千兆以太网漫谈

　　随着企业的不断发展，企业不得不考虑到扩建基础设施。随着各个工作站的带宽升级到了100M，如果服务器和集合点(比如交换机集群)的带宽却和工作站相同，这样的网络势必造成性能瓶颈，这时我们可以考虑千兆以太网。
为什么要用千兆以太网
　　看看我们能从千兆以太网身上得到什么吧：
　　1、 通过增大了带宽来获得更高的性能，并且消除了网络传输瓶颈。 
　　2、 广泛的部署能力，使用1000Base-T的第5类铜线电缆上的千兆位技术，不需要重新布线。 
　　3、 利用千兆位服务器网卡和交换机，通过链路聚合实现多个千兆位的速度。 
　　4、 全双工能力，允许同时接收和发送数据，这样相当于将有效带宽翻倍。 
　　5、 其服务质量(QoS)特性，可用来帮助消除视频抖动和音频失真。 
　　6、 采购和拥有成本低廉
　　在100M快速以太网兴起了之后，众多的真实案例都向我们展示了那些具备远见卓识的企业是如何通过采用能够10倍地提高其网络速度的快速以太网技术将其竞争对手远远甩在身后，的确，网络已经不在只属于IT业了，它走进了各个行业，走进了我们的生活……
　　现在的情况非常的相似。据我所知，从2000年下半年开始，就已经有高瞻远瞩的企业用户们开始应用千兆以太网了――另一种能够10倍地提高网络速度(这次可是从100 Mbps提升到1000 Mbps)的技术，而且，从实际中也可以看出，他们已经借此取得了商业上的迅速回报。今天，千兆以太网技术也正以惊人的速度而席卷全球。各类企业已经不再满足于低速应用、对图形图象的低速访问、与互联网站点的低速交互过程以及通过网络进行的低速通信。千兆以太网已经将这些应用从低速网络中解脱了出来。 
　　今天，对千兆以太网技术的热情正在全世界蔓延。各类企业已经不再满足于低速应用、对图形图象的低速访问、与互联网站点的低速交互过程以及通过网络进行的低速通信。千兆以太网已经将这些应用从低速网络中解脱了出来。
什么是千兆以太网
　　1000M以太网是建立在标准的以太网基础之上的一种带宽扩容解决方案。他和标准以太网以及快速以太网技术一样，都使用以太网所定义的技术规范，比如：CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802.3标准中所定义的管理对象等。同时，1000M以太网本身作为以太网络的一个组成部分，千兆以太网也支持流量管理技术，通过IEEE 802.1P第二层优先级、第三层优先级的QoS编码位、特别服务和资源预留协议(RSVP)这些技术规范使得它的服务质量得到了保证。同时千兆以太网还利用IEEE 802.1QVLAN支持、第四层过滤、千兆位的第三层交换。千兆以太网原先是作为一种交换技术设计的，采用光纤作为数据链路，而用于中长距离的楼宇之间的连接。后来，在服务器的连接和骨干网中，千兆以太网获得广泛应用，由于IEEE 802.3ab标准(采用5类及以上非屏蔽双绞线的千兆以太网标准)的出台，千兆以太网的逐渐普及已经不再是痴人说梦。
    举一个比较简单的千兆以太网典型案例。类似于快速以太网，千兆以太网络是由千兆交换机、千兆网卡、综合布线系统等构成的。同样的，交换机还是作为了网络的集中点，所以千兆交换机理所当然的成为了网络的骨干部分。千兆的网卡插在服务器上，通过布线系统与交换机相连，通过这样的连接实现了服务器到网络中心的1000M的带宽。接着就是千兆交换机下面连接许多百兆交换机，然后细分下去百兆交换机再连接N多工作站，而这些工作站就是达到了所谓的“百兆到桌面”的要求了。当然这其中又有一些技术因素在里边。比如说你的服务器虽然采用1000M到网络集中点，这样网络方面的带宽瓶颈没有了，但是实际上你的服务器就真的没有瓶颈了吗？我们还有一个需要关注的话题就是服务器的内部带宽限制。比如说硬盘的传输率，如果是一个IDE硬盘的话，首先硬盘的内部传输率就成为瓶颈。在这种情况下，我们可以考虑采用16个SCSI硬盘建立一个SCSI阵列来解决这个问题。所以，我们在组建1000M网络的同时也要注意任何可能会限制网络性能的因素。还有在有些专业图形制作、视频点播应用中，还可能会用到“千兆到桌面”，如果是这种情况的话，处理方法可以和服务器一样，工作站上采用千兆网卡直接连接中心千兆交换机，这样就满足了特殊应用下对高带宽的需求。
