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千兆以太网技术综述

IT知识

网络技术是从1990年代中期发展起来的新技术，它把互联网上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息 。资源包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络、传感器等 。当前的互联网只限于信息共享，网络则被认为是互联网发展的第三阶段 。经济在高速发展，信息在迅猛膨胀 。多媒体应用的日益增加、IP语音传输需求的激增，对网络的带宽提出了新的挑战 。局域以太网从10M开始发展，经历几多的变迁，风风雨雨二十多年，发展到今天风靡一世的千兆以太网 。千兆以太网以高效、高速、高性能而著称，已经广泛应用在金融、商业、教育、政府机关及厂矿企业等各行各业 。
千兆以太网及其发展现状
千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术 。千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象 。作为以太网的一个组成部分，千兆以太网也支持流量管理技术，它保证在以太网上的服务质量，这些技术包括IEEE 802.1P第二层优先级、第三层优先级的QoS编码位、特别服务和资源预留协议（RSVP） 。
千兆以太网还利用IEEE 802.1QVLAN支持、第四层过滤、千兆位的第三层交换 。千兆以太网原先是作为一种交换技术设计的，采用光纤作为上行链路，用于楼宇之间的连接 。之后，在服务器的连接和骨干网中，千兆以太网获得广泛应用，由于IEEE 802.3ab标准（采用5类及以上非屏蔽双绞线的千兆以太网标准）的出台，千兆以太网可适用于任何大中小型企事业单位 。
目前，千兆以太网已经发展成为主流网络技术 。大到成千上万人的大型企业，小到几十人的中小型企业，在建设企业局域网时都会把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术 。千兆以太网技术甚至正在取代ATM技术，成为城域网建设的主力军 。
千兆以太网的特点
千兆以太网的特点主要包括如下 。
1．千兆位以太网提供完美无缺的迁移途径，充分保护在现有网络基础设施上的投资 。千兆位以太网将保留IEEE 802.3和以太网帧格式以及802.3受管理的对象规格，从而使企业能够在升级至千兆性能的同时，保留现有的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序和网络管理战略与工具；
2．千兆位以太网相对于原有的快速以太网、FDDI、ATM等主干网解决方案，提供了一条最佳的路径 。至少在目前看来，是改善交换机与交换机之间骨干连接和交换机与服务器之间连接的可靠、经济的途径 。网络设计人员能够建立有效使用高速、关键任务的应用程序和文件备份的高速基础设施 。网络管理人员将为用户提供对Internet、Intranet、城域网与广域网的更快速的访问 。
3．IEEE 802.3工作组建立了802.3z和802.3ab千兆位以太网工作组，其任务是开发适应不同需求的千兆位以太网标准 。该标准支持全双工和半双工1000Mbps，相应的操作采用IEEE 802.3以太网的帧格式和CSMA/CD介质访问控制方法 。千兆位以太网还要与10BaseT和100BaseT向后兼容 。此外，IEEE标准将支持最大距离为550米的多模光纤、最大距离为70千米的单模光纤和最大距离为100米的铜轴电缆 。千兆位以太网填补了802.3以太网/快速以太网标准的不足 。
千兆以太网的构建
千兆以太网络是由千兆交换机、千兆网卡、综合布线系统等构成的 。千兆交换机构成了网络的骨干部分，千兆网卡安插在服务器上，通过布线系统与交换机相连，千兆交换机下面还可连接许多百兆交换机，百兆交换机连接工作站，这就是所谓的“百兆到桌面” 。在有些专业图形制作、视频点播应用中，还可能会用到“千兆到桌面”，及用千兆交换机联到插有千兆网卡的工作站上，满足了特殊应用下对高带宽的需求 。
在建设网络之前，究竟用千兆还是百兆，要从实际出发，从应用出发，考虑网络应该具备哪些功能 。不同的应用有不同的需求，而且几乎没有只有单一业务的网络 。但是，在各种业务中，生产性业务肯定是优先级最高的 。如果在网络中传输语音，那么语音业务也需要优先安排 。如果对业务优先的需求很高，网络必须有QoS保证 。这样的网络必须要智能化，在交换机端口能够识别是什么类型的业务通过，然后对不同的业务进行排队，为不同的业务分配不同的带宽，这样才能保证关键性业务的运行 。数据业务本身是有智能的，不管多少带宽都可以传输，只是时间长短而已，但是语音或者视频就不一样了，如果带宽小了之后，马上就听不清楚了，或者图像产生抖动，这都是不允许的 。所以QoS非常重要 。对单纯的数据网络，在QoS方面的需求就很低 。在规划网络的时候，必须先了解清楚哪些功能是必须的，哪些可以不考虑 。例如，目前多址广播是比较重要的性能之一，如果需要在网络中传输图像，而网络不具备多址广播的特性，那么网络的带宽浪费就会非常严重，甚至根本无法实现 。
千兆以太网国际标准
1997年1月，通过了IEEE 802.3z第一版草案；
1997年6月，草案V3.1获得通过，最终技术细节就此制定；
