山东莱芜钢铁集团公司动力部 周志敏
武汉理工大学信息工程学院 周纪海
摘要：文章综述了千兆以太网的发展现状，介绍了以太网技术标准及其技术特点，重点阐述了千兆以太网技术的两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab，展望了千兆以太网的发展前景；并阐述了以太网接入中的技术问题，论述了千兆以太网铜缆布线系统和光缆布线系统
1.概述
随着网络技术飞速发展，多媒体应用愈来愈多，对网络的需求也越来越大，尤其是在服务器端上，100Mbps的速度已不能满足要求。于是Gigabit Ethernet诞生了。就如同Fast Ethernet的起源一样，Gigabit Ethernet也必须要能够向下相容Fast Ethernet以及Ethernet。目前中大型企业新一代的区域网络规划中，Gigabit Ethernet普遍使用在区域网络的骨干上，并以光纤界面为主流。在铜线（UTP）Gigabit部分，短期内则还不会像100baseTX那样快速延伸至桌面。
以太网最初是由Xerox公司研制而成的，并且在1980年由DEC公司和Xerox公司共同使之规范成形。后来它被作为802.3标准为电气与电子工程师协会（IEEE）所采纳。
以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。冲突检测方法保证了只能有一个站在电缆上传输。早期以太网传输速率为10Mbps。
2.以太网技术标准
采用CSMA/CD（载波监听多路存取和冲突检测）介质访问控制方式的局域网技术，最初由Xerox公司于1975年研制成功，1979年7月-1982年间，由DEC、Intel和Xerox三家公司制定了以太网的技术规范DIX，以此为基础形成的IEEE802.3以太网标准在1989年正式成为国际标准。在20多年中以太网技术不断发展，成为迄今最广泛应用的局域网技术，产生了多种技术标准。
10base5；是原始的以太网标准，使用直径10mm的50欧姆粗同轴电缆，总线拓扑结构，站点网卡的接口为DB-15连接器，通过AUI电缆，用MAU装置栓接到同轴电缆上，末端用50Ω/1W的电阻端接（一端接在电气系统的地线上）；每个网段允许有100个站点，每个网段最大允许距离为500m，网络直径为2500m，可由5个500m长的网段和4个中继器组成。利用基带的10M传输速率，采用曼彻斯特编码传输数据。
10Base2；是为降低10base5的安装成本和复杂性而设计的。使用廉价的R9-58型50欧姆细同轴电缆，总线拓扑结构，网卡通过T形接头连接到细同轴电缆上，末端连接50欧姆端接器；每个网段允许30个站点，每个网段最大允许距离为185m，仍保持10Base5的4中继器、5网段设计能力，允许的最大网络直径为5x185=925m。利用基带的10M传输速率，采用曼彻斯特编码传输数据。与10base5相比，10Base2以太网更容易安装，更容易增加新站点，能大幅度降低费用。
10base-T；是1990年通过的以太网物理层标准。10base-T使用两对非屏蔽双绞线，一对线发送数据，另一对线接收数据，用RJ-45模块作为端接器，星形拓扑结构，信号频率为20MHz，必须使用3类或更好的UTP电缆；布线按照EIA568标准，站点-中继器和中继器-中继器的最大距离为100m。保持了10base5的4中继器、5网段的设计能力，使10base-T局域网的最大直径为500m。10Base-T的集线器和网卡每16秒就发出"滴答"(Hear-beat)脉冲，集线器和网卡都要监听此脉冲，收到"滴答"信号表示物理连接已建立，10base-T设备通过LED向网络管理员指示链路是否正常。双绞线以太网是以太网技术的主要进步之一，10base-T因为价格便宜、配置灵活和易于管理而流行起来，现在占整个以太网销售量的90%以上。
10base-F；是使用光缆的以太网，使用双工光缆，一条光缆用于发送数据，另一条用于接收；使用ST连接器，星形拓扑结构；网络直径为2500m，定义了3种不同的规范：
10Base-FL；是10base-F中使用最多的部分，只有10base-FL连接时，光缆链路段的长度可达到2000m，与FOIRL设备混用时，混合段的长度可达1000m。
10Base-FB；是用来说明一个同步信令骨干网段，用于在一个跨越远距离的转发主干网系统中将专用的10Base-FB同步信令中继器连接在一起。单个10base-FB网段最长可达2000m。
10Base-FP；是用来说明点对点的连接方式，一个网段的长度可达500m。一个光缆无源星形耦合器最多可连接33台计算机。
