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选购与测试:谈万兆以太网产品方案
 
慧聪网   2006年1月20日10时40分   信息来源:赛迪论坛    

  随着IP业务量的迅速增长,对网络带宽的需求也在日益增长。市场迫切需要一种具备简单、可靠和经济等特点的新技术来提供更高带宽,同时能应用到局域、城域和广域范围。 能满足这些要求的技术就是万兆以太网(10GE)技术。  

  由于以太网具有合理的价格、优异的稳定性和可靠性,以及相对简单和容易的安装、管理和维护,以太网的普及程度越来越广泛。以太网技术已被证明 是主流的网络技术,占有绝对领先的市场份额。

  标准篇:光纤铜线双管齐下

  万兆以太网是以太网世界的最新技术,它不仅速度比千兆以太网提高了十倍,在应用范围上也得到了更多的扩展。万兆以太网不仅适合所有传统局域网的应用场合,更能延伸到传统以太网技术受到限制的城域网和广域网范围。万兆以太网能和DWDM传输网无缝兼容,将以太网通信延伸到没有距离限制的全球范围。

  在万兆以太网标准化过程中,IEEE和10GEA(万兆以太网联盟)是两个最重要的组织。IEEE是负责制定万兆以太网标准的机构,已在2002年6月发布了万兆以太网标准IEEE 802.3ae。10GEA则是由业界领先的设备厂商组成的行业技术联盟,致力于万兆以太网的标准化和互操作性,以及推动万兆以太网在全球的应用等方面的工作。

  IEEE 802.3ae万兆以太网标准

  IEEE 802.3ae万兆以太网标准主要包括以下内容:兼容802.3标准中定义的最小和最大以太网帧长度;仅支持全双工方式;使用点对点链路和结构化布线组建星形物理结构的局域网;支持802.3ad链路汇聚协议;在MAC/PLS服务接口上实现10Gbps的速度;定义两种PHY(物理层规范),即局域网PHY和广域网PHY;定义将MAC/PLS的数据传送速率对应到广域网 PHY数据传送速率的适配机制;定义支持特定物理介质相关接口(PMD)的物理层规范,包括多模光纤和单模光纤以及相应传送距离;支持ISO/IEC 11801第二版中定义的光纤介质类型等等。

  万兆以太网物理层规范

  万兆以太网的物理(PHY)层规范和所支持的光学部件部分在IEEE802.3ae中定义。在以太网标准中,光学部件部分被称为“物理介质关联层接口(PMD)”。万兆以太网的四种物理层PHY类型包括如下。

  a. Serial LAN PHY

  串行局域网PHY由64b/66b编解码(codec)机制和串行/反串行部件(SerDes)组成。64b/66b编解码机制执行了数据包的分组编码。SerDes将16位的并行数据通路(每路644Mbps)串行化为一条10.3Gbps的数据流,在传送端交由串行光学部件或PMD处理。在接收端,SerDes将一条10.3Gbps的串行数据流转化回16位的并行数据通路(每路644Mbps)。

  b. Serial WAN PHY

  串行广域网PHY由广域网接口子层(WIS)、64b/66b编解码机制以及SerDes部件组成。串行广域网PHY中的SerDes和串行局域网PHY唯一的区别在于串行数据流的速度是9.95Gbps(OC-192),16位并行数据通路的速度为每路622Mbps。串行广域网PHY使得万兆以太网与现有SONET/SDH网络的 OC-192接口或DWDM光传输网的10Gbps接口速率完全匹配。

  c. 4-Lane LAN PHY与4-Lane WAN PHY   

  4-Lane PHY是一种扩展AUI接口(XAUI)形式。XAUI由4比特宽度数据路径组成,每个数据路径的宽度为3.125Gbps。4-Lane广域网PHY的接口规范定义包括了XAUI、64/66b编解码、WIS和SUPI。SUPI是广域网PHY WWDM PMD接口,由4比特宽度、速度为2.488Gbps数据路径组成。

  d. 万兆以太网介质关联层(PMD)接口类型

  表1中列举了万兆以太网PHY、PMD与光纤类型和最大传输距离的关系。前面4种PMD在IEEE 802.3ae中定义。后面2种PMD虽然标准中没有定义,但在市场上有供应。使用850nm新型的高带多模光纤(HDMMF),可以支持到最远300米的传输长度。

