10吉比特以太网技术简介

2019-11-03 19:15:38

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供稿：网友

于娟　沈晓强（南京邮电学院通信与信息工程系南京210003）　　摘要 10吉比特以太网是最新的高速以太网技术，不但可靠性高，成本低，而且可以将以太网的应用范围扩展到广域网，因此有着广泛的发展前景。本文介绍了10吉比特以太网协议的分层模型；10吉比特以太网相对于以往以太网的重大改进：10吉比特连接单元接口和广域网物理层；以及10吉比特以太网的具体优势。

　　关键词 10吉比特以太网（10GE） 10吉比特连接单元接口（XAUI）开放系统互连（OSI）参考模型服务类别（CoS）

1 引言

　　在过去的十几年里，以太网技术已经成为局域网领域中的主流技术，随着网络带宽需求的日益增加，以太网技术也经历了一个不断发展进步的过程：1982年制定了10兆比特以太网标准IEEE 802.3；1993~1995年制定了100兆比特以太网标准IEEE 802.3u；1995~1999年制定了吉比特以太网标准IEEE 802.3Z和IEEE 802.3ab；2000年制定了10兆/100兆/吉比特以太网链路聚合标准IEEE 802.3ad；2000~2002年制定了10吉比特以太网标准IEEE 802.ae。经过20多年的不断发展，不但以太网的速度从10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s到10Gbit/s不断提高，而且其应用范围也不断扩大。

　　10吉比特以太网是最新的高速以太网技术，适应于新型的网络结构，具有可靠性高、安装和维护都相对简单等很多优点，同时采用10吉比特以太网构建系统的费用比采用ATM/SONET技术构建的类似系统可降低25%左右，并且10吉比特以太网能提供更新、更快的数据业务，更重要的一点是10吉比特以太网不但兼容现有的局域网技术并且可以将以太网的应用范围扩展到广域网，既可以和SONET协同工作，也可以使用端到端的以太网连接。　　目前，在广域网中决大多数采用的是SDH/SONET传输技术，这是因为SDH/SONET是一种非常成熟的传输技术，有强大的网管、自愈和恢复功能，但是SDH也有自身的缺点，如使用的帧格式较复杂、设备昂贵、开销大、净荷传送的效率低等，同时SDH系统由于其最初设计是用来传输语音业务，故接入种类有限，通常只有PDH（2Mbit/s、34Mbit/s、140Mbit/s）和SDH（STM-1、STM-4、STM-16、STM-64）等速率，对目前快速发展的数据业务（如以太网、ATM等）处理起来就非常困难，而10吉比特以太网的局域网、城域网和广域网采用同一种核心技术，网络易于管理和维护，同时避免了协议转换，能实现局域网、城域网和广域网之间的无缝连接，并且价格低廉，因此10吉比特以太网有着广泛的发展前景。

2 10吉比特以太网协议分层结构

　　10吉比特以太网在传统国际标准化组织的开放系统互连（Open Systems Interconnection, OSI）参考模型中，属于2层协议，仍然使用IEEE 802.3以太网媒体访问控制（Media access Control, MAC）协议，其帧格式和大小也符合IEEE 802.3标准。但是10吉比特以太网与以往的以太网标准相比，除了速度显著提高外，还有其他一些显著不同的地方，如：

　　（1）10吉比特以太网只支持双工模式，而不支持单工模式，而以往的各种以太网标准均支持单工/双工模式；

　　（2）10吉比特以太网由于传输速率高，其使用的媒体只能是光纤，而以往的各种以太网标准均支持铜缆；

　　（3）10吉比特以太网不满足带冲突检测的载波侦听多址（Carrier Sensing Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD）协议，因为这种技术属于较慢的单工以太网技术；

　　（4）10吉比特以太网使用64B/66B和8B/10B两种编码方式，而传统以太网只使用8B/10B编码方式；

　　（5）10吉比特以太网还有一个重要的改进，即它具有支持局域网和广域网接口，且其有效距离可达40km，而以往的以太网只支持局域网应用，有效传输距离不超过5km。其有效作用距离的增大为10吉比特以太网在广域网中的应用打下了基础。

