万兆以太网技术发展及应用

文｜魏大强 翟丽华

1 以太网技术的发展

以太网（Ethernet）技术由施乐公司（Xerox）于1973年提出并实现，它采用“载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD”的共享访问方案，将多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线发出监听信号。但在同一时刻，只能有一个工作站在总线上传输，其他工作站必须等待传输结束后，再开始自己的传输。由于以太网技术具有共享性、开放性，加上设计技术上的一些优势（如结构简单、算法简洁、良好的兼容性和平滑升级）以及关键的传输速率的大幅提升，它不但在局域网领域站稳了脚跟，而且在城域网甚至广域网范围内都得到了进一步的应用。

最早的以太网传输速率为10Mbps。采用CSMA/CD介质访问控制方式的局域网技术。而在1979年7月至1982年间，当时的DEC、Intel和Xerox三家公司共同制定了以太网技术规范DIX。在这个技术规范的基础上，形成了IEEE 802.3以太网标准，并在1989年正式成为一种以太网技术的国际标准。在20多年进程中，以太网技术经历了不断发展，成为迄今最广泛应用的局域网技术。

千兆以太网技术作为一种高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案。它继承了传统以太网技术价格便宜的特点，采用与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于这项技术可以不用改变传统以太网的桌面应用和操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。在升级到千兆以太网时，不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护用户投资。

再发展就进入到以太网的万兆时代。万兆以太网使用IEEE 802.3以太网介质接入控制（MAC）协议、IEEE 802.3以太网帧格式和IEEE 802.3帧格式，不需要修改以太网介质接入控制（MAC）协议或分组格式。所以，能够支持所有网络的上层服务，包括在OSI七层模型的第二/三层或更高层次上运行的智能网络服务，具有高可用性、多协议标记交换（MPLS）、含IP语音（VoIP）在内的服务质量（QoS）、安全与策略实施、服务器负载均衡（SLB）和Web高速缓存等特点。

2 10GBase-T万兆以太网技术

万兆以太网技术（10GBase-T）始于2002年6月IEEE 802.3ae 10GE标准的正式发布。在物理层，IEEE 802.3ae大致分为两种类型，一种为传统以太网连接速率为10Gbps的“LANPHY”；另一种为连接SDH/SONET速率为9.58464Gbps的“WANPHY”；WANPHY与 SONETOC-192帧结构的融合，可以与SONETOC-192电路和SONET/SDH设备一起运行，保护了传统基础设施投资，使运营商能够在不同地区中通过城域网提供端到端以太网。在传输介质方面，IEEE 802.3ae可以支持9μm单模、50μm多模和62.5μm多模光纤。在数据链路层，IEEE 802.3ae继承了IEEE 802.3以太网的帧格式及最大/最小帧长度，支持多层星型连接、点到点连接及拓扑组合，充分保证对已有应用的兼容性，对上层应用没有影响，使得升级风险降低。与全双工快速以太网和千兆位以太网一样，万兆以太网也采用全双工，因此没有固有的距离限制。由于万兆以太网仍然是以太网，使用了相关的管理工具和体系结构，因而能缩短实施和推广时间。

在 制 定IEEE 802.3ae后，IEEE着 手10GBase-T网络在铜缆上传输标准的研究和制定。2002年11月成立了两个研究铜缆万兆以太网的组织，一个组织研究在Cat.5e或Cat.6双绞线上的10GBase-T；另一个组织研究用4对同轴电缆实现万兆以太网的方法。西蒙公司于2003年1月率先在全球市场推出10Gip全系统10G布线解决方案。近期推出的MTPTM即插即用型光纤网络布线解决方案，可保证对重要数据中心链路的支持。目前，西蒙是唯一拥有全套7类/F级连接器的公司。西蒙的TERATM系统是完全支持4连接情况下100m万兆传输的7类F级布线系统，也是世界上性能最好的支持多媒体应用的标准化铜缆布线系统。

