（计算机应用技术专业论文）ipv6万兆以太网在校园网中应用的研究.pdf

摘要 随着网络应用的发展以及各个高校规模的不断扩大，校园网拥有越来越 多的用户，承载着越来越多的业务，校园网简单的建设模式已不能满足学校 对网络的需求了。为了缓解以上压力，现有校园网络需改造成新型的校园网 络一一下一代校园网。下一代校园网( n g e n ) 是现有校园网络发展的必然 趋势，其核心是“业务驱动”，并且拥有高带宽和高存储量( 需要应用万兆 以太网) 、全设备应用、i p v 6 协议的应用、更多地关注运营管理、支持多业 务的运行。 本文通过分析下一代校园网络所具有的特征和现有校园网络中存在的 问题，探讨了下代校园网络中应用的新技术。并将千兆以太网与万兆以太 网、i p v 4 协议与i p v 6 协议作了详细比较，对下一代校园网络中应用到的万 兆以太网技术和i p v 6 协议作了深入全面的研究。分析了适应万兆以太网发 展的万兆交换机应该具备的新技术和使用i p v 6 协议路由器应具备的功能。 重点结合万兆以太网在校园网络中发展的现状，给出了千兆校园网升万兆校 园网的改造案例，详细分析了r p v 4 协议到i p v 6 协议过渡的多种策略，指出 了各自的优缺点，以此来研究校园网升级万兆以太网的改造问题。并对当前 常用的6 t 0 4 技术作了深入的研究。 文中给出的i p v 4 协议到i p v 6 协议过渡的策略及案例已初步应用到校园 网中，为当前校园网络的改造升级提供了一种良好的方法，但真正实现还需 要一个漫长地实验摸索过程，相信在不久的将在会在各个校园中应用。 关键字：下一代校园网万兆以太网l p v 6 协议 a b s t r a c t w i t l lt l l ed e v e l o p m e n to fn e t 、v o r k 印p l i c a t i o n 锄de a c h 删v e r s i t ys c a l e e x p a l l s i o n ，t l l ec 锄p u sn e th a v em o 陀a n dm o r el l s e r s ，c a 7 i n gm o r ea n dm o r e s e n r i c e s ，也es i n 巾kc o n s t 删o np a t t e mo fc 赳n p u sn c th 勰a l r e a d yn ol o l 培c r s u i t e dt ot l i em t 、o r kd e m a n d i no r d e rt 0a i l e v i a t ea b o v et l l ep r e s s u r e ，m e c a i i i p u s n e t 、阳r kn c e d st o p m m o t et on e wc a m p u sn e t w o r k t h en e x t g e n e r a t i o nc 锄p u sn e t w o r k ( n g e n ) t h en e x tg e n e r a t i o nc a f l l p u sn e 咖r k ( n g e n ) i st l l ei n e v i 诅b l e 仃e n do fm ec 啪p u sn e 咖r k ，i t sc o f ei s - t l l es e i c e a c t u a t i o n ”，柚dh 船t 1 1 eh i g hb 柚d 、v i d t l la 1 1 dt l l eh i 曲r e s e r v e s ( n c e d st 0a p p i y 1 0 g be t l l c m e t ) ，t h ee i n i 碍e q u i p m ta p p l i c a t i o n ，t h ei p v 6p r o t o c o la p p l i c 砒i ， m o mp a y 洫ga l t e 址i o nt ot l l e o p c r a t i o nm 髓a g e m t ，s u p p o r t i n g t l l em i l l t i - s e i c e sm o v e m e n t t h ep a p e rd i s c u s s e sn 把n e wt e c h n o l o g ya p p l i c a t e di nn g 6 nt h r o u g hm e a i l a l y s i so ft h ec h a 眦t e r i m c sn g e nh a sa n d 也eq u e s t i o nw h i c ht h ec a l r 甲u s n e t w o r kh a s a r l dc o m p a ”1 g be t 量l e m e ta 1 1 d1 0 g be t h e m e t ，t i l ei p v 4a n dm e i p v 6 1 0 g be t h e m e tt e c h n o i o g i e s 蚰dm ei p v 6i nn g e nh a v ed o n et l l et h o r o u g i l c o m p r e l l e n s i v er e s e 盯c h a n a l y z c dt h en