選購與測試：談萬兆以太網產品方案

2019-11-04 22:05:07

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供稿：網友

　　隨著ip業務量的迅速增長，對網絡帶寬的需求也在日益增長。市場迫切需要一種具備簡單、可靠和經濟等特點的新技術來提供更高帶寬，同時能應用到局域、城域和廣域范圍。能滿足這些要求的技術就是萬兆以太網（10GE）技術。

　　由于以太網具有合理的價格、優異的穩定性和可靠性，以及相對簡單和輕易的安裝、治理和維護，以太網的普及程度越來越廣泛。以太網技術已被證實是主流的網絡技術，占有絕對領先的市場份額。
　

PHY/PMD850nm Serial*1310nm Serial* 1550nm Serial* 1310nm WWDM* 850nm 4Fiber1550nm WWDMSerialLAN PHY多模光纖65米HDMMF 300米多模光纖10公里單模光纖40公里　　　SerialWAN PHY多模光纖65米HDMMF 300米多模光纖10公里單模光纖40公里　　　4-LaneLAN PHY 　　　多模光纖100米單模光纖10公里100米單模光纖10公里單模光纖40公里4-LaneWAN PHY　　　多模光纖300米單模光纖10公里100米單模光纖10公里單模光纖40公里

　　標準篇：光纖銅線雙管齊下

　　萬兆以太網是以太網世界的最新技術，它不僅速度比千兆以太網提高了十倍，在應用范圍上也得到了更多的擴展。萬兆以太網不僅適合所有傳統局域網的應用場合，更能延伸到傳統以太網技術受到限制的城域網和廣域網范圍。萬兆以太網能和DWDM傳輸網無縫兼容，將以太網通信延伸到沒有距離限制的全球范圍。

　　在萬兆以太網標準化過程中，IEEE和10GEA（萬兆以太網聯盟）是兩個最重要的組織。IEEE是負責制定萬兆以太網標準的機構，已在2002年6月發布了萬兆以太網標準IEEE 802.3ae。10GEA則是由業界領先的設備廠商組成的行業技術聯盟，致力于萬兆以太網的標準化和互操作性，以及推動萬兆以太網在全球的應用等方面的工作。

　　IEEE 802.3ae萬兆以太網標準

　　IEEE 802.3ae萬兆以太網標準主要包括以下內容：兼容802.3標準中定義的最小和最大以太網幀長度；僅支持全雙工方式；使用點對點鏈路和結構化布線組建星形物理結構的局域網；支持802.3ad鏈路匯聚協議；在MAC/PLS服務接口上實現10Gbps的速度；定義兩種PHY(物理層規范)，即局域網PHY和廣域網PHY；定義將MAC/PLS的數據傳送速率對應到廣域網 PHY數據傳送速率的適配機制；定義支持特定物理介質相關接口（PMD）的物理層規范，包括多模光纖和單模光纖以及相應傳送距離；支持ISO/IEC 11801第二版中定義的光纖介質類型等等。

　　萬兆以太網物理層規范

　　萬兆以太網的物理（PHY）層規范和所支持的光學部件部分在IEEE802.3ae中定義。在以太網標準中，光學部件部分被稱為“物理介質關聯層接口（PMD）”。萬兆以太網的四種物理層PHY類型包括如下。

　　a. Serial LAN PHY

　　串行局域網PHY由64b/66b編解碼（codec）機制和串行/反串行部件（SerDes）組成。64b/66b編解碼機制執行了數據包的分組編碼。SerDes將16位的并行數據通路（每路644Mbps）串行化為一條10.3Gbps的數據流，在傳送端交由串行光學部件或PMD處理。在接收端，SerDes將一條10.3Gbps的串行數據流轉化回16位的并行數據通路（每路644Mbps）。

　　b. Serial WAN PHY

　　串行廣域網PHY由廣域網接口子層（WIS）、64b/66b編解碼機制以及SerDes部件組成。串行廣域網PHY中的SerDes和串行局域網PHY唯一的區別在于串行數據流的速度是9.95Gbps（OC-192），16位并行數據通路的速度為每路622Mbps。串行廣域網PHY使得萬兆以太網與現有SONET/SDH網絡的 OC-192接口或DWDM光傳輸網的10Gbps接口速率完全匹配。

　　c. 4-Lane LAN PHY與4-Lane WAN PHY

　　4-Lane PHY是一種擴展AUI接口（XAUI）形式。XAUI由4比特寬度數據路徑組成，每個數據路徑的寬度為3.125Gbps。4-Lane廣域網PHY的接口規范定義包括了XAUI、64/66b編解碼、WIS和SUPI。SUPI是廣域網PHY WWDM PMD接口，由4比特寬度、速度為2.488Gbps數據路徑組成。

　　d. 萬兆以太網介質關聯層（PMD）接口類型

　　表1中列舉了萬兆以太網PHY、PMD與光纖類型和最大傳輸距離的關系。前面4種PMD在IEEE 802.3ae中定義。后面2種PMD雖然標準中沒有定義，但在市場上有供給。使用850nm新型的高帶多模光纖（HDMMF），可以支持到最遠300米的傳輸長度。

