基于万兆以太网的城域网建设方法研究

2013-09-03杜文晟

湖北师范大学学报(自然科学版) 2013年1期

杜文晟

(湖北师范学院经济与管理学院，湖北黄石 435002)

0 引言

以太网最早由Xerox公司提出，并且在1980年由DEC、Intel和Xerox共同开发并成为一个标准。1982年IEEE采纳其作为局域网的三个标准之一(另两个是IBM提出的令牌环和GM提出的令牌总线)，命名为802.3。另外一个曾经被看作高速局域网未来的是ATM技术，在电信系统中使用比较多。经过多年的发展，以太网通过自身不断的完善与一次又一次的提速(从最初的10Mbps，到100Mbps、1Gbps再到本文讨论的10Gbps)，尤其是其结构简单、维护方便的特点，使其在很多需要组建局域网的地方得到应用，令牌环、令牌总线和ATM市场份额越来越小。新世纪伊始，以千兆以太网为主干的校园网、企业网在全球各地快速地建立起来，确立了当时千兆主干+百兆到部门+十兆到桌面的典型布局。至此，除了部分建网比较早的地方和一些工业场所以外，以太网占据了所有局域网市场。

但是在范围更广的城域网或者广域网中，以太网还不是绝对主流，在这些市场中占主导的是SONET/SDH、RPRR甚至FDDI。不过从万兆以太网开始，这种局面可能被打破。万兆以太网的出现，一方面使得局域网升级为万兆核心+千兆汇聚+百兆到桌面，另一方面IEEE 802委员会针对城域网的特点对协议做了修改。从此开启了用以太网建设城域网的时代。

1 万兆以太网概述

还在千兆以太网标准刚刚通过的时候，IEEE 802委员会就开始着手下一代以太网的标准制定工作了。万兆以太网并非单纯地将速度提升到千兆以太网的10倍。由于量变引发质变的必然，在万兆以太网中引入了很多复杂的新技术。它本身有如下几个特点[1]：

1)帧格式和10Mbps、100Mbps、1Gbps以太网的格式相同(进行局域网传输的时候)，这就保证了上层软件不需要做任何修改;

2)最小和最大帧长度保持不变，这样便于和低速设备进行通信;

使用光纤和双绞线作为物理介质，其中双绞线(10GBASE-T)为六类或以上，通信距离最高100m;

4)不再使用CSMA/CD协议，因此传输距离不受冲突检测的限制。

万兆以太网的出现，除了在传统优势的局域网领域继续巩固了以太网的地位之外，速度的提升也使得新的应用可以在局域网上开展，比如高清的视频会议、高清多媒体流播放、高精度3D虚拟现实和跨网络的海量数据传输。

而在广域网范围内，常用的OC192标准速率大约是10Gbps，万兆以太网已经达到(实际上是超过一点点)了OC192的速率，这样就引出一个用以太网技术来进行广域数据传输的问题。所以制定万兆以太网协议时，IEEE首次考虑将其应用在城域网和广域网中，因此，802.3ae标准对于802.3以太网的协议做了诸多调整：

1)对物理层实现方法的修改。万兆以太网需要同时考虑局域网、城域网和广域网应用，这意味着万兆以太网必须综合考虑三种不同的网络对误码率、抖动和QoS等不同的要求，必须从物理层开始，设计出适合三种网络的底层实现方法，并和MAC层能良好地连接。

首先万兆以太网需要和现有的802.3系列局域网(10Mbps、100Mbps、1Gbps)保持兼容，包括物理层和MAC层。从快速以太网(100Mbps)开始，以太网就是用两种不同的介质通过交换机互联：光纤和双绞线。到了万兆以太网，这两种介质仍然保留(具体细节上有所不同)。万兆以太网首先要和千兆以太网在各方面保持向下兼容，其中包括冲突窗口、载波扩展、帧突发处理等。要确保能够把10条1Gbps的线路复用为1条10Gbps的，也就是能支持10路千兆以太网的端口。

其次，万兆以太网首次面向城域网和广域网做了相应的设计，主要考虑了和SONET/SDH的无缝连接，主要是OC-192/STM-64标准。这里面有一个速率匹配的问题：万兆以太网是10Gbps的速率，而OC-192是9.58464Gbps，为了两者能够匹配，使用专门的XGMII(类似千兆以太网的GMII)将MAC层和物理层分开。MAC层仍然使用802.3，在物理层则可以使用各种广域网标准，比如SDH。

2)MAC层的修改。万兆以太网对802.3的MAC帧格式做了一定的修改，但是为了保持兼容，没有修改各个区间的长度，而是当数据从局域网进入城域网时，由硬件修改MAC帧，回到局域网时再改回来。这是因为将802.3ae帧封装在OC-192帧里面，需要识别多个802.3ae帧的起始。主要修改有：将7字节前导码中划分出2字节的长度标识和5字节的前导码；由于万兆以太网只使用全双工模式，因此完全废弃了CSMA/CD，从而也就没有了争用期的概念，不过最大帧长度保持在1518字节未变。

