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千兆以太网和千兆路由交换机技术（毛俊）<1>
摘要：本文第一部分详细介绍千兆以大网的技术原理，并重点讨论千兆以太网的效率和可
靠性问题。作为实现千兆以太网技术的产品，本文第二期分详细介绍千兆法由交换机的系统结
构，重点讨论在千兆路由交换机中线速和无阻塞的概念。最后针对广电视实的建网需求，提出
在路由交换机造型时的五个主要标准。
1千兆以太网技术原理
1.1早期以太网技术
以太网：IEEE802.3定义了10Mbps的以太网标准，采用载波监听和冲突检测（CSMA／CD）
协议，以半双工方式运行。从80年代末开始以太网取得了巨大的成功。10BaseT是运行在3类或
更高类别的双绞线上的以太网，10Base2／5是运行在同轴电缆上的以太网，10BaseFL是运行在
光纤上的以太网。由于冲突检测的协议要求一个512位的时间槽保证无错误的检测到冲突，所以
以太网的距离覆盖范围受到了限制，10BaseFL最大的覆盖距离为2km，10BaseT在一个网段内的
最大覆盖距离为100m。
快速以太网：IEEE802.3u定义了100Mbps的快速以太网标准，它可以用半双工的方式运行
CSMA／CD协议，也可以有全双工的方式。由于快速以太网对以太网的后向兼容性，在90年代的
中后期，快速以太网成为局域网中的主流技术。100BaseTX是运行于5类双绞线上的快速以太网，
100BaseFX是运行于光纤上的快速以太网。对于以半双工方式运行的快速以太网，同样也有距离
覆盖范围的限制，并且由于快速以太网以100Mbps的速率运行，时间槽长度同样是512位，所以
它的最大距离覆盖范围是以太网的1／10，为200m。但是对于全双工方式运行的快速以太网，
在理论上就不再有距离的限制，而实际受限于电或光信号的衰减。如实际中运行在单模光纤上
的100BasFX SMF的全双工快速以太网最大覆盖距离可达20km以上。
1.2千兆以太网协议
1998年6月在千兆以太网联盟的推动下IEEE正式发布了千兆以太网标准IEEE 802.3。把以
太网的速率提高到了1000MbPs。而在此之前的1997年，就已经有很多的厂商迫不及待地推出了
千兆以太网的产品，结网络界带来了全新的解决方案。到了现在的2000年，我们已经可以很清
晰地看到，不仅以太网和快速以太网在桌面和工作组级网络中打败了ATM，在城域网中，千兆
以太网也凭借其良好的兼容性和优异的性价比占据了绝对的上风。可以预见未来随着价格的下
跌，千兆以太网会象快速以太网一样普及。
1.2.1 半双工千兆以太网 MAC层协议
对于快速以太网来说，512位的时间槽内电波或光可以传输400m远，如果在千兆以太网中，
512位的时间槽内电波或光的传输距离则只有40m远，采用星型拓扑结构的半双工千兆以太网的
覆盖半径只有20m。这样的距离覆盖范围在实际中无法得到大规模推广。为了解决这个问题，
IEEE对以太网的MAC层协议作了第一次重大修改：载波扩展和帧突发。
（1）载波扩展
为了使千兆以太网的距离覆盖范围达到实用标准，半双工千兆以太网时间槽长度扩展到了
4096位，这样半双工千兆以太网的距离覆盖范围扩展到了160m。为了兼容以太网和快速以太网
中的帧结构，半双工千兆以太网的最小帧长度仍需要保持为64byte。但考虑到时间槽长度为51
byte，为了能够匹配时间糟的长度，当某个DTE发送小于512byte帧时，半双 工千兆以太网MAC
将在正常发送数据之后发送一个载波扩展序列直到一个时间精结束。例如：某DTE发送一个64
byte帧，MAC将会在其后加入512-64＝448byte的载波扩展序列。如果DTE发送的帧长度大于512
byte，则MAC不做任何改变。
