面向企业的万兆以太网交换技术概述和应用

技术上的重要进展，以及价格、性能的大幅改进，使得万兆以太网不仅被部署到数据中心，还开始被应用于园区网络。随着带宽需求的增长，以及企业应用总数的增加（详见本文所要介绍的示例），万兆以太网的部署范围正在加速扩大。简介自从IEEE 802.3ae标准于2002年中获得批准以来，万兆以太网端口的售货量已经从每季度几百个端口增加到了每季度几万个端口。万兆以太网的部署量之所以会出现如此快速的增长，主要源自于下列因素：· 万兆以太网每端口价格的大幅降低目前，万兆以太网的价格还不到2002年中时的五分之一。因此，在智能模块化交换机中，万兆以太网目前的性价比（包括光纤成本）已经与基于光纤的千兆以太网相差无几。· 新型光纤扩大了万兆以太网的部署范围目前，新型光纤的出现让万兆以太网可以部署到从数据中心到配线间的任何环境之中，而且可以延用现有的光纤布线。· 带宽持续增长首先，千兆以太网到桌面的部署量已经在2004年底之 前达到了每季度数百万个端口。如此广泛的部署大大提高了网络其他部分的超额使用率。万兆以太网有助于将超额使用率降低到了网络设计最佳实践所要求的水平。 其次，服务器适配器和PIC总线技术的发展使得服务器能够生成超过7Gbps的流量，这提高了为服务器使用万兆以太网连接的需求。最后，新型应用在企业园 区、数据中心内部和数据中心之间，都催生了对于万兆以太网性能的要求。以下章节将会详细介绍这些应用。以上因素预计将会继续推动万兆以太网市场的发展。根据DellOro Group的预测，这个市场将会从2004年的3.85亿美元，增长到2009年的29亿美元。本文将介绍万兆以太网与企业网络相关的技术和应用。针对电信运营商的万兆以太网技术和应用（例如WAN PHY和接入点POP内部互联等）不属于本文的讨论范围。技术概述MAC层属性因为万兆以太网仍然属于以太网，所以它可以充分利用经过多年发展的以太网技术，简化向这种更高速技术的迁移过程。与此前的快速以太网和千 兆以太网一样，万兆以太网采用了IEEE 802.3 以太网MAC协议、以太网帧格式和帧尺寸。它支持标准的以太网服务，例如802.3ad链路汇聚，最多可以将8个万兆以太网链路汇聚到一个虚拟的 80Gbps连接上。因为万兆以太网也是全双工的点对点技术，它可以在不导致数据包冲突的情况下，同时支持来自于链路两端的流量。因此，它不存在固有的距 离限制。最大链路距离取决于传输机制和传输介质光纤，而不取决于以太网冲突域的范围大小。物理层属性通用接口的命名规范和工作范围在某种新型以太网技术面世时，人们首先提出的问题之一就是：“它能传输多远的距离？”与以前的以太网技术一样，万兆以太网的传输距离取决于用户所使用的物 理接口类型。由于目前存在多种可供选择的万兆以太网接口，所以人们需要一种统一的命名规范来区分不同的光纤接口、光纤类型和传输距离（参见表1）。万兆以太网的物理层接口通常使用下列命名规范：· 前缀 = “10GBASE-” = 10Gbps基带通信· 首个后缀 = 介质类型或者波长（如果介质类型是光纤的话）· 第二个后缀 = PHY编码类型· 第三个后缀 = 宽波分复用（WWDM）波长或者XAUI通道个数表1. 万兆以太网的常用物理接口命名规范前缀首个后缀 = 介质类型或者波长第二个后缀 = PHY编码类型第三个后缀 = WWDM波长或者XAUI通道个数10GBASE-示例： C = 铜缆 (双轴) S = 短 (850 nm) L = 长 (1310 nm) E = 加长(1550 nm) Z = 超远加长(1550 nm)示例： R = LAN PHY (64B/66B) X = LAN PHY (8B/10B)  W = WAN PHY (64B/66B)示例： 如果省略，缺省值 = 1 (串行) 4 = 4 个WWDM 波长或者4个XAUI通道  例如，10GBASE-LX4光传输模块使用一个1310纳米（nm）的激光束，LAN PHY（8B/10B）编码，4个WWDM波长。