e wt e c l l i l o l o g yo fl o g bs w i t c hi nt o 印p l i e dt ot h ed e v e l 叩m e n to flo g be t l l e m e t 如dt h em n c t i o nr o u t e rs h o u l dh a v e t oi p v 6 a c c o r d i n gt l l ec u n ts i t u 砒i o no f 廿1 e1 0 g be t l i e m e ti nt l l ec a m p u s n e t w o r k ，t 1 1 ep a p e rp r o d u c e st h ec 鹤et l l 砒1 0 be 出e m e tc a m p l l s e sn e tp r o m o t e s t o1 0 0 be m e m e tc 锄p u sn e t ，i n 也ea r t i c l eis t u d ym 触yk i n d so fs 臼呲e g i e so f 也ep m m a t i o n 也a tt h ei p v 4p r o m o t c st om ei p v 6 ，柚dr e f 酹t or e s p e c t i v e 嚣d a n d b a d p o i n t s ，i n o r d e r t os t l l d y t h ec a m p u s n e t t o p r o m o t e t o n g e n a n d d 0 血e t l l o m u g hr e s e a f c ht ot t l ec u r r e r l tc o m m o n l y 邺e d6 t 0 4t c c l l i l o l o g y t h ei p v 4t on l ci p v 6t 删略i t i o ns t r a t e g y 蚰d 坨c 船ep m d u c e di l lt l l ea m c l e h v eb na p p i i e di n i t i a i l yt ot l l ec a m p i l sn 吐锄dp r o v i d eo 舱9 0 0 d 眦t 1 1 0 df o r t l l ep r o m 州o no ft i 圮c u r r e n tc a m p 惦n e t w o r k b u tt l l e 协l e 1 1 i v e m e n tn e c d st o i t l l el o n gp r o c e s so fe x p e r 主m e m ，b e l i e v e 也en e wt e c h n o l o g i e s 、v i l ib ea b l et o b e e na p p l i e dt oe a c hc a m p u ss o o n k e y n g e n1 0 g be t h e m e t si p v 6 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 4 年1 2 月2 4 日，第二代中国教育和科研计算机网c e r n e t 2 在北京 正式开通。作为下一代互联网示范工程一一c n g i 核心网的主要组成部分， c e r n e t 2 的开通标志着我国的教育信息化走入了i p v 6 时代，下一代校园网 进入了我们的视野。 在核心技术推动和用户需求强力拉动两种力的作用下，新一代万兆以太 网应运而生并已经广泛应用于教育行业以及数据中心的出口、城域网的骨 干。目前，大量的网上应用和更多业务的开展对万兆以太网本身也产生了巨 大的推动作用，万兆以太网技术正在发生巨大而深刻的变化，万兆以太网已 经进入规模成熟应用阶段。 同时随着i n t e m e t 的日益膨胀，现有的i p v 4 地址已经十分紧缺，虽然使 用分配临时i p v 4 地址或网络地址翻译( n a t ) 等地址使用技术，在一定程度 上缓解了i p v 4 地址不足的状况，但同时也增加了地址解析和处理方面的开 销，导致某些高层应用失效，而且仍然无法回避i p v 4 地址即将被分配殆尽 这个问题。 经过多年的发展，尤其在各大高校开始扩招和合并之后，校园网拥有越 来越多的用户，承载着越来越多的业务，这种简单的建设模式不再适合校园 对网络的需求了。例如某高校，在对校园网进行改造前，网络带宽已经成为 制约校园网新兴业务开展的瓶颈，语音视讯等业务无法开展，安全和管理问 题也日渐突出。拥有同样困惑的很多高校们一直在苦苦寻找着这个问题的突 破口。 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 1 2 课题的意义 随着网络应用的发展以及各个高校规模的不断扩大，网络用户群数目不 断的增加，校园网的压力越来越大，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 网络带宽瓶颈随着校园网上信息资源的不断丰富、应用平台的 不断增加、用户数量的不断增大，原有的网络带宽已经不能满足信息流量增 长的需要。特别是随着多媒体网上教学、视频点播等应用的兴起，对网络带 宽的需求迅猛增加。网络带宽已经成为制约校园网新兴业务开展的瓶颈。 ( 2 ) 安全和管理问题学生用户的网络行为有别于其他网络用户，增 加了管理和安全方面的难度。例如，i p 盗用、私设网络服务、黑客行为、大 量p 2 p 应用( 如b t ) 等，令校园网管理人员防不胜防。 ( 3 ) 多业务需求许多新的教学科研项目的开展，需要校园网在多业 务性上予以支持。例如，对m p l sv p n 、i p v 6 的支持，更强大的o o s 保障， 更好的i pv p n 业务等。特别是随着c n g i 工程的开展，学校对i p v 6 实验网 的需要会逐渐增大，需要校园网对i p v 6 提供强有力的支持。 为了缓解以上的压力，现有校园网络需要改造成新型的校园网络。下一 代校园网( n g e n ) 是现有校园网络发展的必然趋势，已经距离我们不远了， 其核心是“业务驱动”，并且拥有高带宽和高存储量( 需要应用万兆以太网) 、 全设备应用、i p v 6 的应用、更多地关注运营管理、支持多业务的运行。这就 说明在下一代校园网中万兆以太网及i p v 6 技术必将作为核心的技术被使用。 虽然国内某些大学已经开始了千兆升万兆的校园网络的改造，并且处于 向i p v 6 的过渡阶段，但是万兆以太网跟i p v 6 协议对大部分的学校及单位还 不熟悉，为了紧跟信息时代的步伐，适应教育信息化的发展趋势，研究万兆 以太网和i p v 6 协议对将来校园网络的升级改造有着重要的现实意义。 1 3 本文所做的工作 本文在分析我国现在教育网发展情况以及校园网络中存在的多种问题 的基础上，提出了下一代校园网络是校园网络发展的必然趋势，万兆以太网 2 1 p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 及i p v 6 协议在下一代校园网络中的应用也将是不争的事实。文中深入的讲 解了万兆以太网技术、i p v 6 技术。并将i p v 4 和i p v 6 作比较，在最后给出某 高校千兆升万兆校园网的案例及从4 到i p v 6 过渡的多种策略，来研究现 有校园网千兆升万兆和i p v 4 过渡到i p v 6 的问题。 1 4 本文的组织结构 本文一共分为五个部分，第一章绪论；第二章校园网络的发展，介绍校 园网现状及下一代校园网络的特征；第三章网络新技术，分别介绍并比较了 千兆以太网与万兆以太网、i p v 4 协议和i p v 6 协议；第四章i p v 6 、万兆以太 网在校园网中的应用，给出了千兆升万兆校园网络的一个案例来研究现有高 校如何升级改造，并且给出了i p v 4 到i p v 6 的过渡策略及详细阐述了6 t 0 4 技 术。第五章总结与展望。 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 第二章校园网络的发展 2 1 校园网现状 第一代高校校园网起源于p c 的大规模的部署给高校用户带来的内部联 网的需求，10 ，1 0 0 m 以太网技术为分布的p c 提供了一个便利的联接通道， 资源共享是第一代网络的典型特征。2 0 0 0 年开始，1 0 0 0 m 以太网技术给高 校校园网的建设带来了新的生机，校园网发展到第二代，带宽的提高极大的 促进了应用的发展，多媒体教学、办公自动化、网络图书馆、流媒体下载等 应用的出现，网络已经成为高校教育的一个不可或缺的平台。然而应用复杂 度增加，也增加了管理的难度，同时不同应用需求对网络提出了非常苛刻的 要求，过去基于数据网络技术的校园网不能满足应用多元化的需求，目前校 园网络中具体存在的问题删有： 1 、网络带宽瓶颈问题：随着校园网上信息资源的不断丰富、应用平台 的不断增加、用户数量的不断增大，原有的网络带宽已经不能满足信息流量 增长的需要。特别是随着多媒体网上教学、视频点播等应用的兴起，对网络 带宽的需求迅猛增加。网络带宽已经成为制约校园网新兴业务开展的瓶颈。 2 、安全和管理问题：学生用户的网络行为有别于其他网络用户，增加 了管理和安全方面的难度。例如，l p 盗用、私设网络服务、黑客行为、大量 p 2 p 应用( 如b t ) 等。令校园网管理人员防不胜防。 3 、多业务需求问题：许多新的教学科研项目的开展，需要校园网在多 业务性上予以支持。例如，对m p l sv p n 、i p v 6 的支持，更强大的q o s 保 障，更好的i pv p n 业务等。特别是随着c n g i 工程的开展，学校对i p 、，6 实验网的需要会逐渐增大，需要校园网对i p v 6 提供强有力的支持。 校园网中存在的问题急需学校采用措施来改造现有校园网络，使校园网 络能够满足学校的长远发展。 络能够满足学校的长远发展。 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 2 2 下一代校园网( n g e n ) 概述 华为3 c o m 在2 0 0 5 年初提出了n g en 【1 7 j 的理念，它不再基于以往那 种对核心、汇聚、接入层的流量进行判断再进行建设的模式，而是要做一个 业务驱动网络。从业务融合的思路进行建设，让基础网络能够更好地适应上 层业务的一些发展。 n g e n 分成了很多模块，包括基础网络模块，业务应用模块、管理控制 模块和立体安全的防护模块。每个模块完成不同的功能。整个模式包括很多 智能控制管理中心，包括资源调离中心、用户管理中心等等，这些中心之间 和基础网络之间可以实现连动。下一代校园网，核心是“业务驱动”，同时具 有以下五大特征【1 1 ； 第一，高带宽和高存储量。