萬兆以太網

從誕生到2000年初，以太網由最初10Base5 10M粗纜總線發展為10Base2 10M細纜，其後是一個短暫的後退：1Base5的1兆以太網，隨後以太網技術發展成為大家熟悉的星形的雙絞線10BaseT。隨着對帶寬要求的提高以及器件能力的增強出現了快速以太網：五類線傳輸的100BaseTX、三類線傳輸的100BaseT4和光纖傳輸的100BaseFX。隨着帶寬的進一步提高，千兆以太網接口登場：包括短波長光傳輸1000Base-SX、長波長光傳輸1000Base-LX以及五類線傳輸1000BaseT。2002年7月18日IEEE通過了802.3ae：10Gbit/s以太網又稱萬兆以太網。

萬兆以太網並非將千兆以太網的速率簡單地提高到10倍，這裏有許多技術上的問題要解決。

在以太網技術中，100BaseT是一個里程碑，確立了以太網技術在桌面的統治地位。千兆以太網以及隨後出現的萬兆以太網標準是兩個比較重要的標準，以太網技術通過這兩個標準從桌面的局域網技術延伸到校園網以及城域網的匯聚和骨幹。

以太網從10Mb/s到10Gb/s的演進證明了以太網是：

1.可擴展的（從10Mb/s到10Gb/s）。

2.靈活的（多種媒體、全/半雙工、共享/交換）。

3.易於安裝。

4.穩健性好。

以太網主要在局域網中佔絕對優勢。但是在很長的一段時間中，人們普遍認為以太網不能用於城域網，特別是匯聚層以及骨幹層。主要原因在於以太網用作城域網骨幹帶寬太低（10M以及100M快速以太網的時代），傳輸距離過短。當時認為最有前途的城域網技術是FDDI和DQDB。隨後的幾年裏ATM技術成為熱點，幾乎所有人都認為ATM將成為統一局域網、城域網和廣域網的唯一技術。但是由於種種原因，當前在國內上述三種技術中只有ATM技術成為城域網匯聚層和骨幹層的備選方案。

最常見的以太網是10M以太網以及100M以太網（快速以太網）。100M快速以太網作為城域骨幹網帶寬顯然不夠。即使使用多個快速以太網鏈路綁定使用，對多媒體業務仍然是心有餘而力不足。隨着千兆以太網的標準化以及在生產實踐中的廣泛應用，以太網技術逐漸延伸到城域網的匯聚層。千兆以太網通常用作將小區用户匯聚到城域POP點，或者將匯聚層設備連接到骨幹層。但是在當前10M以太網到用户的環境下，千兆以太網鏈路作為匯聚也是勉強，作為骨幹則是力所不能及。雖然以太網多鏈路聚合技術已完成標準化且多廠商互通指日可待，可以將多個千兆鏈路捆綁使用。但是考慮光纖資源以及波長資源，鏈路捆綁一般只用在POP點內或者短距離應用環境。

傳輸距離也曾經是以太網無法作為城域數據網骨幹層匯聚層鏈路技術的一大障礙。無論是10M、100M還是千兆以太網，由於信噪比、碰撞檢測、可用帶寬等原因五類線傳輸距離都是100m。使用光纖傳輸時距離限制由以太網使用的主從同步機制所制約。802.3規定1000Base-SX接口使用纖芯62.5μm的多模光纖最長傳輸距離275m，使用纖芯50μm的多模光纖最長傳輸距離550m；1000Base－LX接口使用纖芯62.5μm的多模光纖最長傳輸距離550m，使用纖芯50μm的多模光纖最長傳輸距離550m，使用纖芯為10μm的單模光纖最長傳輸距離5000m。最長傳輸距離5km千兆以太網鏈路在城域範圍內遠遠不夠。雖然基於廠商的千兆接口實現已經能達到80km傳輸距離，而且一些廠商已完成互通測試，但是畢竟是非標準的實現，不能保證所有廠商該類接口的互聯互通。

綜上所述，以太網技術不適於用在城域網骨幹/匯聚層的主要原因是帶寬以及傳輸距離。隨着萬兆以太網技術的出現，上述兩個問題基本已得到解決 ^[1]  。

以太網採用CSMA/CD機制，即帶碰撞檢測的載波監聽多重訪問。千兆以太網接口基本應用在點到點線路，不再共享帶寬。碰撞檢測，載波監聽和多重訪問已不再重要。千兆以太網與傳統低速以太網最大的相似之處在於採用相同的以太網幀結構。萬兆以太網技術與千兆以太網類似，仍然保留了以太網幀結構。通過不同的編碼方式或波分複用提供10Gbit/s傳輸速度。所以就其本質而言，10G以太網仍是以太網的一種類型。

