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千兆以太网综述
---千兆以太网联盟白皮书,1997530

注:此文件是千兆以太网联盟的公开文件。网络中心技术支持室的有悦、陶文星保留此文件的翻译版权。任何单位和个人未经译者许可,不得擅自将本文用于各种商业出版等目的。本文不保证与千兆以太网联盟网站的实时更新,不保证文章翻译的完全正确。我们欢迎您的意见反馈。

本文获取地址:http://www.gigabit-ethernet.org/technology/whitepapers

现代的组织机构都依赖局域网,为不断增长的复杂而关键的台式计算应用提供连接功能。然而随着网络通信流量的不断增加,典型10兆以太网在客户/服务器计算环境中已很不适应。通信的拥塞推进了对高速网络的需求。

在当今现有的高速局域网技术中,快速以太网或称100BASE-T已成为首选。快速以太网建立在广泛接受的10BASE-T以太网基础之上,提供向100兆bps的平滑、连续性的网络升级。然而为服务器和台式机提供100BASE-T速率的发展,又显然产生了对主干网和服务器更高网络速率的要求。这种更高速率的技术应能提供平滑的升级方式,具有较好的性能价格比,不需要重新培训。

从目前的发展看,最合适的解决方案是千兆以太网。千兆以太网可以为园区网络提供1Gbps的通信带宽,而且具有以太网简易性;以及和其它类似速率的通信技术比较价格低廉的特点。千兆以太网在当前以太网基础之上平滑过渡,综合平衡了现有的端点工作站、管理工具和培训基础等各种因素。

千兆以太网采用同样的CSMA/CD协议,同样的帧格式和同样的帧尺寸。对于广大的网络用户来说,这就意味着现有的投资可以在合理的初始开销上延续到千兆以太网,不需要对技术支持人员和用户做重新培训,不需要作另外的协议和中间件的投资。结果是用户较低的总体开销。

由于上述特点和对全双工操作的支持,千兆以太网将成为10/100BASE-T交换器、连接高性能服务器的理想主干网互联技术,成为需要未来高于100BASE-T带宽的台式计算机升级的理想技术。

本文综述千兆以太网,包括以太网在业界当前的状态,驱使更高带宽需求的网络应用,介绍千兆以太网在网络发展战略中的地位, 介绍千兆以太网技术基础和网络演化的方案。

 

以太网:网络的主导技术

以太网技术便及世界各地。按IDC1996年末的统计,超过83%的现有网络都是以太网。这表示超过1.2亿的互联PC、工作站和服务器采用以太网方式连接。其余的网络混合了令牌环、FDDI、异步通信模式ATM和其它协议。所有的操作系统和应用都是和以太网兼容的。上层协议集合如TCP/IP,IPX和DECnet也同样支持以太网。

1997年是以太网设备的里程碑年,交货网络设备的77%采用太网技术。IDC预计以太网接口卡NIC交货量超过四千两百万个,以太网集线器端口量超过五千四百万。作为比较,IDC预测在1997年,ATM、FDDI/CDDI和令牌环网络接口卡总和在一起也只有五百万,只占总额的12%。ATM、FDDI/CDDI和令牌环网络集线器端口数量超过7百万,占总数的13%。IDC预计在1999年之后,以太网仍将占据主导地位。有几点因素决定了以太网技术是当今所使用的最为广泛的网络技术。

网络可靠性 高可靠性的网络对于企业成功至关重要,所以安装和支持是选择网络技术的主要考虑因素。自从1986年星型结构的10BASE-T集线器投入使用以来,结构化布线系统不断发展,集线器和交换器可靠性不断提高。如今,以太网网络已快速接近电话系统的可靠程度,比较容易了解和管理。

管理和纠错工具的有效性 以太网的管理工具可以支持广泛使用的管理标准,包括简单网络管理协议SNMP和其新发展协议,允许管理人员从中心站点观察所有台式系统和网络元素,包括冗余元素。以太网纠错工具有各种类型,从简单的指示灯光显示到复杂的网络分析仪。以太网广泛应用的结果是大批人员都已在网络安装、维护和纠错方面接受了培训。

