万兆以太网标准的核心内容详细分析

2019-11-04 20:49:09

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供稿：网友

　　以太网从诞生到现在已经有25年的历史，由于它成本低、可靠性高、安装和维护相对简单，因此大受人们欢迎。今天，以太网几乎承担了Internet上所有的通信任务。
　　
　　随着技术的发展和网络速度的提高，万兆（10G）以太网技术开始列入业界的议事日程。拟议中的万兆以太网标准与早期的以太网标准之间存在巨大差别，非凡是万兆以太网只用光纤，并且只在全双工模式下运行。这就是说，万兆以太网将不再使用冲撞检测协议。
　　
　　万兆以太网不会使现有的网络基础设施投资变成明日黄花。它依旧是以太网标准，现有的各种以太网标准可以很方便地移植到未来的新标准中。万兆标准开发非凡工作组正在努力使万兆以太网能够与其他网络技术实现互通。此外，该工作组还在向新标准添加一些非凡的技术，使以太网数据包能够在SONET中顺利通行。
　　
　　万兆以太网标准计划在2002年中期开始采用。由于在当前的网络通信中，分组交换数据量已经超过语音通信量，占据了主导地位，因此，业界希望新的万兆以太网标准能够将原来主要用于语音通信的网络和数据网络融合为一体。
　　
　　本期“万兆以太网主题报道”全面介绍万兆以太网标准的制订情况、标准核心内容、市场应用等，为读者全面展示网络发展的核心方向和它的市场前景，包括以下几篇文章：
　　
　　万兆以太网标准的核心内容 D10
　　
　　标准制订流程 D11
　　
　　万兆以太网市场蓄势待发 D12
　　
　　10G技术的更高应用 D12
　　
　　10G遭遇障碍 D13
　　
　　以太网发展小史 D13
　　
　　在国际标准组织开放式系统互联（OSI）参考模型下，以太网是第二层协议。万兆以太网使用IEEE 802.3以太网介质访问控制协议（MAC）、IEEE 802.3以太网帧格式以及IEEE 802.3最小和最大帧尺寸。
　　
　　正如1000Base-X和1000Base-T（千兆以太网）都属于以太网一样，从速度和连接距离上来说，万兆以太网是以太网技术自然发展中的一个阶段。但是，因为它是一种只适用于全双工模式，并且只能使用光纤的技术，所以它不需要带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）。除此之外，万兆以太网与原来的以太网模型完全相同。
　　
　　在以太网中，PHY表示以太网的物理层设备，它对应于OSI模型的第一层。PHY通过连接介质（光纤或铜线）与MAC层相连，而MAC层对应的是OSI模型中的第二层。在以太网的体系结构中，PHY（第一层）进一步划分为物理介质层（PMD）和物理编码子层（PCS）。例如，光纤收发机属于PMD，PCS由编码器和一个并串转换器或复用功能组成。
　　
　　802．3ae规范定义了两种PHY类型：局域网 PHY和广域网PHY。广域网PHY在局域网PHY功能的基础上增加了一个扩展特性集。这些PHY惟一的区别在PCS上。同时，PMD也有多种类型。
　　
　　芯片接口（XAUI）
　　在万兆以太网非凡工作组的诸多创新中，有一个被称做XAUI（读作“Zowie”）的接口。其中的“AUI”部分指的是以太网连接单元接口（Ethernet Attachment Unit Interface）。“X”代表罗马数字10，它意味着每秒万兆(10Gbps)。XAUI被设计成一个接口扩展器，它扩展的接口就是XGMII（与介质无关的万兆接口）。XGMII是一个74位信号宽度的接口（发送与接收用的数据路径各占32位），可用于把以太网MAC层与物理层（PHY）相连。在大多数典型的以太网MAC和PHY相连的、芯片对芯片的应用中，XAUI可用来代替或者扩展XGMII。
　　
　　XAUI是一种从1000Base-X万兆以太网的物理层直接发展而来的低针数、自发时钟串行总线。XAUI接口的速度为1000Base-X 的2.5倍。通过调整4根串行线，这种4bit的XAUI接口可以支持万兆以太网10倍于千兆以太网的数据吞吐量。
　　
　　XAUI使用与1000Base-X同样的8B/10B传输编码，并通过印刷电路板上的铜线等常用介质提供高质量的完整数据。XAUI还包括其他一些优势：由于采用自发时钟，所以产生的电磁干扰（EMI）极小；具有强大的多位总线变形补偿能力；可实现更远距离的芯片对芯片的传输；具备较强的错误检测和故障隔离功能；功耗低，能够将XAUI输入/输出集成到CMOS中等。
　　
