萬兆以太網的技術研究論文

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隨著網絡應用特別是視頻、語音應用的快速發展,語音、視頻和其他大數據量的數據類型都需要在已經融合的網絡上頻繁傳輸,IP電話、視頻會議、大容量數據庫群等應用促使對帶寬的需求日益增長。萬兆以太網(10GE)技術的推出,提供了一種簡單的帶寬升級途徑,解決了帶寬不斷增加的問題。但是,如圖1萬兆以太網技術市場參考模型所示,萬兆以太網技術應當遵循市場經濟規律,從滿足用戶的需求角度出發,依靠需求拉動和技術推動的合力,吸收以太網歷史成功經驗,提供高性能、低價格、易維護的網絡解決方案,才能得以真正的廣泛推廣應用。

市場需求探析

用戶基于業務對帶寬的需求最終決定著萬兆以太網技術的應用導向,這種需求的拉動是10GE得以發展之源。10GE技術可以通過以下五個途徑來滿足用戶需求:

1、企業網和校園網

隨著企業及校園網絡應用的急劇增長,高校多媒體網絡教學、數字圖書館等應用不斷展開,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,利用10GE高速鏈路構建校園網、企業網的骨干鏈路和各分部與本部之間的連接,可實現端到端的以太網訪問,進而提高傳輸效率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、網絡管理簡易等特性,非常適用于企業及校園骨干網建設。

2、數據中心和互聯網交換中心

目前的文件和數據服務器所需要的數據帶寬是非常可觀的,一個高性能的文件管理器可以管理多個千兆位以太網網卡,并且由于它采用了優化的系統軟件和加速的網卡硬件,可以輕松地占用所有接口卡中的所有帶寬。這種巨大的處理能力,無論是事務處理還是執行關鍵任務型應用,都會將任何高性能的網絡容量使用到極限。如果在服務器群的分布層和核心層采用萬兆以太網技術,就可更加平穩地實現它們的增長,滿足高級應用對于廉價原始帶寬的不斷增長的需求。

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。千兆或千兆捆綁作為平臺已不能滿足用戶需求,升級到萬兆以太網在服務質量及成本上都將占有相對的優勢。而互聯網數據依然按照每七個月翻一翻的速度在增長。因此,互聯網交換中心需要轉向萬兆以太網在交換點之間連接,以滿足二層客戶以千兆以太網以上速度連接的要求。

3、寬帶城域網

隨著城域網建設的不斷深入,各種內容業務(如流媒體視頻應用、多媒體互動游戲)紛紛出現。2004年上半年,中國寬帶用戶達到1773萬戶,同比增長187%,其中LAN用戶達到486萬戶。此時,接入層有愈來愈多的萬兆或千兆以太網上連到城域網的匯聚層,而匯聚層也會有愈來愈多的千兆以太網上連到城域網的骨干層,而傳統的SDH、DWDM技術作為骨干存在著網絡結構復雜、難于維護和建設成本高等問題,這使得像萬兆或萬兆捆綁這樣的寬帶需求在城域網中的匯聚層及骨干層有相當多的市場需求。

萬兆以太網在裸光纖上最遠可以傳送40～80公里,可以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。在城域網骨干層部署10GE可大大地簡化網絡結構、降低成本、便于維護,通過端到端以太網打造低成本、高性能和具有豐富業務支持能力的城域網。

隨著萬兆技術的應用,將來網絡設計者可以用萬兆以太網作為整個網絡的基礎,提供更低的網絡時延、足夠的帶寬保證突發數據的傳送,并在LAN、MAN和WAN中使用以太網技術實現端到端的連接。由于能夠端到端采用以太網技術,話音、數據等各種業務在以太網技術上的融合將成為現實。

4、存儲網絡

雖然目前多數存儲網絡主要還是采用FiberChannel等專用存儲技術,但萬兆以太網和ISCSI技術所帶來的顯著的成本節約,以及可以將存儲網絡和企業網融合的特性,將使其在存儲市場大有作為。在以太網技術作為存儲網絡平臺時,時延與高帶寬都是關鍵性的性能因素,因此千兆以太網及萬兆以太網都可以用來架構一個以太網平臺的存儲網絡,這是一個新興的應用。2003年2月通過的IETF的ISCSI即為支持IP和用萬兆以太網技術提供存儲網業務的標準。萬兆以太網不僅可以滿足存儲設備的高速互聯,也可以實現存儲設備的備份及災難恢復。出于成本的考慮下,萬兆以太網可以在這個新興的應用上得到發揮。