　　萬兆以太網最新進展

　　IEEE在制定802.3ae后，現正在著手萬兆以太網在銅線上傳送標準的研究和制定。2002年11月成立了兩個研究銅線萬兆以太網的組織，一個組織研究在Cat5e或Cat6雙絞線上的10GBaseT；另一個組織正在研究用4對同軸電纜實現萬兆以太網的方法。

　　現在已有一些芯片廠商和交換機廠商正在研發銅線萬兆以太網的產品，如Solarflare通信公司和Broadcom公司等芯片廠商正在開發基于銅線的萬兆以太網芯片。萬兆以太網交換機的領先廠商Force10網絡公司計劃在今年年底之前推出基于銅線的萬兆以太網模塊。

　　另外，隨著萬兆以太網標準的制定，萬兆以太網的光模塊技術也得到了迅速的發展。萬兆以太網光模塊如今已有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而言價格低且尺寸校

　　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。因此，XFP有可能在萬兆以太網光模塊市場中占據主流地位。

　　應用篇：局域城域廣域三路出擊

　　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，也能夠方便地應用在城域甚至廣域范圍，來構建高性能的網絡核心。

　　寬帶IP城域網

　　萬兆以太網設備可以提供高密度萬兆、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送40～80公里，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。

　　企業網和校園網

　　隨著企業及校園網絡應用的急劇增長，企業及校園的骨干網承受著不斷升級的壓力，從當初的快速以太網到現在的千兆網絡，很快將過渡到萬兆網絡，為用戶提供諸如多媒體業務、數據流內容、SAN等服務。萬兆以太網設備具有高帶寬、低時延、網絡治理簡易等特性，非常適用于企業及校園骨干網建設。

　　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GE/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了的空間。

　　超級計算中心

　　大型企業和研究機構需要強大的計算機系統，正在從傳統的大型計算機和超級計算機轉向由幾十臺到幾百臺小型商用計算機組成的服務器機群，機群內部之間由高性能的以太網連接。機群可以分布在不同的地方，他們之間通過城域網和廣域網互相連接形成計算網格。萬兆以太網設備提供高密度的端口、線速的交換性能、全面的L2交換和L3路由能力，可充分滿足超級計算中心服務器機群內部高性能網絡互連的要求，也滿足同一計算網絡中分布在不同地方的服務器機群之間的連接。

　　選購篇：先辨種類再看指標

　　萬兆以太網產品種類

　　隨著萬兆以太網標準的制定，市場上出現了許多支持萬兆以太網的產品。從其產品體系結構來看，目前的萬兆以太網產品可以分為兩大種類：一種是萬兆以太網交換模塊；另一種是真正的萬兆以太網交換機/路由器。

　　萬兆以太網接口模塊

　　目前市場上大多數支持萬兆以太網的產品是在千兆以太網交換機/路由器的基礎上增加萬兆以太網接口模塊。千兆以太網交換機產品從1997年問世以來，經過幾年的發展，技術上已經成熟。許多千兆以太網設備提供商為了盡快進入萬兆以太網市場，便直接在千兆產品上增加萬兆以太網模塊。萬兆以太網技術和千兆以太網技術定義了MAC層和物理層規范，對上層協議透明。而千兆以太網體系結構的交換機加上萬兆以太網接口模塊是比較經濟的網絡解決方案。

　　但是，由于千兆以太網交換機在體系結構設計、背板帶寬、交換能力和ASIC處理能力等方面是根據千兆的要求設計的，當接口速度提高10倍達到萬兆時，通常不能很好地勝任，更沒有足夠的擴展能力以滿足未來的網絡升級。例如，大多數千兆以太網交換機的線卡插槽和背板之間接口帶寬只有8Gbps，即便每個線卡只有1個萬兆以太網接口時，在理論上也不可能達到萬兆的速度。另外，交換矩陣容量、包轉發能力以及包處理芯片等都將嚴重影響到整個交換機支持萬兆以太網的能力。因此，僅支持萬兆以太網模塊的千兆以太網交換機還不能稱為真正意義上的“萬兆以太網交換機”。