可扩展性 1995年通过的快速以太网标准,确定了以太网成为可扩展性的网络技术。如今,千兆以太网更进一步延伸了以太网的可扩展性。中立的市场研究表明网络用户对采用千兆以太网有强烈的兴趣,特别是具备千兆以太网上联功能的快速以太网集线器和交换器,千兆以太网交换器和中继器,以及千兆以太网服务器的网卡NIC。

低价格 IDC对以太网和快速以太网的分析表明两者的平均端口费在迅速下降,如表1所示。快速以太网和以太网总开销的平均端口费用一直在快速下降,对于共享式集线器端口,不同的设备之间的费用差距变小。虽然对千兆以太网的平均端口费用作推测还早,但可以预计其价格变化将延续类似快速以太网发展的过程。

  • 表1 -----以太网设备价格发展趋势(价格单位为美元)

    智能集线器端口平均价格 1996年 1998年

    以太网 87 71

    快速以太网 174 110

    比率 2.0 1.5

    交换器端口平均价格 1996年 1998年

    以太网 440 215

    快速以太网 716 432

    比率 1.6 2.0

    网卡端口平均价格 1996年 1998年

    以太网 68 35

    快速以太网 122 74

    比率 1.8 2.2

  • 驱动网络发展的应用

    由于现有的网络应用越来越经常使用高清晰度图象、视频、和其它多媒体类型数据,不断增长的带宽要求给台式机、服务器、集线器和交换器带来了越来越大的压力。表2汇总了应用对网络的影响。

    表2-----应用驱动网络增长的汇总情况

    应用 数据类型/大小 网络流量影响 网络需求
    科学建模,工程计算 - 数据文件

    - 成百兆字节到千兆字节

    -大文件要求增加带宽 -台式机、服务器和主干网的更高带宽
    信息发布,医疗数据传送 - 数据文件

    - 成百兆字节到千兆字节

    -大文件要求增加带宽 -台式机、服务器和主干网的更高带宽
    INTERNET/

    INTRANET

    -数据文件

    - 音频

    - 开始要求视频

    - 大量交互

    - 大文件,1MB到100MB

    -大文件要求增加带宽

    - 低传输延迟

    - 高容量数据流

    - 服务器和主干网的更高带宽

    - 低传输延迟

    数据仓库,网络备份 - 数据文件

    - 千兆到百万兆字节

    -大文件要求增加带宽

    - 在额定时间内传输

    - 服务器和主干网的更高带宽

    - 低传输延迟

    台式机视频会议,网络交互式白板 - 持续性数据流

    - 台式机的1.5到3.5M通信

    - 服务类型预定

    - 高容量数据流

    - 服务器和主干网的更高带宽

    - 低延迟

    - 可预期延迟量

    很多应用有在网络上传输大型文件的需求。科学计算应用要求甚高带宽网络,传输从分子到飞机的3维图象。台式机上准备的杂志、宣传手册和其它种类的复杂全彩色宣传品需要直接送到数字输入型的打印设备。许多医疗设施要在局域网和广域网上传输复杂图象,以便共享昂贵的设备和数量有限的专家。工程师们以分布式开发队伍的形式、利用电子和机械自动化设计工具协同工作,共享成百个千兆字节文件。

    许多公司正在利用INTERNET技术建立私用网络。单位内部的用户不仅可以使用电子邮件,也可以用熟悉的WEB浏览器界面访问关键数据,开启通向新一代多媒体型客户/服务器应用世界之大门。虽然目前网络流量主要是文本、图形和图象,但可以预计在不断的将来还会有带宽需求量很大的音频、视频和话音。

    数据仓库已经成为企业决策者获得数据的流行方式。在不牺牲生产系统的性能、安全和完整性的条件下,决策者可以得到有关报告和分析。数据仓库可能包括分布的上百个平台,具有数千兆字节甚至是数十亿兆字节,拥有上百个用户。数据仓库必须作周期性的修改,为用户提供接近于实时性的数据,作关键性的企业报告和分析。

