隨著internet和intranet的發展、網絡通信的模式已由過去80%的流量存在工作組或部門內部 (僅20%的流量在主干網上)，快速擴展為主干網上承擔80%的網絡流量、只有20%的流量仍存在工作組或部門內部。這對主干網的通信能力提出了挑戰，千兆以太網的興起正適應著這種發展。
　　通信網絡的流量也發生了很大的變化。以前單一的純文本通信轉變為包含聲音、數據和圖象等多媒體的綜合業務，這樣對通信帶寬的需求大大增加。以符合H.323規范的視頻會議應用為例，傳每秒30幀的單向視頻數據需要384kbps的帶寬，總共則需要帶寬768kbps。隨著internet的飛速發展，用戶數目的驟增，現有主干網將無法滿足帶寬的需要。
　　通信網絡流量的增加，使FDDI和快速以太網出現了瓶頸。目前70%的主干網為FDDI，它受限于100Mbps而無法進行升級。此外，雖然可以在主干網交換機間加入更多的快速以太網以增加帶寬，但這樣會提高端對端連接的費用，甚至其花費可能比升級到使用千兆以太網的價格更高。曾經把ATM看成唯一的升級解決方案，ATM在技術上也確有先進性，但推廣ATM將引起網絡業界的一場革命，它需要對網絡基礎設施完全更新。然而，在全球已安裝的局域網中，目前以太網占80%以上，它代表著用戶數千億美元的投資。顯然，這些網絡的經營者和管理者都不希望改變網絡基礎設施，而強烈希望保留以太網技術。以便通過較少的投入獲得較大的網絡性能，在這樣的背景下，千兆以太網的出現和廣泛應用將是大勢所趨。
1 千兆以太網規范
　　IEEE802.3z工作組負責制定了1000BASE－X規范，其中1000BASE－SX主要用于較小范圍的主干網，它使用短光波長(850nm)，芯徑為62.5μm的多模光纖，網絡最長直徑為220－275米。而芯徑為50μm的多模光纖，網絡最長直徑可達550米。1000BASE－SX是針對低價位的多模光纖而設計的。而1000BASE－LX使用長波長(1300nm)、 對多模光纖而言，標準定義的千兆比特數據流傳輸的最長距離為550米，而單模光纖的覆蓋范圍能達到5公里。因此，1000BASE－LX可用于更長距離的樓內多模光纖主干網和單模光纖校園網。目前，千兆以太網首選了美國國家標準化委員會(ANSI)X3T11光纖通道標準的物理層(FC－0)改進版本。802.3z工作組還定義了一種基于150(銅纜的標準1000BASE－CX，它使用了與光纖一樣的8B/10B編碼，傳輸碼速為1.25Gbps，覆蓋范圍為25米，顯然這樣的網絡范圍無法滿足實際需要。因此后成立的IEEE802.3ab工作組，制定了基于5類UTP(非屏蔽雙絞線)的千兆以太網規范1000BASE－T。它在5類UTP的四對線上都傳輸1Gbps的數據流，網絡直徑達到了200米。1000BASE－T能利用現有的以太網基礎設施并保證了升級的簡易性，但1000BASE－T需要采用一些新的技術和新的編解碼方式。千兆以太網各種方案的規范可參看圖1。

2 基本原理
　　千兆以太網目前定義了以光纖和銅線傳輸的兩種標準。在光纖通道中采用了8B/10B編碼，將每8比特數據編碼為10比特，雖保證了數據傳輸的可靠性，但帶來了冗余。在光纖中千兆以太網為達到1.0Gbps的數據速率，實際的傳輸波特率用1.25Gbaud。相比之下，基于銅線的1000Base－T中實際的傳輸波特率僅僅為125Mbaud，1000Base－T用了5類UTP中全部四對線，并在每對線上以雙工方式同時進行數據的發送和接收。與其它以太網的編碼方式不同，1000Base－T采用的編碼方式為5級編碼(PAM5)。在PAM5編碼方式下并同時使用4對線傳輸數據，使1000Base－T在每個信號脈沖內，能夠并行傳送一個字節的數據(125Msymbols/second * 8bit/symbol ＝1Gb/s)。
