千兆网技术综述

千兆网技术综述一.传统网络的局限性目前，世界上最受欢迎的网络是以太网，安装了以太网的局域网已达到1亿个。根据IDC的统计数字，以太网的上网速率是每年3000万个结点,这两个数字都要比令牌环网高出一个数量级。以太网具有简单、花费少、易于使用的特点，快速以太网仍然保持了以太网简单易用的特性，而千兆位以太网也同样遵循了这一传统。在我们描述传统网络的局限性时将以以太网（Ethernet）为主。系统网络结构的限制。先从网络的广播谈起网络技术发展至今，无论在网络节点（即Node,通常指PC机或工作站）之间还是在网络之间，若要进行通信，首先要通过源站点发广播来寻找目的站点。这说明了广播在网络上存在的必要性。但是对于网络和网络节点而言，它们又不需要太多的广播。这是因为：其一，从网络节点的角度来看，太多的广播会使PC机或工作站的性能下降，因为当其网络端口接收到每个广播包时，它们的CPU必须要停下正在进行的工作，去处理接收到的每个广播包，看一看是否是自己应接收的数据包;其二，从网络的角度来看，广播太多必然使网络的有效带宽利用率下降;最后，广播多到一定程度，就有可能造成广播风暴，导致网络瘫痪无法工作;另外，如果是采用多种网络协议（如IP、IPX、AppleTalk等）构成的网络，对于使用IP协议的网络或节点来讲，它们根本就不需要接收IPX或是AppleTalk的广播，实际上却又不得不接受，反之亦然。可以说，多种网络协议的广播包在网络上的广播又是一种非常无奈的现象。谈到传统的网络结构，必然就要涉及到两种网络互连设备:桥接器和路由器。桥接器是一种局域网互连设备，其特点是构造比较简单、处理速度快。但是，由于它与网络协议无关，因此也就无法对来自不同网段的广播，尤其是不同协议的广播进行分类。正是由于这一点，当桥接结构随着网络规模不断扩大时，就非常容易造成大量的网络上的广播，甚至使网络无法正常工作。路由器是智能化程度高、功能强且十分复杂的网络设备，除了实现网络互连的功能外，对网络的安全和稳定起着非常重要的作用。可是在其优点的背后,又有其处理速度太慢，容易造成网络瓶颈的缺点。因此，路由器在很大程度上又限制了用户的应用需求。这是因为路由器是OSI七层网络模型中第三层的设备。它在网络中，收到任何一个数据包（包括广播包在内），就要将该数据包第二层（数据链路层）的信息去掉（称为”拆包"）,查看第三层信息。然后，根据路由表确定数据包的路由,再检查安全访问表;若被通过，则再进行第二层信息的封装（称为”打包"）,最后将该数据包转发。如果在路由表中查不到对应MAC地址的网络,则路由器将向源地址的站点返回一个信息,并把这个数据包丢掉。这便是路由器工作过程的简要描述。还应当指出:MAC地址就是网络设备的物理地址（如网卡地址）。因此，传统路由器对网络造成的不必要的限制，路由器本身是一个无连接的设备，其工作机制使它成为一个转发并遗忘的网络设备。仅就路由器对任何数据包都要有一个”拆打”过程来看，即使是同一源地址向同一目的地址发出的所有数据包，也要重复相同的过程。这导致路由器不可能具有很高的吞吐量,这也是路由器成为网络瓶颈的原因之一。可能有人会说，提高路由器的硬件性能（系指采用更高速的、更昂贵的处理器,更大容量的内存）不就可以改善它的性能了吗？令人遗憾的是，路由器除了硬件支撑外，其”复杂的处理与强大的功能”主要是通过软件来实现的，这必然使得它成为网络瓶颈。另外，当流经路由器的流量超过其吞吐能力时，将引起路由器内部的拥塞。持续拥塞不仅会使转发的数据包被延误，更严重的是使流经路由器的数据包丢失。这些都给网络应用带来极大的麻烦。路由器的复杂性还对网络的维护工作造成了沉重的负担。例如，要对网络上的用户进行增加、移动或改变时，配置路由器的工作将显得十分复杂。综上所述，传统的网络结构对用户应用所造成的限制,正是交换技术所要解决的关键问题。