目前校园网主流采用百兆、千兆汇聚，万兆 核心带宽。在不久就会提升到万兆到汇聚，百兆、千兆到桌面，实际上现在 很多高校在建设高校校园网的时候基本上也沿着这个思路开始走了，未来校 园网带宽还会不断提升由于万兆产品传输速度和距离的大幅度提升及其高 可靠、低成本等特性，可以为语音网络与数据网络的融合提供经济高效的解 决方案，使它有潜力发展成为最简单、最快速、最高性价比的基础骨干网。 第二，全设备的应用。从未来的发展趋势来看，构建校园网不再仅仅局 限于以太网技术，校园网也不再仅仅是一张“单纯”的网络。学校规划视讯和 语音的通信系统。实现教育资源的整合和远程传递；同时对校园管理和安全 产生了更强烈的新要求。除传统的路由器、交换机外，防火墙、i d s 这些安 全的产品，无线网、语音、v b i p 、网络认证和收费管理软件等内容也相继在 诸多校园里使用。 所以现在新一代的高校校园网不会单纯由交换机来构建，一定是多种设 备融合在一起的全设备应用，特别是增加了智能控制设备和提供融合一体的 安全性。 第三，f p 协议的变革上，即从l p v 4 到l p 、，6 的转变。下一代互联网的协 议和技术落实到校园网里，在很长一段时间内会由i p v 4 和l p v 6 的双找同时 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 运行，这是一个逐步过渡的过程，不可能一步到位。但是从未来i p 协议的 发展趋势来看，i p 、，6 的比重越来越大，这要求应用的产品一定是能够同时支 持两者的。 第四，下一代校园网将更多地关注运营管理。校园网完成基础框架搭建 后，实际上只完成了初步工作。还有很多精力需要花在网络的运营和维护上 来。现在校园网的规模越来越大，而且有很多分校区距离遥远，业务类型非 常丰富。因此，网络的管理、安全就显得相当重要。 第五，下一代校园网要支持多业务的运行。实际上前面的四个特点都是 为第五个特点服务的。校园网建设的目的就是要承载很多业务，包括教学、 科研、日常办公和正常的网络访问，同时还要有安全和质量方面的保证。 下一代校园网建设的大幕已经慢慢拉开，人人都在心目中勾勒着“下一 代”的美丽图景：i p v 6 的广泛应用让校园里的每一个终端拥有一个i p 地址成 为可能，甚至拿在手上的p o a ；无论是教室、宿舍还是室外的草坪、操场， 随时随地都能够通过无线上网：随心所欲的攻击和挑战校园漏洞不仅不可 能，甚至不会在用户的头脑中出现。 技术的发展永远超乎我们的想象，下一代大容量高速度的带宽以及运营 特征还能够为身处其中的人们提供什么新的体验，带来什么方便，我们拭目 以待。 2 3 小结 本章对现在校园网络发展状况及存在的问题作了介绍，并提出了下一代 校园网络( n g e n ) 的概念，对n g e n 所具有的特点进行详细阐述，让我们对 将来校园网络的发展有了一个大体的轮廓。 6 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 第三章网络新技术 3 1 网络技术分析 如同计算机的发展速度一样，网络技术的发展也是非常迅速的。目前比 较常见的主干网技术有f d d i 、a t m 、令牌网、快速以太网、千兆以太网和 万兆以太网等。下面我们重点介绍一下千兆以太网和万兆以太网： 3 1 1 千兆以太网( g be t h e m “) 千兆以太网技术简介【6 】【7 1 千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术。大量使用的干兆以太 网与快速以太网完全兼容，并利用了原以太网标准所规定的全部技术规范， 包括c s m d 协议、以太网帧、全双工、流量控制以及i e e e8 0 2 3 标准中 所定义的管理对象。同时千兆以太网也支持流量管理技术，它保证在以太网 上的服务质量，这些技术包括i e e e8 0 2 1 p 第二层优先级、第三层优先级的 q o s 编码位、特别服务和资源预留协议( r s v p ) 。 千兆位以太网( g i g a b i te 山e m c t ) 只定义了物理层和介质访问控制子层。 实际上，物理层是千兆位以太网的关键组成，在m e e 8 0 2 3 z 中定义了三种 传输介质：多模光纤、单模光纤、同轴电缆。i e e e 8 0 2 3 a b 则定义了非屏蔽 双绞线介质。除了以上几种传输介质外，还有一种多厂商定义的标准 1 0 0 0 b a s e l h ，它也是一种光纤标准，传输距离最长可达到l o o 公里。千 兆位以太网物理层的另外一个特点就是采用8 b 1 0 b 编码方式，这与光纤通 道技术( f i b e rc h 咖e 1 ) 相同。 千兆以太网还利用i e e e8 0 2 1 q v l a n 支持、第四层过滤、于兆位的第 三层交换。千兆以太网原先是作为一种交换技术设计的采用光纤作为上行 链路，用于楼宇之间的连接。之后，在服务器的连接和骨干网中，千兆以太 网获得广泛应用，由于i e e e8 0 2 3 a b 标准( 采用5 类及以上非屏蔽双绞线的 7 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 千兆以太网标准) 的出台，千兆以太网可适用于任何大中小型企事业单位。 