10GBASE-SR光传输模块使用一个串行850nm的激光束，LAN PHY （64B/66B）编码，1个波长。IEEE 802.3an任务组计划在2006年的稍晚些时候，确定基于双绞线铜缆的万兆以太网（10GBASE-T）的标准。表2汇总了可在企业环境中使用的万兆以太网接口所支持的传输范围和介质类型。表2. 万兆以太网的传输范围10GE物理接口 典型部署 基于下列介质的传输范围 62.5微米多模光纤（FDDI等级） 50微米多模光纤（MMF） 10微米单模光纤（SMF） 双轴铜缆 10GBASE-CX4数据中心 15米 10GBASE-SR数据中心 26米33米 66米300米 10GBASE-LX4园区或者数据中心 300米 240米300米 10GBASE-LR园区或者城域 10公里 10GBASE-ER城域 40公里 10GBASE-ZR城域或者长距离 80公里 DWDM城域或者长距离 80公里32个基于单束SMF的波长 在现有的从园区分发层到配线间的光纤布线中，有超过75%都是FDDI级别的（62.5微米）多模光纤（MMF）。距离要求通常超过100米（m）。因此，要在现有的FDDI级别MMF上为配线间部署万兆以太网，通常需要使用10GBASE-LX4光传输模块。外型万兆以太网可插拔接口具有多种外型，例如XENPAK、X2和XFP。从部署的角度而言，这些外型之间的主要区别在于：1）某个指定外型 所支持的万兆以太网物理接口的宽度；2）物理尺寸。例如，由于空间限制，XFP外型目前并不支持10GBASE-LX4和10BASE-CX4光传输模 块。只要链路两端的万兆以太网物理接口类型（例如10GBASE-LX4或者10GBASE-SR）相同，不同类型的接口就能在光传输方面进行交互操作。万兆以太网相对于汇总多条千兆以太网链路的优势很多网络管理人员都在考虑，是应当汇聚多条千兆以太网链路，还是部署一个万兆以太网链路。与过去一样，这两种方式都各有利弊，需要根据实际情况选择合适的方式。但是，与汇聚多条千兆以太网链路相比，万兆以太网可以提供一些重要的优势：· 减少光纤使用量一条万兆以太网链路所使用的光纤束少于千兆以太网汇聚方式。后者需要为每条千兆以太网链路使用一个光纤束。万兆以太网的这种优势可以降低数据中心的布线复杂度。对于那些可能因为成本原因而无法铺设更多光纤的园区环境，万兆以太网能够更加有效地使用现有的光纤布线。· 为大型数据流提供更加有力的支持由于终端设备的数据包排序要求，汇聚的千兆以太网链路所能支持的链路可能只限于1Gbps的数据流。相比之下，由于单个万兆以太网链路具有更高的容量，所以万兆以太网能够更加有效地支持那些会产生多Gb数据流的应用。· 更久的部署使用寿命万兆以太网能够提供高于多个千兆以太网链路的可扩展性，延长部署的使用寿命。最多可以将8个万兆以太网链路汇总到一个虚拟的80Gbps连接。万兆以太网的企业应用场景如前所述，万兆以太网现在可以部署在从数据中心到配线间上行链路的已有光纤布线之上（如图1所示）。随着终端设备连接带宽的增加，万兆以 太网部署还可以继续拓展到网络核心之外，从而提升网络的可扩展性。例如，千兆以太网到桌面的部署量已经在2004年底之前达到了每季度数百万个端口。如此 广泛的部署大大提高了配线间上行链路的超额使用率，尤其是考虑到超过90%的配线间流量都会以由北往南的方式流经上行链路。