（通信与信息系统专业论文）宽带ip技术和高性能路由交换机的设计实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着互联网的迅速发展、以网络为中一t l , 的计算时代的到来，通信网正在 完成从电路交换技术转向分组交换技术，特别是无连接i p 技术的战略性转 型。同时人们对网络带宽，网络性能和网络管理的要求也都愈来愈高，这些 都对网络互连的核心设备交换机和路由器的设计实现提出了新的挑战。 本文首先从两个方面阐述了在这种需求下以太网技术的发展历程：一方 面传递速率从最初的1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 发展到现今的1 g b p s 和1 0 g b p s ；另 一方面网络也从共享发展到交换，并从第二层交换到目前流行的第三层交换。 该部分重点解释了干兆以太网的体系结构和协议规范，对p c s 、p m a 和p m d 子层的实现技术和有关算法的设计思想进行了深入的分析；并对设计中用到 的几种物理层芯片进行了介绍；此外该部分还分析了传统第二层交换机和路 由器的局限性，对集第二层交换和第三层路由优点于一身的第三层交换技术 进行了讨论阐述了以太网第三层交换机的一般原理和实现，并介绍了其优 点和应用。 之后文章对多层交换芯片b c m 5 6 1 5 的交换结构、内部各个功能模块的 原理实现以及芯片中的二、三层数据流程作了比较详细的分析。在此基础上 提出并实现了一款基于b c m 5 6 1 5 的千兆路由交换机。接着文章详细介绍了 该款交换机的硬件设计，给出了包括微处理器子系统模块、l 2 l 3 交换模块、 f e 接口模块、千兆接口模块以及带外管理模块在内的主要模块的电路设计实 现，对各模块之间的接口电路也作了介绍，文章最后对软件的总体结构进行 了分析。本文的实现方法对基于其他交换芯片的设计同样具有参考价值。 【关键词】以太网，宽带，高速路由交换体系结构，设计实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a l o n g w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ei n t e r a c t ，t h em a i n t e c h n o l o g yu s e d i n t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki s c h a n g i n gf r o mc i r c u i t s w i t c h e dt e c h n o l o g yt ot h e p a c k e t - s w i t c h e d t e c l a n o j o g y , e s p e c i a l l y t ot h ec o n n e c t i n n l e s si p t e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，t h ep e o p l eh a v em o r ea n dm o r eu r g e n tr e q u i r e m e n t so nt h eb a n d w i d t h ， p e r f o r m a n c ea n dm a n a g e m e n to fn e t w o r k s u c hr e q u i r e m e n t sa r ec h a l l e n g i n gt h e c o r ed e v i c e su s e df o ri n t e r c o n n e c t i n gt h en e t w o r k s ，s u c ha st h es w i t c h e sa n d r o u t e r s t h i st h e s i sf i r s td e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t p r o c e d u r eo f e t h e m e t t e c h n o l o g y f r o mt w oa s p e c t s ：nn et r a n s m i s s i o ns p e e dh a se v o l v e df r o m10 m b p s 1 0 0 m b p s t o 1 g b p s 1 0 g b p s 2 、t h en e t w o r kh a sd e v e l o p e df r o ms h a r e dm o d et o t h e s w i t c h e dm o d e ，i nt h i sp a r t ，t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n so f g i g a b i te t h e m e t ( g e ) a r ed e s c r i b e di nd e t a i l n ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sa n d r e l a t e