千兆位以太网标准主要针对三种类型的传输介质：单模光纤；多模光纤 上的长波激光( 称为1 0 0 0 b a s e l x ) 、多模光纤上的短波激光( 称为 1 0 0 0 b a s e s x ) ：1 0 0 0 b 髂e c x 介质，该介质可在均衡屏蔽的1 5 0 欧姆铜缆上传 输。i e e e8 0 2 3 z 委员会模拟的1 0 0 0 b a s e t 标准允许将千兆位以太网在5 类、 超5 类、6 类u t p 双绞线上的传输距离扩展到1 0 0 米，从而使建筑楼宇内布 线的大部分采用5 类u t p 双绞线，保障了用户先前对以太网、快速以太网 的投资。 千兆以太网的标准化包括编码侑；码、收发器和网络介质三个主要模块， 其中不同的收发器对应于不同的网络介质类型。 。 1 0 0 0 b a s e l x 基于1 3 0 0 肿的单模光缆标准时，使用8 b ，1 0 b 编码解码 方式，最大传输距离为5 0 0 0 米。 l o o o b a s e - s x 基于7 8 0 啪的f i b r ec h 咖1 e lo p t i c s ，使用8 b ，l o b 编码解 码方式，使用5 0 微米或6 2 5 微米多模光缆，最大传输距离为3 0 0 米到5 0 0 米。连接光纤所使用的s c 型光纤连接器与快速以太网1 0 0 b a s ef x 所使用 的连接器的型号相同。 1 0 0 0 b a s e c x 是一种基于铜缆的标准，使用8 b 1 0 b 编码解码方式，最 大传输距离为2 5 米。 1 0 0 0 b a s e - t 基于非屏蔽双绞线传输介质，使用l 0 0 0 b a s e t 铜物理层 c o p p e rp h y 编码解码方式，传输距离为1 0 0 米。 1 0 0 0 b a s e t 在传输中使用了全部4 对双绞线并工作在全双工模式下。 这种设计采用队m 。5 ( 5 级脉冲放大调制) 编码在每个线对上传输 2 5 0 m b p s 。双向传输要求所有的四个线对收发器端口必须使用混合磁场线路， 因为无法提供完美的混合磁场线路，所以无法完全隔离发送和接收电路。任 何发送与接收线路都会对设备发生回波。因此，要达到要求的错误率( b e r ) 就必须抵消回波。l o o o b a s e t 无法对频率集中在1 2 5 m h z 之上的频段进 行过滤，但是使用扰频技术和网格编码能对8 0 m h z 之后的频段进行过滤。 为了解决5 类线在如此之高的频率范围内因近端串扰而受到的限制，应该采 用合适的方案来抵消串扰。 8 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 3 1 2 万兆以太网( 1 0 g be 也e r n e t ) 一、万兆以太网的技术简介 万兆以太网技术与千兆以太网类似，仍然保留了以太网帧结构。通过不 同的编码方式或波分复用提供1 0 0 b i t ，s 传输速度。所以就其本质而言，l o g 以太网仍是以太网的一种类型。其技术特色首先表现在物理层面上。万兆以 太网是一种只采用全双工与光纤的技术，其物理层( p h y ) 和o s i 模型的第 一层( 物理层) 一致，它负责建立传输介质( 光纤或铜线) 和m a c 层的连 接，m a c 层相当于o s i 模型的第二层( 数据链路层) 。在网络的结构模型中， 把p h y 进一步划分为物理介质关联层( p m d ) 和物理代码子层( p c s ) 。光 学转换器属于p m d 层。p c s 层由信息的编码方式( 如6 4 b ，6 6 b ) 、串行或多 路复用等功能组成。 1 0 g 以太网于2 0 0 2 年7 月在i e e e 通过。1 0 g 以太网包括1 0 0 b a s e x 、1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 。1 0 0 b a s e x 使用一种特紧凑包装， 含有1 个较简单的w d m 器件、4 个接收器和4 个在1 3 0 0 n m 波长附近以大 约2 5 n f n 为间隔工作的激光器，每一对发送器接收器在3 1 2 5 0 b i t ，s 速度( 数 据流速度为2 5 g 七州s ) 下工作。1 0 g b a s e r 是一种使用6 4 b ，6 6 b 编码( 不 是在千兆以太网中所用的8 b 1 0 b ) 的串行接口，数据流为1 0 0 0 0 g b i 以，因 而产生的时钟速率为l o 3 g b i t ，s 。1 0 g b a s e w 是广域9 目接口，与s o n e t o c 1 9 2 兼容，其时钟为9 9 5 3 g b i “s 数据流为9 5 8 5 g b i 讹。 1 、1 0 g 串行物理媒体层 1 0 g b a s e s 刚s w 传输距离按波长不同由2 m 到3 0 0 m 。1 0 g b a s e - l r ，1 w 传输距离为2 m 到1 0 k m 。1 0 g b a s e e r ，e w 传输距离为2 m 到4 0 k m 。 2 、p m d ( 物理介质相关) 子层 p m d 子层的功能是支持在p m a 子层和介质之间交换串行化的符号代码 位。p m d 子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。 p m d 是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上发送和接收信 号。 