    服务器和存储系统的网络备份在许多要求信息存档的工业部门都很常见。此类备份一般在非高峰期间进行,在固定的时间内(4-8小时)占据大量带宽。备份量一般有数千兆甚至是数万兆字节,数据分布在遍布企业内的上百个服务器和存储设备上。

    最近一家主要的工业分析公司所作的视频应用分析结果表明,由于计算机提供本身的MPEG解码功能,并且由于低价位的解码芯片广泛使用,因而人们对视频的兴趣迅速增大了。调查分析了一些公司的基于视频的应用,包括视频会议、教育和人力资源等。

    随着这些应用的激增,台式机对网络带宽的更高要求,以及网络用户数量的持续增长,企业将需要对他们网络的关键部分作更高带宽的提升工作。

     

    千兆以太网:局域网和INTRANET网络的战略性选择技术

    局域网的加速发展促使网络管理人员寻找更高速的网络技术,以解决带宽的危机。典型的网络管理人员如今拥有以太网或FDDI主干网,他们可有一些技术选择。虽然每一中网络面临着不同的问题,但在作高速网络选择时千兆以太网可以满足以下的关键性的标准:

    简便,直接性的高性能升级

    网络管理员所面临的一个重要问题时如何获得更高网络带宽,而不至于使现存的网络瘫痪。千兆以太网采用和以前的10兆、100兆以太网相同的格式,执行同样功能。这样,向更高速度网络发展时,升级就成为直接性的和增加性的。所有的三种以太网都采用同样的IEEE 802.3帧格式,同样的双工操作和流控机制。单工操作模式种,千兆以太网采用同样的基本CSMA/CD访问方式解决共享介质的冲突问题。而且千兆以太网使用同样的、由IEEE 802.3小组定义的管理对象。千兆以太网还是以太网,只是更快。

    以太网帧格式

    使用局域网交换器或路由器将现有的低速以太网设备和千兆以太网设备连接很简单;利用同样的线路速率互联即可。千兆以太网使用同样的变量长度(见下图所示的以太网和快速以太网IEEE 802.3帧,64-1514字节长的数据包)。由于所有的以太网的帧格式和长度都相同,没有必要作网络的其它变动。这种革命性的网络升级途径使得千兆以太网可以“无缝”融入现存的以太网和快速以太网之中。

     

     

     

    作为对比,其它的高速网络技术使用完全不同的帧格式。举例说,ATM采用定长的数据单元。ATM和以太网、快速以太网连接时,交换器或路由器必须作ATM单元和以太网帧之间的转换。

    全双工和半双工操作

    按IEEE802.3x的规定,通过全双工、交换方式连接的两个节点可同时发送、接收数据包。千兆以太网在双工操作模式中延续同样的标准。而且千兆以太网采用标准以太网的流控方法避免网络拥塞和超载。在单工操作模式中,千兆以太网也采用同样的CSMA/CD基本访问方法,解决共享介质的访问冲突问题。下面的图描述了CSMA/CD的机制。

    千兆以太网增强了CSMA/CD的功能,以使千兆以太网在保持千兆位率的条件下仍能维持200米的网络访问距离。如没有这种功能增强,发送工作站在传送最小的以太网包时,可能在检测到冲突之前就已完成了传输,从而疏漏了这种由冲突产生的传输错误。这就会使CSMA/CD无法正常操作。

    为了解决上述问题,CSMA/CD的最小载波时间和以太网“槽”时间都加大了,从目前的64字节扩展到新的512字节(请注意最小的64字节包长度未受影响)。小于512字节的包加上额外载波扩充。大于512字节的包则不作扩充。因为这些修改可能影响传输小包的性能,因而在CDMS/CD算法中加入了新机制以作弥补。新机制称为包突发(packet bursting)。包突发机制使服务器、交换器和其它网络设备发送小包,以充分利用网络带宽。

    以双工方式操作的设备(交换器和其它缓冲型的转发设备)不作载波扩充,“嘈”时间扩充和包突发修改。全双工设备仍将继续使用常规的以太网96位帧间隔(IFG)和64位的最小包长度。