5、超級計算中心

通過先進的程序進行新的計算科學研究,設計出新的高性能計算機架構和網絡,可以促進計算機科學研究在算法、可視化、系統軟件和工具方面的發展。同時,研究機構正在推動下一代IT的革命:網格計算。這里大量的分布式計算能力和高速通信鏈路的需要對于滿足很多要求非常嚴格的應用需求至關重要。

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。今天的網格計算在千兆互聯的集群之間采用萬兆互聯。同樣,越來越多的企業將會把企業服務器組成集群然后給桌面用戶提供超級計算功能。

技術的創新

以太網技術發展到今天,絕不只是因為其技術上的領先,但也絕對離不開以太網技術的強大推動。要高質量、低成本地滿足用戶對以太網帶寬的需求,不斷推進萬兆以太網技術的應用和發展,萬兆以太網技術本身也進行了大量的技術創新。

1、端到端

萬兆以太網的廣域網物理層采用簡化SDH幀結構,用OC-192c承載,傳輸速率為9.953Gbit/s,提供了“端到端”的網絡服務保證。如果骨干鏈路使用POS封裝時,鏈路層信息包括VLAN信息都被刪除。而VLAN標識可能綁定服務質量,用戶標識甚至作為交換的標記。當在骨干鏈路采用萬兆以太網時,VLAN信息可以很方便地端到端傳送。

2、全雙工

萬兆以太網MAC層不采用CSMA/CD碰撞檢測機制,不必使用沖突探測協議,只支持兩個站點對點全雙工的傳送數據。這樣,其全雙工鏈路中沒有分組沖突,鏈路距離由光纖決定而非以太網沖突域直徑。也就是說,全雙工的工作模式原理上不產生距離限制,限制鏈路距離的只有傳輸特性和物理介質。

3、簡化幀結構

10GWAN物理層并不是簡單地將MAC幀用OC-192c承載,而是在SDH幀結構的基礎上作了大量的簡化,僅采用了幀定位字節A1和A2、段層誤碼監視字節B1、蹤跡字節J0、同步狀態字節S1、保護倒換字節K1和K2,以及備用字節Z0,對沒有定義或沒有使用的字節填充00000000,減少了許多不必要的開銷,簡化了SDH幀結構。與千兆以太網相比,10GE增強了物理層的網絡管理和維護,在物理線路上實現保護倒換;同時,又避免了繁瑣的同步復用。此外802.3ae不支持自協商,還可以簡化故障定位。

如果考慮到以太網技術在局域網中的廣泛應用和大量的沉沒成本和技術儲備,10GE還具備簡化網絡管理、減少網絡層次、降低網絡成本等優勢。這樣,新興運營商可以很方便地利用光纖和以太網技術構建大范圍多業務寬帶數據網,網絡技術人員也可以采用一個網絡管理系統監視很多連接。

問題探討

1、性能價格比

在以太網發展歷史上,一般規律是當性能增加到10倍而價格只增加到2-3倍時用戶會樂于升級。快速以太網和千兆以太網都是遵循上述規律得到推廣。而當前的現狀是1個萬兆以太網接口的價格是千兆以太網接口價格的8-10倍。因此在應用10GE技術時,一定要注意帶寬的利用效率,如果帶寬得不到充分利用、寬帶業務得不到充分發展,則會造成一定程度上的投資浪費。

2、服務質量

以太網在速率上的高速發展的同時在對應用業務的支撐體系上也不斷完善成熟,可以采用802.1P、DIFFSERV、MPLS流量工程的技術區分業務服務質量。目前以太網已經可以通過DIFFSERV+MPLSVPN的方式完成從桌面交換機到核心骨干設備的業務和用戶級的通道技術,通過802.1P+DIFFSERV+MPLS流量工程的模式實現端到端的智能業務流處理。但是,從原理上說,萬兆以太網接口只是提供傳送通道,不對通道內所傳輸內容進行區分,因此,如何提供有保障的區分業務承載的問題仍需要研究解決。

3、網絡信息安全

萬兆接口一般不用于接入,且采用全雙工模式,因此基本沒有接入認證、半雙工鏈路上的竊聽等問題。但還是應當看到,作為一種IP技術,在萬兆這樣的高速接口上處理內容過濾、ACL、源地址過濾這樣的安全相關操作會十分困難。