图2显示了一个典型的高密度园区配线间的发展历程。在20世纪90年代后期，常见的做法是为桌面部署10/100以太网，再配以冗余千兆 以太网上行链路。如果每台交换机连接了192个用户，那么超额使用率就约为19:1。根据标准网络设计最佳实践的要求，配线间带宽超额使用率应该介于 15:1到20:1之间，因此这种做法没有超出规定的范围。但是，随着千兆以太网到桌面近些年来的日益普及，这些超额使用率迅速地攀升到了48:1，甚至 96:1。即使配线间上行链路已经增加到两个或者四个千兆以太网通道，情况也没有得到改观。通过为当前的交换解决方案部署万兆以太网上行链路，有助于将配 线间的超额使用率恢复到网络设计最佳实践所要求的范围之内，并可以根据未来的需要进一步扩展带宽容量。图1. 整个企业的万兆以太网部署图2. 通过万兆以太网扩展配线间的上行链路桌面应用覆盖整个企业的万兆以太网部署可以支持不断增多的桌面应用。这些应用大大提升了企业对于带宽的需求，其中包括：· 总桌面数据负荷由于桌面负荷的不断增长（如图3所示）和新型应用对于更高带宽的要 求，每个桌面的总带宽需求也在持续增加。例如，由于越来越多的员工依赖于最新的PC数据，PC备份应用显得尤为重要。通过自动而不是由用户执行备 份任务，可以减少数据丢失，提高备份频率。对一个企业中的所有桌面进行频繁的PC备份会给网络带来沉重的负担，尤其是考虑到文件尺寸不断增长（例如 Microsoft Outlook数据文件和PowerPoint演示）所带来的影响。另外，企业正在从传统的客户端/服务器应用（即在每个桌面上使用臃肿的、专用的客户 端）转向基于Web的应用（即在每个桌面上使用简便的标准浏览器），以利用Web技术在运营、开发方面所具备的成本节约优势。但是，与专用客户端相比，浏 览器需要更多地与服务器进行通信，才能获得信息并执行处理任务，进而导致了更高的带宽使用量。图3. 不断增长的桌面工作负载来源：Intel 工作负载预测· IP视频应用很多企业都在部署高带宽的IP视频应用，以提高工作效 率和降低运营成本。例如，在线学习让员工能够以较低的成本全天候地访问重要的培训信息，获得及时的销售培训、关于如何提供某项服务的快速培训以及课程、技 能和法规培训等，从而提高员工的工作效率。企业和管理层IP视频通信有助于加强企业员工对于业务目标的共识，提升员工士气。这也是在跨国企业内部促进交流 的一种极为有效的方法。IP视频监控解决方案则被用于提高安全可见度，加快存档资料的检索和分析速度。对于那些需要面对面交流，但是没有时间前往指定地点 的员工而言，IP视频会议可以在他们之间实现有效的协作。所有这些IP视频应用都能够产生多个高达数Gb的IP视频数据流，具体取决于企业希望获得的视频 质量。这无疑会占用大量的网络带宽。· 针对特定行业的应用很多行业都有一些需要大量带宽容量和高性能的定 制应用。无论这些应用采用的是群集方式，还是基于客户端服务器模式，万兆以太网都能够迅速地提升网络的性能。例如在医疗行业，数字成像应用（例如图像存 档系统PACS）通常被用于降低成本，减少获取、分析医疗图像（例如X光、MRI和CAT扫描）的延时，提高医护人员的工作效率。在媒体和广告行业， 数字视频应用可以帮助企业有效地制作视频片段，并在分散的团队之间编辑、评审这些视频。在制造行业，越来越多的大型CAD和CAM设计文件需要在身处不同 地点的团队成员之间分享。在金融行业，对于更有价值的、实时的金融信息的持续需求进一步提升了企业对于网络性能的需求。这些应用示例和其他一些桌面应用的不断发展，都推动了在企业网络中使用万兆以太网的强烈需求。存储网络