　　IEEE 802.3ae标准的结构和OSI七层模型的对应关系，IEEE 802.3ae标准特别划分了两种10吉比特以太网物理层类型：局域网（Local Area Network, LAN）物理层和广域网（Wide Area Network, WAN）物理层，广域网物理层的功能在局域网物理层的功能基础上进一步扩展。而局域网物理层又分两类：10Base-R和10Base-X，它们的差别在于编码方式不同，R代表采用64B/66B编码；X代表采用传统的8B/10B编码，广域网的物理层只有一种类型，即10Base-W采用64B/66B编码。IEEE 802.3ae标准中与物理层相对应的结构为：物理媒体相关（Physical Media Dependent, PMD）子层、物理媒体附属（Physical Medium Attachment, PMA）子层、物理编码子层（Physical Coding Sublayer , PCS）、10吉比特媒体无关接口（10 Gigabit Medium Independent Interface, XGMII）和协调子层（Reconciliation Sublay-er, RS）。协调层的功能是把XGMII的信号集传送给MAC；XGMII被定义为从MAC到物理层的10吉比特接口，它还提供分离的8bit或64bit传输和接收数据的路径、必要的控制信息、时钟信号等用于控制同步的信息；PCS子层对传送出去的数据进行编码，对接收数据进行解码；PMA的作用主要是在传送数据时对数据包进行编号并排序，在接收数据时根据编号把这些数据还原为原来的形式，以确保数据能正确传输；PMD通过媒体相关接口（Medium Dependent Interface, MDI）与媒体（光纤）相连，主要负责比特流的传送和接收，广域网的物理层比局域网的物理层多一个子层，即广域网接口子层（WAN Interface Sublayer, WIS），它能提供简化的SONET帧功能，WIS的输出信号与OC-192帧格式兼容。IEEE 802.3ae标准中与数据链路层对应的结构为：逻辑链路控制层（LLC）、媒体访问控制层（MAC），这两层的功能与以往以太网标准的功能基本相同。

3 XAUI接口

　　在MAC和物理层之间是XGMII，XGMII为10吉比特全双工接口，其宽度为74bit，其中数据通道为64bit（单向数据通道为32bit），其余的为时钟和控制信号比特，它是连接以太网MAC层和物理层的桥梁。当XGMII提供10吉比特的数据通道时，由于时钟比特和数据比特再加上在时钟上升沿和下降沿锁存数据的定时要求，会导致路由选择的总线长度超出通常建议的7cm，因此使用XGMII总线会对系统线卡的端口数量产生很大限制，所以在芯片之间、各种板之间，以及芯片和光学组件之间的接口一般不选用此接口。

　　为了克服这些困难，人们就提出了10吉比特连接单元接口（10Gigabit Attachment Unit Interface, XAUI）。XAUI是10吉比特以太网的重大变化之一，它能极大地改进和简化互连的路由选择。XAUI接口是一个全双工接口，它分别在两个方向上使用4对自同步串行链路来实现10Gbit/s的吞吐量。每一个串行链路使用8B/10B编码传送数据和开销，其工作速率为3.125Gbit/s，自同步特性消除了时钟和数据的相位偏移。XGMII和XAUI接口之间的转换由XAUI扩展子层（XAUI Extender Sublayer, XGXS）完成，在XAUI接口的信号源侧，某给定线上的数据和时钟字节在XGXS中被转变成8B/10B编码数据流。每对线上的数据流传输速率为3.125Gbit/s。在互连的信号宿侧，将时钟信号从到达的数据流中提取出来，再通过解码，重新映射成32bit XGMII格式。这样，74针的XGMII接口可以减少成8对即16针的XAUI接口；而且，XAUI的信源同步时钟方案允许XAUI交叉时钟域，从而在系统中除去复杂的定时校正。由于XAUI接口结构紧凑，性能健壮，因此很适合用于芯片之间、各种板之间，以及芯片和光学组件之间。

4 10吉比特以太网广域网物理层

　　以前的IEEE 802.3以太网标准系列（如10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s）都与广域网传输设备传统的接口速率不同，如DS-3（45Mbit/s）、OC-3（155Mbit/s）、 OC-12（622Mbit/s）和OC-48（2.5Gbit/s）。因此，当以太网设备和广域网传输设备相连时，就需要一些其他设备将以太网速度（包括协议）转变成广域网传输格式。而10吉比特以太网的速度和骨干网OC-192的速率9.95328Gbit/s基本相同，这就在以太网历史上第一次不需要额外的速度匹配设备，10吉比特以太网可以和其他的广域网设备实现无缝连接。这样，建设端到端的以太网时，成本会大大降低。