3 、p m a ( 物理介质接入) 子层 9 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 p m a 子层提供了p c s 和p m d 层之间的串行化服务接口。和p c s 子层 的连接称为p m a 服务接口。另外p m a 子层还从接收位流中分离出用于对接 收到的数据进行正确的符号对齐( 定界) 的符号定时时钟。 4 、w i s ( 广域网接口) 子层 w i s 予层是可选的物理子层，可用在p m a 与p c s 之间，产生适配a n s i 定义的s o n e ts t s 1 9 2 c 传输格式或i t u 定义s d hv c 一4 6 4 c 容器速率的 以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。 5 、p c s ( 物理编码) 子层 p c s 子层位于协调子层( 通过g m l l ) 和物理介质接入层( p m a ) 子层 之间。p c s 子层完成将经过完善定义的以太网m a c 功能映射到现存的编码 和物理层信号系统的功能上去。p c s 子层和上层r s ，m a c 的接口由x g m i i 提供，与下层p m a 接口使用聊雌服务接口。 6 、r s ( 协调子层) 和x g m i i ( 1 0 g b i 佻介质无关接口) 协调子层的功能是将x g m i i 的通路数据和相关控制信号映射到原始 p l s 服务接口定义( m a c ，p l s ) 接口上。x g m i i 接口提供了1 0 g b i t ，s 的m a c 和物理层间的逻辑接口。x g m i i 和协调子层使m a c 可以连接到不同类型的 物理介质上。 二、万兆以太网技术的显著特征【2 9 】 首先，万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技 术，因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上皆占有极大 的引进优势。 第二、万兆标准意味着以太网将具有更高的带宽( 1 0 g ) 和更远的传输 距离( 最长传输距离可达4 0 公里) 。 第三、在企业网中采用万兆以太网可以最好地连接企业网骨干路由器， 这样大大简化了网络拓扑结构，提高网络性能。 第四、万兆以太网技术提供了更多的更新功能，大大提升q o s ，具有相 当的革命性，因此，能更好的满足网络安全、服务质量、链路保护等多个方 面需求。 随着网络应用的深入，w 州履肿n 与n 融和已经成为大势所趋，各 1 0 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 自的应用领域也将获得新的突破，而万兆以太网技术让工业界找到了一条能 够同时提高以太网的速度、可操作距离和连通性的途径，万兆以太网技术的 应用必将为三网发展与融和提供新的动力。 3 1 3 万兆以太网与千兆以太网的比较 万兆以太网标准同千兆以太网标准相比，有很多不同之处，表l 中列出 了不同点。具体表现在： 1 、万兆以太网可以应用在核心层并提供广域网接口，可以直接在s d h 网络上传送。这也意味着以太网技术将可以提供端到端的全程连接，这是万 兆以太网技术的重要改进之。之前的以太网接口与传输网络的接口速率 ( 如s t m 1 ，s t m - 4 ，s t m - 1 6 ) 相差很多，以太网设备与传输设备相连的 时候都需要协议的转换和速率的适配，降低了传输的效率。万兆以太网则提 供了可以与s d hs t m 6 4 相接的接口，不再需要额外的转换设备。保证了以 太网在通过s d h 链路传送的时候效率不会降低多少。但万兆以太网的l o g 接口仅可实现与s d hs 1 m 6 4 接口的互通，与s d h 接口不完全兼容，不能 融合进s d h 网络中，这是折中考虑以太网低成本和s d h 接口能力的结果； 2 、m a c 层的协议只能以全双工方式工作，摒弃了以前的半双工操作 方式，这意味着网络系统不再使用c s m a c d 碰撞检测协议。它将只支持两 个站点对点全双工的传送数据： 3 、 采用6 4 ，6 6 b 的线路编码，而不是以前的8 l o b 编码。因为8 ，l o b 的编码开销达到2 5 ，如果1 0 g 传送仍采用这种编码的话，编码后传送速 率要达到1 2 s g ，效率降低。因此l o g 的编码方式改为6 4 ，6 6 b ，数据速率从 l o ( m i t ，s 仅升到编码后的l o 3 1 2 5 b i 以； 4 、只支持光纤接口，没有电接口( 电接口的标准正在制定中) ： 5 、传送距离从千兆以太网的5 公里标准延伸到l 4 0 公里。也有一些 公司在开发自己的长距光口，传送距离可以达到8 0 甚至1 0 0 公里以上。 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 千兆以太网万兆以太网 使用方向 汇聚、接入层核心层，具有s d h 接口 工作模式c s m c d _ 卜全双工 只支持全双工 编码方式 8 b ，l o b 新的6 4 b 6 6 b 传输媒介光纤，铜线只支持光纤( 将来支持铜线) 传输距离5 公里4 0 公里 表3 一l 干兆以太网与万兆以太网的比较 3 1 4 万兆交换机中的新技术 作为兼容于以往的最新以太网技术，万兆以太网不仅仅是以太网的“高 速翻版”，而且第一次提出了万兆广域以太网技术，第一次实现了私有网络 到公众网络的融合。