千兆以太网和千兆路由交换机技术

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1、千兆以太网和千兆路由交换机技术（毛俊）摘要：本文第一部分详细介绍千兆以大网的技术原理，并重点讨论千兆以太网的效率和可靠性问题。作为实现千兆以太网技术的产品，本文第二期分详细介绍千兆法由交换机的系统结构，重点讨论在千兆路由交换机中线速和无阻塞的概念。最后针对广电视实的建网需求，提出在路由交换机造型时的五个主要标准。1千兆以太网技术原理1.1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。10BaseT是运行在3类或更高类别的双绞线上的以太

2、网，10Base2／5是运行在同轴电缆上的以太网，10BaseFL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，10BaseFL最大的覆盖距离为2km，10BaseT在一个网段内的最大覆盖距离为100m。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。100BaseTX是运行于5类双绞线上的快速以太网，100

3、BaseFX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，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100BasFXSMF的全双工快速以太网最大覆盖距离可达20km以上。1.2千兆以太网协议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IEEE802.3。把以太网的速率提高到了1000MbPs

4、。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。可以预见未来随着价格的下跌，千兆以太网会象快速以太网一样普及。1.2.1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

5、径只有20m。这样的距离覆盖范围在实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：载波扩展和帧突发。（1）载波扩展为了使千兆以太网的距离覆盖范围达到实用标准，半双工千兆以太网时间槽长度扩展到了4096位，这样半双工千兆以太网的距离覆盖范围扩展到了160m。为了兼容以太网和快速以太网中的帧结构，半双工千兆以太网的最小帧长度仍需要保持为64byte。但考虑到时间槽长度为512byte，为了能够匹配时间糟的长度，当某个DTE发送小于512byte帧时，半双工千兆以太网MAC将在正常发送数据之后发送一个载波扩展序列直到一个时

6、间精结束。例如：某DTE发送一个64byte帧，MAC将会在其后加入512-64＝448byte的载波扩展序列。如果DTE发送的帧长度大于512byte，则MAC不做任何改变。在载波扩展的情况下，解决了半双工千兆以太网距离覆盖范围的问题，但引入了一个新的问题：对于长度较小的以太网帧的发送效率降低了。对于一个64byte的帧来说，尽管发送速度较快速以太网增加了10倍，但发送时间增加了8倍。这样的效率并未比快速以太网提高多少，为了解决半双工千兆以太网的效率问题，IEEE又引入了帧突发这种技术。（2）帧突发帧突发的工作方式如下：对于DTE发送的第一个小于512byte

7、的帧，依然使用载波扩展到512byte，但随后发送的小于512byte的短帧不再使用载波扩展，而是加入96bit的帧间隔序列后连续发送短帧，最长可以突发到65536位。这种做法可以成立的原因在于一个正确配置的网络环境里，如果某个DTE开始发送数据后，其他DTE都可以通过载波监听协议检测到其信号并抑制本身的数据发射。使用了帧突发的半双工千兆以太网的效率得到了改善，当一个DTE连续的突发64byte帧并突发持续65536位时，其效率约为72％。1.2.2全双工千兆以太网MAC层协议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

8、网的冲突问题。自然，全双