da l g o r i t h m so fp c s p m aa n dp m d s u b l a y e r sa r ea n a l y z e d t h ep h y s i c a l c h i p s u s e di nt h e d e s i g na r e a l s oi n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h el i m i t a t i o n so f t r a d i t i o n a ll a y e r2s w i t c h e sa n dr o u t e r sa r ea l s oa n a l y z e d 1 1 1 el a y e r3s w i t c h i n g t e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fl a y e r2s w i t c h i n ga n dl a y e r3 r o u t i n g i sd i s c u s s e d t h e g e n e r a lp r i n c i p l e s a n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so f e t h e m e t l a y e r 3s w i t c ha r ed e s c r i b e d , a n di t sa d v a n t a g e sa n d a p p l i c a t i o n sa r ea l s o i n t r o d u c e d i nt h el a t e rp a r to ft h et h e s i s ，d e t a i l e da n a l y s i si sm a d ef o rt h er e a l i z a t i o n p r i n c i p l e so f t h es w i t c h i n gs t r u c t u r ea n di n t e m a lf u n c t i o nm o d u l e so f m u l t i p l a y e r s w i t c h i n gc h i pb c m 5 6 1 5 t h e d a t af l o w si nl a y e r2a n dl a y e r3a r ea n a l y z e di n d e t a i l a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no fa g i g a b i tr o u t i n gs w i t c hb a s e d o nb c m 5 6 1 5 n l et h e s i sa l s od e s c r i b e st h ed e s i g no f t h es w i t c hh a r d w a r e ，i n c l u d i n gm i c r o p r o c e s s o rs u b s y s t e mm o d u l e ，l a y e r2 1 a y e r 3 s w i t c h i n gm o d u l e ，f ei n t e r f a c em o d u l e ，g ei n t e r f a c em o d u l ea n do u t - b a n d m a n a g e m e n t m o d u l e t h ei n t e r f a c ec i r c u i t sa n a o n gm o d u l e sa r ei n t r o d u c e da sw e l l f i n a l l y , t h e t h e s i se s t i m a t e st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es o f t w a r e n l e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sd e s c r i b e di nt h et h e s i sa r ea l s ov a l u a b l er e f e r e n c e sf o r t h ed e s i g no fo t h e rs w i t c h e sb a s e do no t h e rs w i t c h i n gc h i p s k e yw o r d s ：e t h e m e t ，b r o a d b a n d ，h i g h - s p e e dr o u t i n gs w i t c h , s y s t e ms t r u c t u r e ， d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 因特网的发展与通信体制变革 近年来，随着数据传输技术的飞速发展，网络的带宽也成倍增长。以密 集波分复用( d w d m ) 为代表的光通信技术大大提高了光纤干线的传输容量，有 力地支撑了上层业务和应用的发展。