它們是通過以太網鏈路直接連在一起的。由于在它們之間不需要網橋或存儲轉發緩存設備，所以，不同服務中所有的IP流量治理系統都是在連接兩臺路由器的擴展萬兆以太網鏈路中運行的。
　　
　　為簡化擴展萬兆以太網鏈路的治理工作，廣域網物理層可以提供多種SONET/SDH治理信息，網絡治理員能夠像查看SONET/SDH鏈路一樣，查看以太廣域網物理層的信息。網絡治理員還可以利用SONET/SDH治理功能，在整個網絡中進行性能監測和錯誤隔離操作，操作對象包括萬兆以太網廣域網鏈路。SONET/SDH治理信息是由廣域網接口子層（WIS）提供的，WIS的工作范圍介于局域網物理層的64B/66B PCS和串行PMD層之間。

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