100base-T；是以太网标准的100M版，1995年5月正式通过了快速以太网/100Base-T规范，即IEEE 802.3u标准，是对IEEE802.3的补充。与10base-T一样采用星形拓扑结构，但100Base-T包含4个不同的物理层规范，并且包含了网络拓扑方面的许多新规则。
100Base-TX；使用两对5类非屏蔽双绞线或1类屏蔽双绞线，一对用于发送数据，另一对用于接收数据，最大网段长度为100m，布线符合EIA568标准；采用4B/5B编码法，使其可以125MHz的串行数据流来传送数据；使用MLT-3（多电平传输-3）波形法来降低信号频率到125/3=41.6MHz。100Base-TX是100Base-T中使用最广的物理层规范。
100Base-FX；使用多模（62.5或125um）或单模光缆，连接器可以是MIC/FDDI连接器、ST连接器或廉价的SC连接器；最大网段长度根据连接方式不同而变化，例如：对于多模光纤的交换机-交换机连接或交换机-网卡连接最大允许长度为412m，如果是全双工链路，则可达到2000m。100Base-FX主要用于高速主干网，或远距离连接，或有强电气干扰的环境，或要求较高安全保密链接的环境。
100Base-T4；是为了利用大量的3类音频级布线而设计的。它使用4对双绞线，3对用于同时传送数据，第4对线用于冲突检测时的接收信道，信号频率为25MHz,因而可以使用数据级3、4或5类非屏蔽双绞线，也可使用音频级3类线缆。最大网段长度为100m，采用EIA568布线标准；由于没有专用的发送或接收线路，所以100Base-T4不能进行全双工操作；100base-T4采用比曼彻斯特编码法高级得多的6B/6T编码法。
100Base-T2；随着数字信号处理技术和集成电路技术的发展，只用2对3类UTP线就可以传送100Mbps的数据，因而针对100Base-T4不能实现全双工的缺点，IEEE开始制定100Base-T2标准。100Base-T2采用2对音频或数据级3、4或5类UTP电缆，一对用于发送数据，另一对用于接收数据，可实现全双工操作；采用RJ45连接器，最长网段为100m，符合EIA568布线标准。采用名为PAM5x5的5电平编码方案。
自动协商模式；在100Base-T问世以后，在以太网RJ-45连接器上可能出现的信号可能是5种以上不同的以太网信号（10Base-T、10base-T全双工、100base-TX、100Base-TX全双工或100Base-T4）中的任一种。为了简化管理，3.11.71 IEEE已推出了Nway（IEEE自动协商模式），它能使集线器和网卡知道线路另一端能有的速度，把速度自动调节到线路两端能达到的最高速度（优先的顺序为：100Base-T2全双工，100Base-T2,100Base-TX全双工，100Base-T4,100Base-TX,100Base-T全双工，10Base-T）。这是增强型的10Base-T链路一体化信号方法，并与链路一体化反向兼容。这种技术避免了由于信号不兼容可能造成的网络损坏。具有这种特性的装置仍允许人工选择可能的模式。
3.快速以太网与千兆以太网
3.1快速以太网
100Base-T快速以太网是从10Base-T以太网标准发展而来的。它保留了以太网的帧结构和CSMA/CD协议，使10Base-T和100Base-T站点间进行数据通信时不需要进行协议转换。随着桌面计算机和应用程序功能的增加，网络用户日益增加，所产生的数据量也越来越大。所以网络带宽就成为一个瓶颈问题，100Base-T较好解决了这一问题。快速以太网能显著提高工作站和服务器的传输带宽，从而可以安全地增大网络上的负载。
IEEE于1995年5月正式通过了快速以太网100Base-T标准，即IEEE802.3u标准。
3.2千兆以太网
千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。
千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护投资，因此该技术的市场前景十分看好。
为了能够侦测到64Bytes资料框的碰撞，Gigabit Ethernet所支持的距离更短。Gigabit Ethernet支持的网络类型。
千兆以太网技术有两个标准：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准，目前已完成了标准制定工作。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准。
3.2.1 IEEE802.3z