目前1 6 t b sd w d m 系统已经开始大量商 用，再考虑到光缆内光纤芯数的因素，预计在两三年之内，单根光缆的总容 量可以达到数百t b s 乃至p b s ，网络的容量将不再受限于传输链路。带宽 的增长反过来进一步刺激了宽带业务和互连网用户数的急剧膨胀。据一些权 威研究机构的调查报告统计，2 0 0 2 年全球因特网使用者已接近5 亿，中国网 民的总数截至2 0 0 1 年6 月也已经达到2 6 5 0 万人。随着全球i n t e r n e t 用户数 量和w e b 站点数量的急剧增长，带宽的需求也急剧增长，每半年主要i s p 的 i n t e r n e t 骨干链路的带宽增长一倍。据分析，几年之内，中国通信网上的数 据业务量将会超过话音业务。 i n t e r n e t 的迅猛发展给传统电信网络带来了巨大的冲击。传统的电路交 换技术在可以预见的未来仍将是提供实时电话业务的基本技术手段。在未来 5 至1 0 年间，从业务需求和市场应用的角度看，电信业最大和最深刻的变化 将是从话音业务向数据业务的战略性转变。传统电信业的设计思想是以基本 的恒定的对称话路量为中心的，无论从业务量设计、容量、组网方式，还是 从交换方式上来讲都已无法适应突发性的数据业务发展的需要。随着电信业 务从以话音为主向以数据为主的转移，作为基础的网络技术也将随之发生重 大变革，在未来几年，最明显的战略性转型就是通信网从电路交换技术转向 分组交换技术，特别是无连接i p 技术。据美国扬基集团预测，就美国而言， 电路交换机市场将从2 0 0 3 年起在整体上开始进入持续下降阶段。因特网基于 i p 技术，它的快速发展和普及显示出其巨大的优越性，它的巨大成功对传统 通信体制产生了强烈冲击，正在促进当前通信体制进行一场巨大的变革。 由于技术发展的历史原因，传统电信网络种类繁多，不同的网络承载不 同的业务，话音、数据、图像、传真等业务均有各自的承载通信平台。由于 不同的网络所采用的传输技术以及遵循的协议标准各不相同，它们之间不能 进行互通互联，无法使不同的网络用户间相互访问，实现资源和信息共享。 这在很大程度上浪费了网络和设备资源，限制了通信网络的发展。i p 网中网 络层i p 协议的互联解决了异质网络的互联问题。i p 网的一个最重要的特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 是基础设施和应用是分离的，这提供了一个开放平台，大大促进了各种应用 的发展。话音等传统业务也开始转到因特网上进行。人们开始考虑用互联网 作基础电信网，引发了一场通信技术体制的革命。以“面向连接、电路交换、 时分复用”为基本特征的传统电信体制将转变到以“无连接、分组交换、统 计复用”为基本特征的新体制。9 8 年底国际电联咨询委员会i t u t 在技术战 略上作了重大调整，全面开始i p 标准化研究工作，决定把原来制定基于a t m 的b i s d n 标准的s g l 3 组变成i p 主导研究组，与i e t f 的标准研究机构合作 制定标准。国际电联的这项调整，实际上就是肯定了通信技术转向i p 的发展 趋势，自此整个电信业开始了i p 化的进程。 1 2 宽带i p 技术的产生运用 1 2 1 宽带i p 技术在分组化核心网的运用 可以作为未来分组化核心网用的电节点有a t m 交换机和i p 路由器。过 去电信宽带骨干网采用a t m 组网，将信元封装在$ d h 帧中在2 5 g b p s 的s d h 网中以时分复用方式占有部分信道。为了在a t m 网上传送i p 数据包并能保证 q o s 发展了许多的交换方法。但这些方法都存在内部开销大、传输效率低、 设备昂贵并且标准尚未制定等问题。后来，线速路由交换机的出现，使得可 以省去a t m 而直接在s d h 网上传输i p 数据包，这就是所谓的i po v e rs d h ( p o s ) 。最近，密集波分复用( d w d i ) 技术已经成熟并走向商品化，无需再 采用s d h 时分复用设备，可以将原复用的多个信道改为d w d m ，然后用干兆位 ( g i g a b i t ) 或太位( t e r a b i t ) 路由交换机直接与d 1 i f f n 设备相连进行路由交 换，即所谓的i p d w d m 方案。这样，可以不使用a t h l 和s d h 设备，在光纤上 直接用s d h 帧封装或千兆以太网帧格式传输i p 数据包，因而可以大大降低宽 带骨干网的成本。 i p d w d m 使得s d h 时分复用网络将被光学的波分复用网络取代，复杂昂 贵的复用和交叉互连设备将被线速路由交换机取代。基于先进的密集波分复 用( d w d 4 ) 光纤技术和千兆路由交换、千兆以太网i p 技术构建的宽带i p 网， 网络层次结构简明、清淅，可以提供更高的传输速率( 几g b i t s 几百 g b i t s ) 、更快的交换速度( 千兆兆兆b i t s ) ，而成本可成倍降低，是 最具潜力的新一代网络技术。基于i p d w 叫的全i p 网络体系结构的骨干网可 以提供极大的灵活性和无穷的增值服务开发潜力，开放的结构还使运营者可 以自由选择实现各种类型网络的方法。