随着10GBase-T标准的制定，万兆以太网的光模块技术也得到了迅速的发展。万兆以太网光模块已有300针MSA模块、XENPAK、XPAK、X2和XFP五 种。 其 中300针MSA模块属于第一代模块，最初面向SDH网络而设计，尺寸大并且价格比较昂贵。Xenpak是面向万兆以太网的第一代光模块，相对300针MSA而言价格低且尺寸小，现在各个光模块生产厂商正在积极进行小型化10G光模块的研发。Xpak和X2是Xenpak模块的直接改进版，体积缩小了40%，光接口、电接口都与原来保持一致。Finisar等公司正在研发的XFP相比以上各种MSA都不同。在电接口方面没有采用标准的XAUI接口，而是采用了自行规定的XFI接口。XFP支持局域网PHY和广域网 PHY，具有可插拔、尺寸更加小巧、价格更有竞争力等特点。

3 10GBase-T技术的应用领域

万兆以太网技术突破了传统以太网近距离传输的限制。除了应用在局域网和园区网外，也能方便应用在城域网甚至广域网范围内，来构建高性能的网络核心。

（1）宽带IP城域网

10GBase-T网络设备可提供高密度万兆、千兆以太网接口，为服务提供商和企业用户提供城域网和广域网的连接。万兆以太网在裸光纤上最远可以传输40km～80km，满足城域范围的要求。也可以连接DWDM和SDH/SONET设备实现广域范围的传输。

（2）医疗行业

医疗行业会采用10GBase-T技术，尤其是涉及到数字化放射治疗计划时，通过熔合的过程能将多张反映身体结构和新陈代谢变化的图像合在一起。利用这一技术，治疗计划制定者能利用这些图像使放射束充分对准肿瘤而对周围组织的伤害最小。

（3）数据中心和Internet交换中心

随着Internet应用的普及，大量的数据访问需要一个可升级、高性能的内容服务汇聚网络。数据中心需要汇聚数百计的快速以太网和千兆以太网线路，在用户端，服务器汇聚网络要提供具有L2交换、L3路由的高密度10GE路由器和交换机。万兆以太网设备可满足汇聚网络的需求，并为未来网络升级预留空间。

4 10GBase-T铜缆布线

开发这项技术的主要驱动力是成本，现实应用需要降低成本。10GBase-T技术标准的目的是用3倍的成本实现10倍的性能，衡量的标准是目前使用最先进的以太网技术（以千兆以太网技术来衡量，成本是其3倍，性能达到其10倍）。对于大范围的实施万兆以太网来说，利用光纤传输的解决方案已经证明过于昂贵，因此铜缆的解决方案得以开发。

测试表明，10G以太网需要至少500MHz（起初是625MHz）的线性传输性能。大多数的增强5类电缆只有150MHz或250MHz，标准也只要求150MHz。6类虽没有被强制其性能达到500MHz，但对于高带宽传输是更好的介质；许多制造商提供的电缆标称600MHz，正是预计到有应用需要更高的性能。万兆铜缆以太网10GBase-T标准工作组宣布的布线系统支持目标包括：4连接器双绞线铜缆系统信道；100m长度 F级（7类）布线信道；55m长度 E级（6类）布线信道；100m长度新型E级（6类）信道。

在过去的十年，对带宽的需求呈指数级增长。以太网应用从10Base-T、100Base-T、1000Base-T发展到现在的10GBase-T。众所周知，芯片存储和处理能力每18个月增加一倍。网络设备和布线基础设施必须和这种更新速度保持一致。出于上述原因及其他诸如不断增加的基于IP应用之类的因素，对10G布线系统提供的带宽需求只是时间问题。布线系统是网络设备中最难升级的一部分，其使用寿命至少10年，是有源网络电子设备生命周期的两倍。尽管布线系统只占整个网络总投资的5%，但它却是构建整个网络的基础。因此当打算更新或升级网络时，最好是投资高质量、高性能的布线系统。

第四届“西蒙杯”一等奖论文作品