同样，作为网络的核心设备，万兆以太网交换机也不仅 仅是在已有的千兆以太网交换机上支持万兆的接入模块，它需要新一代的系 统设计，包括从交换机体系结构、二仨：层技术的更新，到下一代i p v 6 的缺 省支持和有效的带宽管理。 下面我们来了解一下万兆交换机中的新技术p 4 】： 一、 分布式的交换体系 目前的千兆交换机只能够提供几十到几百个g 的吞吐量，而新一代的万 兆交换机能够提供每秒处理一千个g 以上的吞吐。由于如此大的数据吞吐用 最高的c p u 也不能实现线速转发，所以我们需要专用的网络集成电路芯片 ( a s i c ) ，同时需要将数据转发的任务分布到各个模块上实现。 分布式系统有不同的实现方式，一种是在传统的交换机技术上将常用的 任务转移到本地模块上实现，它可以利用本地的交换矩阵，也可以利用整个 交换机的交换矩阵，但是这样的做法显然不是最佳的：另一种做法是彻底地 将所有数据转发的任务分布到各个模块并利用本地的大容量交换矩阵实现。 因此，大容量的分布式交换结构最为有效，万兆交换机不仅应该提供大容量 的背板交换矩阵，还应该提供大容量的本地交换矩阵，无阻塞的并行交换矩 1 2 i p 、r 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 阵是目前最为先进的技术。 二、a s i c 与f p g a 芯片 a s i c 提供的是在转发数据时利用专用芯片而不是由c p u 来处理。a s i c 的衡量标准就是尽可能在芯片级上处理所有的流量转发，但是问题在于 a s i c 一旦设计之后交换机就不能进行修改。 有了分布式的交换体系和优异的a s i c 技术还远远不够，由于a s i c 的 技术一旦实现则不能更改，那么新的技术标准、新的应用模式将完全利用 c p u 来处理，而这样往往给用户带来性能上的损失和业务上的痛苦。解决的 办法可以是购买新一代a s i c 设计的模块，但是硬件升级可能带来的是昂贵 的追加投资。最新的万兆交换机会利用现场可编程门阵列芯片( f p g a ) 来 解决这一缺陷，将新的标准通过软件升级由硬件处理，提供了用户投资的最 好保护。 三、 能够解决冲突 由于交换机的各个模块之间以及它们与中央管理模块之间是一个有机 的整体，i n t e m e t 路由信息的分发、维护需要各个模块的参与，并且总会存 在这样的问题：由于本地硬件芯片寻址不到而需要中央管理模块的参与，所 以交换机的性能会有所损失。 万兆交换机主要是通过两个途径：一是将控制通道和数据转发通道进行 分离，二是在各个接口模块上使用高性能的c p u 参与。控制通道和数据转 发通道的分离就是在交换机上实现两个不同的并行交叉矩阵。这样，我们所 说的背板容量将完全用于数据通道的使用，同时也保障了万兆交换机硬件的 安全性，而本地高性能的c p u 参与使得中央管理模块永远不会处理涉及各 个接口数据的转发，实现真正意义上的分布式体系结构。 当然，万兆以太网的体系结构还有很多因素参与，比如大容量的s d r a m 和t c a m ( 能够在一秒钟实现1 0 亿次以上搜索) ，比如本地路由方式是否采 用基于拓扑结构驱动。 更重要的是，万兆交换机的软件是否采用多线程方式，软件是否提供最 新一代的二，三：层技术标准。这些二仨层技术包含了新一代网络的最新需求， 比如基于万兆以太网端口的链路捆绑，是否提供快速链路冗余的各种技术、 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 是否提供从端口安全性到各种用户认证的安全技术、是否提供完整的i p v 4 和i p v 6 的各项规范、是否提供快速b g p 路由技术、是否提供冗余路由协议、 是否提供各项二三层安全特性、是否提供交换机的防攻击特性、是否提供交 换机本身c p u 智能保护、是否所有这些特性都由硬件实现等。 四、完整的i p 、，6 规范 万兆以太网加上i p v 6 的组合，是构建未来高性能新一代网络的必由之 路。通常i p v 6 有三种实现方法：在目前的交换机上用软件方式实现；或者 采用新的硬件模块，插入现有的系统之中，从而增强i p v 4 ，i p v 6 的转发性能； 或者是全新设计的i p v 6 万兆交换机。 五、q o s 全面的服务质量q o s 保障特性是融入硬件和软件中的一个重要特性，万 兆交换机通过提供高容量的端口缓存和每个端口的多级硬件队列来提供 q o s 的硬件场所，同时通过软件实现基于数据流的优先级分类，高端的特性 还可以通过软硬件实现数据流的上色和着色，例如可以在硬件上重写 t o s d s c p 或8 0 2 1 p 位。 六、m p l s 是重要的用户特征 m p l s 是另一个重要的用户特性，因为m p l s 能够解决i p 网络从无序 到有序的转变，提供了端到端的流量工程和服务质量保障，同时也提供了二 层或者三层的v p n 占有网络，实现了网络的安全性。但是，m p l s 的实现 受制于系统的资源，选择万兆以太网交换机就会考虑m p l s 的实现方式以 及m p l s 的性能，比如m p l s 的v p n 数量二层m p l s 是否支持多点到多点 的v p n 方式。 七、 安全与流量管理 安全性和网络流量管理是目前用户最为关注的重点。