在交换网络中，尤其是大规模的交换网络，没有路由功能是不可想象的。这正是各个厂商在交换技术领域激烈纷争的焦点:即如何解决交换网络中的路由问题！因为传统的交换网络是不具有路由功能。当我们要组建一个新的网络的时候，最值得我们花时间、花精力去研究分析的应该是沿用传统的网络结构模式，以路由器为核心去构造和发展网络（即使是采用了交换设备和虚拟局域网技术）;还是打破过去的传统，构造新的网络模式？显而易见，焦点之争又集中到了路由器上。这是为什么？首先看一对数字的比较结果。目前，市场上最高档路由器的最大处理能力为每秒25万个包，而最高档交换机的最大处理能力则在每秒1000万个包以上。二者竞然相差了40倍。交换技术与虚拟网络或虚拟局域网有着内在的必然联系;可以这样说,交换技术是构造虚拟网络或虚拟局域网的物质基础。在数据信息爆炸式增长的同时，作为信息传输的媒介,计算机网络技术的发展也可谓一日千里。还在人们继续延用小型Novell网络、津津乐道于10M以太网的传输效率时，局域网中网络互连技术早已由10M以太网发展到了100M快速以太网。如今，千兆位网络技术更是挟超级速度扑面而来。二.千兆网及其比较千兆位网技术（尤其是千兆位以太网技术）的出现时间并不长，但已明显地分为两大技术阵营ATM和千兆位以太网。目前ATM和千兆位以太网这两种高速联网技术都成立了相应的网络技术论坛，来制定相应的数据传输标准，推动技术的应用和发展。IEEE已经批准千兆位以太网项目，这一标准被称为IEEE802.3Z任务强制转移（TaskForce）标准,预计在1998年底完成。有代表50多个公司的200个成员参与制订这一标准。网络用户是幸运的:短短几年中局域网的速率便从10Mbps十倍速增长至100Mbps，到今天,千兆以太网又已经扑面而来。高带宽、保护原有投资、简单易用、价格便宜,千兆以太网以其众多优点赢得了高度评价,并成为当今最热门的网络技术之一,更有甚者称其为”新时代的以太网"、"下个世纪的网络"。但对于千兆网的发展前景我们不应该过于乐观，因为在今后几年中我们只可能在少数的场合见到它大展身手，对于千兆以太网我们常常有一个误解，即认为从现有的10M/100M以太网升级到千兆网，就如同以往的从10M网升级到100M的快速以太网一一因为100M或1000M以太网均保留了与10M网相同的802.3帧格式及管理对象规格，所以可以保留原有网络的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序和网管系统等几乎所有的一切一一千兆以太网似乎可以提供”完美无缺”的升级途径。但，此观点忽略（或者是有意无意淡化）了一点,即千兆以太网对线缆的要求比10M/100M以太网的严格许多，现有大多数的网络布线将难以满足其严格的要求。由于千兆位以太网保留了与10M以太网相同的802.3帧格式，没有对信息传输格式作任何变动,因而这种网络升级方案较其他技术在投资和性能上要平滑得多，更何况目前世界上90%的用户采用的是以太网联网技术。但作为一种新技术,千兆位以太网技术在具有强大生命力的同时，也有着其不成熟的一面，在今后的高速联网技术市场上哪种技术将独执牛耳，目前还很难断言。我们不妨从以下几个方面来比较一下千兆位以太网技术和ATM技术的各自特点。布线要求和传输距离的差别千兆位以太网技术的出现令深受网络拥塞之苦的网络用户欣喜若狂，特别是它”可由传统以太网平滑升级”和”最大限度保护传统以太网用户已有投资”使网络用户倍感亲切。尽管IEEE802.3委员会在制定千兆位以太网传输标准时把目标定在基于多模光纤的千兆传输距离不小于550米，基于5类非屏蔽双绞线的千兆传输距离不小于100米，事实上光纤传输距离的问题已经圆满解决，但关于非屏蔽双绞线传输的千兆位以太网标准的制定有可能要到明年才能确定。毕竟，在非屏蔽双绞线上进行千兆传输，还要解决信号反射和信号畸变等技术问题。