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1、千兆以太网基础知识一、千兆以太网产生背景各公司的网络管理员似乎都熟悉这样一种尴尬局面,那就是很多用户在他们面前不断抱怨着漫 长的网络响应时间。通过性能分析工具来监测服务器的运行状况,结果表明应用服务器的处理能力 没有问题,CPU性能也只发挥了一半儿,但是用户请求就是得不到及时响应,而经过长期观察却发 现服务器的百兆网卡早已经带宽饱和;当使用网络管理软件查找网络拥塞原因时,发现原本畅通无 阻的交换机百兆上行链路已经是“包”满为患。越来越多的抱怨迫使着网络管理员考虑转向千兆以太 网,以便解决服务器瓶颈问题和网络中链路交汇点的拥塞问题。随着高性能PC机和服务器的不断涌现、互联网的发展、高带宽占用率的
2、应用系统不断出现、 新数据类型的不断增加(如VoIP、多媒体文件等),从传统以太网向快速以太网和千兆以太网的迁 移动力就越来越强劲。向千兆以太网迁移的动力主要来自4个方面:第一,网络用户数量不断增加,桌面用户在向100Mbps迁移。互联网上商业机会和娱乐内容不 断增多,越来越多的新用户加入到现有网络之中。同时,使用新型PC机的用户普遍拥有10/100Mbps 自适应网卡,尤其是使用带宽敏感型应用的用户,他们越来越多地采用100Mbps的网络接入方式。 客户端数量的快速增加和客户端带宽的成倍扩展直接导致了链路交汇点的数据拥塞。第二,服务器网络接口的瓶颈问题日益严重。企业对电子商务、数据仓库等大型
3、应用程序的需 求不断增加。当前的服务器和存储设备也具有空前的数据处理和传输能力,高速的PCI-X总线也已 经在新一代服务器上出现,能提供千兆级别的理想数据连接。但是,这种巨大的吞吐能力需要网络 具有相同级别的传输能力,否则服务器的性能无法充分发挥。第三,网络应用模式正在改变。几年前,人们对网络的利用主要在于文件共享和打印机共享, 网络通讯80%发生在局域网的网段内部,只有20%通过网段的上行链路传输到广域网上。然而随着 互联网的发展和协同工作应用程序的增多,现在有50%的数据需要通过网段的上行链路进行传输, 因而必然导致上行链路的拥塞问题。第四,网络上传输的多媒体数据不断增加。图形、音频和视频
4、信息在接受的容易程度上远远超 过文字信息,因而正在被各个领域(商业、娱乐等)广泛采用。类似于视频点播和虚拟现实这类“带 宽杀手”姑且不论,人们已经越来越喜欢在电子邮件中插入图像文件、音乐文件甚至视频文件,而这 些文件动辄就有10MB以上的数据量。多媒体数据流对网络带宽提出严峻挑战。二、千兆以太网技术原理2.1 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。lOBaseT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,lOB
5、aseFL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,lOBaseFL最大的覆盖距离为2km, lOBaseT在一个网段内的最大覆盖距 离为100mo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。lOOBaseTX是运行于5类双绞线上的快速以太网, lOOBaseFX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
6、,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WOBasFXSMF的全双工快速以太网最大覆盖距离可达20km以上。2.2 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 lOOOMbPs。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
7、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。可以预见随着价格的下跌,千兆以太网会象 快速以太网一样普及。千兆以太网分解25*3 公里以, (3TO550t)图2千兆以太网的功能要素2.2.1 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
8、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:帧扩展和帧突发。(I)帧扩展技术在100Mbps快速以太网内容中,仍旧使用64字节为最小帧长度的标准,与lOMbp以太网不同 的是,碰撞域范围大大缩小。快速以太网使用光纤半双工模式在无中继器情况下跨距只有412m。即 在最小帧长度不变情况下,碰撞域范围随着媒体传输率的增加会缩小。当传输率达到IGbps时,同 样的最小帧长度标准,则半双工模式下的网络系统跨距要缩小到无法实用的地步。为此,在IGbps 以太网上采用了帧的扩展技术,目的是为了在半双工模式下扩展碰撞域,达到增长跨距的目的。帧扩展技术是在不改变
9、802.3标准所规定的最小帧长度情况下提出一种解决办法。把帧一直扩 展到512字节,即若形成的帧小于512字节,则在发送时要在帧的后面添上扩展位,达到512字节 发送到媒体上去。扩展位是一种非“0”、“1”数值的符号,若形成的帧已大于或等于512字节,则 发送时不必添加扩展位。这种解决办法使得在媒体上传输的帧长度最短不会小于512字节,在半双 工模式下大大扩展了碰撞域,媒体的跨距可延伸得较长,显然,在全双工模式下,由于不受CSMA/CD 约束,无碰撞域概念,因此在全双工模式下,在媒体上的帧不必要扩展到512字节。(2)帧突发技术上述帧扩展技术,如果处在大量短帧传输的应用环境中,就会造成系统带宽
10、的浪费,大大降低 了半双工模式下的传输性能。要解决传输性能下降的问题,802.3Z标准中定义了一种“帧突发(Frame Bursting)v技术。帧突发在千兆位以太网上是一种可选功能,它使一个站(特别是服务器)一次能连续发送多个 帧。当一个站点需要发送和多短帧时,该站点先试图发送第一帧,该帧可能是附加了扩展位的帧。 一旦第一个帧发送成功,则具有帧突发功能的该站点就能够继续发送其他帧,直到帧突发的总长度 达到1500字节为止。为了使得在帧突发过程中,媒体始终处在“忙状态”,必须在帧间的间隙时间 中,发送站发送非数值符号,以避免其他站点在帧间隙时间中占领媒体而中断本站的帧突 发过程。帧突发过程中只
11、有第一个帧在试图发出可能会遇到媒体忙或产生碰撞,在第一个帧以后的成组 帧的发送过程中再也不可能产生碰撞,以“帧起始限制(Frame Start Limit)”参数控制成组帧的发送 的长度。该长度必须不超过1500字节。如果第一个帧恰恰是一个最长帧,即1518字节,则标准规 定帧突发过程的总长度限制在3000字节范围内。只有半双工模式才可能选择帧突发过程以弥补大量发送短帧时系统效率的急剧降低。当采用全 双工模式时,就不存在帧突发的选择问题。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
12、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)没有帧扩展,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端口输出数据,那么将会在输出 端口产生拥塞,这时一些输入端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M
13、AC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。222千兆以太网物理层协议IEEE定义了儿种用于不同物理介质的千兆以太网接口,有lOOOBaseCX, lOOOBaseSX, 1000Base-LX, 1000Base-T,其中lOOOBaseCX是用于155。平衡同轴电缆上的接口,在实际中 没有真正的产品,lOOOBase-T是可用于5类或更高类别双绞线的接口,它的标准是IEEE802.