10G以太網於2002年7月在IEEE通過。10G以太網包括10GBASE－X、10GBASE－R、10GBASE－W以及基於銅纜的10GBASE－T等(2006年通過)。10GBASE－X使用一種特緊湊包裝，含有1個較簡單的WDM器件、4個接收器和4個在1300nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對發送器/接收器在3.125Gbit/s速度（數據流速度為2.5Gbit/s）下工作。10GBASE－R是一種使用64B/66B編碼（不是在千兆以太網中所用的8B/10B）的串行接口，數據流為10.000Gbit/s，因而產生的時鐘速率為10.3Gbit/s。10GBASE－W是廣域網接口，與SONET OC-192兼容，其時鐘為9.953Gbit/s數據流為9.585Gbit/s。

用於局域網的光纖萬兆以太網規範有：10GBase-SR、10GBase-LR和10GBase-ER。

1、10GBase-SR

10GBase-SR中的“SR”是“short range”（短距離）的縮寫，表示僅用於短距離連接。該規範支持編碼方式為64B/66B的短波（波長為850nm）多模光纖（MMF），有效傳輸距離為2米到300米。

2、10GBase-LR

10GBase-LR中的“LR”是“Long Range”（長距離）的縮寫，表示主要用於長距離連接。該規範支持編碼方式為64B/66B的長波（1310nm）單模光纖（SMF），有效傳輸距離為2米到10公里。

4、10GBase-ER

10GBase-ER中的“ER”是“Extended Range”（超長距離）的縮寫，表示連接距離可以非常長。該規範支持編碼方式為64B/66B的超長波（1550nm）單模光纖（SMF），有效傳輸距離為2米到40公里。

PMD子層的功能是支持在PMA子層和介質之間交換串行化的符號代碼位。PMD子層將這些電信號轉換成適合於在某種特定介質上傳輸的形式。PMD是物理層的最低子層，標準中規定物理層負責從介質上發送和接收信號。

PMA子層提供了PCS和PMD層之間的串行化服務接口。和PCS子層的連接稱為PMA服務接口。另外PMA子層還從接收位流中分離出用於對接收到的數據進行正確的符號對齊（定界）的符號定時時鐘。

WIS子層是可選的物理子層，可用在PMA與PCS之間，產生適配ANSI定義的SONET STS-192c傳輸格式或ITU定義SDH VC－4－64c容器速率的以太網數據流。該速率數據流可以直接映射到傳輸層而不需要高層處理。

PCS子層位於協調子層（通過GMII）和物理介質接入層（PMA）子層之間。PCS子層完成將經過完善定義的以太網MAC功能映射到現存的編碼和物理層信號系統的功能上去。PCS子層和上層RS/MAC的接口由XGMII提供，與下層PMA接口使用PMA服務接口。

協調子層的功能是將XGMII的通路數據和相關控制信號映射到原始PLS服務接口定義(MAC/PLS)接口上。XGMII接口提供了10Gbit/s的MAC和物理層間的邏輯接口。XGMII和協調子層使MAC可以連接到不同類型的物理介質上。

由於10G以太網實質上是高速以太網，所以為了與傳統的以太網兼容必須採用傳統以太網的幀格式承載業務。為了達到10Gbit/s的高速率可以採用OC-192c幀格式傳輸。這就需要在物理子層實現從以太網幀到OC-192c幀格式的映射功能。同時，由於以太網的原設計是面向局域網的，網絡管理功能較弱，傳輸距離短並且其物理線路沒有任何保護措施。當以太網作為廣域網進行長距離、高速率傳輸時必然會導致線路信號頻率和相位產生較大的抖動，而且以太網的傳輸是異步的，在接收端實現信號同步比較困難。因此，如果以太網幀要在廣域網中傳輸，需要對以太網幀格式進行修改。