采用t c p i p 协议、路由交换技术和全 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 光学传输技术的新一代数据通信网一宽带i p 网将支持话音、视频广播等各种 现有实时业务和交互视频、按需点播等新实时业务，同样可以保证端到端的 服务质量( q o s ) ，而通信成本则大为降低。宽带i p 网的发展正在加速传统话 音网络、广播电视网络和计算机网络的融合，并将成为未来多媒体综合业务 的承载平台。几年前i p 网已经开始取代a t _ ，随后i p 网又取代s d h 成为电 信的基础网。纵观i p 数据网的发展历史，千兆位路由交换机和密集波分复用 两者结合而构成的i p 优化光学网是宽带i p 网的最优方案。然而，目前这一 代高性能路由器的容量和性能还不能满足未来网络扩展的要求，需要迸一步 探究可以经济持续扩容的有效途径。作为核心业务节点应用的实用化高性能 路由器的容量和性能还有待突破性进展。 1 2 2 宽带i p 技术在接入网的运用 面对核心网和用户侧带宽的快速增长，中间的接入网却仍停留在窄带水 平上，而且仍主要是以支持电路交换为基本特征，与核心网侧和用户侧的发 展趋势很不协调。接入网显然已经成为全网带宽的最后瓶颈，接入网的宽带 化和i p 化将成为未来5 到1 0 年接入网的主要发展趋势。预计在未来几年内， 电信网将会首先大力发展成熟的可以充分利用现有双绞线资源的非对称数字 用户线( a d s l ) 技术，其典型速率为5 1 2 k b i t s 至2 h f b i t s ，最高达8 m b i t s ， 基本可以满足中近期带宽的需求。 传统以太网技术不属于接入网范畴，然而其应用领域正在向包括接入网 在内的其他领域扩展，无论是5 类双绞线上的有线以太网，还是基于8 0 2 1 l b 标准的无线毗太网发展势头都很猛。对于企事业用户，以太网技术一直是最 流行的方法，全球目前用户已达l 亿每年新增用户3 0 0 0 万。采用以太网作 为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知 识。目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网相兼容，具有性能价格 比好、可扩展性强、容易安装开通以及高可靠性高等优点。以太网接入方式 与i p 网很适应，技术已有重要突破( l a n 交换、大容量m a c 地址存储等) ， 容量分为l o m b s 、1 0 0 m b s 、1 0 0 0 m s 三种等级，可按需升级，1 0 0 0 0 m b s 以 太网技术也已经问世。采用专用的无碰撞全双工光纤连接可以使以太网的传 输距离大为扩展，完全可以满足接入网和城域网的应用需要。目前其应用范 围也逐渐从以企业网为主转向以服务提供商为主。一旦i e e 8 0 2 3 a el o g b 以 太网技术稳定，l o g b 以太网将成为重要的新增长点。随着技术的进步和社会 的发展，改造后的以大网接入也将会发展成为中近期的主导宽带接入技术之 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一。而且从长远看，与i p 技术天然融合的以太网比a d s l 更有发展潜力。 由于以太网的成本优势，它已经成为局域网的事实标准，我们可以预见 它的成本优势也必然对它在广域网和城域网中的成长起着重要的作用。在宽 带接入市场采用以太网技术可以结束那些不必要的协议转换，以太网也很有 可能取得接入市场的统治地位。由于以太网接入网的快速发展和广泛受重视， 2 0 0 1 年初i e e e 成立了8 0 2 3 e f m 工作组( e f m 的意思是“以太网第一英里”， 即以太网接入网) ，发展制定以太网接入网标准。中国也在制定相关标准。 目前太比特路由器和密集波分复用技术结合可以提供太比特i p 骨干网，智能 光网与万兆以太网i o g b e 结合正在形成新一代的宽带i p 骨干网和城域网。以 太网正在成为新一代宽带接入网的标准，我们有理由相信以太网未来将会成 为一个事实上的全程的数据传输标准。 以太网的一个最新发展是利用现有的双绞线来传以太网信号，避免重新 敷设较贵的5 类线，即所谓的e o v d s l 可以认为属于这类技术，它结合了2 层以太网和v d s l 物理层的特点，避免了a t m 的复杂性和传统以太网的传输距 离限制的缺点，获得了较好的性价比：其典型速率为l o m b i t s ，传输距离达 1 ，2 公里，最高下行速率可达5 2 m b i t s ，具有良好的发展前景。 在未来5 到1 0 年问，无线接入技术方面除了第三代移动通信( 最高 2 m b i t s ) 和无线以太网技术( 最高5 4 m b i t s ) 等现有宽带接入技术会广泛应 用外，具有更高速率、频谱效率和智能的新一代宽带移动通信技术( 超3 6 ) 将 开始应用，届时用户速率可能达到2 0 m b i t s 乃至更高，电信网的最后接人带 宽瓶颈将获全面突破。 1 3 宽带l p 设备的需求现状 随着技术的进步以及设备的大规模应用，宽带网络设备的成本大幅度下 降，市场竞争行为更趋理性，宽带的概念被消费者广泛接受，宽带业务已经 渡过生命周期的进入期，进入业务成长期。数据业务的爆炸性增长对网络互 连设备提出了新的挑战。世界各大电信运营商已在考虑如何按照数据业务的 特点优化网络，以包交换技术构建未来网络，以数据承载话音方式取代话音 承载数据方式己成为业界共识，i p 电话在全世界范围的迅猛发展就是一个有 力例证。