目前绝大多数以太网用户在局域网布线中大多采用3类或5类非屏蔽双绞线，由于千兆位以太网对传输线路要求的限制，事实上传统以太网用户升级到千兆位以太网绝不是一个”平滑无缝”的过程，至少是在目前，传统以太网的布线系统很难为千兆位以太网所沿用。千兆位以太网技术在单模光纤上的传输距离现已达到了2000米（也有报道为4000米的），很显然这个距离对于园区建筑物之间的互连环境已经足够了，但是对于城域网和广域网，它也同样显得无能为力。而ATM的发展目标就是要建立这样一个广域信息传输系统，它不受任何物理结构的限制,也和它所传输的数字数据的类型无关。也就是说,ATM可以用于世界上最大的广域网络中传输任何形式的数字数据信息，相信这样的目标实现以后会使绝大部分用户感到满意的。同步光纤网(SONET)是许多ATM光纤通信的标准，以光纤为传输媒体的ATM广域网络早已在世界上许多地方投入了商业运行并发挥了相当高的效率。目前传输速率高达9.6Gbps的广域ATM链路也正处于试验阶段。至于普通双绞线是否能够用于ATM网络的高速主干链路，目前还存在着激烈的争论，但工作桌面上25Mbps的ATM低速连接在ATM网络中已经相当普遍。由于ATM网络在广域网络中的出色表现，再加上ATM上新推出的反复用技术可以为用户提供1M至45M之间的带宽，大大增强了ATM在高速网络技术中的生命力。传统网络升级时可行性和可用性的差异在千兆位以太网和ATM之间，究竟哪种升级方案更具有可行性和可用性？千兆位以太网一问世便以”以传统以太网技术为基础，从以太网和快速以太网升级时方便快捷，最大限度保护用户原有投资”为宣传形象，这种商业渲染迎合了千百万以太网用户的迫切需求。由于千兆位以太网采用了和传统的以太网相同的帧长、帧格式和媒体访问层协议,因而在从传统的以太网或是快速以太网升级到千兆位以太网的具体操作过程中，将传统以太局域网的主干设备加插千兆位以太网适配模块,在新的网络主干之间形成千兆链路，或是增加千兆位以太网交换机，而通过灵活配置千兆位以太网交换机上的10M以太网、快速以太网或是FDDI等模块，可以整合原先的网络结构将传统的网络升级为千兆位以太网，而将原先的网络主干结构移向下级应用，保护了用户的设备和技术等投资，也为园区局域网升级提供了较为合理的解决方案。对于传统以太局域网所提出的ATM技术升级解决方案都是采用ATM交换机形成网络主干，因此,难以保护用户已有的投资和技术°ATM局域网的升级投资要比以太网的升级技术高得多，又由于近年来在局域网市场上受到千兆位以太网技术的冲击，相信对于数据传输质量不是非常在意的用户,都会对价格因素进行-定的考虑。此外，有别于以太网产品，不同厂商生产的ATM网络产品之间的工作协调性到目前为止还没有很好地解决，这样用户进行ATM网络升级时为了保证网络的可靠性和高效率，也就不得不选用同一厂商的网络产品，这在一定程度上也限制了ATM网络技术在桌面系统的应用。服务品质的差别千兆位以太网作为一种新兴的高速联网技术，尽管它将网络主干带宽提升到千兆级，但是它仍然和传统的以太网技术一样缺乏拥塞控制而时常会影响到用户对服务器数据库数据的存取，同时它也没有解决多媒体数据传输的问题，而这一直是传统以太网技术的一个弱点。也许，随着千兆位以太网技术的不断发展成熟,千兆位以太网技术论坛也将会考虑制定千兆位以太网上的质量服务标准，以支持千兆位以太网上高质量实时多媒体数据的传输。当千兆位以太网技术真正实现了质量服务,也许就是它在局域网中替代ATM的时候了。相比之下,ATM网络技术在这方面要优越得多。ATM网络由于采用面向连接的定长信元传输技术,而不是通过检查数据包的头再依靠路由表传输到目的地址，因而数据传输速度快、延迟小，同时又具有传统包交换的复用效率。ATM是面向连接的，数据传输都是在电路连接以后才进行，由于这种资源预定，为ATM上的业务品质提供了必要的条件。