选购与测试：谈万兆以太网产品方案

选购与测试：谈万兆以太网产品方案随着IP业务量的迅速增长，对网络带宽的需求也在日益增长。市场迫切需要一种具备简单、可靠和经济等特点的新技术来提供更高带宽，同时能应用到局域、城域和广域范围。能满足这些要求的技术就是万兆以太网（10GE）技术。由于以太网具有合理的价格、优异的稳定性和可靠性，以及相对简单和容易的安装、管理和维护，以太网的普及程度越来越广泛。以太网技术已被证明是主流的网络技术，占有绝对领先的市场份额。PHY/PMD850nmSerial*1310nmSerial*1550nmSerial*1310nmWWDM*850nm4Fiber1550nmWWDMSerialLANPHY多模光纤65米HDMMF300米多模光纤10公里单模光纤40公里SerialWANPHY多模光纤65米HDMMF300米多模光纤10公里单模光纤40公里4-LaneLANPHY多模光纤100米单模光纤10公里100米单模光纤10公里单模光纤40公里4-LaneWANPHY多模光纤300米单模光纤10公里100米单模光纤10公里单模光纤40公里标准篇：光纤铜线双管齐下万兆以太网是以太网世界的最新技术，它不仅速度比千兆以太网提高了十倍，在应用范围上也得到了更多的扩展。万兆以太网不仅适合所有传统局域网的应用场合，更能延伸到传统以太网技术受到限制的城域网和广域网范围。万兆以太网能和DWDM传输网无缝兼容，将以太网通信延伸到没有距离限制的全球范围。在万兆以太网标准化过程中，IEEE和10GEA（万兆以太网联盟）是两个最重要的组织。IEEE是负责制定万兆以太网标准的机构，已在2002年6月发布了万兆以太网标准IEEE802.3ae。10GEA则是由业界领先的设备厂商组成的行业技术联盟，致力于万兆以太网的标准化和互操作性，以及推动万兆以太网在全球的应用等方面的工作。IEEE802.3ae万兆以太网标准IEEE802.3ae万兆以太网标准主要包括以下内容：兼容802.3标准中定义的最小和最大以太网帧长度；仅支持全双工方式；使用点对点链路和结构化布线组建星形物理结构的局域网；支持802.3ad链路汇聚协议；在MAC/PLS服务接口上实现10Gbps的速度；定义两种PHY(物理层规范)，即局域网PHY和广域网PHY；定义将MAC/PLS的数据传送速率对应到广域网PHY数据传送速率的适配机制；定义支持特定物理介质相关接口（PMD）的物理层规范，包括多模光纤和单模光纤以及相应传送距离；支持ISO/IEC11801第二版中定义的光纤介质类型等等。万兆以太网物理层规范万兆以太网的物理（PHY）层规范和所支持的光学部件部分在IEEE802.3ae中定义。在以太网标准中，光学部件部分被称为“物理介质关联层接口（PMD）”。万兆以太网的四种物理层PHY类型包括如下。a.SerialLANPHY串行局域网PHY由64b/66b编解码（codec）机制和串行/反串行部件（SerDes）组成。64b/66b编解码机制执行了数据包的分组编码。SerDes将16位的并行数据通路（每路644Mbps）串行化为一条10.3Gbps的数据流，在传送端交由串行光学部件或PMD处理。在接收端，SerDes将一条10.3Gbps的串行数据流转化回16位的并行数据通路（每路644Mbps）。b.SerialWANPHY串行广域网PHY由广域网接口子层（WIS）、64b/66b编解码机制以及SerDes部件组成。串行广域网PHY中的SerDes和串行局域网PHY唯一的区别在于串行数据流的速度是9.95Gbps（OC-192），16位并行数据通路的速度为每路622Mbps。串行广域网PHY使得万兆以太网与现有SONET/SDH网络的OC-192接口或DWDM光传输网的10Gbps接口速率完全匹配。c.4-LaneLANPHY与4-LaneWANPHY4-LanePHY是一种扩展AUI接口（XAUI）形式。