与时俱进的以太网技术及应用

对业已沿革至第四代的以太网来说，你或许认为它应显出岁月的痕迹、现出老态，会被其它更新更先进的网络技术抢去风头。但实际上并非如此。

相反，以太网技术随着变化的需求和标准与时俱进。最初，它只是连接PC端口的一种同轴总线本地局域网(LAN)。如今，以太网技术已演变为许多其它的联网形态，从嵌入式控制器上的简单 I/O端口，到包括了骨干网路和回程的城域网，再到广域网，就更不用说无线网络了。

10Gbps以太网

10Gbps以太网已推出5年多了，它有几种版本。但过了一段时间后，10Gbps以太网的价格才降下来并使公司采用这些速度更高的版本。通常，许多中小型单位采用10/100以太网，1Gbps版本对汇集骨干网络应用来说已足够快。

但随着网络规模的日益增大、无线覆盖范围的扩展以及更大数据流的出现，台式机对1Gbps以及骨干网络对10Gbps速率的要求就成为一种必然。随着业务器虚拟化、配置了刀片业务器的数据中心和业务器中心的数量不断增加，加之因特网搜索、视频下载以及流视频应用的增多，采用10Gbps网络变得至关重要。

如今，10Gbps设备得到了普遍采用，且正成为数据中心的业务器之间的主要链路。虽然大多数10Gbps LAN采用光纤连接，但更新的非屏蔽铜双绞线(UTP)正缓慢进入数据中心和其它短距离(30到100 m)应用。

10Gbps电缆网络(10GBaseT)是个有趣的技术案例。为达到这一看起来不可能的速率标准要求，对其四对特殊低损耗CAT6a UTP铜缆中的每一对，都要求以800M采样速率同时进行16个等级的脉幅调制(PAM)。一个低密度寄偶校验(LDPC)编码机制可帮助规避因电缆损耗和噪声导致的数据出错。

在其上，各种精度均衡(fancy equalization)、回声以及对近端交叉干扰、远端交叉干扰和外来(邻近电缆)交叉干扰的去除都是由DSP实现的。为实现这些连接，采用了许多电路(即：800MHz/10位模数转换器、DSP逻辑)，从而使大多实现功耗很高。几家公司业已把功耗降至3到5W/端口，这才勉强可以接受。

10Gbps电缆网络(10GBaseT)的每端口成本比光纤低很多。虽然现已有10Gbps的电缆网络接口卡(NIC)，但因为竞争公司在知识产权(IP)和其它问题上的纠纷，10GBaseT一直没有真正地火起来。尽管为数不多的这几家公司实际上都接受该标准(802.3an)，但它们没能合作起来创建一个市场。

目前，市面上有以X2、XFP、SFP和其它多源协定(MSA)格式出现的各种以太网光纤模块。随着用于10Gbps的新SFP+光纤收发器模块的价位已变得有竞争力，继续采用电缆网络的理由已越来越少。

40/100Gbps标准

随着以太网速度的不断增加，关于将其用做网络骨干网并用于核心MAN和WAN的争论就一直存在。由于以太网具有完全标准化的特性(包括许多不同厂家的器件间完全的互操作性和后向兼容能力)，这种想法很有吸引力。以太网的低成本也很有吸引力，在IT和网络界人士中很受欢迎。40Gps和100Gbps版本将使其成为MAN和WAN领域内的真正竞争者。

Sonet/SDH仍是这些核心、边缘和接入网络的最重要技术。由OC-48 (2.5Gbps)和OC-192 (10Gbps) 衍变来的各种Sonet/SDH网络具有广泛应途。此外，Sonet/SDH为OC-768或40Gbps设立了标准。40Gbps尚不通用，但越来越引人注目。不过，价格高是影响其被普遍采用的制约因素。