ATM网络的业务质量(QoS)保证是建立在资源预留协议的基础上的。由于对业务质量的支持,ATM便可以用相同的信元格式去整合各种数据和多媒体信息，然后运用多业务管理对策对各种不同的业务类型进行业务流量管理和控制。有了业务质量,网络管理员就可以很方便地管理各种网络资源,严格掌握网络主干的带宽分配，并且可以根据实际应用需求对不同的业务类型划分优先级，以确保重要或机密业务优先。正是由于ATM能够提供优异的服务质量，并且这也是目前的以太网所无法达到的,因而对服务品质要求非常高的用户能够忍受ATM的昂贵价格也就不足为奇了。主要网络厂商对这两种技术的支持差异由于千兆位以太网是一项新兴联网技术,相应的技术论坛也还成立不久,基于多种物理媒体的数据传输标准正在制定过程之中。尽管许多著名网络厂商都不甘放弃这潜力巨大的市场，纷纷宣布将支持千兆位以太网标准,但是和ATM论坛相比较,它的厂商支持力量明显要薄弱得多。尽管标准尚未最后出台,但许多知名网络厂商，如PlainTree系统公司、3com公司和DEC公司等已经相继推出自己的千兆位以太网产品，而且作出了”标准发布后将免费升级到标准兼容设备”的承诺,这有利于它们在千兆位以太网市场竞争中占据有利的地位，相信对许多急需提高网络主干速度的传统以太网用户具有相当大的吸引力。毕竟,千兆位以太网标准的推出，只是个时间问题。ATM技术的出现,比千兆位以太网早了3年多，而且目前的ATM网络市场相当繁荣。原先由Fore公司、Newbridge公司和BayNetworks公司领导的这一市场，由于Cisco和旧M等多家实力雄厚的公司纷纷介入，打破了原来的格局。如今的ATM论坛规模已经空前，已经制定了一系列的工业开放标准，有望促进不同厂商的ATM产品之间的互操作。因为如果不同厂商产品的互操作问题得不到解决，各个厂商ATM解决方案之间没有可协调之处，这最终也将阻碍ATM的发展。在高速联网技术解决方案中，能够满足所有需求、适合所有环境的单一技术从来就没有出现过，今后也不会出现。千兆位以太网基于单模光纤的传输距离仅仅4000米,在广域联网方面几乎是一项空白，但却能够很方便地提升传统以太网的局域主干速度，而高速广域网的互连一直是ATM技术的强项，对于千百万传统以太网局域用户，改头换面的ATM即使能够提供业务质量，也难以打动他们。只有在网络升级过程中切实考虑用户的特定需求，将千兆位以太网技术和ATM技术优势互补，才能提供比较完美的网络升级解决方案，合理地解决网络升级问题，将用户带入通畅的高速网络世界。三应用前景千兆以太网可能首先在某些环境中被采纳。3Com公司认为，千兆以太网非常适于升级交换机间的链接、交换机与服务器间的链接。网络管理人员只需在交换机（服务器）上安装千兆以太网接口模块（或网卡），并将它们连接起来，便可以非常简单且十分有效地提升网络性能。再如大量夜间文件备份或传输数据量大的CAD/CAM应用等都将是千兆以太网大显身手的地方。该公司认为，千兆以太网在升级交换式快速以太网或交换式FDDI主干网时也能发挥重要作用，因为交换式网络升级到100/1000Mbps将大大提升网络性能，而这种升级也是比较容易的。推崇并生产ATM设备的Fore公司认为:”千兆以太网只是一种过渡。"同样地，Bay公司认为千兆以太网的应用面可能还要更窄一些。他们的理由是,按照64字节一数据包计算,1000Mbps/8/64=2.2Mpps,即对每一条千兆以太网数据流的处理需要超过2.2兆数据包/秒,而目前第三层路由器（交换机）处理能力一般低于2Mpps,因而必须采用第三层交换的技术才能发挥出千兆的速度。由此见,在骨干网中采用千兆以太网将对原有核心设备提出相当高的要求，如果考虑园区网、校园网、中大型企业网中虚拟网应用、子网多等因素、以及越来越明显的”20/80”法则（80%的流量在子网外传输）,简单地升级到千兆以太网绝对是难以担当网络传输重任的。这有