  万兆以太网最新进展

  IEEE在制定802.3ae后,现正在着手万兆以太网在铜线上传送标准的研究和制定。2002年11月成立了两个研究铜线万兆以太网的组织,一个组织研究在Cat5e或Cat6双绞线上的10GBaseT;另一个组织正在研究用4对同轴电缆实现万兆以太网的方法。

  现在已有一些芯片厂商和交换机厂商正在研发铜线万兆以太网的产品,如Solarflare通信公司和Broadcom公司等芯片厂商正在开发基于铜线的万兆以太网芯片。万兆以太网交换机的领先厂商Force10网络公司计划在今年年底之前推出基于铜线的万兆以太网模块。

  另外,随着万兆以太网标准的制定,万兆以太网的光模块技术也得到了迅速的发展。万兆以太网光模块如今已有300针MSA模块、XENPAK、XPAK、X2和XFP五种。其中300针MSA模块属于第一代模块,最初面向SDH网络而设计,尺寸大并且价格比较昂贵。Xenpak是面向万兆以太网的第一代光模块,相对300针MSA而言价格低且尺寸小.

  现在各个光模块生产厂商正在积极进行小型化10G光模块的研发。Xpak和X2是Xenpak模块的直接改进版,体积缩小了40%,光接口、电接口都与原来保持一致。Finisar等公司正在研发的XFP相比以上各种MSA都不同。在电接口方面没有采用标准的XAUI接口,而是采用了自行规定的XFI接口。XFP支持局域网PHY和广域网 PHY,具有可插拔、尺寸更加小巧、价格更有竞争力等特点。因此,XFP有可能在万兆以太网光模块市场中占据主流地位。

  应用篇:局域城域广域三路出击

  万兆以太网技术突破了传统以太网近距离传输的限制。除了应用在局域网和园区网外,也能够方便地应用在城域甚至广域范围,来构建高性能的网络核心。

  宽带IP城域网

  万兆以太网设备可以提供高密度万兆、千兆以太网接口为服务提供商和企业用户提供城域网和广域网的连接。万兆以太网在裸光纤上最远可以传送40~80公里,满足城域范围的要求。也可以连接DWDM和SDH/SONET设备实现广域范围的传输。

  企业网和校园网

  随着企业及校园网络应用的急剧增长,企业及校园的骨干网承受着不断升级的压力,从当初的快速以太网到现在的千兆网络,很快将过渡到万兆网络,为用户提供诸如多媒体业务、数据流内容、SAN等服务。万兆以太网设备具有高带宽、低时延、网络管理简易等特性,非常适用于企业及校园骨干网建设。

  数据中心和Internet交换中心

  随着Internet应用的普及,大量的数据访问需要一个可升级、高性能的内容服务汇聚网络。数据中心需要汇聚数百计的快速以太网和千兆以太网线路,在用户端,服务器汇聚网络要提供具有L2交换、L3路由的高密度GE/10GE路由器和交换机。万兆以太网设备可满足汇聚网络的需求并为未来网络升级预留了的空间。

  超级计算中心

  大型企业和研究机构需要强大的计算机系统,正在从传统的大型计算机和超级计算机转向由几十台到几百台小型商用计算机组成的服务器机群,机群内部之间由高性能的以太网连接。机群可以分布在不同的地方,他们之间通过城域网和广域网互相连接形成计算网格。万兆以太网设备提供高密度的端口、线速的交换性能、全面的L2交换和L3路由能力,可充分满足超级计算中心服务器机群内部高性能网络互连的要求,也满足同一计算网络中分布在不同地方的服务器机群之间的连接。

  选购篇:先辨种类再看指标

  万兆以太网产品种类

  随着万兆以太网标准的制定,市场上出现了许多支持万兆以太网的产品。从其产品体系结构来看,目前的万兆以太网产品可以分为两大种类:一种是万兆以太网交换模块;另一种是真正的万兆以太网交换机/路由器。

  万兆以太网接口模块

  目前市场上大多数支持万兆以太网的产品是在千兆以太网交换机/路由器的基础上增加万兆以太网接口模块。千兆以太网交换机产品从1997年问世以来,经过几年的发展,技术上已经成熟。许多千兆以太网设备提供商为了尽快进入万兆以太网市场,便直接在千兆产品上增加万兆以太网模块。万兆以太网技术和千兆以太网技术定义了MAC层和物理层规范,对上层协议透明。而千兆以太网体系结构的交换机加上万兆以太网接口模块是比较经济的网络解决方案。

