光纤以太网的设计

光纤以太网

一、什么是光纤以太网

光纤以太网指利用在光纤上运行以太网LAN数据包接入SP网络或在SP网络中进行接入。底层连接可以以任何标准的以太网速度运行，包括10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps，但在此情况下，这些连接必须以全双工速度(例如双向10Mbps)运行。光纤以太网业务能够应用交换机的速率限制功能，以非标准的以太网速度运行。光纤以太网中使用的光纤链路可以是光纤全带宽(即所谓的“暗光纤”)、一个SONET连接或者是DWDM。光纤以太网可以在交换式LAN的基础上运行，尽管它们可以互联共享的LAN。

二、光纤通讯、以太网、光纤以太网的区别

光纤通讯光纤通讯（Fiber-optic communication）也作光纤通信,是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递资讯的一种方式。属于有线通信的一种。光经过调变（modulation）后便能携带资讯。

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，采用的是CSMA/CD 访问控制法，它们都符合IEEE802.3。

光纤以太网指利用在光纤上运行以太网LAN数据包接入SP网络或在SP网络中进行接入。底层连接可以以任何标准的以太网速度运行，包括10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps，但在此情况下，这些连接必须以全双工速度(例如双向10Mbps)运行。光纤以太网业务能够应用交换机的速率限制功能，以非标准的以太网速度运行。光纤以太网中使用的光纤链路可以是光纤全带宽(即所谓的“暗光纤”)、一个SONET连接或者是DWDM。光纤以太网可以在交换式LAN的基础上运行，尽管它们可以互联共享的LAN。光纤以太网产品可以借助以太网设备采用以太网数据包格式实现WAN通信业务。该技术可以适用于任何光传输

网络——光纤直接传输、SDH以及DWDM网络传输。

说白了光纤通讯是一种概念上的称谓，以太网就是局域网的发展技术，光纤以太网就是利用光纤资源建立起来的网络。

三、光以太网的特点

光以太网的连接业务具有以下特点：

（1）对于本地设备10M／100M自适应。

（2）基于以太网连网标准。

（3）能无缝升级到1G。

（4）基于网络的业务实现减少了客户投资，避免了复杂的维护。

（5）灵活地满足无连接的IP流量性能要求和固定比特率的话音通信要求。

（6）能迅速激活新业务，从业务订购到实现可以立刻完成。

四、光以太网的优势

1.保护已有的网络和设备投资。

2.能适应未来任何应用和带宽需求。

3.具有灵活的带宽定制和业务选择。

4.促进了带宽和业务的方便扩展。

5.由于其简单性，减少了服务提供的挑战与障碍。

五、常见的骨干技术

目前最常见的骨干技术是帧中继（FR）、ATM、SONET以及本地以太网。为最终用户提供最后一公里物理连接的宽带解决方案有市话网上的拨号调制解调器、xDSL、ISDN以及光以太网。那么，哪些技术能支持最广泛的业务并能确保灵活性和可扩充性，以满足未来的需求呢？

帧中继被广泛使用于企业局域网的互联。目前，大多数的企业网是由帧中继永久虚电路提供的点到点连接创建的，格形网把不同地点的办公室连接在一起。这种方案能提供足够的服务质量（QoS）并支持多协议环境。通过多种服务类别（CoS）选项，服务提供商能够以不同的价格支持不同的服务水平协议（SLA）。

帧中继的缺点是网络体系结构、成本以及对于大多数现有网络而言，是一种相对贫乏的带宽选择。在格形网中若增加办公室，通常需要为每一个办公室增加一条PVC，因此，帧中继与其他技术相比，在组网方面欠灵活性和可扩展性。

在所有的网络技术中，ATM能提供最多的QoS和CoS选项。ATM能支持固定速率（CBR）业务、视频以及可变速率（VBR）业务。ATM的设计者希望它能成为下一代的基础设施技术，但是，由于协议开销大、结构复杂，ATM技术的部署成本过于昂贵。像帧中继一样，ATM主要是由PVC组成的一个大型的格形网。由于这种技术过于复杂，ATM并没有如它的设计者所希望的那样被广泛应用。

