千兆位以太网技术的几点分析

千兆位以太网技术的几点分析张大陆，程云峰摘要：千兆位以太网采用传统以太网的媒体访问机制，但其带宽将比快速以太网高出10倍，所以在物理媒体参数，碰撞域大小和编码等方面引出了更为复杂的问题，本文介绍了千兆位以太网所涉及的物理媒体、碰撞域、编码和服务质量等，并对千兆位以太网的服务质量（QoS）和ATM的服务质量做一比较。关键词：千兆位以太网、以太网、计算机局域网、计算机网络IEEE802.3工作组正在制定千兆位以太网（GigabitEthernet）标准引起人们的广泛兴趣。千兆位以太网（1000Mbps）和以太网（10Mbps）相同的帧格式、全双工操作和流量控制。在半双工模式中，千兆位以太网也采用相同的GSMA/CD基本原理，解决共享媒体的争用。IEEE802.3z和IEEE802.3ab。图1给出了千兆位以太网的技术系列。IEEE802.3z标准被定义支持应用在建筑物内垂直主干多模光纤和园区内主干单模光纤的100BASE-LX，其链路长度分别是550米和3千米，支持应用在较短垂直主干和水平布线多模光纤的1000BASE-SX，其链路长度是260米。802.3z同时还定义了应用在室内铜质屏蔽电缆（150）的1000BASE-CX，其链路长度205米。802.3以1.25G波特率使用8B/10B编码，从而获得1000Mbps的数据传输速率。IEEE802.3ab标准被定义支持四对5类非屏蔽双绞线（UTP）的1000BASE-T，其链路长度是100米。它提供半双工（GSMA/CD）和全双工1000Mbps的以太网服务。1000BASE-T的拓扑准则与100BASE-TX所用的相同。100BASE-TX相同的自动协商机制（Auto—Negotioationsystem）。这样不仅简化了将其与传统以太网逐步集成的任务，还为生产100Mbps和1000Mbps双速PHY提供可能。后者确保了1000BASE-T设备能够“后退到”100BASE-TX的操作，因此为升级系统提供一种灵活方法。以下就千兆位以太网技术做几点分析：1、1000BASE-T对5类UTP性能的要求：1000BASE-T使用5类UTP，显然保护了大部分用户（约占72%）的投资。然而，1000BASE-T在使用5类UTP中，对其安装提出更高的施工质量要求。例如，端接硬件的非双绞UTP长度不得超过13mm，否则无法通过现场测试，施工质量要求的好坏是通过现场对全程链路测试其性能参数决定的。这些参数除了在ANSI/TIA/EIA-TSB-67-“双绞线缆系统现场测试的传输性能规范”、ANSI/TIA/EIA-568-A副录E和ISO/IEC11801：1995中已规定的以外，主要有：回波（Echo）：全双工通信的副产品，发送和接收的信号占用相同的线对。残留的发送信号是由于转移混合损耗（tuans-hybridloss）和布线的回转损耗（returnloss）的组合，产生称之为回波的不希望的信号。回转损耗（Returnloss）：测量因信道元件不匹配而引起的反射回转至发送端的能量损耗。差值越大越好。远端串音数衰耗（FEXT）：信号从发送器远端电缆中的一对线对泄漏到另一对线对。FEXT与近端串音数衰耗（NEXT）一样，它也是一种噪音信号，同样也以分贝（dB）形式测量。在较高的频率时串音会变小，因而差值越大越好。等能量级远端串音数衰耗（ELFEXT）：FEXT和全程链路衰减（Ateeenuation）的差值，提高等能量级比较。AMD公司进行的实验表明在具有碰撞域的半双工拓扑中，千兆位以太网在网络100%负荷时其吞吐量超过720Mbps。千兆位以太网使用全双工通信，典型地应用在两个端点（endpoint）之间，如交换机之间、交换机和服务器之间、交换机和路由器之间等等，因此清除了在网段上的碰撞域，从而流量控制和媒体访问不需要使用CSMA/CD。千兆位以太网的全双工通信可选择IEEE802.3x的流量控制机制。如果接收站发生阻塞，它可以送回一个称为“暂停帧”给源站，请求该站在一特定的时间周期内停止发送。发送站在发送更多的数据之前等待所请求的时间。一旦阻塞解除，接收站还可以送回一个零等待时间帧给源站，请求开始再次发送数据。图2给出了IEEE802.3x的流量控制。尽管这个机制从IEEE802.3z中分离出来，但允许千兆位以太网速率的设备共享这种流量控制机制来补充千兆位以太网。3、千兆位以太网的编码：IEEE802.3z采用ANSIX3T1LFiberchannalFC1层描述的同步和8B/10B编码模式。这种模式与4B/5B编码类似，只是其DC平衡性更好些。DC平衡性的缺乏可能会发送比0多的1而潜在地使激光发热，从而导致较高的误码率。通过8位到10位码字的映射进行编码。解码数据由8位数据和1位控制变量构成。编码是通过给每个传输码字提供一个用Zxxy表示对名字来完成的。Z是控制变量，其提供两个值：D为数据，K为特殊码字。xx标识符是解码子集构成的二进制值的十进制值。y标识符是剩余解码位的二进制值和十进制值。这意味着数据（D标识符）有256种可能性，特殊码字（K标识符）也有256中可能性。然而，在FiberChannel中仅有12种Kxxy值是合法的传输码字。