  但是,由于千兆以太网交换机在体系结构设计、背板带宽、交换能力和ASIC处理能力等方面是根据千兆的要求设计的,当接口速度提高10倍达到万兆时,通常不能很好地胜任,更没有足够的扩展能力以满足未来的网络升级。例如,大多数千兆以太网交换机的线卡插槽和背板之间接口带宽只有8Gbps,即便每个线卡只有1个万兆以太网接口时,在理论上也不可能达到万兆的速度。另外,交换矩阵容量、包转发能力以及包处理芯片等都将严重影响到整个交换机支持万兆以太网的能力。因此,仅支持万兆以太网模块的千兆以太网交换机还不能称为真正意义上的“万兆以太网交换机”。

  万兆以太网交换机/路由器

  真正为万兆以太网技术而重新设计体系结构的交换机/路由器通常被生产厂商称为“下一代”产品,现在市场上已经能够找到这类产品。万兆以太网交换机/路由器在硬件设计中主要有以下特点。

  a. 背板带宽

  线卡插槽和背板之间的接口带宽是衡量万兆以太网设备最基本也是最重要的指标之一。为万兆以太网设计的交换机/路由器,线卡插槽的背板接口带宽至少需要10Gbps,比较理想的设备是能具备不少于40Gbps(双向)的接口带宽以支持单线卡4个万兆以太网接口的密度。同时,被选购的设备应当满足在未来线卡端口密度增加时,交换机只需替换线卡而无需替换系统背板的要求。当线卡上用户端口的总带宽超过了与背板之间的带宽时,称之为“过载”使用,此时用户端口将不可能达到线速。

  b. 交换容量

  交换容量是指系统中用户接口之间交换数据的最大能力,用户数据的交换是由交换矩阵实现的。传统的总线式交换方式容量有限,不再被万兆以太网交换机所采用,取而代之的是矩阵式交换,这也是中高端千兆以太网交换机的主要交换形式。在无阻塞交换结构中,交换容量=交换矩阵与线卡之间的带宽×线卡插槽数。

  交换机中的交换芯片是核心交换功能部件,通常提供比系统实际交换容量更大的交换能力。由于控制处理卡(或冗余配置时)通常会占用部分交换芯片的接口用于处理路由和管理等信息,系统实际数据交换容量将小于交换芯片的总容量。例如,一台交换芯片总容量为640Gbps(80Gbps*8)的设备,实际可用的线卡插槽为7个,可提供的线卡为单线卡2端口万兆以太网接口。那么该系统的实际可利用交换容量是40Gbps×7=280Gbps;未来可利用的(提供单线卡4端口万兆以太网接口时)最大交换容量为80Gbps×7=560Gbps。

  在选择万兆以太网交换机时,系统的实际交换容量、最大可利用交换容量和交换芯片总容量都是非常重要的指标。用户在选择产品时一定要清楚地理解实际交换容量和最大可利用交换容量才是选择交换机最重要的指标,前者是实际可得到的处理能力,后者与未来扩展能力密切相关。

  当交换容量小于系统最大端口配置时的总带宽时,就有可能出现交换阻塞。在选择核心交换机或支持对时延敏感的应用时,一定要选择无阻塞交换矩阵结构的交换机。

  c. 高速ASIC芯片

  万兆以太网交换机/路由器要高速处理大量的数据帧,因此通常采用分布式包处理体系结构。每张线卡上都有负责包处理、包检索、缓存和队列的ASIC芯片。系统软件支持的ACL、QoS和Multicast等功能都必须通过硬件实现。高速ASIC芯片是从千兆以太网升级到万兆以太网时系统必须重新设计或增强的。

  市场上有部分支持万兆以太网接口的交换机为了争取时间提前推出,没有从硬件上全面升级,导致系统的整体性能在实施某些功能时会急剧下降。因此在选购设备时不仅要看系统的基本转发能力,同时更要检查在配置某些功能(如ACL、QoS)时整个系统的性能。

  d. 数据包转发能力

  标准的以太网帧尺寸在64字节到1518字节之间。由于以太网交换机只是对以太网帧的帧头进行分析和处理,相同传送速度时单位时间内要处理小尺寸帧的数量比大尺寸帧的数量更多,在衡量交换机包转发能力时应当采用最小尺寸的包进行评价。以太网支持最小尺寸的帧大小为64个字节,加上传输需要的20个字节的帧间隔,总共是84个字节。因此,一个万兆以太网端口理论上最多要处理10000Mbits / (84bytes*8bit/byte) = 14.88Mpps。