事实上，新一代电信运营商，如q w e s t 、l e v e l 3 、中国网通建立的 电信网已不再基于传统电信网的电路交换技术，而是采用i p 网络的分组包 交换技术和i p 路由技术，并采用高度自愈功能的光环网传输系统，高效地提 供语音、图像、数据等多媒体通信业务。这也表明通信主流体制正在从以程 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 控交换机为主的面向连接的电路交换网络转向以路由器和网络交换机为主的 无连接的包交换网络。9 0 年代中期以来，由于网络用户的迅猛增长、网上信 息量的丰富和电子业务的发展都促使数据流量急剧增长，增加带宽、提高速 度、保证质量已成为各运营商组建自己网络的目标，这些因素都带来了以太+ 网交换设备的大量需求。据调查，预计至2 0 0 5 年末，全球服务供应商与企业 用户在千兆咀太网设备方面的年均开销总计可望达到3 0 6 亿美元，同时新兴 i o g 以太网技术方面的开销也将达到1 3 5 亿美元，而国内以太网市场的年平 均增长率也将达到7 1 。 宽带i p 技术的核心问题是新一代高性能i p 路由交换设备的研制，以及 与其相关的i pq o s 问题、全光学传输网络和高速率传输技术的研究。宽带 i p 网络的关键设备是采用专用硬件技术、新路由交换结构的网络吞吐量为吉 位( 1 0 9 比特秒) 或特位( 1 0 “比特秒) 的高性能路由交换机。使用新一代高性 能路由交换机的网络比使用传统路由器或共享型网络可以更有效地设计、更 高效地运行。高速路由交换机( 也称为第三层交换机) 不但可以大幅度提高 路由器的吞吐能力还可以大大降低每端口价格。因此，第三层交换机正取 代传统路由器，成为新一代的路由设备。高性能路由交换设备将会取代今天 数字程控交换机的地位，成为未来通信网络的主流设备和新的通信产业增长 点。 i 4 课题研究的目的和意义 从六十年代末a l o h a 的出现到九十年代中期1 0 0 0 m b p s 交换式以太网的 登台亮相，短短的三十年间以太网经过了从单工到双工，从共享到交换，从 低速到高速，从简单到复杂，从昂贵到普及的飞跃。8 0 年代，我国抓住了数 字程控交换技术的发展机遇，实现了民族通信产业的第一次腾飞。今天，我 们更应该看到通信体制变革带来的新的历史机遇。 中国以太网建设初期，交换机设备市场被国外品牌垄断，特别是高端市 场，国外品牌占据了全部份额，竞争主要在几个国外厂商如c i s c o 、3 c o m 、 n o r t e l 等之间展开，几乎没有国产品牌。近年来一批民族品牌正在迅速崛起， 其中一些已经在中低端市场取得了不错的市场占有率。以华为等为首的国内 厂商正在切入高端以太网交换机产品市场，但是由于技术等方面原因高端 交换机市场被国外品牌垄断的”坚冰”仍然没有被打破，国内厂商在高端交换 机市场还处于起步阶段。因此积极跟踪国际前沿技术，开展高性价比的高性 能路由交换机的研制，不仅具有广泛的经济效益而且对全面提高我国通信技 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 术的整体水平，增强民族通信产业的国际竞争力具有重要意义。 1 5 课题完成的工作和论文的组织结构 1 5 1 课题完成的工作 本论文比较详细的介绍了一款千兆高性能路由交换机的设计实现，以及 对一些相关技术的跟踪研究。设计实现的高性能路由交换机定位于网络的汇 聚层和接八层，其基于硬件三层线速交换架构，可以提供2 4 个固定的 1 0 ，1 0 0 m 自适应以太网接口和一个支持千兆铜缆或光纤的扩展模块( 可扩展 插卡) 。该交换机支持从1 0 1 0 0 m 桌面到千兆主干的各种连接。设计中用到 的交换芯片是b r o a d c o m 公司的b c m 5 6 1 5 ，但其中的设计思想和一些具体的 实现技术仍可用于基于其他交换芯片的设计中。 1 5 2 论文的组织结构 本论文共分八个部分。 第2 章介绍了以太网从1 0 兆1 0 0 兆迈向1 g 和1 0 g 的技术历程，介绍了 相关的以太网链路层和物理层标准，本章的最后对三种常用的物理层接1 3 芯 片作了介绍。 第3 章介绍了以太网从共享到多层交换的技术历程，介绍了二层和三层 交换的一般原理，以及三层交换机的一般实现方法。 第4 章对设计用到的交换芯片b c m 5 6 1 5 作了比较详细的分析，并介绍 了b c m 5 6 1 5 中二层和三层数据交换的流程。 第5 章介绍了本文涉及到的交换芯片与物理层芯片问的常用接口。 第6 章介绍了微处理器子系统模块的详细设计和实时操作系统的选择 第7 章详细介绍了基于b c m 5 6 1 5 的三层交换机的硬件设计并概述了软7 件体系。 由于论文写作时间仓促，加之作者水平有限，错误之处恳请各位专家和。 老师批评指正。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章以太网从十兆百兆迈向千兆万兆 1 9 9 4 年开始的因特网商业化就象打开了潘多拉的盒子把囚禁在盒子里 的小精灵释放了出来，迅速掀起了一场因特网风暴。为了适应网络应用深化 带来的挑战，网络在速度和网段这两个技术方向都急剧发展。