SONET（同步光纤网络）是一种被广泛应用的骨干技术，经常与ATM技术结合使用，向最终用户提供OC-3（155Mbps）的高速传输业务。SONET对于最终用户是透明的，它只在骨干网络中运行，而在用户的网络中没有终结点。SONET可以部署在一个双向环的拓扑中，具有极高的可行性，在网络发生故障时，恢复时间可控制在50ms之内。

SONET在骨干网中是网中之王，但是由于它的成本高、灵活性低，妨碍了它的进一步发展。在互联网的骨干通常使用SONET OC——192（10Gbps）电路，OC——768（40Gbps）也正在逐步地投入使用，但是以这样的速率承载SONET，开销成本也是非常大的。

六、光纤以太网的应用

在打造光纤以太网的众多技术中，10G以太网技术是目前受到业内人士高度关注的链路层技术，10G以太网的优点是减少网络的复杂性，兼容现有的局域网技术并将其扩展到广域网，降低了系统费用，并提供更快、更新的数据业务。是一种融合LAN/MAN/WAN的一种链路技术，可构建端到端的以太网链路。归纳起来10G光纤以太网在LAN/MAN/WAN中的应用包括：

1．局域网应用

这种应用是传统的局域网应用，针对运营商数据中心和企业网，包括骨干层

中的LAN交换机上行10Gbps汇聚，服务器到交换机间的高速数据链路，数据中心服务器池的数据交换以及连接不同楼宇间的交换设备。

2．城域网应用

城域网应用可采用暗光纤和DWDM设备两种传输形式，前者采用10G路由交换机作为节点设备，直接采用城市中敷设的暗光纤，可直接构建格状网络(采用单模光纤，端口链路距离可长达40km)，后者采用城域DWDM设备，通常是环网方式组网，提供光层的业务上/下路和网络自愈恢复保护，对企业/园区骨干网，可实现无服务器建筑、远程备份/系统容灾，对运营商而言，该方式成本大大低于采用T3或OC-3传输设备的组网方案。

此外在SAN中，10GbE相对Fiber Channel ，Ultra160/320 SCSI，ATM以及HIPPI(High Performance Parallel Interface)等方式具有更加良好的时延性能，目前已经出现在SAN中应用。

3．广域网应用

这是10GbE一个新兴的应用场合，连接ISP的电信级以太网交换机和NSP DWDM光纤传输设备的链路可以是极具成本优势的以太网链路，代替传统方式的昂贵的ATM交换机。10GbE WAN接口还可以将园区中分散的LAN和节点设备连接到广域网。

考虑到骨干网中SDH传输设备大量存在的事实，IEEE802.3ae中定义的10Gb EWAN接口采用速率匹配和直接映射的方式，将10GbE MAC帧封装入OC-192c的净荷中传输，确保和现有SDH设备的无缝连接。

光网络正在向智能化方向发展，如现在兴起的自动交换光网络技术ASON，假如未来的ASON节点设备(如大容量的OXC)可以实现全光域上的恢复保护(电信级)，实现多波长动态分配和路由，灵活的波长上/下路，SDH体系和产品也会逐步向电信网络的边缘转移，演变为一种客户层信号或标准接口，10Gethernet over Fiber将完全可以实现，网络形态将更为简单。

七、高速以太网的发展趋势

1.以太网

在1995年后期，IEEE 802.3委员会就组建了一个工作小组，以研究在以太网的环境下如何使分组包的传输速度达到Gbit（即千兆）级。如今千兆以太网的技术标准已经成熟，并有了一些成功的应用。千兆以太网不仅仅定义了新的媒体和传输协议，还保留了10M和100M以太网的协议、帧格式，以保持其向下兼容性。随着越来越多的人使用100M以太网，越来越多的业务负荷在骨干网上承载，千兆以太网就应运而生。