    管理对象

    从以太网过渡到快速以太网,大多数网络管理员所熟悉的基本管理对象仍将在千兆以太网上得以延续。例如,SNMP定义了获取设备级的以太网信息的标准方法。SNMP利用管理信息库(MIB)记录关键性的统计信息,诸如冲突计数、发送或接收的数据包、出错率等各种设备级的信息。其它的信息由远程监视(RMON)代理收集,通过网络管理的应用程序汇集各种统计数据。由于千兆以太网使用标准以太网帧,所以可以使用同样的MIB和RMON代理,在千兆速率上作网络管理。

    较低的总体开销

    总体卡小是评价新型网络技术的一个重要的因素。总体开销不仅包括购买设备的开销,还应包括培训、维护和纠错的开销。

    竞争和经济发展已经将以太网的连接开销大大降低了。虽然快速以太网产品只是从1994年开始供货,但在前两年中其产品价格已经显著降低。千兆以太网将延续同样的发展过程。甚至早期产品就能提供较好的性能价格比。IEEE的目标是以100BASE-FX连接价格的2到3倍提供千兆以太网的连接。随着产品数量的增加,IC生产线会简化,低价光电设备会被研究出来,千兆以太网端口价格将不断降低。

    交换式千兆以太网连接开销预计将低于622 Mbps ATM(假定物理介质相同),这是因为产品相对简单,产品数量更大。千兆以太网中继器接口将大大低于622 Mbps ATM。为用户提供性能价格比优越的数据中心主干网络和服务器连接的解决方案。下表给出了以太网、快速以太网、FDDI和622 Mbps ATM多模连接的当前价格,以及基于IEEE802.3z的千兆以太网的价格范围。

    技术

    设备类型

    1996年设备价格端口比

    1996年设备价格端口比

    改变%

    共享快速以太网

    集线器

    $137

    $102

    -25%

    交换式快速以太网

    交换器

    $785

    $500

    -36%

    共享式FDDI

    集中器

    $835

    $680

    -19%

    交换式FDDI

    交换器

    $4000

    $3200

    -20%

    ATM 622 Mbps多模

    集线器

    $820到1400 **

    (快速以太网的2到3倍)

     

    交换式千兆以太网IEEE目标(多模)

    交换器

    $1850 $2800 **

    (快速以太网的2到3倍)

     

    信息来源:Dell’Oro Group

    **按Dell’Oro Group数据和IEEE的目标估计

    随着时间的推移,半导体技术的发展,包括0.35微米COMS ASIC技术的发展将为用户提供更高的设备性能,以及开销进一步降低的可能性。这将导致性能价格比更佳的新一代以太网技术。当前的0.5微米技术可以容纳50万个“门”,传输速率限制在500Mpbs。分析表明0.35微米技术将获得1250Mbps的运行处理速率,在一个处理芯片上容纳一百万个“门”。这已超越了完整以太网交换机的需要,包括管理的要求,足够的缓冲内存,内置32位处理器,都作在单一的成品芯片上。这显然是降低费用的进步。

    最后,由于现有系统的用户早已熟悉了以太网技术,以太网的维护和纠错工具,以太网的支持开销将远远低于其它的技术。千兆以太网只需要对人员的进一步培训,附加性购置维护和纠错工具。除此之外,千兆以太网将比其它技术更快。一旦升级培训和升级工具完成之后,网络支持人员可以有充分信心作千兆以太网的安装和纠错工作。

    对新型应用和数据类型的支持

    INTRANET应用的出现预示着新数据类型发展。包括视频和音频。在过去,人们认为视频需要一种新的、专为多媒体设计的技术。但是如今由于下列因素,将数据和视频综合在以太网上已经称为可能。

    快速以太网和千兆以太网所增大的网络带宽,和由局域网交换所增强的性能。

    新型协议的出现,诸如提供资源预留功能的资源预留协议(RSVP)