在接收数据时，传输码字就解码成256种8位的组合之一。IEEE802.3ab为了高性价比地使用4对5类UTP，不采用8B/10B编码，而在MAC子层和PHY层定义一个逻辑接口，允许引入更高性价比的编码方案。由于可用带宽的限制，显然每对5类UTP取不超过125Mbaud（5类UTP在62.5MHz时，其ACR为30.6dB）为宜。还考虑到能覆盖2|8=256，且最大限度地减少多元制的符号位数，所以取五级（quinary）编码，即8B/4Quinary。这样（1000/4）*（4/8）=125Mbaud能够满足可有带宽的限制。若采用四级（quartemary）编码，亦可满足上述需求，且同样能覆盖2|8=256，但五级（quinary）编码中冗余的一级可用于对另外四级的纠错码。千兆位以太网联盟最近的1000BASE-T白皮书建议采用PAM-5码，每个符号（取+2，+1，0，-1，-2之一）对应两位二进制信息（四级表示两位，一级用于前向纠错码）。前向纠错码采用4维8状态的Trellis前向纠错码。实现这些主要依赖于先进的集成电路技术和数字信号处理（DSP）技术。有关1000BASE-T及其编码的设计思路和设计原则可以从三种100BASE-T的解决方案中得到启示：-100BASE-TX，使用在2对5类UTP上，具有125Mbaud和二进制编码；-100BASE-T4，使用4对3类UTP上，具有25Mbaud和三进制编码；-100BASE-T2，使用2对3类UTP上，具有25Mbaud和五进制编码，并应用DSP技术。4、千兆位以太网上的QoS及其与ATM比较：在九十年代中后期，应用突出表现了对网络连接的带宽、延迟和抖动等需求。这类应用包括在LAN和WAN上的音频和视频传输，组广播（multicasting）等等。它们需要网络提供高服务质量（QoS）的集成服务。然而，千兆位以太网仅提供高速的连接，但不由其自身提供Qos的完备集合，自动冗错恢复，或高层路由服务，这些能够通过其他开放标准提供。千兆位以太网所有以太网规范那样，规定了OSI协议模型的物理层和数据链路层，而TCP/IP规定了高层协议，允许在应用之间可靠的通信服务。千兆位以太网可以支持与IP共同工作的资源预留协议（RSVP），以及IEEE802.1p和IEEE802.1Q协议。RSVP不是一种路由选择协议，但依赖与路由选择协议。它不是传送应用数据，而是通过路由器对通信量控制和策略控制参数的传输提供透明操作。RSVP是面向接收方的，为单址广播（unicasting）和绝大多数组广播应用预留资源，动态地适配组成员得到变化和路由变化。主机使用RSVP为应用数据流向网络请求特定的QoS。路由器也使用RSVP转发QoS请求给沿数据流路径（即沿生成树）的所有结点，并建立和维持该请求服务的状态。RSVP请求一般导致沿生成树的每个结点预留资源。显然，欲使千兆位以太网支持RSVP，就必须使其网络设备能够支持RSVP。IEEE802.1p协议有关桥接LAN和MAN中，通信量类别简化和动态组广播过滤的标准，它改善了时间敏感和组广播密集应用，包括多媒体交互式应用的支持。IEEE802.1Q协议通过用一个表示分组所期望的优先权或服务类别来标志分组。这些标志允许应用根据分组的优先权，通过互连设备进行通信。显然，欲使千兆位以太网支持IEEE802.1p和IEEE802.1Q协议，就必须使其网络设备能够支持这两种协议。通过将RSVP会话映射到IEEE802.1p服务类别实现RSVP支持。千兆位以太网的网络管理目标对绝大多数网络管理员而言，与快速以太网和以太网相同。例如，SNMP定义了收集设备级以太网信息的一种标准方法。SNMP使用管理信息数据库（MIB）的结构记录关键统计量，如碰撞统计、发送和接收的分组、差错率和其他设备级信息。远程监视（RMON）代理通过网络管理应用汇集所报告的统计量，由此收集更多的信息。因为千兆位以太网使用标准的以太网帧，所以能够利用相同的MIB和RMON代理，以千兆位以太网速率提供网络管理。ATM网络与千兆位以太网同样都提供高速的连接，通过OC-48的带宽可达2.4Mbps。ATM规范v4.0明确定义了ATM网络的通信种类和客户所希望的服务类型。如表1所示。针对这样一些服务类型，为了明确定义服务质量的好坏，ATM规范定义了一套服务质量（QoS）参数，确保服务类型的实现。ATM可以通过局域网仿真（LAN）支撑RSVP的运行。我们通过上述千兆位以太网的QoS与ATM网络的QoS的比较，不难看出：（1）ATM网络的QoS是由其自身标准定义的，而千兆位以太网的QoS依赖于其他开放标准，如RSVP，IEEE802.1p和IEEE802.1Q等。（2）ATM网络提供从桌面（25Mbps）到WAN的全套方案，换句话说，ATM网络的QoS可以从桌面延伸到WAN，而千兆位以太网只是一种局域网。（3）在多媒体应用方面，由于目前ATM网络的QoS比千兆位以太网的更完善些，所以应该根据不同的需求，选择不同的网络方案。最后需要说明一点的是，ATM网络的标准化进程比千兆位以太网快的多。预计1998年三季度可能通过IEEE802.3z标准，1999年可能通过IEEE802.3ab标准。