　　萬兆以太網交換機/路由器

　　真正為萬兆以太網技術而重新設計體系結構的交換機/路由器通常被生產廠商稱為“下一代”產品，現在市場上已經能夠找到這類產品。萬兆以太網交換機/路由器在硬件設計中主要有以下特點。

　　a. 背板帶寬

　　線卡插槽和背板之間的接口帶寬是衡量萬兆以太網設備最基本也是最重要的指標之一。為萬兆以太網設計的交換機/路由器，線卡插槽的背板接口帶寬至少需要10Gbps，比較理想的設備是能具備不少于40Gbps（雙向）的接口帶寬以支持單線卡4個萬兆以太網接口的密度。同時，被選購的設備應當滿足在未來線卡端口密度增加時，交換機只需替換線卡而無需替換系統背板的要求。當線卡上用戶端口的總帶寬超過了與背板之間的帶寬時，稱之為“過載”使用，此時用戶端口將不可能達到線速。

　　b. 交換容量

　　交換容量是指系統中用戶接口之間交換數據的最大能力，用戶數據的交換是由交換矩陣實現的。傳統的總線式交換方式容量有限，不再被萬兆以太網交換機所采用，取而代之的是矩陣式交換，這也是中高端千兆以太網交換機的主要交換形式。在無阻塞交換結構中，交換容量＝交換矩陣與線卡之間的帶寬×線卡插槽數。

　　交換機中的交換芯片是核心交換功能部件，通常提供比系統實際交換容量更大的交換能力。由于控制處理卡（或冗余配置時）通常會占用部分交換芯片的接口用于處理路由和治理等信息，系統實際數據交換容量將小于交換芯片的總容量。例如，一臺交換芯片總容量為640Gbps（80Gbps*8）的設備，實際可用的線卡插槽為7個，可提供的線卡為單線卡2端口萬兆以太網接口。那么該系統的實際可利用交換容量是40Gbps×7=280Gbps；未來可利用的（提供單線卡4端口萬兆以太網接口時）最大交換容量為80Gbps×7=560Gbps。

　　在選擇萬兆以太網交換機時，系統的實際交換容量、最大可利用交換容量和交換芯片總容量都是非常重要的指標。用戶在選擇產品時一定要清楚地理解實際交換容量和最大可利用交換容量才是選擇交換機最重要的指標，前者是實際可得到的處理能力，后者與未來擴展能力密切相關。

　　當交換容量小于系統最大端口配置時的總帶寬時，就有可能出現交換阻塞。在選擇核心交換機或支持對時延敏感的應用時，一定要選擇無阻塞交換矩陣結構的交換機。

　　c. 高速ASIC芯片

　　萬兆以太網交換機/路由器要高速處理大量的數據幀，因此通常采用分布式包處理體系結構。每張線卡上都有負責包處理、包檢索、緩存和隊列的ASIC芯片。系統軟件支持的ACL、QoS和Multicast等功能都必須通過硬件實現。高速ASIC芯片是從千兆以太網升級到萬兆以太網時系統必須重新設計或增強的。

　　市場上有部分支持萬兆以太網接口的交換機為了爭取時間提前推出，沒有從硬件上全面升級，導致系統的整體性能在實施某些功能時會急劇下降。因此在選購設備時不僅要看系統的基本轉發能力，同時更要檢查在配置某些功能（如ACL、QoS）時整個系統的性能。

　　d. 數據包轉發能力

　　標準的以太網幀尺寸在64字節到1518字節之間。由于以太網交換機只是對以太網幀的幀頭進行分析和處理，相同傳送速度時單位時間內要處理小尺寸幀的數量比大尺寸幀的數量更多，在衡量交換機包轉發能力時應當采用最小尺寸的包進行評價。以太網支持最小尺寸的幀大小為64個字節，加上傳輸需要的20個字節的幀間隔，總共是84個字節。因此，一個萬兆以太網端口理論上最多要處理10000Mbits / (84bytes*8bit/byte) = 14.88Mpps。

　　在衡量交換機是否具備線速轉發能力時，可用以下方法計算：整體轉發能力Mpps / 14.88Mpps=可支持的線速萬兆端口數。例如，一臺具備400Mpps的交換機，滿足線速轉發要求時它答應配置的最大萬兆以太網端口數為400Mpps/14.88Mpps=27個。超過27個萬兆端口在理論上就達不到線速能力。