在载波扩展的情况下，解决了半双工千兆以太网距离覆盖范围的问题，但引入了一个新的
问题：对于长度较小的以太网帧的发送效率降低了。对于一个64byte的帧来说，尽管发送速度
较快速以太网增加了10倍，但发送时间增加了8倍。这样的效率并未比快速以太网提高多少，为
了解决半双工千兆以太网的效率问题，IEEE又引入了帧突发这种技术。
（2）帧突发
帧突发的工作方式如下：对于 DTE发送的第一个小于512byte的帧，依然使用载波扩展到
512byte，但随后发送的小于512byte的短帧不再使用载波扩展，而是加入96bit的帧间隔序列
后连续发送短帧，最长可以突发到65536位。这种做法可以成立的原因在于一个正确配置的网
络环境里，如果某个DTE开始发送数据后，其他 DTE都可以通过载波监听协议检测到其信号并
抑制本身的数据发射。使用了帧突发的半双工千兆以太网的效率得到了改善，当一个DTE连续
的突发64byte帧并突发持续65536位时，其效率约为72％。
1.2.2 全双工千兆以太网MAC层协议
在全双工千兆以太网中，由于每个千兆以太网DTE在通信时独占一个信道，因此不需要考
虑以太网的冲突问题。自然，全双工千兆以太网也不受时间槽长度的限制，从而也没有距离覆
盖范围的限制。
与半双工方式相比，全双工千兆以太网的MAC层的区别主要有以下几点：
（1）在接受活动中帧的发送不会被推迟
（2）全双工方式下的冲突指示将被忽略
（3）没有载波扩展，最小帧长度仍为64字节
（4）没有帧突发
在全双工交换式以太网中，如果多个输人端口同时向一个输出瑞口输出数据，那么将会在
输出端口产生拥塞，这时一些输入喘口发送的帧将会被丢弃。如果在以太网帧上承载的是TCP
／IP协议的数据包，那么TCP的传输机制会自动重发被丢弃的数据包，可以想象每个产生了丢
包的输入端口都将重新发包，引发新一轮的拥塞和丢包，结果是导致网络的吞吐率大幅下降。
为了避免丢包（丢帧）和重发现象的发生，IEEE在MAC层引入了802.3x流量控制协议来避免丢
包现象发生。
流量控制的原理是当交换机检测到发生拥塞的端口之后，就会向输入端口发送暂停帧，通
知其抑制发送的流量，最后达到消除拥塞。流量控制并不能提高整个交换机的数据吞吐能力，
但是避免了在交换机内的丢包现象。
1.2.3千兆以太网物理层协议
IEEE定义了几种用于不同物理介质的千兆以太网接口，有1000Base－CX，1000Base－SX，
1000Base－LX，1000Base－T，其中1000Base－CX是用于155Ω平衡同轴电缆上的接口，在实际
中没有真正的产品，1000Base－T是可用于5类或更高类别双绞线的接口，它的标准是IEEE802.3
ab，这一标准刚刚于1999年6月发布，现在市场中刚刚推出商用的产品。
1000Base—SX使用850nm波长激光的接口，只适用于多模光纤。 1000Base－LX使用1300nm
波长激光的接口，适用于单模和多模光纤。1000Base一SX主要用于校园网和企业网骨干。
1000Base一LX主要应用于城域网，现在城域网中另外一种应用较多的是1000Base一LH的长距离
千兆以太网光接口，一般使用1300nm或1550nm波长的激光，可达到50km以上甚至100km的无中
继传输距离。
需要特别指出的是，由于 IEEE给出的是最恶劣传输条件下的千兆以太网传输距离，在实
际应用中，各个厂商的产品的传输距离远远超过标准的规定，如阿尔卡特的PowerRail千兆路
由交换机的1000Base—LX接口在实际测试中可以无中继的传输 22km。
1.3千兆以太网效率
半双工以太网的效率问题一直是其弱点，在一个半双工以太网里的工作站（如计算机）数
增加到某一门限值后，尽管每个工作站是以 10Mbps速率发送数据，但由于冲突的增加，每