　　10吉比特以太网相对于以往以太网的重大改进之一是提出了广域网物理层，如图3所示，广域网物理层与局域网物理层不同，广域网的物理层中多了一个广域网接口子层（WIS），WIS中包括一个简化的SONET/SDH帧。由于SONET OC-192/SDH STM-64D的传送速度为9.95Gbit/s，与10吉比特以太网的速度基本相同，因此执行MAC就很简单。为了使广域网物理层的成本低廉，10吉比特以太网的简化帧结构只支持故障隔离所需的SONET开销，而不包含有关抖动、主从同步时钟和其他一些SONET/SDH光学规范，这种简化方式，避免了不需要的功能，降低了设备的复杂性，从而能减少费用。

5 10吉比特以太网的优势

　　使用10吉比特以太网技术能满足局域网、城域网和广域网传输的关键需求：

　　· 高速的网络连通性，高的可靠性、可伸缩性

　　以太网支持的带宽等级有10Mbit/s、100 Mbit/s、1Gbit/s和到现在的10Gbit/s，因此，10吉比特以太网很容易提供高速的网络连通性，除此之外，速率限制功能部件可以使运营商能够提供从256kbit/s到1Gbit/s不同带宽需求的以太网业务服务。

　　利用802.1w或快速生成树协议（Rapid Spann-ing Tree PRotocol, RSTP）可以获得高的可靠性，可以保障网络在99.999%的时间内都能正常运行。使用802.1w标准，可以通过创建逻辑虚拟局域网（Virtual Local Area Network, VLAN）来充分优化网络拓扑，再利用802.1s标准，可以将用户VLAN聚合成组，并为此组分配一个单独的STP，这样运营商可以在其网络中增加用户VLAN的数目。

　　· 使用802.1q和802.1p标准实现差别服务

　　在10吉比特以太网规范中，802.1p标准规定了服务类别（Class of Service, CoS），利用802.1q和802.1p标准，运营商可以分别创建基于VLAN的高优先级的业务类如语音业务，或普通优先级的业务类如数据业务。图4显示了在一个简单的网络拓扑中实现差别服务，用以说明怎样使用802标准来传送基于VLAN的业务。图4的网络中使用了802.1q标准，因此很容易访问多点对多点的连接，并由802.1p提供差别服务。用户2为点对点数据业务，由VLAN 20连接，CoS等级较低；用户1有三个位置，每个位置都有一个数据业务和一个语音业务。语音业务由CoS较高的VLAN 11连接，这样可以确保较短的时延和较低的抖动，而数据业务由CoS较低的VLAN 10连接。这说明，不但每个用户的服务类别可以不同，同一用户的不同业务的服务类别也有可能不同，虽然不同用户的数据流都是在同一个共享网络结构中，利用802.1q和802.1p标准能很容易地实现差别服务，同时能确保较高的数据流分离和安全性，这是以太网提供服务质量（QoS）的重要保证。

　　· 操作、管理和维护（Operation、 Administration and Management, OAM）功能　　10吉比特以太网使用简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol , SNMP）提供网络管理和维护功能，SNMP在IP和决大多数网络设备中是实际标准的网络管理协议，其第3版提供了基于以太网设备的强大的OAM方法。SNMP的第3版能加密SNMP包数据单元，从而确保网络管理设备的上层的安全性。

　　网络管理程序利用SNMP除了提供服务准备和网络故障分析功能外，还可以使运营商快速展开业务。除此之外，以太网其他一些标准如RFC 3167还能获取网络的业务流的流量，这可以使运营商能获得从第2层到第7层任意的网络业务流的调用数据记录（Call Data Records, CDR）。这样，运营商可以将收费模式从统一价格或基于字节计费改成基于应用模式计费，增加了运营商的收入。例如，运营商可以选择特定的应用如E-mail传输（SMTP或POP3）、网页传输（HTTP）或因特网报文（SMS）等。除此之外，10吉比特以太网还有一些其他的优点：　　（1）易于升级，升级时大多数网络管理程序和布线都可以保持不动；

　　（2）与现在的各种技术相比，成本以及培训和管理的费用都相对低廉；

　　（3）使用人们熟悉的管理工具和基于通用技术；

　　（4）能支持新的应用和数据类型；

　　（5）获得了许多厂家的支持，互操作性强；

　　（6）10吉比特以太网技术属于第2层传输，操作简单。

6 总结

　　随着IEEE 802.ae标准的发布，为以太网注入了新的活力，10吉比特以太网不但能满足数据通信高性能的要求，而且还解决了以往以太网不能提供高质量的多媒体应用所需的QoS的问题，作用距离较传统以太网也大大提高；并且性能优良，传输容量大，安装简单；同时网络管理功能简单，减少了培训和管理的费用，因此有着广泛的应用前景。

----《中国数据通信》