千兆以太网用于连接核心服务器和高速局域网交换机。每个局域网交换机都有10/100M自适应端口和1G的上行端口。图1为千兆以太网的典型应用。

千兆以太网的协议栈结构包括物理层和介质访问层（MAC），该MAC层是802.3的MAC层算法的增强版本。除了使用非屏蔽的双绞线，对于其他媒介，都可以使用新定义的gigabit medium-independent interface (GMII)，GMII是一种8bits的并行同步收发接口，它用于芯片和芯片的标准接口，可以满足不同芯片供应商对于MAC层和物理层的互连互通。

1.1 介质访问层

千兆以太网使用IEEE 802.3定义的10M/100M以太网一致的CSMA/CD帧格式和MAC层协议。以太网交换机（全双工模式）中的千兆端口不能采用共享信道方式访问介质，而只能采用专用信道方式，这是因为在专用信道方式下，数据的收发能够不受干扰地同步进行。

由于以太网交换技术的发展，不采用CSMA/CD协议也能全双工操作。千兆以太网规范发展完善了PAUSE协议，该协议采用不均匀流量控制方法最先应用于100M以太网中。

1.2 物理层

千兆以太网协议定义了以下四种物理层接口：

● 1000BASE-LX：较长波长的光纤，支持550 m长的多模光纤（62.5μm或50μm）或5 Km长的单模光纤（10μm），波长范围为1270到1355 nm；

● 1000BASE-SX：较短波长的光纤，支持275 m长的多模光纤（62.5μm）或550 m长的多模光纤（50μm），波长范围为770到860 nm；

● 1000BASE-CX：支持25 m长的短距离屏蔽双绞线，主要用于单个房间内或机架内的端口连接；

● 1000BASE-T：支持4对100 m长的UTP5线缆，每对线缆传输250M数据。

1.3 用于千兆以太网的数字信号编码技术

除非物理层是双绞线方式，千兆以太网的数字信号编码方式均是8B/10B，

这种方式在发送的时候将8bits数据转换成10bits，以提高数据的传输可靠性。

8B/10B方式最初由IBM公司发明并应用于ESCON(200M互连系统）中。

这种编码方式具有以下优点：

●实现相对简单，并以廉价的方式制造可靠的收发器；

● 对于任何数字序列，相对平衡地产生一样多的0，1比特；

● 提供简便的方式实现时钟的恢复；

● 提供有用的纠错能力。

8B/10B编码是mBnB编码方式的一个特例。所谓mBnB编码即在发送端，

将m bits的基带数据映射成n bits数据发送。当n > m时，在发送侧就产生了冗

余性。对于8B/10B编码，即是将8bits的基带数据映射成10bits的数据进行发送，

这种方式也叫做不一致控制。从本质上讲，这种方式防止在基带数据中过多的0

码流或1码流，任何一方过多的码流均造成了这种不一致性。协议中还定义了

12种非有效数据的序列，主要用于系统同步和其他控制用途。

对于物理层为双绞线的千兆以太网，编码方式为PAM-5（5 Level Pulse

Amplitude Modulation)。PAM-5采用5种不同的信号电平编码来代替简单的二进

制编码，可以达到更好的带宽利用。每四个信号电平能够表示2个bits信息，再

加上第五个信号电平用于前向纠错机制。

2.（2）万兆以太网

当千兆以太网还没有大规模应用的时候，人们已经提出万兆以太网的概念。

特别是Internet和Intranet上的业务流量呈爆炸式的增长，万兆以太网的协议研

究及工程实现就越发迫切起来。目前造成Internet和Intranet上业务流量快速增长的几个因素如下：

● 网络连接数的增加；

● 网络终端的连接速率的增加（例如10M网用户升级到100M网用户，56K的Modem用户升级到xDSL或Cable Modem用户）；

● 对带宽要求高的业务的增加，例如高清晰度的视频点播业务；

● 网络主机的增加及主机业务的增加。

最初，运营商们主要将万兆以太网应用于大容量的以太网交换机间的高速互连，随着带宽需求的增长，万兆以太网将应用于整个网络，包括应用服务器，骨干网和校园网。这种技术使得ISP和NSP能够以一种廉价的方式提供高速的服务。