个工作站不得不等待很长时间后才有可能发送数据，因此每个工作站得到的平均可用带宽急剧
下降。在全双工的交换式以太网中，CSMA／CD协议中的CD冲突检测机制不再需要，每台工作站
可以得到独占的带宽。因此全双工交换式以太网的效率不再取决于网络内的工作站数，而是由
以太网帧的长度而决定。
1.4千兆以太网可靠性
从传统意义上，以太网被看作是一种局域网（LAN）技术，被大量的应用于企业网中，因
此以太网交换机和以太网的可靠性并没有被作为最关键的因素加以考虑。随着交换式全双工快
速以太网和千兆以太网的成熟，越来越多的运营商选择千兆以太网作为城域网MAN的首选技术，
这时千兆以太网的可靠性就成为运营商考虑的关键因素。
用千兆以太网实现一个可靠的城域网，现在有两种成熟的技术：
（1）千兆以太网端口聚合；
（2）千兆以太网1＋1备份。
如果千兆以太网被用于承载IP业务，在网络层IP这一层次，也可以采用环型或网状网拓扑
结构，使用IP路由协议来保证网络可靠性。
下面就这三种技术作一详细介绍。关于千兆路
由交换机的可靠性，请参见第二章。
1.4.1千兆以太网端口聚合（Port Trunking）
在千兆路由交换机中，可以将多个千兆以太网链路捆绑为一个虚拟的逻辑链路，以达到增
加带宽，可靠性的目的。这种技术叫做端口聚合（链路捆绑）。比较常见的是将四个千兆以太
网链路捆绑为一个链路，这时的带宽可达到单向4Gbps双向8Gbps。
在端口聚合中的多条千兆以太网键路可以实现负载分担，即使其中的一条链路的光纤出现
故障，逻辑链路仍会保持正常工作。端口聚会需要较多的光纤来构成，2个端口的端口聚合需
要4根光纤，3个端口的聚会需要6根光纤，4个端口的端口聚会需要8根光纤。
1.4.2千兆以太同1＋1备份
和很多ATM交换机里实现的ATM物理链路1+1备份相似，千兆以太网也可以实现1十1备份，即
在一个千兆路由交换机的接口模块上，对应于一个千兆以太网键路，实际用两个千兆以太网链
路来连接，一条千兆以太网链路作为主用键路，另一条则作为备用键路。当主用链路的光纤出
现故障时，千兆路由交换机可以在1ms的时间内把数据切换到备用键路的光纤上传输。
在这种1＋1备份方式下，需要用四根光纤来完成1GbPS的传输带宽。每一个千兆以太网链路
需要1发1收两根光纤。
1.4.3 用IP路由来保证城域网可靠性
如果是用千兆以太网来承载IP业务，那么就可以应用IP路由协议的收敛特性来保证城域网
可靠性。使用IP路由，网络拓扑可以比较灵活，可以是星型、环型、网状网，或是它们的混合。
这里顺带指出一点：如果没有使用IP路由，由于生成树协议（SPanning Tree）的作用，千兆以
太网即使在物理键路上构成了环型或网状网，在交换机的实际的以太网数据交换也无法构成环
状和网状网。而在环型和网状网的拓扑结构中，即使某条链路或某个网络节点故障，由于迂回
路由的存在，整个网络不会瘫痪。城域网中最典型的 IP路由协议是 OSPF，运行OSPF协议的路
由器利用Hello信息周期性传递路由器状态，当发现邻近节点故障后，路由器会重新计算路由，
自动找到可迂回的路由，保证网络恢复正常工作。这一过程被称之为路由的收敛。一般OSPF协
议的收敛时间大于10秒。与千兆以太网1＋1备份方式相比，OSPF协议从故障中恢复的时间要长
很多。
1.5千兆以太网和莫他承载IP的城域网技术比较
目前形式下，广电的宽带城域网承载的都是基于IP的业务，承载IP的平台主要有ATM、千兆
以太网、POS、DPT这四种技术。本文不做ATM和千兆以太网承载IP的比较，将会有另一文章专门
论述这一课题。 POS最初是用于广域网在SDH上承载IP的技术，也可以用于探光纤上在城域网使
用。DPT是 CISCO公司专有的城域网技术。
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