以太網一般利用物理層中特殊的10B(Byte)代碼實現幀定界的。當MAC層有數據需要發送時，PCS子層對這些數據進行8B/10B編碼，當發現幀頭和幀尾時，自動添加特殊的碼組SFD(幀起始定界符)和EFD（幀結束定界符）；當PCS子層收到來自底層的10B編碼數據時，可很容易地根據SFD和EFD找到幀的起始和結束從而完成幀定界。但是SDH中承載的千兆以太網幀定界不同於標準的千兆以太網幀定界，因為複用的數據已經恢復成8B編碼的碼組，去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆以太網的前導(Preamble)和幀起始定界符（SFD）進行幀定界，由於信息數據中出現與前導和幀起始定界符相同碼組的概率較大，採用這樣的幀定界策略可能會造成接收端始終無法進行正確的以太網幀定界。為了避免上述情況，10G以太網採用了HEC策略。

IEEE802.3 HSSG小組為此提出了修改千兆以太網幀格式的建議，在以太網幀中添加了長度域和HEC域。為了在定幀過程中方便查找下一個幀位置，同時由於最大幀長為1518字節，則最少需要11個比特（=2048），所以在復接MAC幀的過程中用兩個字節替換前導頭兩個字節作為長度字段，然後對這8個字節進行CRC-16校驗，將最後得到的兩個字節作為HEC插入SFD之後。

10G WAN物理層並不是簡單的將以太網MAC幀用OC-192c承載。雖然借鑑了OC-192c的塊狀幀結構、指針、映射以及分層的開銷，但是在SDH幀結構的基礎上做了大量的簡化，使得修改後的以太網對抖動不敏感，對時鐘的要求不高。具體表現：減少了許多開銷字節，僅採用了幀定位字節A1和A2、段層誤碼監視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，增強了物理層的網絡管理和維護，可在物理線路上實現保護倒換。其次，避免了繁瑣的同步複用，信號不是從低速率複用成高速率流，而是直接映射到OC-192c淨負荷中。

10G以太局域網和10G以太廣域網（採用OC-192c）物理層的速率不同，10G以太局域網的數據率為10Gbit/s,而10G以太廣域網的數據率為9.58464Gbit/s（SDH OC-192c，是PCS層未編碼前的速率），但是兩種速率的物理層共用一個MAC層，MAC層的工作速率為10Gbit/s。採用什麼樣的調整策略將10GMII接口的10Gbit/s傳輸速率降低，使之與物理層的傳輸速率9.58464Gbit/s相匹配，是10G以太廣域網需要解決的問題。將10Gbit/s速率適配為9.58464Gbit/s的OC-192c的調整策略有3種：

在GMII接口處發送HOLD信號，MAC層在一個時鐘週期停止發送；

利用“Busy idle”，物理層向MAC層在IPG期間發送“Busy idle”，MAC層收到後，暫停發送數據。物理層向MAC層在IPG期間發送“Normal idle”, MAC層收到後，重新發送數據；

採用IPG延長機制：MAC幀每次傳完一幀，根據平均數據速率動態調整IPG間隔。

萬兆以太網標準和規範都比較繁多，在標準方面，有2002年的IEEE 802.3ae，2004年的IEEE 802.3ak，2006年的IEEE 802.3an、IEEE 802.3aq和2007年的IEEE 802.3ap。在規範方面，總共有10多個，總共可以分為三類：一是基於光纖的局域網萬兆以太網規範，二是基於雙絞線（或銅線）的局域網萬兆以太網規範，三是基於光纖的廣域網萬兆以太網規範。

萬兆以太網在設計之初就考慮城域骨幹網需求。首先帶寬10G足夠滿足現階段以及未來一段時間內城域骨幹網帶寬需求（現階段多數城域骨幹網骨幹帶寬不超過2.5G）。其次萬兆以太網最長傳輸距離可達40公里，且可以配合10G傳輸通道使用，足夠滿足大多數城市城域網覆蓋。　採用萬兆以太網作為城域網骨幹可以省略骨幹網設備的POS或者ATM鏈路。首先可以節約成本：以太網端口價格遠遠低於相應的POS端口或者ATM端口。其次可以使端到端採用以太網幀成為可能：一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優先級信息，另一方面可以省略在數據設備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數據包分片，簡化網絡設備。在城域網骨幹層採用萬兆以太網鏈路可以提高網絡性價比並簡化網絡。

我們可以清楚地看到，10G以太網可以應用在校園網、城域網、企業網等。但是由於當前寬帶業務並未廣泛開展，人們對單端口10G骨幹網的帶寬沒有迫切需求，所以10G以太網技術相對其他替代的鏈路層技術（例如2.5G POS、捆綁的千兆以太網）並沒有明顯優勢。思科和JUNIPER公司已推出10G以太網接口（依據802.3ae草案實現），但在國內幾乎沒有應用。城域網的問題不是缺少帶寬，而是消耗大量帶寬的KillerApplication，是如何將城域網建設成為可管理、可運營並且可盈利的網絡。所以10G以太網技術的應用將取決於寬帶業務的開展。只有廣泛開展寬帶業務，例如視頻組播、高清晰度電視和實時遊戲等，才能促使10G以太網技術廣泛應用，推動網絡健康有序發展。