在速度方面， 人们对网络容量的需求愈来愈高，以太网的传递速率在这种背景下从 1 0 m b p s 、1 0 0m b p s 迈向1 0 0 0m b p s ( 1 g b p s ) 和1 0 0 0 0 m b p s ( 1 0 g b p s ) 。局域网 用户的速度己普遍从最初的1 0 m b i t s 提高到了1 0 0 m b i t s ，目前千兆以太网技 术也正逐步得到普遍应用，万兆以太网技术正方兴未艾。 2 1 以太网从1 0 兆1 0 0 ；l - n1 g 和1 0 g 的发展历程概述 2 1 1 1 0 m 以太网时代 e t h e r n e t 网络( 以太网) 是著名的局域网络之一。1 9 7 5 年由美国x e r o x 公司研制成功，随后x e r o x 、d e c 和i n t e l 公司制定了1 0 m b p s 以太网的标准。 世界上最大的专业化组织电气和电子工程师协会( i e e e ) 在此基础上又制 定了i e e e8 0 2 3 标准。这两个标准非常接近，它们都对应于0 s i 参考模型的 物理层和介质访问子层( 凇c ) ，采用相同的载波侦听多路访问冲实检测 ( c s m a c d ) 协议以及极为相似的帧格式。 1 0 m 以太网主要包括如下技术：基于基带同轴电缆的1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 ， 基于宽带同轴电缆的1 0 b r o a d 3 6 基于光纤的1 0 b a s e f l 、1 0 b a s e f p 、 1 0 b a s e f b 以及基于双绞线的1 0 b a s e - t 技术由于1 0 m 以太网技术现在使用 的已经非常少，所以这里不再作迸一步的介绍。 2 1 2 快速以太网时代 1 9 9 3 年1 0 月以前，对于要求1 0 m b p s 以上数据流量的l a n 应用，只有 光纤分布式数据接1 2 ( f d d i ) 可供选择，它是一种价格非常昂贵的基于 1 0 0 m p b s 光缆的l a n 。1 9 9 3 年1 0 月，g r a n d j u n c t i o n 公司推出了世界上第一 台快速以太网集线器和网络接口卡。同时，i e e e s 0 2 工作组对1 0 0 m b p s 咀太 网的各种标准，如1 0 0 b a s e t x 、1 0 0 b a s e 2 4 、m i i 、中继器、全双工等标 准进行了研究。1 9 9 5 年3 月i e e e 宣布1 0 0 b a s e t 正式成为i e e e 8 0 2 3 u 规 范，开始了快速以太网的时代。 i e e e s 0 2 3 u 保持了以太网的帧结构，并把限制速度提高到1 0 0 m b i t j s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 但是把时钟速度提高1 0 倍意味着传送一帧所需的时间缩短为原来的1 1 0 ， 这直接导致网络的大小从1 0 b a s e t 时的2 k m 缩小为1 0 0 b a s e t 时的2 0 0 m 。快 速以太网集线器和网络接口卡和1 0 m b p s 以太网相比具有更高的性能价格 比。1 0 m b p s 以太网可以方便的升级为快速以太网，原有的1 0 m 型l a n 可以 通过lo 1 0 0 型集线器无缝的连接到1 0 0 m 型l a n 上。这是其他新型网络技 术所无法比拟的。快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的 投资，它支持3 、4 、5 类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。 当然快速以太网也有它的不足：快速以太网是基于c s m a c d 技术的，当网 络负载较重时，会造成效率的降低，这可以通过使用交换技术来弥补。 快速以太网主要包括如下几种类型：1 0 0 b a s e - t x ，1 0 0 b a s e f x 和 1 0 0 b a s e t 4 。下面分别作一个简要介绍。 1 0 0 b a s e - t x 是一种使用5 类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的陕速 以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传 输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m h z 。使用同1 0 b a s e t 相同的 r j 4 5 连接器。它的最大网段长度为1 0 0 米，支持全双工的数据传输。 1 0 0 b a s e t 4 则是一种可使用3 、4 、5 类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的 快速以太网技术。它使用4 对双绞线，3 对用于传送数据，1 对用于检测冲突 信号。在传输中使用8 b 6 t 编码方式，信号频率为2 5 m h z 。使用同1 0 b a s e - t 相同的r j 4 5 连接器，最大网段长度为1 0 0 米。 1 0 0 b a s e f x 是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模光 纤( 6 2 5 u m 和1 2 5 u r n ) 。