10G以太网-以带宽提升来标志技术演进.doc

10G以太网-以带宽提升来标志技术演进中国电信股份有限公司北京研究院 胡捷以太网的发展已经经历了三个阶段，即以太网Ethernet阶段、快速以太网FE阶段和千兆以太网GE阶段。千兆以太网发展起来后，由于它具有成本低廉、互连性好、升级容易、组网简单、技术支撑厂家多、技术发展快的优势，千兆局域网已占据了整个局域网市场的大部分份额，成为设备的基本配置。最近10G以太网技术已日趋成熟，使得以太网的速度可以达到万兆。1、10G以太网技术概述10G以太网是以太网在速度和距离方面的自然演化，它的标准于2002年6月正式颁布。虽然以太网速度在不断提高，但是其基本帧格式仍保持不变，10GE遵循的标准是IEEE 802.3ae，对应OSI的数据链路层。包括IEEE802.1 MAC媒体访问控制子层（负责实现Framing和Media access，对应OSI第1.5层）和IEEE802.2 LLC逻辑链路控制子层（LLC负责实现timing和flow control，对应OSI第2层）。对IP数据包的封装采用RFC 1042建议。它以全双工模式工作，取消了CSMA/CD冲突检测，10G以太网支持局域网和广域网两种物理接口。为了适用于广域网，10G以太网在MAC子层增加了数据控制模式，使MAC子层的数据速率适配到SONET/SDH的数据速率。2、10G以太网技术介绍由于10G以太网主要在物理层取得较大进展，因此下面我们将简要介绍10G以太网的物理层和芯片接口XAUI。 物理层结构10G以太网的物理层分为PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加子层）、和PMD（物理介质相关子层）三层。PCS对数据进行编码，10G以太网定义了全新的64B/66B编码方式；PMA提供独立于媒体介质的方法；PMD定义物理层采用光纤介质时支持的链路距离。 链路距离10G以太网的物理层支持四种PMD，单模光纤的最长距离可以达到40km，多模光纤的最长距离能达到300m。由于局域网型物理层和广域网型物理层将采用共同的PMD,因而它们的传输距离相同。 物理层的类型物理层分为局域网LAN PHY和广域网WAN PHY两种类型，广域网物理层不同于局域网物理层在于，它包含一个WIS（广域网接口子层）子层，即在WAN接口子层包含了一个简化的SONET/SDH帧，实现到SDH的映射。这样就把基于分组的IP/Enthernet交换机和SONET/SDH时分复用体系连接起来，使得在跨越广域传输骨干网时，10G以太网也能使用SONET/SDH作为第1层传输方式。10G以太网LANPHY接口可以是：10GBASE-SR、10GBASE-LX4、10GBASE-LR、10GBASE-ER；10G以太网WANPHY接口可以是：10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW。下图列出了上述接口所采用的编码方式和工作波长。 10GE接口的编码方式和工作波长 芯片接口XAUIIXAUI技术是10G以太网的创新技术之一。XAUI是一种由千兆以太网1000BASE-X PHY发展而来的自带时钟串行总线技术。其接口速率是原1000BASE-X的2.5倍。通过4个串行通道，这种4Bit XAUI 支持10G以太网要求的较之1000BASE-X10倍的数据吞吐量。 由于XAUI具有内部集成时钟的特性（不需要外部触发的高频时钟），它有良好的电磁兼容特性，可以实现MAC层到物理层芯片甚至是MAC层直接到光纤收发模块的连接。目前许多器件供应商已经发表或能够交付XAUII接口。3、10G以太网的应用定位以太网速率发展到10G，不仅仅是带宽的提升，它标志着以太网技术在相关国际标准组织的倡导和运营商的推动下，以太网技术已经从传统的局域网范围扩展到城域网应用领域。在局域网领域，以太网技术最初战胜了Token Ring和FDDI，然后由于速率更高、成本更低，与IP结合更成熟，替代了ATM局域网，实现了以太网到桌面，致使目前97%以上的终端用户通过以太网接口进行数据流量的发送和接收，实现各种形式的联网。在局域网范围，10G以太网适用于POP节点内网络设备的高速连接以及局域网内存储网应用服务器、磁带库之间的高速连接。由于目前主机的性能还没有达到与10G相匹配的程度（包括CPU的运算频率、内存及硬盘的读写速度、总线带宽等），因此目前服务器和主机配置10G网卡的必要性不大。