IEEE802.3z工作组负责制定光纤（单模或多模）和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X，采用8B/10B编码技术，信道传输速度为1.25Gbit/s，去耦后实现1000Mbit/s传输速度。IEEE802.3z具有下列千兆以太网标准：
(1) 1000Base-SX：
1000Base-SX只支持多模光纤，可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，工作波长为770-860nm，传输距离为220-550m。
(2)1000Base-LX2：同时支持多模和单模光纤
多模光纤：000Base-LX可以采用直径为62.5um或50um的多模光纤，工作波长范围为1270-1355nm，传输距离为550m。
单模光纤：000Base-LX可以支持直径为9um或10um的单模光纤，工作波长范围为1270-1355nm，传输距离为5km左右。
(2) 1000Base-CX：
用150欧屏蔽双绞线（STP），传输距离为25m。
3.2.2 EEE802.3ab
IEEE802.3ab工作组负责制定基于UTP的半双工链路的千兆以太网标准，产生IEEE802.3ab标准及协议。
IEEE802.3ab定义基于5类UTP的1000Base-T标准，其目的是在5类UTP上以1000Mbit/s速率传输100m。IEEE802.3ab标准的意义主要有以下两点：
(1)保护用户在5类UTP布线系统上的投资。
(2)1000Base-T是100Base-T自然扩展，与10Base-T、100Base-T完全兼容。不过，在5类UTP上达到1000Mbit/s的传输速率需要解决5类UTP的串扰和衰减问题，因此，使得IEEE802.3ab工作组的开发任务要比IEEE802.3z复杂些。
千兆以太网最初主要用于提高交换机与交换机之间或交换机与服务器之间的连接带宽。10/100Mbps交换机之间的千兆连接将极大地提高网络带宽，使网络可以支持更多的10M或100M的网段；也可以通过在服务器中增加千兆网卡，将服务器与交换机之间的数据传输速度提升至前所未有的境界。千兆网标准被所有主要的网络产品厂商所支持，其中包括HP、3Com、Cisco等公司。
3.3千兆以太网的主要特点
3.3.1简易性；千兆以太网继承了以太网、快速以太网的简易性，因此其技术原理、安装实施和管理维护都很简单。
3.3.2扩展性；由于千兆以太网采用了以太网、快速以太网的基本技术，因此由10Base-T、100Base-T升级到千兆以太网非常容易。
3.3.3可靠性；由于千兆以太网保持了以太网、快速以太网的安装维护方法，采用星型网络结构，因此网络具有很高的可靠性。
3.3.4经济性；由于千兆以太网是10Base-T和100Base-T的继承和发展，一方面降低了研究成本，另一方面由于10Base-T和100Base-T的广泛应用，作为其升级产品，千兆以太网的大量应用只是时间问题，为了争夺千兆以太网这个巨大市场，几乎所有著名网络公司都生产千兆以太网产品，因此其价格将会逐月下降。千兆以太网与ATM等宽带网络技术相比，其价格优势非常明显。
3.3.5可管理维护性；千兆以太网采用基于简单网络管理协议（SNMP）和远程网络监视（RMON）等网络管理技术，许多厂商开发了大量的网络管理软件，使千兆以太网的集中管理和维护非常简便。
3.3.6广泛应用性；千兆以太网为局域主干网和城域主干网（借助单模光纤和光收发器）提供了一种高性能价格比的宽带传输交换平台，使得许多宽带应用能施展其魅力。例如在千兆以太网上开展视频点播业务和虚拟电子商务等。
4.以太网接入中的主要技术问题
以太网接入的网络结构可以有多种形式，边缘接入设备可看作"L2+"，即传统二层交换机的改进；以太网接入网关可看作"L3+"，即传统三层设备(路由器或三层交换机)的改进。由于以太网接入是一种新技术、新应用，相关标准尚不完全成熟；相应地，适合这种应用的设备还不多，在功能、性能方面仍不够完善。目前，不少制造商、运营商等都在进行这方面的研究。
由于以太网从本质上说仍是一种局域网技术，采用这种技术提供公用电信网的接入，建设可运营、可管理的宽带接入网络，需要妥善解决以下一系列的技术问题。
4.1认证计费
以太网作为一种局域网技术，没有认证、计费等机制，但要利用这种技术作为可运营、可管理的用户接入方式，必须考虑用户认证授权计费(AAA)。AAA一般包括用户终端、AAA Client、AAA Server和计费软件四个环节。AAA Client与AAA Server之间的通信采用RADIUS协议。AAA Server和计费软件之间的通信为内部协议。计费上可根据经营方式的需要，考虑按时长、流量、次数、应用、带宽等多种方式。