    新标准的出现,如802.1Q和802.1P,它们可支持虚拟网络(VLAN)和网络中传输数据包的优先级功能。

    广泛传播的先进视频压缩技术,如MPEG-2。

    这些技术和协议综合,使千兆以太网成为视频和多媒体通信的及其诱人的解决方案。如下表所示。

    高速网络兼容性

    兼容性 千兆以太网 快速以太网 ATM FDDI
    IP兼容性 现在要求RFC1557或基于LANE的IP,将来为I-PNNI或MPOA
    以太网包 要求LANE 是,通过802.1h转换桥实现
    处理多媒体 是,但是应用需要作重大修改
    服务质量 是,通过RSVP或902.1p实现 是,通过RSVP或902.1p实现 是,通过IETF的复杂映射的SVC或RSVP(工作进行中) 是,通过RSVP或902.1p实现
    802.1Q/p的VLAN 需要将LANE或SVC映射到802.1Q

     

    灵活的网络互联和网络设计

    网络管理员当今面临着无数个网络互联的选择,和网络设计的各种解决方案。这些抉择包括各种路由和交换网络,包括建立规模不断增长的内部网络。基于带宽要求和经费情况,以太网可为共享式的(使用中继器)或交换式的网络。然而高速网络的抉择应当不受互联方式和网络拓扑的限制。

    千兆以太网可以是交换、路由和共享式的。所有当今的网络互联技术,包括正在发展的如IP相关技术和第三层交换技术和千兆以太网都是兼容的,这和以太网和快速以太网的情况相同。

     

    千兆以太网技术

    由以太网所支持的简易网络升级,以及对新应用和数据类型处理的灵活性、网络的可伸缩性,使得千兆以太网成为高速、高带宽网络的战略性选择。

    千兆以太网式极为成功的10Mbps和100Mbps IEEE 802.3以太网标准的发展。千兆以太网提供大致1000Mbps的带宽,和现有的数量极为庞大的以太网节点完全兼容。

    正在发展中的千兆以太网标准----IEEE 802.3z

    千兆以太网早在1996年7月就已进入标准化轨道。经过几个月的可行性研究,IEEE 802.3工作组成立了802.3z千兆以太网任务小组。802.3z千兆以太网任务小组的关键目标式开发可以完成下列功能的千兆以太网标准。

    任务小组定义了连接距离的三个特定目标:最大距离为550米的多模光纤,最大距离为3公里的单模光纤,最大距离不小于25米的铜线。IEEE同时在积极地探索可以支持在5类双绞线(UTP)上传输至少100米的技术。此外,小组已经决定将可选的千兆以太网介质无关接口(GMII)作为工作任务之一。

     

    千兆以太网联盟的主要任务之一是加速千兆以太网标准的制订工作。千兆以太网的标准化工作预计将快于其它的高速网络技术。快速以太网用了大约13个月时间完成从第一个草案初稿到最终标准的认可。千兆以太网大约需要相同的时间完成工作(参见下图)。尽管在1997年已有了标准之前的产品,IEEE 802.3z千兆以太网工作组的目标是在1998年前完成千兆以太网的标准制订工作。工作的中间里程碑包括在1997年中期启动802.3工作小组的选举工作。

    在光纤上的全双工/半双工,将来作在UTP上

    千兆以太网支持新的全双工模式,可以在交换机到交换机上,或交换机到端点工作站上连接上。半双工操作模式用于CSMA/CD访问方式和中继器的共享连接上。千兆以太网也将用于5类双绞线。下图表示千兆以太网的功能元素。

    IEEE 802.3工作组的大量工作花在千兆以太网物理标准制定上。如同其它基于ISO模型的标准,千兆以太网实现的功能依赖于某种物理层标准。总体上,物理层定义建立、维护和拆除网络设备之间物理连接的机械、电气和过程特征。IEEE802.3z工作小组已经为千兆以太网作出了几种物理层标准。

    在光纤上传输千兆以太网有两个物理层标准。其中1000BASE-SX目标是作水平方向或更短距离的多模光纤传输主干,1000BASE-LX目标是作距离更长的多模建筑光纤主干,或是单模的园区主干。上述标准对多模的千兆以太网传输距离分别定义为300米和550米。长波长的单模光纤定义的传输距离为3公里。