　　數據包轉發能力比背板帶寬和交換能力更有實際意義，在選購時同樣需要重視在配置ACL和QoS等服務功能時的處理能力。

　　萬兆產品重要指標

　　控制層面和數據層面分離

　　交換機和路由器從實現的功能上看可分為兩個部分：控制層面和數據層面。隨著高速接口的增加，核心路由器/交換機在設計中開始將數據轉發的部分工作下載到用戶線卡上完成，實現分布式轉發提高系統性能。隨著萬兆以太網的出現，數據層面和控制層面分離已經成為了衡量一臺核心交換機/路由器的重要指標，它不僅大大提高了系統的處理能力，同時也實現了系統的高度穩定性。

　　無源背板設計

　　背板是實現用戶線卡和處理卡及交換矩陣之間的通信通道，有光背板和銅（電）背板兩種。背板是系統中最脆弱的環節，一直無法做到冗余設計。一旦背板上的部件出現故障則整個系統將停止工作。因此高可靠性的系統設計通常要求背板實現無源設計。在選擇產品時從高可靠性的角度出發，應當盡量不要選擇背板上有ASIC芯片或時鐘模塊等有源部件的產品。

　　數據包轉發方式

　　傳統的集中式數據轉發是指數據包的轉發需要處理器卡上CPU的參與。萬兆以太網設備由于要在單位時間內處理和轉發大量的數據包，單純的集中式數據轉發，即每個數據包都經過CPU處理是不現實的。分布式數據轉發將數據層面和控制層面徹底分離，控制處理卡專門用來執行路由計算、網絡治理及其他服務。分布式數據轉發大大提高了系統的整體轉發性能。用戶在選擇萬兆以太網交換機時，應當選擇采用了分布式交換和處理結構的交換機，而且在萬兆以太網模塊上一定要擁有本地交換和處理能力，只有這樣才能夠提供充足的轉發能力，確保整臺交換機中所有以太網端口、尤其是萬兆以太網端口的線速處理。

　　接口類型

　　萬兆以太網標準制定了多種局域網接口，這些物理接口采用不同的光纖類型和工作波長，傳輸距離不同，設備造價也有所不同。針對不同的網絡應用，用戶可以主要根據所需的傳輸距離，選用相應的萬兆以太網物理接口。同時，用戶應當避免選用非標準的萬兆以太網模塊。

　　萬兆鏈路捆綁

　　使用多條百兆或千兆鏈路進行捆綁，以進一步擴展網絡帶寬的技術已經得到廣泛應用，并且實現了技術標準化。萬兆并不是網絡速率的極限，在萬兆以太網交換機上同樣應當可以將多條萬兆以太網鏈路捆綁使用，獲得20G、40G甚至更高的帶寬，為用戶網絡的擴展提供空間。

　　升級方式與費用

　　即使用戶在目前還不打算采用萬兆以太網，但考慮到未來的網絡升級，在選購網絡交換機時也應當了解清楚交換機是否支持萬兆以太網，以及如何升級。有些以太網交換機在升級到萬兆以太網時，需要用戶作出比較大的改動，如更換治理引擎，添加交換矩陣，甚至更換大功率電源。有的以太網交換機只需要用戶購買萬兆以太網模塊，直接插進機箱就可以使用了。很明顯，后者的總體升級費用要低于前者，為用戶提供了更好的投資保護。

　　網絡治理

　　在采用了萬兆以太網技術之后，網絡流量增長了10倍，網絡監控、統計的工作量也相應增加了。傳統的網絡監控技術，無論是獨立的外部RMON探針，還是插在交換機上的網絡分析模塊，都是基于相同的工作原理，即端口流量鏡像加RMON，已經無法勝任萬兆速率的流量監控了。為了確保對網絡始終如一的監控和治理，同時避免由于這些監控功能導致網絡性能的降低，萬兆以太網模塊和交換機最好支持基于硬件的網絡監控和統計功能，如基于RFC 3176的sFlow技術，協助網絡治理員進行實時的流量分析、性能監控和故障診斷，保障高性能網絡的正常運行，使企業的網絡投資回報最大化。

　　選擇萬兆以太網產品，應當從其體系結構、背板帶寬、交換能力、包轉發能力等各個方面深入分析和綜合比較。尤其是隨著萬兆以太網的逐漸普及，所選設備滿足未來增長而應具備的擴展能力顯得尤為重要。