　　许多零部件厂商都已经公布在自己的独立芯片、专用集成电路（ASIC）芯片、甚至FPGA（可编程门阵列）中提供XAUI接口能力。万兆以太网的XAUI技术与其他主要的工业标准是相同或相当的，如InfinaBand、万兆光纤通道以及通用的铜线和光纤主干互连等，这一点可以确保万兆互连技术能够在健康有序的市场竞争中，以低廉的的成本提供出色的产品。
　　
　　XAUI的具体应用目标包括：从MAC到物理层芯片之间的互连，以及从MAC到光纤收发器模块之间的直接连接。XAUI是标准草案建议中万兆可插式光纤模块（XGP）的接口。将XAUI解决方案与XGP集成为一体后，万兆以太网的多个端口便可以实现MAC与光纤模块之间的互连。这种连接方式成本低、效率高，而且只需要通过印刷线路的铜导线便可实现MAC与光纤模块之间的连接。
　　
　　相关物理介质层（PMD）
　　IEEE 802.3ae 非凡工作组已经开发了一个标准草案，它所提供的物理层可以支持光纤传输介质。其连接距离如右表所示。
　　
　　为了达到特定的距离，非凡工作组共选择了4个PMD。其中，非凡工作组选择了1310纳米串联PMD来实现2公里和10公里单模式光纤（SMF）的连接；选择1550纳米的串联方案来实现（或者超越）40公里的SMF目标。对40公里PMD的支持说明，千兆以太网已经能够成功地应用在城域网和局域网的远距离通信中。非凡工作组还选用串行850纳米收发器，在多模光纤上使用850纳米的PMD实现65米的传输目标。
　　
　　另外，非凡工作组选择了两种宽波分复用（WWDM）的PMD，其中一种是1310纳米的单模光纤，用于10公里范围的应用；另一种1310纳米PMD用于在已安装的多模光纤上实现300米的传输目标。
　　
　　物理层（PHY）
　　局域网物理层和广域网物理层将在共同的PMD上工作，因此，它们支持的距离也相同。这些物理层的惟一区别在于物理编码子层（PCS）各有不同。万兆局域网物理层的用途是以10倍的带宽来支持现有的千兆以太网应用，这也是目前性价比最高的解决方案。随着时间的推移，预计LAN PHY将被用于纯光纤交换网络环境中，并且可以扩展到广域网的范围。然而，为了能与现有的广域网兼容，万兆以太网WAN PHY将会支持现有的和未来将要安装的SONET/SDH（同步光纤网络/同步数字层）电路交换话音接入设备。
　　
　　广域网物理层（WAN PHY）与局域网物理层（LAN PHY）的区别在于广域网接口子层（WIS）包含一个简化的SONET/SDH 帧编制器。因为SONET OC-192/SDH STM-64的运行速率只有万兆以太网的百分之几，所以要想实施一个能够与局域网物理层以10Gbps和谐工作的MAC也较为简单；同样，也可以以较为简单的方式实施能够与广域网物理层配合工作的MAC，其有效速率大约为9.29Gbps。
　　
　　为了降低广域网物理层在实施过程中的成本，工作组没有实现物理层与SONET/SDH波动、分层时钟，以及某些光纤规格兼容。从根本上来说，广域网物理层是使用通用以太网PMD实现的高性价比连接。它可以向SONET/SDH基础设施提供访问能力，使基于包的ip/以太网交换机可以附加至SONET/SDH和时分复用（TDM）基础设施上。在广域网传输主干网上，这一特性使得以太网可以将SONET/SDH作为其第一传输层。
　　
　　还有一点需要指出的是，以太网仍然是一种异步连接。与任何以太网一样，万兆以太网的计时和同步工作在每个字符的数据位流中进行，但是接收端的集线器、交换机或路由器可能会对数据进行重新计时和同步。相比之下，同步协议，包括SONET/SDH在内，要求所有设备共享同一系统时钟，其目的是避免在传送和接收设备之间出现时间错乱。因为假如发生时间错乱，网络传输过程中的错误会增多，非凡对于那些需要及时传输数据的网络来说，时间错乱是最为致命的问题。
　　
　　广域网物理层将诸如交换机或路由器这样的数据设备连入SONET/SDH或光纤网络中。这样便可以以最简单的方式对以上网络中的以太网进行扩展。因此，两台路由器在工作时就似乎它们是通过以太网链路直接连在一起的。由于在它们之间不需要网桥或存储转发缓存设备，所以，不同服务中所有的IP流量治理系统都是在连接两台路由器的扩展万兆以太网链路中运行的。
　　
　　为简化扩展万兆以太网链路的治理工作，广域网物理层可以提供多种SONET/SDH治理信息，网络治理员能够像查看SONET/SDH链路一样，查看以太广域网物理层的信息。网络治理员还可以利用SONET/SDH治理功能，在整个网络中进行性能监测和错误隔离操作，操作对象包括万兆以太网广域网链路。SONET/SDH治理信息是由广域网接口子层（WIS）提供的，WIS的工作范围介于局域网物理层的64B/66B PCS和串行PMD层之间。

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