    还有两个面向在铜线上作千兆以太网传输的标准化工作。第一个铜线连接标准由8802.3z工作小组定义,标准命名为1000BASE-CX。此标准支持网络设备之间的短距离铜线连接,支持25米距离的交换控制柜或计算机机房跳线连接。这种标准使用基于线芯通道的8B/10B编码方式,串行线路速率为1.25Gbps,使用称之为twinax的150欧姆平衡式的专用屏蔽线缆套件。这种铜物理层标准具有生成快、完成开销低的特点。按照802.3z的工作时间表,这种短距离铜线连接标准可以和光纤连接的标准同时完成。

    第二种铜线标准用于水平方向布线。1997年3月,IEEE标准化委员会批准了一项项目授权申请,同意建立独立的、但和千兆相关的802.3ab工作小组。新小组的任务是开发1000BASE-T物理层标准,在4对5类UTP线缆上传输1Gbps以太网信号。传输距离最大可达到100米,网络直径可达200米。此标准适用于建筑物内一层的水平铜线结构布线系统,充分利用已经安装的现有UTP线缆。此项工作很有可能采用新技术,采用新的编码机制,以克服潜在的技术难点,适应之前的以太网和快速以太网标准的参数。此标准很可能要求新技术和新的编码机制,以便应付标准潜在的难题,满足之前的以太网和千兆以太网标准所需要的一些参数。此项开发工作时间预计要比902.3z千兆以太网工作花费时间长。

    光纤通道组件

    使用现有已认证技术会减少千兆以太网产品投入市场的时间。当前的IEEE 802.3z标准工作大量使用光纤通道和其它高速网络组件。光纤通道编码解码集成电路芯片和光纤组件已有标准定义、已有成品供应,并且性能价格比也作了优化。

    最初千兆以太网使用光纤通道:高速、850-nm(短波)光纤器件,以8B/10B编码解码机制在光纤上作串行化/解串行化的信号发送。现在以1.063Gbps运行的光纤通道技术已作了强化,可以运行1.250Gbps的速率。因而可以提供完全的1000Mbps的高数据传输率。对于更长的链路-----即使用单模光纤的长达3公里的链路,和长达550米的62.5微米多模光纤链路(1300nm长波光纤)也即将做标准化定义。

    IEEE 802.3z标准化工作计划超前于预期的,最终可以使千兆以太网在UTP线缆上运行的半导体技术和数字处理技术。为了适应这种超前计划,在MAC层和PHY物理层之间将定义一个逻辑接口,去偶光纤通道的8B/10B编码,以便允许其它的编码机制,而更轻易地支持性能价格比占优的UTP线缆的使用。

    千兆以太网产品

    因为千兆以太网就是以太网,其那种以太网产品直接就是交换机,上联/下联模块,NIC网络接口卡,千兆以太网路由器接口,以及一种新设备;数据缓冲分配器。将来会出现纯粹的多端口千兆以太网交换器,它的背板性能非常高,也会有同时具备千兆以太网和快速以太网接口的设备。千兆以太网上联能力可以作为固定配置的快速以太网设备的升级,也可以作为模块化、机架式快速以太网集线器的升级措施,以提供高速的联网能力。高端路由器厂商预计也将推出千兆以太网的接口模块。

    一些千兆以太网的厂商正在开发一种称为数据缓冲分配器的新设备。数据缓冲分配器是一种全双工、多端口、类似集线器的设备,可以有两个或两个以上的1Gbps或更高速率的802.3连接链路。如同一台802.3中继器,数据缓冲分配器是不带地址的转发设备。数据缓冲分配器会将收到的数据包向除接收链路之外的所有链路发送,因而提供类似于802.3冲突域的共享带宽网域(数据缓冲分配器一直被称为“箱中的CSMA/CD”)。和802.3中继器所不同的是,数据缓冲分配器在转发数据帧之前,可以缓冲保存每个链路上所收到的一个或一个以上的数据帧。在目前的研制工作中,还有一些针对半双工千兆以太网中继器的技术讨论。