用户终端与AAA Client之间的通信方式通常称为"认证方式"，目前的主要技术有以下三种：PPPoE、DHCP+WEB、IEEE802.1x。PPPoE方式的标准、设备成熟；承载数据与认证数据都需通过PPPoE封装，对用户控制能力强，但网络性能和设备处理效率低，容易形成流量瓶颈；设备价格高。DHCP+WEB方式无特殊封装，认证通过后承载数据可直接转发，网络性能和设备处理效率较高，但对用户控制能力相对较弱；不论是否通过认证，均占用IP地址；另外，认证层次过高会影响认证效率，也会对某些网络资源的安全性带来一定隐患。近来IEEE 802.1x技术发展很快，这种方式中承载数据通道与认证通道分开，网络性能和设备处理效率较高；认证通过后分配IP地址；认证效率较高；更重要的是，它基于以太网内核，实现比较简单，与以太网设备能够很好融合，设备成本低。总之，三种方式各有特点，应根据具体应用情况合理选择。
4.2用户和网络安全
用户和网络安全对于整个电信网、特别是数据通信网来说都是一个重大课题，在以太网接入网络中，主要体现在用户通信信息的保密、用户帐号和密码的安全、用户IP地址防盗用、重要网络设备(如DHCP服务器)的安全等方面。
以太网技术用于企业内部时，不同用户之间需要互传信息，反映在设备上，传统的二层以太网交换机中，单播帧和广播帧在不同端口间是能够互通的。当以太网技术用于提供公用电信网的接入时，由于不同用户间互不信任的关系，必须实现用户之间的二层隔离和三层受控互通。这就要求以太网交换机实现端口隔离，目前的主要方法有划分基于802.1q的VLAN，采用端口隔离的芯片，或通过其它私有技术实现(如利用仅在本交换机上有效的VLAN或其它设置达到端口隔离的目的，但不改变802.1q的VLAN标记)。
用户帐号和密码的安全依靠相应信息的加密传送实现。用户IP地址防盗用可通过绑定机制实现，例如IP地址与MAC地址、用户端口的绑定。对于DHCP服务器的安全，应防止用户通过改变MAC地址申请IP地址而耗尽地址资源。
4.3服务质量控制
在服务质量(QoS)方面，以太网技术只有流量控制、CoS(802.1p)等比较简单的机制。为提高服务质量，一方面，应保证网络上足够的带宽，另一方面，可借鉴Diffserv的一些方法，如整形(shaping)、管制(policing)、分类、队列调度(如采用WFQ等算法)、拥塞控制(如采用WRED等算法)等。如何通过以太网技术保证服务质量是一个比较复杂的问题，还需要进一步研究，目前这方面的基本要求是能够对用户的最高接入带宽进行限制。
4.4网络管理
由于传统的以太网主要用于企业内部，因此以太网交换机的网管功能一般较弱。为了满足电信网络运行、维护、管理的需要，应当对设备的网管功能提出比较全面的要求。当前，以太网接入网络中的设备应支持基于SNMPv2的网元级管理。
5.千兆以太网铜缆布线系统
千兆位以太网是第一个千兆位应用，它被基于结构化布线系统的网络所采用。由于带宽的需求继续在布线系统期望的使用期内，超过千兆位的应用也将出现。从10Mbps或100Mbps以太网向千兆以太网的迁移经常被视为一次需要从铜线电缆向光缆的费用昂贵的升级。实际上情况并不一定如此，目前在企业中铜缆主要是支持快速以太网，同时这些现有的5类电缆也可以为千兆以太网提供可靠的支持。
IEEE 1000Base-T规范支持将5类或增强5类电缆成功的用于千兆位传输。在现有线缆上实现从100Mbps到千兆位的跳跃是通过几种信令的变化完成的，这些信令进一步利用了已经安装在多数企业网络中的电缆。
5类电缆一般为非屏蔽双绞线，它包含四对双绞线。快速以太网(100Base-T)和10Base-T只使用这些双绞线中的两对双绞线，留下了两对双绞线未使用。千兆以太网(1000Base-T)则使用所有这四对双绞线。
与全双工快速以太网相似，1000Base-T发送和接收信号同时进行。不同之处是1000Base-T使用四对发送/接收双绞线，每对双绞线以250Mbps的速率运行。
在某些方面，5类电缆上运行千兆以太网比10/100Mbps以太网布线更容易。1000Base-T规范具有包括自动交叉电缆连接在内的链路自动协商的特性。自动协商成功地实现了1000Base-T网卡、集线器、交换机或其他一些在端口初始化后可以以半双工运行的设备之间的电缆连接。
许多1000Base-T接口中内置的智能性还能够协商正确的速度。千兆位端口将以最高的共同速度运行，从而防止对两方设备接口中的任何一个接口造成损坏。在服务器上以及网络中相关设备上使用1000Base-T网卡使用户可以在提供有效的高速连接的同时，继续使用5类电缆基础设施。