这种技术同时可以应用于城域网和广域网的建设，这样局域网技术就能够与ATM或其他广域网络技术竞争。在大多数情况下，用户需要数据通过TCP/IP实现全网的无缝连接，从用户终端到网络业务提供者，而万兆以太网真正做到这一点。由于不需要将以太网的分组包分拆或重组成ATM信元，避免了带宽的浪费，这种网络真正做到端到端的以太网。

IP技术和万兆以太网技术的结合不仅仅能够提供高质量的服务，同时能够进行有效的流量控制，而在以前只有ATM能够做到。

根据万兆以太网的应用场合不同，已经定义了不同的光纤接口（光纤的波长和传输距离）。最大的传输距离从300 m一直到40 km，并采用了多种光纤介质，以全双工方式运行。图2比较了几种不同以太网端口速率的最大传输距离。

另外，万兆以太网具有以下几个显著特征：

● 万兆以太网不再支持半双工数据传输，所有数据传输都以全双工方式进行，这不仅极大地扩展了网络的覆盖区域，而且使标准得以大大简化。

● 为使万兆以太网不但能以更优的性能为企业骨干网服务，更重要的是，还要从根本上对广域网以及其它长距离网络应用提供最佳支持，尤其是还要与现存的大量SONET网络兼容，该标准对物理层进行了重新定义，使得其兼容性大大提高。

● 网络费用是决定一种网络技术发展速度的重要因素。竞争和规模效应使以太网设备的价格很快下降。尽管快速以太网产品从1994年才进入市场，但是最近两年，这些产品的价格也大幅度下降。10G以太网的价格趋势也会与快速以太网一样。IEEE的目标是以两到三倍的100Base-FX接口的价格建立10G以太网连接。

八、以太网技术发展存在的问题

尽管10G以太网在提供基于以太网的广域网方面向前迈出了非常重要的一步，但要作为城域网的全面解决方案还是缺乏一些关键的性能。在城域网中，10G 以太网还面临着其他一些挑战。

以太网因为其数据包最优化而著称，这种技术对于共享访问和突发性业务流量是非常有效的。但是10G以太网难于支持多业务，因为它缺乏QoS能力。RSVP 和IEEE802.1P能提供QoS，但是仍无法和的ATM技术的QoS相比。服务供应商们可能会在城域网中继续使用SONET/SDH技术。

建立多业务城域网的另一种方法是使用DWDM，让一部分波长载运10G以太网，另一部分载运其他业务流比如SONET/SDH，以及多个千兆以太网数据流。虽然与千兆以太网相比，10G以太网网络的可扩展性因为速度和传输距离的提高而得到了提高，但这些改进在本质上仍然是有限的。当带宽的需求扩展到OC-768（或者是40Gbps）时，问题还没有解决。此外，考虑到城域网的复杂性不断增加，所以必须进行流量工程设计。DWDM的MPLamda与10G以太网的多协议标记交换（MPLS）技术共同提供了这一至关重要的业务流量工程设计能力。

总之, 虽然10G以太网的容量和传输距离得到了很大提高，但是，无法解决新型城域网对多业务的要求，同时，在传输距离进一步提高的情况下，难以应付。

根据现在最新的消息：前不久，IEEE投票反对把802.3ae（10G以太网）标准更快地进行通过，因为他们认为零部件销售商还没有足够的设备能够通过标准测试。虽然存在一些程序上的小问题，但标准化草案在技术上是切实可行的。事实上，10G以太网标准方案已经完全成熟。IEEE暂停此方案进入最后批准阶段并不是因为技术原因，而仅仅是程序操作的问题。按计划在2002年3月前通过仍然是很有可能的。