XAUI由4比特宽度数据路径组成，每个数据路径的宽度为3.125Gbps。4-Lane广域网PHY的接口规范定义包括了XAUI、64/66b编解码、WIS和SUPI。SUPI是广域网PHYWWDMPMD接口，由4比特宽度、速度为2.488Gbps数据路径组成。d.万兆以太网介质关联层（PMD）接口类型表1中列举了万兆以太网PHY、PMD与光纤类型和最大传输距离的关系。前面4种PMD在IEEE802.3ae中定义。后面2种PMD虽然标准中没有定义，但在市场上有供应。使用850nm新型的高带多模光纤（HDMMF），可以支持到最远300米的传输长度。万兆以太网最新进展IEEE在制定802.3ae后，现正在着手万兆以太网在铜线上传送标准的研究和制定。2002年11月成立了两个研究铜线万兆以太网的组织，一个组织研究在Cat5e或Cat6双绞线上的10GBaseT；另一个组织正在研究用4对同轴电缆实现万兆以太网的方法。现在已有一些芯片厂商和交换机厂商正在研发铜线万兆以太网的产品，如Solarflare通信公司和Broadcom公司等芯片厂商正在开发基于铜线的万兆以太网芯片。万兆以太网交换机的领先厂商Force10网络公司计划在今年年底之前推出基于铜线的万兆以太网模块。另外，随着万兆以太网标准的制定，万兆以太网的光模块技术也得到了迅速的发展。万兆以太网光模块如今已有300针MSA模块、XENPAK、XPAK、X2和XFP五种。其中300针MSA模块属于第一代模块，最初面向SDH网络而设计，尺寸大并且价格比较昂贵。Xenpak是面向万兆以太网的第一代光模块，相对300针MSA而言价格低且尺寸校现在各个光模块生产厂商正在积极进行小型化10G光模块的研发。Xpak和X2是Xenpak模块的直接改进版，体积缩小了40％，光接口、电接口都与原来保持一致。Finisar等公司正在研发的XFP相比以上各种MSA都不同。在电接口方面没有采用标准的XAUI接口，而是采用了自行规定的XFI接口。XFP支持局域网PHY和广域网PHY，具有可插拔、尺寸更加小巧、价格更有竞争力等特点。因此，XFP有可能在万兆以太网光模块市场中占据主流地位。应用篇：局域城域广域三路出击万兆以太网技术突破了传统以太网近距离传输的限制。除了应用在局域网和园区网外，也能够方便地应用在城域甚至广域范围，来构建高性能的网络核心。宽带IP城域网万兆以太网设备可以提供高密度万兆、千兆以太网接口为服务提供商和企业用户提供城域网和广域网的连接。万兆以太网在裸光纤上最远可以传送40～80公里，满足城域范围的要求。也可以连接DWDM和SDH/SONET设备实现广域范围的传输。企业网和校园网随着企业及校园网络应用的急剧增长，企业及校园的骨干网承受着不断升级的压力，从当初的快速以太网到现在的千兆网络，很快将过渡到万兆网络，为用户提供诸如多媒体业务、数据流内容、SAN等服务。万兆以太网设备具有高带宽、低时延、网络管理简易等特性，非常适用于企业及校园骨干网建设。数据中心和Internet交换中心随着Internet应用的普及，大量的数据访问需要一个可升级、高性能的内容服务汇聚网络。数据中心需要汇聚数百计的快速以太网和千兆以太网线路，在用户端，服务器汇聚网络要提供具有L2交换、L3路由的高密度GE/10GE路由器和交换机。万兆以太网设备可满足汇聚网络的需求并为未来网络升级预留了的空间。超级计算中心大型企业和研究机构需要强大的计算机系统，正在从传统的大型计算机和超级计算机转向由几十台到几百台小型商用计算机组成的服务器机群，机群内部之间由高性能的以太网连接。机群可以分布在不同的地方，他们之间通过城域网和广域网互相连接形成计算网格。万兆以太网设备提供高密度的端口、线速的交换性能、全面的L2交换和L3路由能力，可充分满足超级计算中心服务器机群内部高性能网络互连的要求，也满足同一计算网络中分布在不同地方的服务器机群之间的连接。选购篇：先辨种类再看指标万兆以太网产品种类随着万兆以太网标准的制定，市场上出现了许多支持万兆以太网的产品。