归功于10Gbps以太网、半导体和光纤处理技术的进展，数据速率已可达到100Gbps。2006年，IEEE成立了高速研究组(HSSG)来研究100Gbps标准的开发。2007年，HSSG同意为数据中心和其它市场增加一种40Gbps的中间过渡技术。

2008年，成立了一个名为100G之路联盟(Road to 100G Alliance)的组织以研究问题并提交建议。该联盟在2008年末合并到以太网联盟(Ethernet Alliance)。2008年初，IEEE建立了一个专门小组来创制新的、名为802.3ba的40/100Gbps标准。起码到2010年，最终标准才会问世。

另外，国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)有一个负责跟踪该技术(命名为RecommendationG.709)的100Gbps标准研究组。总的来看，有可能出现几个版本，它们中的大多数会涉及到光纤线缆的并行数据通路。

40Gbps标准可简单地用4个各为10Gbps数据流的4条并行光纤实现。一个100Gbps版本会需要并行光纤通路上的8到10个10Gbps数据通路。这两个版本将主要用于数据中心等短距离应用。对长距离应用，粗的或在一条光纤上采用4或8/10个光波长(λ)的大容量波分复用(DWM)是个选择。

无论采用哪种技术，业界的终极目标是以100Gbps速率实现40公里传输距离，在单模光纤(SMF)上实现10公里传输距离，在光纤多模3(OM3)多模光纤(MMF)上实现100米传输距离。40Gbps网络可能采用SNAP-4或4路小型可插拔(QSFP)线缆和连接器，100Gbps网络可能采用SMAP-12 线缆和连接器。

光纤互联网络论坛(OIF)正与IEEE小组合作研究一个可在4条并行信道上传送25到28Gbps的版本。因在如此高数据速率下的衰减和色散问题，在SMF上采用单路串行版本不在考虑之内。该标准可能包含一个距离为5到10m的铜版本或一个骨干网络版本。

在考虑采用诸如差分相移键控(DPSK)、差分正交相移键控(DQPSK)、色散补偿以及前向纠错(FEC)编码方法等技术。未来的目标包括：支持全双工操作、保留帧格式和媒体接入控制器(MAC)接口以及在MAC接口具有好于10–12的位错率(BER)等。

设计师可采用Sierra Monolithic SMI4027复用器/时钟倍频器单元(MUX/CMU)来实现 40Gbps系统(图1)。SMI4027及配套的SMI4037时钟和数据恢复单元/解复用器(CDR/DEMUX)实现了物理层(PHY)，它们工作在39.8到44.6Gbps并整合了一个完全SFI-5客户端接口。另外，它们与Sonet/SDH 或以太网完全兼容。

运营商级以太网

以太网一直属于"尽力完成(best effort)"式网络业务一类，这类业务意味着有可能收不到全部数据包。因噪声、冲突、包有效载荷违规(过长或过短)等原因，数据包可能丢失。由迟滞和变化的延误决定的其非确定性特征限制了其在某些应用中的使用。

以太网的这些缺点使其在诸如金融和保健业务、视频流以及其它业务质量(QoS)起着至关重要作用等对数据业务有苛刻要求的应用中受到排斥。Sonet/SDH网络提供性能保证，这就是其尽管昂贵和复杂但一直得以继续使用和发展的原因。现在，一种称为运营商级以太网(Carrier Ethernet)的技术使以太网成为具有类似Sonet/SDH质量的业务载体。

运营商级以太网是由城域以太网论坛(MEF)和其成员创制的，它为运营商级业务和网络定义了一系列标准和实现协议，从而使其有别于LAN以太网。此外，它定义了可使以太网在接入、城市和核心网络应用中发挥运营商级以太网功用的5个基本属性。这5个属性是：