作为骨干设备，不 仅仅需要考虑设备本身的安全防范，同时还要提供用户的防范，就是说既要 本身免疫能力强，又要提供强有力的阻击手段来保护网络的用户，并且所有 的防范都应该是基于硬件来实现。但是所有的安全防范都是基于我们已知的 攻击手段和安全漏洞上，如果我们不能监控整个网络，安全性就不会是完整 特性。 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 考虑到万兆交换和路由的高速转发，以往通过c p u 采集流量的方法将 不可行，而融入a s i c 之中的分布式流量采集系统带来了万兆交换机的一个 创新。s f l o w 是目前较为先进的流量管理规范，它既能提供i p v 4 的数据。也 能提供i p v 6 的数据。如果我们能在不影响性能的前提下提供所有设备的所 有流量，那么就可以非常容易地观察网络的流量，可以是某一个端口下一个 特定用户的活动，也可以是当前网络上的异常流量。分布式的流量监控系统 好比是黑夜里的道路监控系统，难以想像一台核心的骨干设备缺乏这样的流 量管理系统将会出现什么样的后果。 3 2i p v 4 协议和i p v 6 协议 3 2 ii p v 4 协议概述 目前的全球因特网所采用的协议族是t c m p 协议族。i p 是t c m p 协议 族中网络层的协议，是t c m p 协议族的核心协议。目前i p 协议的版本号是 4 ( 简称为i p v 4 ) ，它是1 9 8 1 年在r f c 7 9 l 中作为标准颁布的。i p v 4 已经被证 明是技术成熟的、容易实现且具有互操作性网络协议，但是近十年来由于互 联网的蓬勃发展，i p v 4 的局限性【1 0 】日益突出。主要有一下几点： l 、地址资源面临枯竭 i p v 4 的地址位数为3 2 位，理论上i p v 4 地址有4 0 多亿个，但除去网络 地址、广播地址、保留地址、划分子网的开销以及不合理的分配和使用等， 实际可用的地址不过2 5 亿个左右。按照目前i t e m e t 发展速度，i p v 4 地址预 计将在2 0 0 5 2 0 1 0 年被分配完毕。 2 、骨干网路由器中的路由表越来越大 i p v 4 采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址，从而导致了路由器 数目随着接入网络数目的不断增加而迅速增加，使得骨干网路由器中的路由 表过于庞大，增加了路由器的工作量，同时也降低了i “t e m e t 服务的稳定性。 3 、n a t 的使用破坏了端与端的通信 为了缓解地址不足，i p v 4 采用了网络地址转换( n a tn e t w o r ka d d r s i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研究 t r 姐s l a 廿o n ) 技术。它主要是在内部网络与i n t 哪e t 交接点设置n a t 和一个 由少量合法i p 地址组成的i p 地址。但是n a t 的采用最大问题是破坏了端与 端的直接通信。因为它要对所有去往和来自i f 她m e t 的i p 数据报进行地址转 换，而转换后的地址信息却无法传递给i p 数据报。这就导致某些将地址信 息嵌在i p 数据报中的高层通信的失败。 3 2 2 i p 、，6 协议 一、什么是i p v 6 拉1 i p v 6 是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它的 提出最初是因为随着互联网的迅速发展，i p v 4 定义的有限地址空间将被耗 尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，i p v 6 重新定义地址空间，其采用1 2 8 位地址长度，几乎不受限制地提供地址。按 保守方法估算i p v 6 实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上可分配 1 0 0 0 多个地址。在i p v 6 的设计过程中除了解决了地址短缺问题外，还解决 了i p v 4 地址不足的难题，并在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及 服务质量等方面有明显改进，是下一代互联网络协议采用的核心标准之一。 二、i p v 6 的优点【”】i ”】 i p v 6 的发展是从1 9 9 2 年开始的，经过了1 2 年的发展时间，i p v 6 的标准 体系已经基本完善，在这个过程中，i p v 6 逐步优化了协议体系结构，为业务 发展创造机会，归纳起来i p v 6 的优势包括如下几个特点。 地址充足：i p v 6 产生的初衷主要是针对i p v 4 地址短缺问题，即从i p v 4 的3 2 b i t 地址，扩展到了i p v 6 的1 2 8 b i t 地址，充分解决了地址匮乏问题。同 时i p h v 6 地址是有范围的。包括链路本地地址、站点本地地址和任意传播地 址，这也进一步增加了地址应用的扩展性。 简单：通过简化固定的基本报头、采用6 4 比特边界定位、取消l p 头的 校验和域等措施，以提高网络设备对i p 报文的处理效率。 扩展为先：引入灵活的扩展报头，按照不同协议要求增加扩展头种类， 按照处理顺序合理安排扩展头的顺序，其中网络设备需要处理的扩展头在报 6 i p v 6 万兆以太网在校园网中应用的研