　　如今可以说是已经迈入了网络时代了，而追求网络的速度和带宽也理所当然的成为了必然。早在1996年3月13日，为了满足对局域网日益增长的带宽要求，3Com、Bay、Cisco、Compaq、Intel、Sun、UB等主要厂商组成了千兆以太网联盟。到1996年7月10日时，又有28家厂商加入该联盟。而且新汉普顿大学还设立了独立的评测实验室，对110种网络和计算机进行了测试，以保证千兆以太网的互通性。由此可见千兆以太网时代已经几乎伸手就可以摸到。1997年2月3日，IEEE确定了千兆以太网的核心技术，1998年6月正式通过千兆以太网标准IEEE802.3z，今后将完成另一个标准IEEE802.3ab。802.3z千兆以太网任务组的主要目标是开发可以完成下列功能的千兆以太网标准：
  　1、 允许以1Gb/s的速率进行半双工、全双工操作。
　　2、 使用802.3以太网帧格式。
　　3、 使用CSMA/CD访问方式。
　　4、 与10BASE-T、100BASE-T技术向后兼容。
　　到了1999年6月，正式通过了IEEE 802.3ab标准(即1000Base-T)，这个标准可以允许我们把双绞线用于千兆以太网中。
深入千兆网络
　　任务小组定义了连接距离的三个特定目标：首先是多模光纤的最大传输距离为550米(再进行细分的话，多模光纤有可以分为长波激光(称为1000BaseLX)、的短波激光(称为1000BaseSX))；单模光纤的最大传输距离为3公里；1000BASE-CX是一种基于铜缆的标准，使用8B/10B编码解码方式，最大传输距离为25米。同时，更加激动人心的是IEEE 802.3z委员会模拟的1000BaseT标准允许将千兆位以太网在5类、超5类、6类UTP(非屏蔽双绞线)双绞线上的传输距离扩展到100米，从而使建筑楼宇内的布线可以大量采用5类UTP双绞线，这样在既保障了用户先前对以太网、快速以太网的投资的前提下，又降低了成本，而且对于管理人员来说，也无须他们再进行系统的学习就可以进行1000M以太网络的管理工作了。此外，小组已决定制定与介质无关的千兆以太网接口的标准。
　　刚才我们说到多模光纤能够分为长波和短波两种，那么这两种又有什么区别呢？首先1000BASE-LX使用了相对昂贵的长波激光器，基于1300nm的单模光缆标准，使用8B/10B编码解码方式，使得最大传输距离能够达到5000米。而1000BASE-SX则是采用较低成本短波的CD(compact disc，光盘激光器) 或者VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔体表面发光激光器——有点不好懂，不过不用懂，记住就可以了)发送器，采用了780nm的FibreChannel(光纤通道技术)，使用8B/10B编码解码方式，使用50微米或62.5微米多模光缆，使得最大传输距离为300米到500米。由于种种原因，目前光纤信道技术的数据传输速率实际上只有1.063Gbps，不过肯定会马上提高到1.250Gbps，而当传输率到达了1.250Gbps才能使之数据速率达到“真正”的1000Mbps——原因？自己想去吧。
　　1000BASE-T(Twisted-Pare双绞线)在传输中把能够用到的4对线全部使用到了，(记得100M快速以太网的连线吗？对！它只使用了两对——13以及26两对)并工作在全双工模式下。这种设计采用 PAM-5 (5级脉冲放大调制) 编码在每个线对上传输 250Mbps。双向传输要求所有的四个线对收发器端口必须使用混合磁场线路，因为无法提供完美的混合磁场线路，所以无法完全隔离发送和接收电路。任何发送与接收线路都会对设备发生回波。因此，要达到要求的错误率(BER)就必须抵消回波。1000BASE-T无法对频率集中在125MHz之上的频段进行过滤，但是使用扰频技术和网格编码能对80MHz之后的频段进行过滤。为了解决5类线在如此之高的频率范围内因近端串扰而受到的限制，应该采用合适的方案来抵消串扰——比如说使用网格编码就可以增强抗干扰能力。
    OK，既然我们提到了布线系统方面的问题，我们就来说说1000BASE-T以太网的线路的问题。也许大家都不记得CAT线的分类了吧？我们复习复习？