从其产品体系结构来看，目前的万兆以太网产品可以分为两大种类：一种是万兆以太网交换模块；另一种是真正的万兆以太网交换机/路由器。万兆以太网接口模块目前市场上大多数支持万兆以太网的产品是在千兆以太网交换机/路由器的基础上增加万兆以太网接口模块。千兆以太网交换机产品从1997年问世以来，经过几年的发展，技术上已经成熟。许多千兆以太网设备提供商为了尽快进入万兆以太网市场，便直接在千兆产品上增加万兆以太网模块。万兆以太网技术和千兆以太网技术定义了MAC层和物理层规范，对上层协议透明。而千兆以太网体系结构的交换机加上万兆以太网接口模块是比较经济的网络解决方案。但是，由于千兆以太网交换机在体系结构设计、背板带宽、交换能力和ASIC处理能力等方面是根据千兆的要求设计的，当接口速度提高10倍达到万兆时，通常不能很好地胜任，更没有足够的扩展能力以满足未来的网络升级。例如，大多数千兆以太网交换机的线卡插槽和背板之间接口带宽只有8Gbps，即便每个线卡只有1个万兆以太网接口时，在理论上也不可能达到万兆的速度。另外，交换矩阵容量、包转发能力以及包处理芯片等都将严重影响到整个交换机支持万兆以太网的能力。因此，仅支持万兆以太网模块的千兆以太网交换机还不能称为真正意义上的“万兆以太网交换机”。万兆以太网交换机/路由器真正为万兆以太网技术而重新设计体系结构的交换机/路由器通常被生产厂商称为“下一代”产品，现在市场上已经能够找到这类产品。万兆以太网交换机/路由器在硬件设计中主要有以下特点。a.背板带宽线卡插槽和背板之间的接口带宽是衡量万兆以太网设备最基本也是最重要的指标之一。为万兆以太网设计的交换机/路由器，线卡插槽的背板接口带宽至少需要10Gbps，比较理想的设备是能具备不少于40Gbps（双向）的接口带宽以支持单线卡4个万兆以太网接口的密度。同时，被选购的设备应当满足在未来线卡端口密度增加时，交换机只需替换线卡而无需替换系统背板的要求。当线卡上用户端口的总带宽超过了与背板之间的带宽时，称之为“过载”使用，此时用户端口将不可能达到线速。b.交换容量交换容量是指系统中用户接口之间交换数据的最大能力，用户数据的交换是由交换矩阵实现的。传统的总线式交换方式容量有限，不再被万兆以太网交换机所采用，取而代之的是矩阵式交换，这也是中高端千兆以太网交换机的主要交换形式。在无阻塞交换结构中，交换容量＝交换矩阵与线卡之间的带宽×线卡插槽数。交换机中的交换芯片是核心交换功能部件，通常提供比系统实际交换容量更大的交换能力。由于控制处理卡（或冗余配置时）通常会占用部分交换芯片的接口用于处理路由和管理等信息，系统实际数据交换容量将小于交换芯片的总容量。例如，一台交换芯片总容量为640Gbps（80Gbps*8）的设备，实际可用的线卡插槽为7个，可提供的线卡为单线卡2端口万兆以太网接口。那么该系统的实际可利用交换容量是40Gbps×7=280Gbps；未来可利用的（提供单线卡4端口万兆以太网接口时）最大交换容量为80Gbps×7=560Gbps。在选择万兆以太网交换机时，系统的实际交换容量、最大可利用交换容量和交换芯片总容量都是非常重要的指标。用户在选择产品时一定要清楚地理解实际交换容量和最大可利用交换容量才是选择交换机最重要的指标，前者是实际可得到的处理能力，后者与未来扩展能力密切相关。当交换容量小于系统最大端口配置时的总带宽时，就有可能出现交换阻塞。在选择核心交换机或支持对时延敏感的应用时，一定要选择无阻塞交换矩阵结构的交换机。c.高速ASIC芯片万兆以太网交换机/路由器要高速处理大量的数据帧，因此通常采用分布式包处理体系结构。每张线卡上都有负责包处理、包检索、缓存和队列的ASIC芯片。系统软件支持的ACL、QoS和Multicast等功能都必须通过硬件实现。高速ASIC芯片是从千兆以太网升级到万兆以太网时系统必须重新设计或增强的。市场上有部分支持万兆以太网接口的交换机为了争取时间提前推出，没有从硬件上全面升级，导致系