城域网内，适合在网络核心层设备之间采用10GE互连，10GE接口已经成为网络设备的标准配置，网络设备可以是高端路由器或第三层核心交换机；物理层可以是裸光纤或SDH传送网，以太网接口需要分别采用LAN PHY和WAN PHY。由于10G以太网帧沿袭了传统802.3模式，没有特殊的字段来描述网络运行状态和进行故障定位，如SDH的AIS、LOS等，还是采用802.1d/w生成树协议来进行环路保护，在网络核心层这样的链路保护性能无法满足针对运营商的电信级要求，这是目前以太网技术仍然存在欠缺的地方，在实际组网应用中，可以采用WAN PHY接口，通过SDH系统的复用段/通道保护提供小于50ms的故障恢复，或者采用L3设备，将10G以太网只作为点到点链路应用，将故障恢复交由第三层IP路由协议的收敛去完成。4、10G以太网的发展趋势 推动以太网技术的国际组织国际上与以太网技术相关的标准化组织目前大致有六个，分别是ITU-T、IETF、MEF、IEEE、EFMA和10GEA。每个组织关注的重点有所不同，相比较而言，城域以太网论坛MEF从体系结构、网络管理、保护、QoS、业务等方面进行功能框架定义，是对城域以太网最全面的技术推进组织。ITU-T致力于从电信级角度考虑对以太网技术尤其是OAM方面进行规范，这部分工作主要通过第13组来完成；IETF主要负责以太网帧和IP数据包之间的封装/解封装标准制定；MEF致力于在全球范围内推动光以太网技术的应用，使其成为一种可选择的传送网技术；IEEE作为与ITU齐名的国际标准化组织，是以太网标准及规范的主要制定者，以802.3系列来标识；EFMA即以太网接入联盟，倡导用户采用以太网技术并结合VLAN技术实现多业务接入；10G以太网联盟由Cisco、Nortel、Extreme、3Com等公司组成，专注于与10G以太网相关的技术研究。 以太网技术的发展趋势虽然目前10G以太网技术还基本没有应用在广域网领域。但是各种迹象已经表明，以太网在局域网和城域网中表现出的种种优势，正在逐渐使其成为广域网中的承载网络，即使不是对传统承载网络和业务的替代，至少也将成为主流传送技术之一。伴随着速率的提升，以太网技术会逐渐吸收MPLS的某些原理，实现某种程度的智能，提供给用户端到端的以太网传送业务。提供给用户的接口是以太网接口，速率为FE、GE甚至10GE，沿袭了以太网统计复用电路特性。其发展方向是将以太网专线承载业务发展为主要的传送网业务，今天看来，以太传送网已经在城域范围内逐步得到普及和推广，如果应用成功，将此业务扩展到广域网将是很自然的事情。从目前的发展趋势看，10G以太网一旦发展成熟，作为承载网络，将与SDH传送网产生竞争，长途传送网将出现两种技术：SDH和城域/广域以太网。SDH的下一代网络为结合了MPLS技术（GMPLS）的ASON智能光网络，同理，下一代以太网必定为同样结合了MPLS技术的光以太网。对于只需要提供端到端链路连接的数据用户，如通过路由器组网的VPN用户，采用以太网协议连网比采用SDH接口的TDM电路连网在性能价格比上更具优势；当然SDH/ASON网络提供的TDM电路具备光以太网电路所不能提供的QoS特性。因此双方在一定时期内不会构成替代型竞争，而是互补型竞争，双双成为未来传送网络中的重要业务提供方式。5、10G以太网的局限虽然应用前景看好，但是继承了802.3标准和技术内核的10G以太网，仍然没有解决传统以太网技术的缺陷： 可扩展性低 VLAN的标签栈有限。IEEE 802.1q定义了4096个可用的标签，但是对于大的运营商来说，这个数量远远不够； 一个Spanning Tree只能选择一条无环路的路由，它可能导致负载的不均分布和潜在的瓶颈。 L2交换没有L3路由的智能 不能实现端到端多路径和负载分担。 缺少端到端的QoS 保障 调度和策略缺少公平性。当面对竞争时，如何能够确保用户公平地共享可用带宽，如何尽量避免拥塞发生以及在发生拥塞后如何尽量恢复； 缺少优化的路径选择。传统的以太网的路径建立是利用Spanning Tree算法，这意味着不存在最佳的路由，这可能引起报文的丢失、抖动和延时； QoS采用基于L2的CAR、Shapping和Policy（某些厂家可基于端口或VLAN ID），可以实现CIR和PIR业务属性参数，但实现原理不同于ATM/FR中的业务级别；基于802.1p的队列，原理类似于IP的PHB，难以保证在Trunk中每条VLAN的带宽，仍然是点到点方式，无连接协议目前无法实施端到端QoS策略；目前不支持基于约束路由和信令的QoS。 保护机制不完善 缺少故障隔离的能力。以太网不具备象SDH的LOS和AIS内置告警，因此它不能对发生故障的部分、线路、