　　測試篇：萬兆性能看究竟

　　萬兆以太網產品測試的意義可以歸結為三個方面，即檢驗萬兆以太網產品是否具有高可用性，是否具有高穩定性，以及是否具有良好的互操作性。

　　萬兆以太網產品測試的主要指標包括如下。

　　RFC 2544測試，包括吞吐量、延遲、丟包和背對背測試等。

　　第三層路由性能測試，包括路由表容量、轉發能力、路由收斂能力、在路由震蕩下的性能等。

　　對IPv6的支持，包括相關轉發能力和路由能力的測試。

　　思博倫通信擁有兩款支持萬兆以太網的測試平臺，分別是Adtech AX/4000和SmartBits，這兩款產品都已經在《網絡世界》評測實驗室中使用。作為目前最主要的數據網絡性能測試儀，Adtech AX/4000和SmartBits都具有支持萬兆以太網的測試模塊。非凡是在Adtech AX/4000上的萬兆以太網測試模塊為UNIPHY（統一物理層）測試模塊，即在同一個測試模塊上可支持萬兆以太網局域網（10GBASE-R），萬兆以太網廣域網（10GBASE-W）、OC-192c POS和OC-192c Optical BERT。對用戶而言，通過使用UNIPHY測試模塊，能夠對萬兆以太網的廣域網與局域網和10G POS進行測試。

　　SmartBits上的萬兆以太網測試模塊目前支持XENPAK和XAUI。以Adtech AX/4000 UNIPHY為例，它能夠以10Gbps的線速進行豐富的流量產生和包捕捉，并能夠對捕捉的數據進行協議解碼，在測試中能夠對控制層面的數據包進行實時協議分析。目前萬兆以太網的產品主要應用于網絡核心，所以能夠支持路由協議和IPv6非常重要。在思博倫通信的Adtech AX/4000和SmartBits上的萬兆以太網測試模塊上都已全面支持路由性能測試和IPv6。

　　編看編想

　　百花齊放難為春

　　依稀是在2000年年底，頭一次聽說萬兆以太網，確實給震了一下子。從那時起，萬兆似乎便風生水起，成為大家嘴邊的熱門詞語。

　　萬兆以太網技術在正式標準化之后不到一年的時間內，得到了眾多廠家的支持，越來越多的萬兆以太網產品出現在市場上。誠然，萬兆的“Player”真是越來越多了，此次的購買指南，便有13家國內外廠商的加入。而目前沒有萬兆產品的廠家中，有很多也將萬兆產品的研發列入到日程之中。一個萬兆以太網百花齊放的時代即將來臨。

　　然而，在過去兩年多的時間里，即便萬兆以太網標準的塵埃落定已近一年的時間，萬兆的應用，尤其是在中國的具體應用，依舊是鳳毛麟角，這的確是一個有點尷尬的事實。

　　萬兆以太網明天的春光燦爛毋庸置疑，歷史將證實以太網在新到的萬兆時代再次憑借其簡單、經濟的特點成為主流網絡技術。但目前，卻還是“一枝紅杏出墻來”，萬兆的普及，還需要一個相對漫長的過程。

　　首先，是用戶的需求使然。萬兆向我們揭示的各種先進應用，最起碼現在來看，還是前沿了一些。尤其是對于企業用戶而言，有時實在是找不到升級萬兆的充足理由。事實上，一些基本的應用，桌面10M就已足夠，在這種情況下，萬兆骨干著實是奢侈了一些。應用是個老問題，同樣橫亙在萬兆的面前。

　　另外，是當前萬兆產品的良莠不齊。雖然一些廠商目前提供萬兆以太網模塊，但是還有一些廠商采用三四年前設計的用于支持千兆以太網的交換機機箱。雖然不同的設備采用不同的設計方法，但其中的許多產品能夠提供的帶寬最多為8Gbps容量。這種限制是由于多數機箱式交換機的機箱在設計模塊插槽與機箱的交換結構之間采用了8Gbps接口。

　　對于現在要購買機箱式骨干交換機的企業用戶而言，出于支持將來萬兆應用需求的考慮，“風物常宜放眼量”也許是一個明智之舉。但還有不可避免的價格問題。這是一個“精打細算”的年代，隨著用戶購買行為的日趨成熟，他們對帶寬投資的回報要求也在水漲船高。雖然萬兆以太網的費用比SONET等傳統技術要低，但用戶認為萬兆以太網還是比較昂貴。來自Dell'Oro Group的調查報告顯示，目前用戶可以平均為每萬兆以太網端口支付25000美元。可以預計，隨著每端口價格降到1萬美元以下，才會對用戶產生足夠的吸引力。

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