2 传统的构建城域网方法概述

新世纪伊始，北美地区的广域网市场出现了带宽过剩的现象，很多长途线路和广域网运营商倒闭，其原因是相对低速的接入方式(以56K调制解调器为主)已经无法满足用户需求。许多ISP虽然有大量的广域网带宽资源，但是无法解决大量用户接入的问题。因为传统的Modem接入是用户通过电话线路直接连接到电信公司的调制解调器池，随着终端用户的快速增加，调制解调器池无法满足大量用户接入。并且，各个组织内部建立的局域网也需要进行互联，这使人们意识到，在广域网和接入网/局域网之间还有一个中间层，即城域网，而且制约大规模Internet接入的瓶颈就在城域网上。

最初，出于对线路质量、性能、维护等方面的考虑，IEEE802委员会定义城域网是：使用光纤为介质，速率在45Mbps～150Mbps，支持数据、语音、图形与视频综合业务传输，覆盖跨度为50～100km的城市范围，实现高速率高宽带传输的数据通信网络。

早期的城域网建设多采用了环形的FDDI结构，FDDI采用光纤作为传输介质，使用双环拓扑，具有快速环自愈能力，提供高可靠性传输，速率为100Mbps，提供100km范围内的局域网接入。FDDI和令牌环在很多地方是相似的，比如使用了令牌环的MAC协议，同时使用了802.2的LLC协议。

IEEE802委员会的定义是在FDDI的基础上得出的，城域网主要介于广域网和局域网之间，主要用途是解决大量的局域网互联。但是随着新的应用和服务的不断出现，尤其是三网融合的目标的提出，城域网的概念已经悄悄发生了变化。

现代的城域网已经不仅仅是一种互联手段，更是一个基于某一个城市范围的信息基础设施，运营商可以基于城域网，使用TCP/IP协议来连接各种互联设备，在覆盖城市的范围内进行数据、语音、图形、图像、视频等信息的综合传送。整合各个局域网内的资源，同时与广域网交换信息，与有线电视网络、电话交换网络互联互通，形成一个局部的综合业务数字网络。这个网络应当能保证高带宽和QoS，因此也被称为宽带城域网。

目前城域网的主流技术有SDH和RPR，其中SDH主要采用了下一代的MSTP(Multi-Service Transport Platform)来代替功能单一的分插多路复用器(Add-drop Multiplexer，ADM)和数字交叉系统(Digital cross-connect system，DCS)，这将使得IP over SDH更为可行，并且可以在SDH上集成IP、以太网、帧中继和ATM。其拓扑结构如图1.

图1 基于SONET/SDH的城域网(来源：ChinaByte)

RPR弹性分组环(802.17)则是另一种采用双环结构的光纤网，为了直接在光纤上传输IP分组而设计，采用空间复用协议SRP，同样符合宽带城域网的三层结构：核心层、汇聚层和接入层，RPR在核心和汇聚部分都使用环，称为核心环和汇聚环，从而也具有了环自愈的能力。RPR具有如下优点：

1)业务分级

将业务分为A，B，C三级。其中A细分为两级，B细分为两级。数据类型实际上被分为5级，每一级有不同的QoS，保证业务的区分度，分别对应实时业务，非实时业务和尽力传送。

2)拓扑自动发现

保证了对环上新增和移去的节点，动态实现拓扑结构更新。如果要增加或者减少RPR上的总带宽，则可以结合LCAS功能来实现。使用LCAS可以动态地调整带宽，而不影响原有业务。

3)空间重用

RPR单播帧在目的节点剥离的机制，实现了环上带宽的空间重用。环上带宽可以几个点的业务共用，带宽利用率提高。

4)公平算法

RPR内环和外环都支持独立的公平算法。公平算法保证了低优先级的B_EIR和C类业务在RPR环上的公平接入。通过设置公平算法的权重，可以使不同的结点具有不同的接入速率。节点可以分别在外环和内环上设置不同的权重。

5)保护

wrapping+string， wrapping相当于断纤处环回，倒换时间快，但是路径不是最优。String保护模式倒换时间慢，但选择最优路径。

图2 基于RPR的城域网拓扑(使用3Com设备)(来源：ChinaByte)

而随着新的低成本的GE、10GE技术的成熟，局域网(主要是以太网)的带宽大大提高。DWDM技术的成熟使得远程传输更加便宜和高效，广域网的带宽也大大提高。宽带城域网恰好可以综合利用这些技术，在两者之间建立桥梁，促进三网融合。