在传输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m h z 。 它的最大网段长度可达10 k m ，与所使用的光纤类型和工作模式有关，支持全 双工的数据传输。1 0 0 b a s e f x 特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连 接、或高保密环境等情况下的使用。 快速以太网中开始引进了自动协商的概念。自动协商模式( a u t o - n e g o t i a t i o nm o d e ) b nn w a y 技术，在i e e e 8 0 2 3 u f a s te t h e m e t 规范中有详 细的说明。具有自动协商模式的集线器和网络接口卡在上电后会定时发送“快 速链路脉冲( f l p ) 序列”，该序列包含有半双工、全双工、1 0 m 、1 0 0 m 、t x 等信息对方检测相应的信息并自动调节到双方均能接受的最佳模式上。这 样，可以保证双方能以可接受的最佳速率连接。自动协商模式大大简化了局 域网的管理，从而减轻了网络管理员的工作量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 3 千兆以太网时代 2 0 世纪9 0 年代咀来，l a n 的发展出现了一些新变化。首先，桌面计算 机迅速普及，计算能力逐步提高，计算环境互连成为普遍的要求，这些对l a n 产生了巨大的带宽需求压力；其次，硅处理技术、线路编码技术取得了显著 的进步，计算机硬件产品价格不断下降，特别是在网络安装和配置方面出现 了以专用介质为基础的交换式网络，凡此种种为提供高速的l a n 创造了物 质条件。快速以太网( 1 0 0 m b s ) 为己不堪重负的1 0 m b s 以太网提供了一条简 便的兼容升级途径。它可用于连接桌面计算机、工作组服务器，也可以用做 建筑楼宇内外互连l a n 的主干。然而，随着多媒体应用和l a n 互连需求的 增长，使用快速以太网本身又产生了新的带宽需求压力。在园区主干层次， 往往聚集了来自多个1 0 0 m b s 网络的流量负载，从长远的角度看，快速以太 网是难以胜任的，而这正是千兆以太网游刃有余的地方。千兆珏太网借鉴了 快速以太网成功的经验：使用成熟可靠的物理层技术；保持现有以太网的帧 格式；虽然全双工操作方式将是必然的选择，但千兆以太网还是策略地兼容 以太网的半双工操作方式。 1 9 9 6 年6 月i e e e 标准委员会批准了于兆位以太网方案授权申请( g i g a b i t e e t h e m e t p r o j e c t a u t h o r i z a t i o n r e q u e s t ) 。随后i e e e s 0 2 _ 3 工作组成立了8 0 2 3 z 工作委员会。i e e e8 0 2 3 z 委员会的目的是建立千兆位以太网标准：包括在 1 0 0 0 m b p s 通信速率的情况下的全双工和半双工操作、8 0 2 3 以太网帧格式、 c s m a c d 技术、在一个冲突域中支持一个中继器( r e p e a t e r ) 、1 0 b a s e t 和 1 0 0 b a s e - t 向下兼容技术。i e e e8 0 2 3 z 千兆位以太网标准于1 9 9 8 年6 月通 过，它描述了用于一个通用链路编码且可进行10 0 0 m b s 传输的3 个物理层 接口( 1 0 0 0 b a s e s x 、1 0 0 0 b a s e l x 和1 0 0 0 b a s e c x ) 。 1 0 0 0 b a s e c x 是一种基于铜缆的标准，使用专用的屏蔽双绞线，每个 连接由两对屏蔽双绞线组成，每个传输方向一对。采用8 b 1 0 b 编码懈码方 式，最大传输距离为2 5 米。1 0 0 0 b a s e - c x 接口计划用于限制在2 5 米内的。 计算机房内的连接。 1 0 0 0 b a s e l x 使用8 b 1 0 b 编码解码方式，支持5 0 u r r d 6 2 5 u m 多模光纤 的5 5 0 m 全双工的连接，或者是1 0 u m 单模光纤的5 k m 的全双工连接。波长 范围是1 2 7 0 n m 到1 3 5 5 n m 。 1 0 0 0 b a s e s x 使用8 b 1 0 b 编码解码方式，支持6 2 5 u m 多模光纤的 2 7 5 m 全双工的连接，或者是5 0 u m 多模光纤的5 5 0 m 的全双工连接。波长范 围是7 7 0 到8 6 0 n m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 i e e e 8 0 2 3 a b 千兆位以太网标准于1 9 9 9 年6 月通过认证，它描述了用于 不同线路编码的附加物理层接u ( 1 0 0 0 b a s e t ) 。1 0 0 0 b a s e t 基于无屏蔽双 绞线传输介质，使用1 0 0 0 b a s e tc o p p e rp h y 编码解码方式，通过5 类非 屏蔽双绞线介质传输的最远距离可达1 0 0 米，主要应用于面向桌面的网络连 接。 