  在衡量交换机是否具备线速转发能力时,可用以下方法计算:整体转发能力Mpps / 14.88Mpps=可支持的线速万兆端口数。例如,一台具备400Mpps的交换机,满足线速转发要求时它允许配置的最大万兆以太网端口数为400Mpps/14.88Mpps=27个。超过27个万兆端口在理论上就达不到线速能力。

  数据包转发能力比背板带宽和交换能力更有实际意义,在选购时同样需要重视在配置ACL和QoS等服务功能时的处理能力。

  万兆产品重要指标

  控制层面和数据层面分离

  交换机和路由器从实现的功能上看可分为两个部分:控制层面和数据层面。随着高速接口的增加,核心路由器/交换机在设计中开始将数据转发的部分工作下载到用户线卡上完成,实现分布式转发提高系统性能。随着万兆以太网的出现,数据层面和控制层面分离已经成为了衡量一台核心交换机/路由器的重要指标,它不仅大大提高了系统的处理能力,同时也实现了系统的高度稳定性.

  无源背板设计

  背板是实现用户线卡和处理卡及交换矩阵之间的通信通道,有光背板和铜(电)背板两种。背板是系统中最脆弱的环节,一直无法做到冗余设计。一旦背板上的部件出现故障则整个系统将停止工作。因此高可靠性的系统设计通常要求背板实现无源设计。在选择产品时从高可靠性的角度出发,应当尽量不要选择背板上有ASIC芯片或时钟模块等有源部件的产品。

  数据包转发方式

  传统的集中式数据转发是指数据包的转发需要处理器卡上CPU的参与。万兆以太网设备由于要在单位时间内处理和转发大量的数据包,单纯的集中式数据转发,即每个数据包都经过CPU处理是不现实的。分布式数据转发将数据层面和控制层面彻底分离,控制处理卡专门用来执行路由计算、网络管理及其他服务。分布式数据转发大大提高了系统的整体转发性能。用户在选择万兆以太网交换机时,应当选择采用了分布式交换和处理结构的交换机,而且在万兆以太网模块上一定要拥有本地交换和处理能力,只有这样才能够提供充足的转发能力,确保整台交换机中所有以太网端口、尤其是万兆以太网端口的线速处理。

  接口类型

  万兆以太网标准制定了多种局域网接口,这些物理接口采用不同的光纤类型和工作波长,传输距离不同,设备造价也有所不同。针对不同的网络应用,用户可以主要根据所需的传输距离,选用相应的万兆以太网物理接口。同时,用户应当避免选用非标准的万兆以太网模块。

  万兆链路捆绑

  使用多条百兆或千兆链路进行捆绑,以进一步扩展网络带宽的技术已经得到广泛应用,并且实现了技术标准化。万兆并不是网络速率的极限,在万兆以太网交换机上同样应当可以将多条万兆以太网链路捆绑使用,获得20G、40G甚至更高的带宽,为用户网络的扩展提供空间。
升级方式与费用

  即使用户在目前还不打算采用万兆以太网,但考虑到未来的网络升级,在选购网络交换机时也应当了解清楚交换机是否支持万兆以太网,以及如何升级。有些以太网交换机在升级到万兆以太网时,需要用户作出比较大的改动,如更换管理引擎,添加交换矩阵,甚至更换大功率电源。有的以太网交换机只需要用户购买万兆以太网模块,直接插进机箱就可以使用了。很明显,后者的总体升级费用要低于前者,为用户提供了更好的投资保护。

  网络管理

  在采用了万兆以太网技术之后,网络流量增长了10倍,网络监控、统计的工作量也相应增加了。传统的网络监控技术,无论是独立的外部RMON探针,还是插在交换机上的网络分析模块,都是基于相同的工作原理,即端口流量镜像加RMON,已经无法胜任万兆速率的流量监控了。为了确保对网络始终如一的监控和管理,同时避免由于这些监控功能导致网络性能的降低,万兆以太网模块和交换机最好支持基于硬件的网络监控和统计功能,如基于RFC 3176的sFlow技术,协助网络管理员进行实时的流量分析、性能监控和故障诊断,保障高性能网络的正常运行,使企业的网络投资回报最大化。

  选择万兆以太网产品,应当从其体系结构、背板带宽、交换能力、包转发能力等各个方面深入分析和综合比较。尤其是随着万兆以太网的逐渐普及,所选设备满足未来增长而应具备的扩展能力显得尤为重要。