14、3ab, 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。lOOOBaseSX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。lOOOBase SX主要用于校园网和企业网骨干。lOOOBase 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lOOOBase - 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
15、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 lOOOBaseLX接口在实际测试中可以无中继的传输22km。2.3 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
16、长度而决 定。Jumbo Frame这是一种厂商标准的超长帧格式,专门为千兆以太网而设计,目前还没有获得IEEE标准委员 会的认可。以太网标准的最大帧长度为1518字节,而Jumbo Frame的长度各厂商有所不同,从9000 字节64000字节不等。采用Jumbo Frame能够令千兆以太网性能充分发挥,使数据传输效率提高 50%100%。在网络存储的应用环境中,Junib。Frame更具有非同寻常的意义。Jumbo Frame需要在相互通讯的2个通讯端口(交换机端口或网卡端口)上同时支持,而且与以 前的以太网产品不兼容,因此主要会应用于千兆主干的端口之间以及服务器端口接入到网络主干的 链路
17、。交换机把Jumbo Frame格式的数据转发向不兼容Jumbo Frame的端口时应进行帧格式的转换, 即把Jumb。Frame帧格式的数据转换成标准以太网的帧格式,从而保证其正常工作。相反,从不兼 容Jumbo Frame的端口向支持Jumbo Frame的端口转发数据时,交换机可以把多个标准以太网帧合 并成超长Jumbo Frame帧,从而提高传输效率。由于Jumbo Frame没有成为国际标准,目前只有部分厂商支持这种帧格式。不过随着以太网向千 兆、万兆的发展,必然要诞生1种超长帧格式,SJfU Jumbo Frame从厂商标准转变为国际标准的可 能性非常大。2.4 千兆以太网可靠性从
18、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。TP-Link千兆以太网卡性能介绍TG-6421千兆网卡采用
19、分离的PHY芯片和MAC芯片,使之具备更为卓越的性能。支持10BASET, 100BASE-TX, 1000BASE-T工作模式,提供业界领先的1000兆的网络速率。支持VLAN标记以太网帧。 32位或64位Bus Master模式,传输数据无需占用CPU时间,可以不通过CPU直接与内存进行数据 交换,从而减轻主机负载。采用RJ45双绞线接入实现方便、快捷、简单、可靠的连接,其网卡性能 优异,具有优良的性价比,是千兆网解决方案的最佳产品。主要特性: 支持高性能、低处理器占用的32/64bit、33/66MHz的PCI数据总线 完全遵循 IEEE802.1P, IEEE802. IQ, IEEE
20、802. 3 10Base-T, IEEE802. 3u 100Base-Tx, IEEE802. 3z 1000Base-T 标准 支持全双工工作方式,支持IEEE802.3x全双工流控,最大速率达2000Mbps 支持10/100/1000Mbps三种网络速度 千兆时支持半双工的载波扩展及帧突发 支持千兆时超长帧的传送与接收 兼容 PCI 2. 1、PCI2.2 标准 一个STP/UTP连接头 支持Auto-Negotiation技术,自动侦测全双工/半双工方式,自动匹配网络速度 自动设置IRQ和1/0端口地址 包含两个大容量独立的收发FIFO缓冲区 包含一个可编程模块,支持PCI突发包模
21、式 利用外部的PCI时钟源和计时器中断,支持32/64位多用途计时器 灯提示网络工作状况 允许远程唤醒 支持 NetWare 4. 2 和 5. 1 的 0DI 驱动程序,Microsoft Windows 98 Windows 98SE Windows2000 Windows NT、Linux 等等技术指标网络标准IEEE802. IP, IEEE802. IQ, IEEE802. 3 10Base-T, IEEE802. 3u 100Base-Tx,IEEE802. 3z 1000Base-T访问协议CSMA/CD总线32/64bit、33/64MHz PCI 总线端口1 个 10M/100M/1000M 自适应 RJ-45 接口状态指示灯1个10M Link指示灯;1个100M Link指示灯;1个1000M Link指不灯; 个 全双工指示灯物理介质类型 1OBASE-T 3类或3类以上UTP线(最大传输距离:100米) 100BASE-TX 5类UTP线(最大传输距离:100米)1000BASE-T 5类UTP线(建议使用超5类线览,最大传输距离:100米)驱动程序 支持NetWare 4. 2和5. 1的0DI驱动程序 Microsoft Windows 98、 Windows 98SE Windows 2000 Windows NT Linux
限制150内