1 0 m 以太网，快速以太网和千兆以太网的主要性能对比如表2 一l 所示。 表2 - 1 三种以太网性能对比 以太网快速以太网千兆以太网 数据速率 1 0 m b i t s1 0 0 m b i t s10 0 0 m b i f f s 5 类u t pl o o m ( 最小) 1 0 0 m1 0 0 m 屏蔽铜缆 5 0 0 m1 0 0 m2 5 m 多模光纤 2 k m 4 1 2 k m ( 半双工)2 2 0 5 5 0 m 6 2 5 u r r d 5 0 u m 2 k m ( 全双t ) 单模光纤2 0 k i n ( 可达8 0 k m )2 0 k i n ( 可达8 0 k m )5 k m ( 可达6 5 k m ) 每段中继器 数量 321 实际上大家所熟知的8 0 2 3 z ( 1 0 0 0 b a s e x ) 、8 0 2 3 a b ( 1 0 0 0 b a s e t e t h e r n e t ) 、8 0 2 3 a c ( v l a nt a g ) 、8 0 2 3 a d ( 链路聚合) 都已经成为2 0 0 2 版的8 0 2 3 标准的一部分而不再单独出现。 随着因特网的快速发展普及，电子商务的兴起，网上话音通信，音频视 频广播和宽带交互式新媒体的出现和发展对接入网带宽的要求越来越高。将 来必然会出现l o o m b s ，甚至1 g b s 到学校和家庭的需求。千兆位以太网具 有以太网的易移植、易管理特性，在处理新应用和新数据类型方面具有灵活 性，它是在赢得了巨大成功的i o m 和1 0 0 mi e e e 8 0 2 3 毗太网标准的基础上的 延伸，提供了1 0 0 0 m b p s 的数据带宽。这使得千兆位以太网成为高速、宽带网 络应用的战略性选择。 2 1 41 0 g 以太网时代 1 0 g 以太网使用i e e e 8 0 2 3 以太网介质访问控制协议、i e e e s 0 2 3 以太 网帧格式和最小最大帧尺寸。如同1 0 0 0 b a s e x 和1 0 0 0 b a s e - t ( 千兆以太网) 仍然遵循以太模型一样，i o g 以太网是以太网在速度和距离方面的自然演化， 是全双工、纯光通信技术。 因i o g 以太网的高速率，其用于企业局域网的核心层，用来汇聚局域网 中的干兆以太网端口，极大地提升企业核心层的带宽。因其远距离传输能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 ( 传输距离为4 0 k i n ) ，可以在较大的地域范围内灵活地组建大型企业局域网。 更重要的是在1 0 g 以太网中引入了与s o n e t s d h 传输速率、格式都匹配的广 域网接口( g i s ) ，w i s 把交换机或路由器这些数据设备连接到s o n e t s d h 或 光纤网上，这样以太网之间的连接可以简单地跨越这些网络。因此收发端的两 个路由器之间的通信和将它们直接用以太网连接起来的情况是完全相同的， 这将对网络结构的演化产生重大的影响。 以太网技术不再仅仅是局域网技术的主宰，其将作为现行城域网( m a n ) 、 广域网( w a n ) 技术( 如a t m 、s o n e t s d t t ) 强有力的竞争者而进入城域网、 广域网领域。 负责1 0 一g i g a b i te t h e r n e t 标准的i e e e8 0 2 3 a e 研究小组在1 9 9 9 年3 月正式成立，主要致力于发展通过光纤介质传输万兆比以太网的标准。并已 于2 0 0 2 年6 月1 2 日获批准正式发布。目前有包括a g i l e n t 、e x t r e m e 、i n t e l 和n o r t e l 在内的多家厂商可以提供支持该标准的产品。随着标准的最终确定 l o g 以太网技术将广泛、可信地应用于企业局域网的核心层、数据中心、服 务器池。同时运营商可以直用该技术在s o n e t s d h 、暗光纤、密集波分复用 上构建低成本的城域网和广域网。 2 之以太网标准介绍 2 2 1 以太网标准概述 以太网已经出现了大约2 5 年，由于以太网的成本优势，今天的以太网 已不仅是局域网( l a n ) 的一种类型，它业已成为局域网的事实上的标准。i e e e 8 0 2 协议是规范局域网的系列协议，一般把i e e e 8 0 2 3 协议称作以太网协议， 它是i e e e 局域网协议的一支。图2 1 表明了8 0 2 3 特别工作组与其他i e e e 8 0 2 l m s c 之间的关系。 图2 2 则给出了i e e e 8 0 2 3 标准的分层体系结构，i e e e 局域网对应于 i o s 模型 i s 0 9 4 中的数据链路层和物理层。从制定标准和理解系统行为的角 度把这两层看作是一整块是不现实的。标准在描述这两层时采用了大量的 子层说明。虽然这样生成了更多的实体层，但是分层体系结构的精髓就是要 保持每层完成特定的功能，并向其上下层提供良好定义( t e l l d e f i n e d ) 的接 口。 各种以太网在数据链路层有相同的模型。这一层又分为逻辑链路控制 ( l l c ) 、m a c 控制和媒体访问控制予层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2