· 诸如E-Line、E-LAN、透明专线、虚拟专线和LAN业务等标准业务；它适用于带有带宽和QoS选项和层级的语音、视频和数据汇聚网络。

· 接入网、城域网和广域网络之间的可扩展性。

· 可靠性，能在不影响用户的情况下对意外事件进行检测并恢复。

· 带业务品质协议(SLA)的QoS。

· 业务管理，具有监控、诊断和集中管理网络的能力；运营商级运营、管理和维护(OAM)；迅速提供业务。

MEF提供测试程序和认证以确保满足标准并实现互操作性。运营商级以太网是由类似RAD Data Communications的标定设备来实现的(图2)。

存储局域网

企业、政府和其它机构经常需要存储大量数据。独立磁盘冗余阵列(RAID)和简单磁盘捆绑(JBOD)存储系统的市场持续增长，而且把它们与LAN和因特网连接起来很关键，这是开发专用存储局域网(SAN)的原因。

广为使用光纤信道(FC) 是一种通过主机总线适配器卡(HBA)把硬盘阵列与业务器和网络连接起来的光纤网络。其媒介是光纤线缆。T11组织业已为 1、2、4和8Gbps数据速率建立了标准。另外还定义了一个10Gbps标准。

虽然FC工作得很好且应用广泛，但扩展和维护费用却很高。尽管如此，虽然已出现了诸如因特网小型计算机系统接口(iSCSI)等低成本替代方案，许多用户仍想以某种方式继续采用FC。

iSCSI选项是广为使用的、用于硬盘驱动器的SCSI串行版本。它利用以太网作为网络媒介传输SCSI命令和数据，因而成本低得多，且可以在现有以太网网络上运行。但是，iSCSI目前还仅限于中小企业应用。

即将问世的替代技术集FC和以太网的优点于一身。它是由T11组织正在开发的以太网光纤通道(FCoE)标准。它把FC数据进行打包并经由标准以太网LAN进行传输。

其它以太网增强版本

其它以太网增强版本包括工业以太网、LXI仪器系统和以太网无源光网络(EPON)等。

工业以太网利用标准以太网替代其它专为具有严苛和关键特性工业应用而开发的其它网络。这些网络必须工作在噪声很大、温度变化很宽、大气腐蚀性很严重的极端环境中。在这些应用场合中，采取特殊屏蔽和保护措施的线缆和连接器很有帮助。

另外，许多工业应用要求确定性。也就是说，它们必须能准确地对数据交互和相应的控制和测量行为进行定时。

以太网也备受诸如迟滞、延误和不精准定时等"尽力满足"类业务所常见的各类问题的困扰。解决方案之一是采用IEEE 1588准确定时协议(PTP)。PTP利用由硬件生成的时间戳记提供网络内所有节点的精准同步，可精确到纳秒级。在以太网上采用1588 PTP的这种组合，甚至可适用于对定时有最苛刻要求的工业应用。IEEE 1588 PTP还被用于运营商级以太网。

LXI(LAN对仪器的扩展)是为取代过去在测试系统中非常流行的通用仪器总线(GPIB)而设计的仪器通信标准。它连接测试仪器、PC以及因特网以进行数据测试、测量、记录、存储和访问等各种操作组合。许多仪器已整合了LXI，以后会更多。因为以太网成本低、应用广，所以LXI是基于以太网的。

最后，业界正在开发为城域网中的PON而设计的10Gbps版本，该PON用于传送数字电视和因特网接入业务。PON采用低成本光纤把视频和其它业务传输到住户和企业，不需要昂贵的中继器或其它有源现场中继硬件。有线电视和电信基础设施普遍采用PON传输更高速度和更高品质的视频。

最初的PON标准由 ITU-T制定，被命名为APON、BPON，最新的叫GPON。用于Gbit速率业务是被称为EPON或GEPON的低速以太网PON。它被命名为802.3ah，在亚洲很流行而在美国没有，美国的主导标准是GPON。IEEE眼下正开发一款称为802.3av的10Gbps版本，它将在一条光纤上采用不同光波长来分别实现1和10Gbps业务。2009年下半年预计会推出802.3av的最终版本。

作者：Louis E. Frenzel

通信技术编辑

《Electronic Design》