1998年6月，正式批准IEEE 802.3z标准；
1999年6月，正式批准IEEE 802.3ab标准(即1000Base-T)，可以把双绞线用于千兆以太网中 。
千兆位以太网标准主要针对三种类型的传输介质：单模光纤；多模光纤上的长波激光（称为1000BaseLX）、多模光纤上的短波激光（称为1000BaseSX）；1000BaseCX介质，该介质可在均衡屏蔽的150欧姆铜缆上传输 。IEEE 802.3z委员会模拟的1000BaseT标准允许将千兆位以太网在5类、超5类、6类UTP双绞线上的传输距离扩展到100米，从而使建筑楼宇内布线的大部分采用5类UTP双绞线，保障了用户先前对以太网、快速以太网的投资 。对于网络管理人员来说，也不需要再接受新的培训，凭借已经掌握的以太网网络知识，完全可以对千兆以太网进行管理和维护 。
千兆以太网的标准化包括编码/译码、收发器和网络介质三个主要模块，其中不同的收发器对应于不同的网络介质类型 。1000BASE-LX基于1300nm的单模光缆标准时，使用8B/10B编码解码方式，最大传输距离为5000米 。1000BASE-SX基于780nm的FibreChannel optics，使用8B/10B编码解码方式，使用50微米或62.5微米多模光缆，最大传输距离为300米到500米 。连接光纤所使用的SC型光纤连接器与快速以太网100BASE FX所使用的连接器的型号相同 。1000BASE-CX是一种基于铜缆的标准，使用8B/10B编码解码方式，最大传输距离为25米 。1000BASE-T基于非屏蔽双绞线传输介质，使用1000BASE-T 铜物理层Copper PHY编码解码方式，传输距离为100米 。1000BASE－T在传输中使用了全部4对双绞线并工作在全双工模式下 。这种设计采用 PAM-5 (5级脉冲放大调制) 编码在每个线对上传输 250Mbps 。双向传输要求所有的四个线对收发器端口必须使用混合磁场线路，因为无法提供完美的混合磁场线路，所以无法完全隔离发送和接收电路 。任何发送与接收线路都会对设备发生回波 。因此，要达到要求的错误率（BER）就必须抵消回波 。1000BASE－T无法对频率集中在125MHz之上的频段进行过滤，但是使用扰频技术和网格编码能对80MHz之后的频段进行过滤 。为了解决5类线在如此之高的频率范围内因近端串扰而受到的限制，应该采用合适的方案来抵消串扰 。
最初的千兆以太网采用高速780纳米光纤信道的光元件传输光纤上的信号，采用8B/10B的编码和解码方法实现光信号的串行化和复原 。目前光纤信道技术的数据运行速率为1.063Gbps，将来会提高到1.250Gbps，使数据速率达到完整的1000Mbps 。对于更长的连接距离，将采用1300纳米的光元件 。为了适应硅技术和数字信号处理技术的发展，应在MAC层和PHY层之间制定独立于介质的逻辑接口，以使千兆以太网工作在非屏蔽双绞线电缆系统中 。这一逻辑接口将适用于非屏蔽双绞线电缆系统的编码方法，并独立于光纤信道的编码方法 。下图说明了千兆以太网的组成 。
如何升级至千兆以太网
把10M、100M网络升级至千兆的条件并不多，最主要的是综合布线条件 。千兆以太网指的是网络主干的带宽，要求主干布线系统必须满足千兆以太网的要求 。如果原来的网络覆盖距离相隔几百米至几公里的多幢建筑物，则原来的主干布线一般采用的是多模或单模光纤，能够满足千兆主干的要求，可以不必重新敷设光纤了 。在建筑物之间的距离小于550米的情况下，一般敷设价格相对低廉的多模光纤就可以满足千兆以太网的需要 。
如果原来的网络只覆盖了一幢建筑，而且最远的网络节点与网络中心的距离不超过100米，则可以利用原来的5类或超5类布线系统 。如果原来的布线系统达不到5类标准，或者采用了总线型布线系统而不是星型布线系统，则必须重新布5类线 。
升级至千兆以太网，首先要将网络主干交换机升级至千兆，以提高网络主干所能承受的数据流量，从而达到加快网络速度的目的 。以前的百兆交换机作为分支交换机，以前的集线器则可以在布线点不足的地方使用 。目前千兆交换机的产品已经很多，可以根据网络的要求和预算等实际情况选择 。
网络上的服务器需要吞吐大量的数据，如果网络主干升级至千兆，但是服务器网卡还停留在百兆的水平上，服务器网卡就会成为网络的瓶颈，必须使用千兆网卡才能消除这个瓶颈，解决方法是在原来的服务器上添加千兆网卡 。注意应该优先选购64位PCI的千兆网卡，其性能比普通PCI千兆网卡高一些 。千兆网卡可以根据网络的要求和预算等实际情况选择 。
　
网络主干升级了，网络的分支也应随之升级 。如果原来的用户计算机已经安装了10M/100M自适应网卡，则可以不必升级网卡，只要将网卡接到百兆交换机上就可以了；如果原来使用的是10Mbps网卡，则需要将网卡更换为10M/100M自适应网卡，这样才能提高工作站访问服务器的速度 。
千兆以太网的前景预测
预计到2005年之前，数据传输量每年将以3倍的速度增长，并于当年超过语音传输量，成为全球通信网络主要的传输方式 。面对日益增长的数据流和多媒体服务，大容量、高速率、多功能模块高端网络产品的市场规模将不断扩大 。可以预见的是，千兆以太网交换机所占的市场份额会越来越大 。随着Internet的发展和网络上层出不穷应用的出现，万兆以太网将是以后的主流，但至少在近两年内，千兆以太网仍然是市场上的主流 。

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