3 万兆以太网对城域网的支持

在万兆以太网之前，以太网(IEEE 802.3)一直致力于局域网范围内的互联和数据交换。但是随着速率的提高和光纤的逐渐普及，在城域网乃至广域网中使用以太网技术的呼声也越来越高。而从速率、技术成熟度、成本等方面来看，使用以太网作为城域网的骨干也是比较合理的。

世界上的以太网用户已经有上亿，以太网具有良好的可扩展性，从10M到10G可以平滑顺利地升级，覆盖范围从100m到100km。目前主流的操作系统都可以在以太网上运行。从以太网的发展历程来看，从10Mbps到100Mbps是以双绞线和CSMA/CD为主，到了1Gbps和10Gbps，则以光纤和点对点全双工链接为主，双绞线为辅。100G以太网的发展当然也会是光纤+全双工点对点连接+局域网+城域网+广域网的方向。

为此，802.3ae标准特地为城域网和广域网引入了一些新特性；

1)物理层支持3种波长的光纤：850nm、1310nm和1550nm(如图3)。1550纳米波长经常用于城域网和广域网应用，因为它传输距离可达40km。1310nm波长经常用于连接园区网，或连接远程办公室。此外，1310nm波长也可以用于同一大楼内的多层基础设施。最后，850nm波长主要用于数据中心内部，因为使用拥有2000MHz-km的模态带宽的激光优化多模光纤，其传输距离只能达到300m.当前的多模光纤(62.5μm和50μm)支持的长度极限在20m到28m之间。带有万兆网络接口卡(NIC)的高速服务器，更适合用850nm的万兆以太网。

2)为了匹配广域网现有的OC-192标准的速率，设计了专用的XGMII接口，将速率从10Gbps降至9.58464Gbps，这可以通过三种方式实现：通过XGMII发送HOLD信号，让MAC在一个时钟周期内停止发送；每个帧间隙IPG中，有物理层想MAC发送Busy Idle信号，则MAC层停止发送，直到物理层发送Normal Idle信号；采用IPG延长机制，MAC每次发完一个帧后，根据平均速率动态调整IPG。

图3 万兆以太网所用的三种光纤波长(来源：ChinaByte)

3)将MAC帧封装到OC-192帧之前，修改MAC帧结构。这样在以太网帧较短的时候，可以将多个以太网帧插入到OC-192帧当中，并且仍然能很好地识别帧边界，提高传输效率。

4)设计了一个WAN Interface Sublayer(WIS)/10G BASE-W标准[2]。WIS是一个可选的PHY子层，用来创建一个10GBASE-W的PHY，在数据率和格式上同ANSI发布的SONET OC-192或者ITU发布的SDH-VC-4-64c相兼容。设计WIS的目的是使得10BASE-W设备在PHY子层可以产生能直接映射为OC-102/VC-4-64c数据流的以太网数据流，而无需MAC或者高层的处理。实际上WIS是定义了一个SONET/SDH标准的逻辑帧格式的子集。另外，WIS将有效数据吞吐量约束到OC-192/VC-4-64c的有效负荷容量，即9.58464GB/s，不支持多路SONET/SDH格式。

4 具体构建方法

从第2章可以看到，传统的构建城域网的方法在主干上都是一个环形的结构，这是为了保障城域网的容错性。一旦主干上某个节点发生故障或者光纤发生断裂(如施工破坏等)，其他节点仍然能通信(只是路径有所改变，不再是最优)。但是以太网最初是总线式的，后来成为点对点式(交换机)。要在以太网中使用环形拓扑，需要在交换机上设置同级互联接口。

IP over 10GE over SDH

这个方案就是将IP封装在802.3ae帧当中，然后修改帧头部格式，并插入到SDH帧，然后在光纤上传送.

标准的SDH帧是810字节，而万兆以太网最小帧长64字节，最大帧长1518字节，因此需要在SDH帧内识别以太网帧的界限，从而导致了对以太网帧格式的修改，这种修改可以由硬件进行。这种方法可以识别单个SDH帧中插入多个以太网短帧，或者单个以太网帧插入多个SDH帧中。

IP over 10GE over WDM-based optical

这种方法省略了SDH层，从而降低了开销。DWDM的中心频率是1552.52nm，间隔为100GHz，这和10GE的光纤波长1550nm差不多。

IP over 10GE over fabric (PEF)

这个方案应该是未来万兆以太网应用于城域网建设的主流技术，它充分利用了万兆以太网对光纤介质的支持和光纤长距离传输衰减小的特点，将IP封装到802.3ae帧之后，直接在光纤上传送，直接利用万兆以太网进行长距离通信，真正使用万兆以太网作为城域网核心交换机制。这种方案的一种结构如图4.