计算机网络原理 万兆位以太网

计算机网络原理万兆位以太网

从1983年以来，局域网领域是以太网技术（802.3）与令牌总线（802.4）、令牌环（802.5）三分天下。但随着时间的推移，这种局面渐渐变成了现在以太网一家独秀。因为以太网技术的每一次产品变革，都是“科技适应社会需要”的表现。他既没有落伍于社会的发展，成为拖累；也没有不顾现实情况，发明而没有实用。从全双工以太网、百兆以太网、802.3u快速以太网标准、到现在的万兆以太网，以太网技术所以能如此长足发展，绝非偶然。

2002年中旬，随着802.3ae10GE标准的正式发布，标志着万兆以太网统一的标准，使用户在选择时不必再担心厂商之间的产品不能兼容的问题，大大规范了产商之间的竞争。其最终对万兆以太网技术发展的促进意义，是显而易见的。目前，包括华为3Com、Avaya、Cisco、Enterasys、Foundry和Riverstone公司在内的多家厂商已推出多款万兆以太网交换机产品，成就了今天以太网技术的全新局面。

网络拓扑设计和操作已经随着智能化万兆以太网多层交换机的出现发生了转变。以太网带宽可以从10Mbps扩大到万兆，而不影响智能化网络服务，比如第三层路由和第四层至七层智能，包括服务质量(QoS)、服务级别(CoS)、高速缓存、服务器负载均衡、安全性和基于策略的网络功能。由于部署IEEE 802.3ae后整个环境的以太网性质相同，因此这些服务可以按线速提供到网络上，而且局域网、城域网和广域网中的所有网络物理基础设施都支持这些服务。

万兆以太网最主要的特点包括：

●保留802.3以太网的帧格式；

●保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长；

●只使用全双工工作方式，彻底改变了传统以太网的半双工的广播工作方式；

●使用光纤作为传输媒体(而不使用铜线);

●使用点对点链路，支持星形结构的局域网；

●数据率非常高，不直接和端用户相连；

●创造了新的光物理媒体相关(PMD)子层。

万兆以太网有两种不同的物理层：局域网物理层和广域网物理层，这两种物理层的数据率并不一样。局域网物理层使用简单的编码机制在暗光纤(Dark fiber)和暗波长(Dark wave length)上传送数据。而广域网物理层则需要增加一个SONET/SDH组帧子层，以便利用SONET/SDH作为第一层来传送数据。万兆以太网物理层包括如下：

●XGMII（万兆串行物理介质层）包括10GBase-R、10GBase-RW等。10GBase-SR/SW

传输距离按照波长不同由2～300m。10GBase-LR/LW传输距离为2m～10km。

10GBase-ER/EW传输距离为2m～40km。它们各自对应不同的串行局域网物理层设

备。

●PMD（与物理介质相关）子层PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间交

换串行化的符号代码位。PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上

传输的形式。PMD是物理层的最低子层，标准中规定，物理层负责从介质上发送

和接收信号。

●PMA（物理介质接入）子层PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接

口。和PCS子层的连接称为PMA服务接口。另外PMA子层还从接收位流中分离出

用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）的符号定时时钟。

●WIS（广域网接口）子层：WIS子层是可选的物理子层，可用在PMA与PCS之间，

产生适配ANSI定义的SONET STS-192C传输格式或ITU定义SDH VC-4-64c容器速率

的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。

●PCS（物理编码）子层PCS子层位于协调子层（通过GMII）和物理介质接入层（PMA）

子层之间。PCS子层完成将经过完善定义的以太网MAC功能映射到现存的编码和

物理层信号系统的功能上去。PCS子层和上层RS/MAC的接口由XGMII提供，与下

层PMA接口使用PMA服务接口。

●RS（协调子层）协调子层的功能是将XGMII的通路数据和相关控制信号映射到原

始PLS服务接口定义(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了万兆MAC和物理层间的

逻辑接口。XGMII和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质上。

●MDI（物理介质相关接口）用于将PMD子层和物理层的光缆相连接。

万兆以太网能够使用多种光纤媒体。这些光纤媒体的型号具体表示方法为：

10GBase-[媒体类型][编码方案][波长数]

或更加具体[1，3]表示为

10GBase-[E/L/S][R/W/X][/4]。

在光纤媒体表示方法的媒体类型中，S为短波长(850nm)，用于多模光纤在短距离(约为35m)传送数据；L为长波长，用于在校园的建筑物之间或大厦的楼层间进行数据传输，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为900m；E为特长波长，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550 nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。

在光纤媒体的表示方法的编码方案中，X为局域网物理层中的8B/10B编码，R为局域网物理层中的64B/66B编码，W为广域网物理层中的64B/66B编码(简化的SONET/SDH封装)。最后的波长数可以为4，使用的是宽波分复用(WWDM)。在进行短距离传输时，WWDM要比密集波分复用(DWDM)适宜得多。如果不使用波分复用，则波长数就是1，并且可将其省略。

万兆以太网物理层的数据率是10.000Gbps(表示精确的10Gbps)，因此一个万兆以太网交换机可以支持正好10个1G以太网端口。

但是广域网物理层的数据率要比10Gbps略低一些。这样做才能和所谓的“10Gbps”的SONET/SDH(即OC-192)相连接。OC-192的数据率并非精确的10Gbps，而是9.953280Gbps。在去掉帧首部的位后，其有效载荷的数据率只有9.584640Gbps。因此，为了使万兆以太网的帧能够插入到OC-192帧的有效载荷中，就必须设法降低进入物理层的数据率。

具体做法是，在MAC子层的以太网帧之间插入一些附加帧间隔(IPG，Inter-Packet Gap)。每一个IPG的字节数与前一帧的长度成正比。在进行64B/66B的编码过程中，要将插入的IPG 再卸除掉。WIS子层组成SONET/SDH帧后的数据率已经变成为OC-192速率，即9.953280Gbps。

显然，这种所谓的“10Gbps”速率无法支持10个1G以太网端口。在WIS和PMA子层之间有一个10G的16比特接口(XSBI，10G Sixteen-Bit Interface)，是由IEEE802.3ae制订的一个16比特的数据接口，它基本上和光网络互连论坛(OIF，Optical Internetworking Forum)制订的OIF SFI-4接口标准相同。SFI是SERDES Framer Interface的缩写，它定义了在SONET/SDH 帧形成器和高速SERDES逻辑之间的电信号接口。

注意10G以太网并没有SONET/SDH的同步接口，只有异步的以太网接口。因此，10G以太网在和SONET/SDH连接时，出于经济上的考虑，具有SONET的某些特性，如OC-192的链路速率、SONET/SDH的组帧格式等; 同时还提供最基本的管理信息，使得网管可将10G以太网的广域网物理层链路当成是SONET/SDH链路，并且可以进行性能监视和故障隔离。但广域网物理层与SONET/SDH并不全部兼容。例如，10G以太网没有