　　千兆以太網可以在全雙工或半雙工模式下運行，在全雙工模式下：在同一連接的兩個通道上，同時雙向傳輸的數據將使用不同的頻段，這樣使千兆以太網在全雙工模式下，能提供實際為2Gbps的帶寬，它是半雙工模式下帶寬的2倍。由于全雙工模式只能用于點對點的連接，其兩個站點間的帶寬為專有，因此不存在沖突，網絡直徑也不會受到CSMA/CD(載波監聽/沖突檢測)機制的限制。顯然，對于主干網和高速服務器間的連接，全雙工模式是最理想的。設計千兆以太網的初衷也正是針對交換型的全雙工網絡，為其提供更大的帶寬。但是從實際情況來看，因交換機的核心電路比中繼器要復雜得多，故交換型全雙工網絡比半雙工網絡要昂貴得多。
　　在某些應用場合，半雙工模式千兆以太網更經濟和更有效，特別在數據不總是持續高流量的情形下，為了充分利用現有的網絡設施，也只好使用共享型的CSMA/CD千兆以太網，以便兼容某些僅支持半雙工操作的現存網絡，如100Base－T4。實際上大量存在基于CSMA/CD沖突檢測機制的半雙工千兆以太網，其網絡直徑將會受到限制，這是千兆以太網技術中一個非常重要的問題，下面將對此專門進行討論。
3 千兆以太網的沖突域問題
　　CSMA/CD定義了在共享型網絡中傳輸數據的一種機制，即傳送一幀前、 在每個主機上都檢測信道是否空閑，如果信道處于忙，則延遲發送。如果信道空閑，就開始發送數據。在發送數據時也對信道保持監聽，如檢測到沖突則放棄當前發送，并向其它站點發出阻塞信號，以便通知全網發生了一次沖突。
　　CSMA/CD機制中的一個重要參數是碰撞槽時間(Slot time)，它定義了最壞情況下檢測到碰撞的最大時間間隔，一般用每位傳輸時間(位時─BT)來表示。 如圖2所示，如果A發出的幀在B處發生碰撞，則檢測到最大的碰撞槽時間為網絡中環回的延時，即在半雙工模式下，為了最大程度地減小幀丟失和幀的誤重發，必須保證每一幀的成功傳送時間，至少為一個碰撞槽時間。它限制最短幀長，即傳送一個最短幀的時間應等于一個碰撞槽時間。如果幀長過短，則可能A發出的幀在B處發生碰撞時，A將無法檢測到碰撞，這會因碰撞造成該幀丟棄，又未能重發該幀。

　　須知，在這種機制中網絡速率的提高必然伴隨著網絡最大直徑的減小，或者是碰撞槽時間的增加。在10Mbps以太網中最短幀長為64字節，相應的碰撞槽時間就是512位時。如圖2所示，它等于檢測到碰撞的總時間，即網絡的環回延時：
　　中繼器延時*2＋電纜延時*2＋DTE延時*2＋MAU延時*2＝512位時
　　10Mb/s網絡中的512位時＝51.2us，推算出網絡直徑約為2000米。從10Mb/s以太網向100Mb/s快速以太網升級時，當時網絡發展遇到的問題是增加網絡分段，所以采取了保留原來的碰撞槽時間，而同時把網絡直徑減小到200米的解決辦法。如果仍用減小網絡直徑的辦法，把網絡速率從100Mb/s提高到1000Mb/s，則網絡直徑將減小到20米，在通常情況下這是網絡用戶無法接受的。于是在千兆以太網中采用增加碰撞槽時間的辦法，把碰撞槽時間增大到512字節。根據前面的分析，這將導致最短幀長的增加。為了易于升級、千兆以太網又必須保留和原有以太網相同的幀結構，這樣就不能簡單地增加最短幀長，故千兆以太網在保留原有64字節的最短幀長同時，還采取了幾種相應的解決辦法：
　　· 載波擴展法(Carrier Extension): 把載波監聽時間擴展到一個碰撞槽時間(512字節)，如果發送的幀長短于512字節，則在發送完畢該幀后繼續保持載波監聽/檢測碰撞。此方法不足之處在于：
　　(1) 如果數據幀已發送完畢，接收端也已經接收到了完整的數據幀，卻在載波擴展期間發生了碰撞，則發送端將檢測到碰撞，并認為數據幀無效重發該幀。對于接收端來說，為了避免數據幀重復，也不得不丟棄已接收到的完整數據幀。
　　(2)對于短幀的傳輸效率較低：在最壞情況下，假
　　設傳輸均為64字節的短幀，每一幀都需要實際傳輸512字節的碼流。雖然傳輸速率比快速以太網提高了10倍，傳輸碼流也同時增加了8倍，但效率總共才提高了25%。不過在網絡通信中的短幀很少，故載波擴展法仍然能達到較高的效率。