    作为一种共享带宽的设备,数据缓冲分配器应和路由器以及交换器区分开。虽然具备千兆以太网接口的路由器可以有支持高于或低于千兆速率带宽的背板,连接到千兆以太网数据缓冲分配器背板的各个端口共享单个千兆带宽。与此对照,高性能、多端口的千兆以太网交换器背板支持多倍千兆带宽。

    数据缓冲分配器目前未在802.3z第二个草案标准中定义(其它标准网络设备如路由器和交换器也未定义)。人们已经起草标准,以便允许数据缓冲分配器的出产。

    千兆以太网性能

    千兆以太网将千兆线速运行。英特尔(Intel)公司所做的理论模拟结论表明:千兆以太网的性能超过快速以太网,其性能将随着数据包的长度增加而增加(参见下图)。随着突发性数据包处理功能的实施,千兆以太网在处理小数据包是将更有效率。AMD所做的实验证明千兆以太网在采用带冲突的半双工方式下运行时,当施加负载达100%时网络的吞吐量达到720Mbps(参见下下图)。由于多数千兆以太网的最初拓扑都是不带冲突的交换式、全双工的结构,我们应当认为此时的吞吐率将超过此70%的级别,甚至可以达到全双工的理论上的2Gbps的最大吞吐量。

     

    图五、千兆以太网性能模拟

     

    图六、施加网络负载和网络吞吐率

    以太网和更高等级的服务

    千兆以太网提供高速连接能力,但本身不提供完整的服务功能如服务质量(QoS),自动冗余容错,或式高层寻径功能。这些功能在其它开放标准中定义。如同所有的以太网描述,千兆以太网定义OSI协议模型的数据链路层(第二层),TCP和IP分别在传送层(第四层)和网络层(第三层)部分中定义,允许在应用之间的可靠通信服务。QoS等问题在最初的千兆以太网描述中未曾涉及,但是必须由此类标准的几种中加以定义。例如RSVP是在网络层定义,和IP一起运行。第三层(路由)服务也运行在网络层(参见下表)。

    OSI OSI名称

    4 传送层 TCP

    3 网络层 IP,RSVP

    2 数据链路层 以太网(MAC),802.1p,802.1Q

    1 物理层 10Base-T,100Base-T,光纤通道

    不同的千兆以太网设备一般只有上述部分标准,这样可以使以太网连接更由效率,功能较强。但千兆以太网的成功不依赖于标准中的任何一个。模块化标准的优点是标准的任何部分都可以在市场和和产品质量有需求时进行更新。请注意所有这些标准都和快速以太网和10M以太网相匹配,各个层次的以太网运行性能和质量都可以从标准化的工作中获益。

    以太网的服务质量 在90年代后期出现的应用要求稳定的网络带宽、延迟和敏感性。此类的网络应用包括语音和影象在局域网和广域网上传送,组播软件分发。相关的标准化组织针对此类需求已经作出了新的开放标准定义如RSVP,IEEE 802.1p和IEEE 802.1Q标准化小组也正在进行各自的工作。

    作为推荐性的标准,响应连接质量要求、提供网络连接质量的RSVP已经获得了业界的认可。为了使RSVP能发挥作用,为网络应用提供所要求的持续质量,在客户和服务器之间的任何一个网络部件都必须支持RSVP和正常的通信能力。由于在真正获得服务质量的显著效果之前需要如此多的网络部件支持RSVP,有些厂商开发了一些在某种程度上支持QoS的厂家专有方案。尽管它们可以为用户提供QoS的效益,但要求网络的某些部分是这些厂家所独有的。

    802.1p和802.1Q靠提供一种所谓的“打标记”的方式实现以太网上的服务质量功能。打标签就是在数据包上做标记,注明该数据包所期望的服务类型或是优先级别。这种标记使得应用能够与网络互联设备按不同的优先级通信。RSVP可以由将RSVP映射到802.1p服务级别的方式实现。

    第三层功能 第三层功能是决定数据包的最终目的地。通过检查深藏在数据包中的IP地址,便可以定出IP的子网,允许子网上的广播,并且数据包可以按网络中的最有效途径正确地转发向中间节点。