  测试篇:万兆性能看究竟

  万兆以太网产品测试的意义可以归结为三个方面,即检验万兆以太网产品是否具有高可用性,是否具有高稳定性,以及是否具有良好的互操作性。

  万兆以太网产品测试的主要指标包括如下。

  RFC 2544测试,包括吞吐量、延迟、丢包和背对背测试等。

  第三层路由性能测试,包括路由表容量、转发能力、路由收敛能力、在路由震荡下的性能等。

  对IPv6的支持,包括相关转发能力和路由能力的测试。

  思博伦通信拥有两款支持万兆以太网的测试平台,分别是Adtech AX/4000和SmartBits,这两款产品都已经在《网络世界》评测实验室中使用。作为目前最主要的数据网络性能测试仪,Adtech AX/4000和SmartBits都具有支持万兆以太网的测试模块。特别是在Adtech AX/4000上的万兆以太网测试模块为UNIPHY(统一物理层)测试模块,即在同一个测试模块上可支持万兆以太网局域网(10GBASE-R),万兆以太网广域网(10GBASE-W)、OC-192c POS和OC-192c Optical BERT。对用户而言,通过使用UNIPHY测试模块,能够对万兆以太网的广域网与局域网和10G POS进行测试。

  SmartBits上的万兆以太网测试模块目前支持XENPAK和XAUI。以Adtech AX/4000 UNIPHY为例,它能够以10Gbps的线速进行丰富的流量产生和包捕获,并能够对捕获的数据进行协议解码,在测试中能够对控制层面的数据包进行实时协议分析。目前万兆以太网的产品主要应用于网络核心,所以能够支持路由协议和IPv6非常重要。在思博伦通信的Adtech AX/4000和SmartBits上的万兆以太网测试模块上都已全面支持路由性能测试和IPv6。

  编看编想

  百花齐放难为春

  依稀是在2000年年底,头一次听说万兆以太网,确实给震了一下子。从那时起,万兆似乎便风生水起,成为大家嘴边的热门词语。

  万兆以太网技术在正式标准化之后不到一年的时间内,得到了众多厂家的支持,越来越多的万兆以太网产品出现在市场上。诚然,万兆的“Player”真是越来越多了,此次的购买指南,便有13家国内外厂商的加入。而目前没有万兆产品的厂家中,有很多也将万兆产品的研发列入到日程之中。一个万兆以太网百花齐放的时代即将来临。

  然而,在过去两年多的时间里,即便万兆以太网标准的尘埃落定已近一年的时间,万兆的应用,尤其是在中国的具体应用,依旧是凤毛麟角,这的确是一个有点尴尬的事实。  
  万兆以太网明天的春光灿烂毋庸置疑,历史将证明以太网在新到的万兆时代再次凭借其简单、经济的特点成为主流网络技术。但目前,却还是“一枝红杏出墙来”,万兆的普及,还需要一个相对漫长的过程。

  首先,是用户的需求使然。万兆向我们揭示的各种先进应用,最起码现在来看,还是前沿了一些。尤其是对于企业用户而言,有时实在是找不到升级万兆的充足理由。事实上,一些基本的应用,桌面10M就已足够,在这种情况下,万兆骨干着实是奢侈了一些。应用是个老问题,同样横亘在万兆的面前。

  另外,是当前万兆产品的良莠不齐。虽然一些厂商目前提供万兆以太网模块,但是还有一些厂商采用三四年前设计的用于支持千兆以太网的交换机机箱。虽然不同的设备采用不同的设计方法,但其中的许多产品能够提供的带宽最多为8Gbps容量。这种限制是由于多数机箱式交换机的机箱在设计模块插槽与机箱的交换结构之间采用了8Gbps接口。

  对于现在要购买机箱式骨干交换机的企业用户而言,出于支持将来万兆应用需求的考虑,“风物常宜放眼量”也许是一个明智之举。但还有不可避免的价格问题。这是一个“精打细算”的年代,随着用户购买行为的日趋成熟,他们对带宽投资的回报要求也在水涨船高。虽然万兆以太网的费用比SONET等传统技术要低,但用户认为万兆以太网还是比较昂贵。来自Dell'Oro Group的调查报告显示,目前用户可以平均为每万兆以太网端口支付25000美元。可以预计,随着每端口价格降到1万美元以下,才会对用户产生足够的吸引力。

 
作者:Jerry 
 
 
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