　　· 幀組發方法(Frame Bursting)：這是對載波擴展的改進方法，它在CSMA/CD機制中加入了多幀組發的功能，而保留了一次發一幀的機制。它的最大組長是基于最大幀長而不是碰撞槽時間，在一個幀組開始時，第一個碰撞槽時間內只傳輸一幀，如幀長短于512字節則采用載波擴展方法。在第一個碰撞槽時間結束時檢測信道，如信道忙則該幀組結束。否則傳輸一系列短幀，中間用96位時的幀間隙隔開，直到最大組長。計算機仿真結果證明：最大組長越長，性能的提高越明顯。顯然，幀組發是一種很好的方案。
　　· 改進CSMA/CD：使用緩沖分發器(buffered distributor)，也稱為全雙工中繼器(full－duplex repeater)。它采用了帶有流量控制機制的全雙工連接，在每一個端口增加了輸入緩沖區。全雙工中繼器包括傳統半雙工中繼器和交換機的一些功能，是綜合考慮性能與價格的產物。象傳統以太網中繼器一樣，它把接收到的數據包發送到所有相連的其它端口，無需進行地址分析與選擇，并提供低價格的共享介質操作。它同時也支持全雙工操作，在多個端口接收數據并先將其保存在緩沖區內。當緩沖區要溢出時，全雙工中繼器使用802.3x流量控制機制，通知發送節點暫停發送數據。實際上，這解決了CSMA/CD機制中，因碰撞檢測帶來網絡直徑減小的問題，把碰撞檢測功能放在中繼器上進行，可實現全雙工連接上的收發操作。
4 服務質量QoS (Quality of Service)
　　現在的網絡通信已經從單一的數據通信轉向多媒體通信方式，即話音、實時視頻與數據的同時傳輸。通常應根據對時延的敏感程度把服務類別進行分類(CoS)，并引入服務質量(QoS)的概念。在IEEE802.1p(現在的802.1D)中對不同服務種類進行優先級分類并在數據包的格式中進行了定義。不同類別的數據流根據此優先級順序，排成隊列進行傳輸。資源保留協議(RSVP)是一種基于IP的接入控制算法，它讓端站為優先級高的數據流保留一定的帶寬，以便實現實時業務。在Ipv4中的服務類型(TOS)字段中，可以為互連網絡的QoS提供幾種標識功能，傳輸延遲、吞吐量、優先級和可靠程度都可以用該字段來標識。在網絡中QoS實現的一種更有效的方法是套接地址，在IP中可由IP地址和端口號組成套接地址，不同端口號對應于不同的應用，一對套接地址提供具體端口間連接的唯一標識，它將用到第四層的交換。既然許多千兆以太網廠商都提供多層交換機(包括了第四層的交換)，甚至有廠商宣稱他們的產品能夠在OSI的所有七層實現交換，那么套接地址就具有更大的優越性。
　　傳統以太網設計來傳輸數據，它面向無連接的傳輸技術，傳輸變長的數據幀，在網絡中每一幀各自選擇路由，不能保證實時業務的傳輸，已被證實對傳輸數據是行之有效的。但隨著網絡中多媒體業務的大量增加、在千兆以太網中也增加了對服務質量QoS的支持。為了面向實時業務，在網絡層以上千兆以太網還需要添加RSVP(資源保留協議)和OSPF(改進最短開通道優先協議)及RTP(實時傳輸協議)。RSVP通過資源保留來支持不同的應用優先級，OSPF可以在逐段鏈路上支持基于服務質量的路由選擇，RTP則在數據包中加入優先級信息，以保證快速傳送。在千兆以太網的第二層，需要IEEE802.3q配合解決優先級問題，802.3p配合解決有效廣播問題。在全雙工連接和流量控制方面還要802.3x協議的支持。可以看出，相對于傳統以太網，千兆以太網在QoS方面有了很大改進。
5 最新進展
　　1998年6月IEEE已經通過了基于光纖和150(銅線的千兆以太網標準802.3z。同年7月，802.3ab工作組宣布1000BASE－T技術上的所有問題已經得到解決，12月28日千兆以太網聯盟(由3Com、Cisco和intel等八十家網絡公司組成的千兆以太網研究開發組織)宣布對802.3ab標準進行開放投票，又在1999年3月正式達成了協議。千兆以太網的前景一片光明，必將成為新一代高速網絡的主流。
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