    传统第三层设备是路由器。路由器按复杂的算法和软件中的数据结构,作出第三层决策。虽然这种复杂的路由作业以前需要复杂的、有大量软件的多协议路由器产品,但过去几年厂家已宣称IP交换器产品能完成大多数此类工作,同时它和传统路由器相比是否在性能价格比方面具有优势等方面也存在争论。将协议限制在IP范围之内可以使设备优化,使用专项硬件获得更高效率。

     

    千兆以太网的最初应用将是的园区和建筑中的要求更高带宽的各种设备之间的通信,包括路由器,交换器,集线器,中继器和服务器等。例如交换器到路由器,交换器到交换器,交换器到服务器,和中继器到交换器连接(参见下表6)。在早期阶段,千兆以太网预计不会广泛用于台式环境。不论什么场合,网络操作系统(NOS),台式机的应用和NIC驱动程序都会保持不变。MIS管理员不仅可以继续使用现有多模光纤,而且也可以考虑当前的网络管理、网络应用和工具的投资,在原有投资和新投资上取得平衡。

    1对交换器到交换器连接的升级 获得100/1000M交换器之间的1000Mbps信道

    2对交换器到服务器连接的升级 获得从应用到文件服务器的高速访问能力

    3对交换式快速以太主干网的升级 用千兆位以太网交换器或中继器汇接快速以太网交换器

    4对共享式FDDI主干网的升级 用千兆位以太网交换器或中继器安装FDDI交换器或以太

    网到FDDI交换器/路由器

    5对高性能的台式机升级 千兆位以太网接口卡连接千兆以太网交换器或中继器

    表6:五种最可能常用的升级方案

    对交换器到交换器连接的升级

    一个非常直接的升级方案是将快速以太网交换器之间、或中继器之间的100Mbps的链路升到1000Mbps。如此的高带宽、交换器到交换器的链路可以使100/1000交换器支持更多数量的交换式或共享式的快速以太网网段。图7a表示在升级之前的网络,图7b表示在升级到千兆以太网之后的网络。

    图7:对交换器到交换器连接的升级

    对交换器到服务器连接的升级

    最简单的升级方案是将快速以太网交换器升级为千兆以太网交换器,以获得从具备千兆以太网网卡的高性能的超级服务器集群到网络的高速互联能力。图8a显示升级之前的网络,图6b显示升级到千兆以太网之后的网络。

    图8:对交换器到服务器连接的升级

    对交换式快速以太主干网的升级

    连接多个10/100交换器的快速以太网主干交换器可以升级为千兆以太网交换器,支持多台100/1000交换器,以及其它的设备如路由器,带有千兆以太网接口和上联功能的集线器,在需要时也可以是千兆以太网中继器和数据缓冲分配器。一旦主干升级为千兆以太网交换器,高性能的服务器可以通过千兆以太网接口卡直接连接到主干上,为使用高带宽的用户提供更高的访问吞吐能力。同时网络可以支持更多数量的网段,为每个网段提供更高带宽,使各网段支持更多的节点接入能力。图9a显示在升级之前的网络,图9b显示在升级到千兆以太网之后的网络。

     

    图9:对交换式快速以太主干网的升级

     

    对共享式FDDI主干网的升级

    园区或建筑FDDI主干网络可以采用利用千兆以太网交换器或数据缓冲分配器,更换现有的FDDI集中器、集线器或以太网到FDDII路由器的方式升级。升级仅要求在路由器、交换器或中继器上安装新的以太网接口。在光纤上的投资受到保护,每个网段带宽增加了至少十倍,总带宽增大。图10a表明了升级之前的网络,图10b显示在升级之后的网络。

    图10:对共享式FDDI主干网的升级

     

    对高性能的台式机升级

    在采用千兆以太网的最后阶段,当快速以太网或FDDI连接的台式机带宽也不够时,千兆以太网网卡NIC就派上用场,用千兆以太网的连接能力升级高性能的台式机。高性能台式计算机就连接到千兆以太网交换器或数据缓冲分配器上。图11a显示升级之前的网络,图11b显示升级到千兆以太网之后的网络。

    图11:升级高性能的台式机