萬兆以太網技術提供更加豐富的帶寬和處理能力，能夠有效地節約用户在鏈路上的投資，並保持以太網一貫的兼容性、簡單易用和升級容易的特點。但是，我們也看到，由於萬兆以太網尚處於發展初期，還存在着一些問題和不足：首先，在價格方面，一個10GE端口的價格是GE端口的100倍左右，尤其是在帶寬得不到充分利用的情況下，會造成投資的極大浪費；其次，萬兆以太網繼承了以太網一貫的弱QoS特點，如何進行有保障的區分業務承載的問題仍然沒有解決，RPR、MPLS等特性的支持尚不成熟；再有，10GE要求設備具有強大的處理能力，而業界有些廠商推出的10GE端口並達不到真正的線速處理，帶寬優勢大打折扣。

針對上述問題以及網絡帶寬需求不太迫切的現狀，建議網絡建設側重業務和性價比，網絡核心仍採用2.5GPOS接口或GE Trunk方式，當萬兆以太網在技術和成本方面得到重大進步之後，再平滑升級至萬兆 ^[2]  。

萬兆以太網的優勢之一，就是它可以用與千兆以太網相同的外形接口，獲得十倍的帶寬。這適用於交換機端口和主機適配器端口。例如，在一台主機服務器上，如果需要八個千兆以太網網卡接口，可以使用兩個四口網卡、四個雙口網卡或者八個單口網卡。這會佔用兩個、四個或者八個服務器I/O插槽，而且導致有八條線纜從服務器出來。有些情況可以這麼做，但並不是所有服務器都有這麼多的插槽，有些服務器I/O插槽需要用作其他目的，例如RAID控制器、光纖通道主機總線適配器（HBA卡）、PCI Express（PCIe）SSD等等。如果使用萬兆以太網端口，用一塊雙口萬兆以太網卡，一個端口就能提供達到八個千兆以太網接口的帶寬，而還剩一個用於故障切換或者其他管理目的。這隻會佔用一個I/O插槽，釋放了I/O插槽，同時也減少了電能消耗。而且不再需要兩條以上的線纜了。此外，相同的雙端口萬兆以太網卡可以安裝在更小的服務器上，例如只有兩個插槽的1U高的服務器，仍然可以提供充足的網絡帶寬。

在國內網絡廠商中，華為公司率先推出了支持萬兆的高端路由器和交換機Quidway S8500（8505/8512），定位於電信級運營核心網絡匯聚層、園區網絡和企業網絡的核心。Quidway S8500萬兆多層核心交換機具有容量大、業務接口特性豐富、協議支持完備等特點，背板容量1.2T，交換容量480Gbps，以太網接口最大提供12個萬兆以太網接口，並具有強大的VPN支持能力和完善的QoS能力。同期推出的Quidway NetEngine5000系列萬兆核心路由器是面向電信級運營核心網絡的高端網絡產品，採用三維交換網分佈式體系結構，每個接口模塊自帶分佈式交換網，可方便地進行堆疊和擴展，最大提供560個接口模塊，整機提供11.2Tbps的交換能力，最大端口容量5.6T，支持10G POS、10GE LAN、10GE WAN接口的IP/MPLS線速轉發，並支持向更高速接口平滑擴展。Quidway NetEngine 5000萬兆核心路由器採用三維體系結構，在擴展性、負載平衡能力、多路徑備份和無阻塞等方面具有優勢，並具有可遞增的擴充性，可根據需要增加交換容量，而不必一次性地高配置集中交換網，滿足未來核心網絡發展的特點和需要。

此外，華為第五代高端核心路由器Quidway NetEngine80/40也具有平滑升級至萬兆的能力。Quidway系列萬兆路由器和交換機的推出，標誌着我國大容量核心路由器和以太網交換機的設計技術已經邁入國際先進水平，這不僅是我國核心網通信技術發展的一次重大突破，也是我國數據通信產業邁向國際化的重大突破，並將為我國信息化的進一步深入開展提供更加強勁的發展動力 ^[3]  。