当以前从10Mbps向100Mbps迁移时，尽管意味着向更高质量的电缆的升级,但仍看起来像个奇迹。而今天从100Mbps向千兆数据传输速率迁移更是非同寻常，同时传送和接收、改进了的数据编码方式以及非凡的过滤技术使得这种迁移成为可能。更令人感到惊奇的是今天将传输速度提高十倍，并利用现有电缆技术得以实现的这一事实。增强型5类电缆和仍未确定的6类电缆保证了千兆信号质量的进一步改善。
向10千兆位以太网的迁移出于多种理由将需要光纤。首先,光技术已经得到证明可以超越10Gbps。第二,密集波 分复用光纤中的光技术的进步使数据速率的大幅提高超越目前使用中的速度成为可能。第三,今天光部件的价格具有了与铜缆的竞争力。第四,长距离传输对于运行在1Gbps上的光纤和铜线都是个问题,1000Base-T规范只支持100米的距离。现在正在制定10Gbps标准的IEEE委员会预期多模光纤上的10Gbps通信距离仅限制在85米。随着网络带宽不断增长,向光缆的迁移是不可避免的。但是,在今后几年中,将现有5类电缆用于千兆以太网将成为满足许多企业计算需要的，且可行的替代办法。
6.千兆以太网光缆布线系统
比起50微米光纤，62.5微米光纤已得到世界标准和用户的青睐，并在世界市场上取得了优势。这一优势取决于坚实的技术原因，此种光纤最适合于间距2公里范围之内的数据通信，它与低成本LED发射器相匹配。62.5微米光纤通过从LED光源上聚集更多的光，并降低折射引起的光能损耗，因此取得了更长的链接。但是，LED已经不能满足更高的数据传输速率的要求，并且低成本的LD激光器和VCSEL(垂直孔表面发射激光器)的数据传输率高于622Mbps。这些低成本激光器将用于千兆位以太网和应用于更高的数据传输率。
由于这些新的激光源产生的光能很好地与62.5微米和50微米光纤相匹配，所以光纤的模带宽现在成为了确定可传输最大距离的决定因素。62.5和50微米光纤的主模带宽标准在千兆位以太网标准草案中得到确认，鉴于千兆位以太网的标准，50微米光纤的支持者认为，在较高带宽和较长距离条件下，比起62.5微米光纤,50微米光纤是一个更好的长期解决办法。所以用户对他们现有的光纤安装以及再安装光纤主干的潜在需要感到担心，但是,这种观点势必导致只重视千兆位以太网的发展,而忽略了这样一个事实,即结构化布线既要保证向下的兼容性，又要考虑到未来十几到二十几年应用系统发展的需要。
布线安装应在可能的地方允许发展1000BASE-SX,因为它比1000BASE-LX便宜得多，但是必须密切重视现有的应用以及未来数据传输率的提高。下列情况必须予以考虑:
6.1 如果大楼内或校园主干网距离小于220米，160MHz/km的62.5微米光纤,可支持1000BASE-SX。
6.2 增强的200MHz/km的62.5微米光纤对千兆位以太网的支持至少达到275米。关于中心光纤结构的TIA技术通告(TSB-72)和目前向ISO 11801提议的中心光纤布线等级规定了300米的距离，一份关于美国公司的布线调查提出，92%的建筑物范围内的主干网距离小于550米。如果已经完成布线，而且布线距离超过62.5微米光纤支持的1000BASE-SX所规定的距离，考虑到成本核算的因素，可以选择62.5微米光纤支持的1000BASE-LX的电子设备。
6.3.对于新的布线安装，在采用50微米光纤时必须考虑因素有：与已安装的62.5微米光纤不兼容；使用LED光源的传统局域网的配置会导致2-5dB的衰减，以及对最大支持传输距离的影响；对某些应用不支持，如FDDI、100VG-AnyLAN和光纤通道的某些形式；与TIA/EIA 568A相矛盾；市场占有份额小；供应商少等等。
另外，安装50微米光纤用于支持275到550米间的距离是不必要的。2.5Gbps的ATM需要使用单模光纤，而不是多模光纤。一般说来,长距离的网络传输必须考虑使用单模光纤,因为它是千兆位以太网距离大于550米情况下的首要选择，在校园主干网上可以看到这种使用，从长远来看，单模光纤将极有可能成为2.5Gbps ATM以及更高速率网络布线的前提。
在主干网或服务器的连接上使用62.5微米多模光纤，并结合使用更优秀的单模光纤，是支持当今先进的网络应用的最经济合算的方式，而且为将来更高速度的局域网和宽带视频提供保证。
以上建议必须考虑到每个用户的使用情况以及规划基础。对于是选择单模光纤还是选择62.5微米多模光纤，这取决于对超过多模光纤支持能力的应用需求的预测，30%的单模应用比例对大多数采用千兆位以太网的用户是足够了。在资金充裕的条件下，采用更高比例的单模光纤，从长远来看将是合算的。
摘自 光纤新闻网
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