　　CAT1(1类)就是我们最熟悉不过的传统电话线了。这种线路是为了进行语音通话而设计的，所以这种线路最适于模拟语音和一般的低数据量通讯。 
　　CAT2(2类)最开始的是IBM 3类。它的应用范围为4 Mbps的(TOKEN RING)令牌环网局域网和T1，一般我们见到的情况较少。
　　CAT3(3类)则是为10 Mbps以太网设计，广泛用于数字PBX系统。由于后来CAT5的出现而日渐趋于衰退，现在几乎已经不用了。
　　CAT4(3类)是为10 Mbps以太网和10 Mbps的令牌环网络设计的，一般来说我们不经常看到。
　　CAT5(5类)直到今天还在唱主角的位置上。这种线路是为100 Mbps高速以太网和155 Mbps ATM网络设计。至今为止仍然为大多数企业安装的首选线缆。还有一种叫做超5类的线缆，相对于5类来说，就是多了金属一个屏蔽层。
　　CAT6则是用于1000 Mbps以太网。
　　CAT7是一种屏蔽双绞线标准，它能够提供比6类(CAT6)更高的带宽，预计将主要应用于高端欧洲市场。
　　看到这里，大家可能已经都有一点头晕了吧？很多人这个时候要问了，按照分类来说，那么1000M的以太网络不就理所应当的采用CAT6来进行布线吗？为什么还有很多的最终用户会为使用什么样的电缆来支持1000BASE-T而感到困惑呢？
　　首先一个原因是成本的核算，然后就是一个如果采用CAT6进行重新布线的话，那么以前的CAT5布线就会全部废置……所以现在才会出现了实现1000M以太网的多种布线方案。
　　即使当前6类布线还仅仅处于一种草案的阶段，但是现在已经开始很多的关于6类布线是否必要的争论了。既然5类可以支持到1000M网络，为什么还要使用6类呢？
　　首先我认为网络的一个布线基础设施建设就是一种长期的投资。这种线路一旦铺设好了之后应该是在10年内不会进行大的改动的。而IT业的迅猛发展也是大家有目共睹的，谁也不知道10年时间内PC技术以及网络技术发展到了什么阶段。就现在而言，还没有到1000M网络普及的地步，因为就PC本身而言就有太多的因素成为了瓶颈，比如说处理器、内存和网卡之间的数据传输率，还有处理器、内存和硬盘之间的数据传输等等，而在这些瓶颈没有解决之前“1000M到桌面”是非常不现实的。摩尔定律预言芯片上的晶体管数目每过18个月就增加一倍。用这个定律来描述PC处理器性能的增长速度的话，也就是说，每过18个月PC的性能就要提高一倍。基于这些事实，也许三年内台式PC中就会普及其他的高速度的总线形式。而当这种情况出现的时候，也就是1000BASE-TX技术应用到桌面系统普及的时候了。所以6类布线从长远的角度上来说还是非常有用的。
    那么5类的布线呢？说过分点就是一种“鸡肋”了——我并非贬低现在还在建设100M企业网络的单位！我相信如果他们看了这篇文章之后也会认为1000M对于他们来说似乎是伸手可及的了。
　　现在5类的线缆连接很多，如果让一个企业为了建设1000M网络而放弃原有的100M网络5类布线不是很现实。那么这里我们就可以考虑到一个网络阶段性升级了。由于前边提到的种种原因，我们暂时可以不用考虑工作站的1000M到桌面。我们首先需要改造的就是服务器到交换机这个部分。一个大型网络中，工作站每天要从服务器上存取的数据上百G，仅仅100M的带宽就显得捉襟见肘了。所以我们考虑到首先提升这里的带宽。然后因为一个大中型网络不可能只有一个交换机集中点，所以交换机和交换机之间的带宽也是一个问题，这里也可以升级，那么这样的升级完成了之后也就成了一个主干1000M，分支100M到桌面的网络系统。这样的一个升级也是很有意义的。而且由于1000M网络和100M网络的线缆要求一样，所以当主机的内部瓶颈均已打破之后，原来线缆符合CAT5要求(1998)的前提下只需要更换两端的设备——网卡和交换机既可实现“1000M到桌面”的网络了。
　　ATM网络也算是一个相当有竞争实力的对手。那么我们来看看ATM和千兆以太网之间如何取舍吧。
　　首先，ATM技术起源于B-ISDN(宽带ISDN)，具有电信网技术的所有特点。但是ATM技术相对而言是比较复杂的。从技术上来说ATM网络是分为AAL、ATM和物理层三个层次的。而其中每一层又可以分为两个子层。ATM是面向连接的传输技术，它使用的是类似于电话号码的十进制数字进行呼叫连接。而且它的呼叫编码就有4种以上，而且现在都还没有得到统一，最长的可以达到20位。在每个ATM交换机上，建立连接过程需要10～30ms的时间，相对于最快10μs的ATM交换机速度而言，10～30ms实在是太长了。此外，为保证服务质量所需的资源预约等也要在此阶段进行，更增加了建立连接的时间。所以现在ATM网中多采用永久虚电路(静态路由)。这就限制了ATM网的伸缩能力。ATM信元的53个字节中，有5个字节的信元头，编码效率不高。其他协议的数据包要经由ATM网传送时，必须在入网处分解转换为ATM信元流，出网时再恢复成原来的数据包。若信道质量不是足够高，或因传输控制策略不佳，就会出现信元丢弃现象，而一个信元的丢弃将导致整个数据包的重传。这些处理都会增加系统开销，加大传输时延，降低ATM网的传输能力。使得广为宣传的、ATM技术的各种优越性大打折扣。而且价格因素也是一个为什么ATM技术不能将他的触角伸到局域网中的原因之一。
如何鉴定千兆网络
　　1000M以太网是什么以及怎么样我们讲得差不多了。作为网络中心的交换机无可否认的成为了这个1000M的以太网中的重中之重了。那么用什么来衡量这个交换机质量、性能的优劣呢？
　　首先就是吞吐量了。吞吐量的高低决定了交换机在有效工作(没有丢失数据帧)的情况下发送和接收数据帧的最大速度。吞吐量也是我们选择和衡量交换机性能最重要的指标之一了。
　　然后是延迟。这个延迟就是数据包通过交换机所花费的时间。讲细一点，如果是FIFO(First in and First Out，先进先出)的话，那么这个性能参数则是说的数据帧的第一位到达交换机的入口到数据帧的第一位到达交换机的出口的这个时间间隔。
　　接着就是帧丢失率，我们也叫做丢包率。按照交换机的工作方式，当交换机处于持续负载的时候，由于缺乏资源，所以有一些帧将会无法转发，而我们计算出的这个百分比——丢包率就是衡量交换机在非正常状态中(比如说网络风暴、恶意广播)工作的性能情况了。
　　还有错误帧过滤。这个性能参数是说网络中有一些错误的帧，比如说“超小帧、超大帧、CRC错误帧、Alignent错误……”等等。
　　背压也是一个比较重要的因素。在交换机在阻止外来数据包发送到堵塞端口的时候可能会发生丢包。而背压就是考验交换机在这个时候避免丢包的能力。很多的交换机当发送或接收缓冲区溢出的时候通过将阻塞信号发送回源地址来实现背压。交换机在全双工时使用IEEE802.3x流控制达到同样目的。
　　HOL(Head of Line Blocking，线端阻塞)是反映了阻塞端口如何的影响非阻塞端口的转发速率。
　　全网状是用来反映交换机所有端口同时接受到数据包时所能处理的总数据帧数量。交换机的每个端口在以特定速度接收来自其他端口数据的同时，还以均匀分布的、循环方式向所有其他端口发送帧。我们在测试千兆骨干交换机时采用全网状方法获得更为苛刻的测试环境，而挑选出来的交换机也是最能克服恶劣环境的产品。
　　部分网状一般用来衡量接入型交换机。改性能参数反映了交换机在恶劣情况下最大的承受能力。通过从多个发送端口向多个接收端口以网状形式(紊乱网状模式)发送帧进行测试。
　　Back-to-Back通过对交换机在不丢包的而持续转发数据包的数量来客观的反映交换机的数据缓冲区的容量大小。
　　网络的发展潜力可谓无可限量，以太网作为历史最悠久的网络技术之一，将继续向前发展，利用其出色的性价比、灵活性和互操作性提供新的业经验证的优势。与大多数技术解决方案一样，成本将始终是决定以太网技术过渡速度的重要因素。而随着时间的推移，数据传输量的增长率也是大家有目共睹的。根据有关部门预测，在3年后，数据传输量将会超过语音传输量，一跃成为成为全球通信网络主要的传输方式。面对日益增长的数据流和多媒体服务，大容量、高速率、多功能模块高端网络产品将接踵面市，而其市场规模也将不断的得到扩大。千兆以太网产品所占的市场份额会越来越大，随着Internet的发展和网络上高带宽应用的出现，万兆以太网将是以后的主流，但是，千兆网络在目前阶段绝对是够用的。所以，按照IT行业不成文的“定律”来解释，也能说明千兆网络在未来的一两年内绝对是网络中的主流！（杨建/天极网)