第十章-千兆位以太網(wǎng)PPT課件

2020/4/27,.,1,高級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),2020/4/27,.,2,內(nèi)容提要,10.1概述10.2.千兆位以太網(wǎng)的模型10.3路由技術(shù)10.4載波擴(kuò)充10.5幀突發(fā)10.6半雙工方式10.7全雙工方式10.8光纖通信技術(shù)10.9千兆以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用10.10未來(lái)的10Gbps以太網(wǎng),2020/4/27,.,3,10.1概述,基于千兆位網(wǎng)絡(luò)的分布式計(jì)算需要千兆位網(wǎng)絡(luò)。如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)利用HIPPI連接Cray-MP及CM-2計(jì)算機(jī)，以處理大型化工廠的任務(wù)調(diào)度。再如，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員利用CM-2及另一超級(jí)并行機(jī)進(jìn)行海洋與大氣層交互作用的并行處理模型的研究，目的在于模擬幾十年的長(zhǎng)期天氣效益，每單元計(jì)算時(shí)間約為100ns，交換數(shù)據(jù)約5MB至10MB。以上這些計(jì)算顯然需要Gigabit網(wǎng)絡(luò)。,2020/4/27,.,4,10.1概述,1998年6月29日，千兆以太網(wǎng)聯(lián)盟于加利福尼亞PALOALTO正式宣布了千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3Z。這是千兆以太網(wǎng)發(fā)展的里程碑。千兆以太網(wǎng)使用802.3以太網(wǎng)幀格式，允許以1000Mbps的速率進(jìn)行半雙工、全雙工操作。按IEEE802.3x的規(guī)定，通過(guò)全雙工、交換方式連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包。千兆以太網(wǎng)在雙工操作模式中延續(xù)同樣的標(biāo)準(zhǔn)。而且千兆以太網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的流控方法避免網(wǎng)絡(luò)擁塞和超載。在單工操作模式中，千兆以太網(wǎng)也采用同樣的CSMA/CD基本訪問(wèn)方法，解決共享介質(zhì)的訪問(wèn)沖突問(wèn)題。千兆以太網(wǎng)與10BASE-T、100BASE-T技術(shù)的地址向后兼容。,2020/4/27,.,5,10.1概述,2020/4/27,.,6,10.1概述,2020/4/27,.,7,10.1概述,*德國(guó)的RERKOM研究環(huán)境中鋪設(shè)了大量光纖，購(gòu)置了高速網(wǎng)及高性能工作站。目前主要研究ATM技術(shù)。*AT(2)超過(guò)65536比特后的效率增益小。,2020/4/27,.,46,俘獲效應(yīng),成功發(fā)送的DTE比遭遇沖突的DTE有更高的機(jī)會(huì)發(fā)送新的幀。這導(dǎo)致一個(gè)DTE可以長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送，而別的DTE卻不能。俘獲效應(yīng)提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐率卻導(dǎo)致不公平。有些DTE可能遇到大幅度變動(dòng)的訪問(wèn)等待時(shí)間。這不利于等待時(shí)間敏感的應(yīng)用。頻繁的沖突可能引起包丟失。在千兆位以太網(wǎng)中,時(shí)間段以8的倍數(shù)增加。每次沖突后的后退延遲以更快的速率增加。這會(huì)使得別的DTE有更長(zhǎng)的時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)。俘獲效應(yīng)會(huì)被幀突發(fā)放大。,2020/4/27,.,47,幀突發(fā)的作用,（1）幀突發(fā)實(shí)際上可以幫助減輕俘獲效應(yīng)（2）在幀突發(fā)中，只有第一個(gè)幀可能發(fā)生沖突，其余的幀則不可能。（3）通過(guò)允許主機(jī)發(fā)送多個(gè)幀，從而更快地清空發(fā)送隊(duì)列，幀突發(fā)提高了它的效率。（4）其它DTE在幀突發(fā)期間更少地沖突，所以它們的后退時(shí)間不會(huì)很快增加。（5）相對(duì)于基本的載波擴(kuò)充，幀突發(fā)實(shí)際上提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。（6）當(dāng)突發(fā)長(zhǎng)度增加時(shí)，延遲實(shí)際上減小了。（7）這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)增加突發(fā)定時(shí)器，重負(fù)載的DTE可以更加高效地發(fā)送幀，從而提高總體的效率。,2020/4/27,.,48,半雙工方式,2020/4/27,.,49,半雙工工作,工作在1000Mbps半雙工模式時(shí)，物理層設(shè)備采用GMII接口，接收任何輸入信號(hào)，中繼信號(hào)到除了輸入端口之外的其余端口。所有成員共享帶寬。在一個(gè)碰撞域中只能有一個(gè)中繼器碰撞域就是網(wǎng)絡(luò)直徑。2個(gè)或更多的碰撞域可以用橋、交換機(jī)或者路由器互連。,2020/4/27,.,50,半雙工工作,2020/4/27,.,51,半雙工工作方式比特預(yù)測(cè)分析,比特預(yù)測(cè)分析包括檢查任何一對(duì)DTE的往返碰撞延遲，以及最大往返碰撞延遲應(yīng)該小于時(shí)間段，即4096比特時(shí)間。往返延遲（RTD）=DTE延遲+鏈路延遲+中繼器延遲+安全余量鏈路延遲=段長(zhǎng)度（m）*（電纜延遲/m）,2020/4/27,.,52,10.7全雙工方式,全雙工方式下，發(fā)送和接收路徑無(wú)關(guān)，所以DTE之間不存在幀沖突。DTE之間的距離受鏈路和收發(fā)器的特性限制。,2020/4/27,.,53,全雙工網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),2020/4/27,.,54,全雙工中繼器帶緩存的分發(fā)器,有了帶緩存的分發(fā)器，所有使用基于幀的流量控制的鏈路都是全雙工的。中繼器配置有幾個(gè)端口，每個(gè)端口包括物理層、MAC子層控制器和緩存。所有輸入的幀以FIFO方式緩存一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)操作。一個(gè)調(diào)度程序把幀從輸入FIFO隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)到所有輸出FIFO隊(duì)列，沒(méi)有沖突。如：端口1輸入的幀緩存在隊(duì)列1，然后被轉(zhuǎn)發(fā)到端口2和3的隊(duì)列中。鏈路長(zhǎng)度只受物理特性限制。,2020/4/27,.,55,全雙工中繼器,2020/4/27,.,56,全雙工中繼器擁塞控制,使用基于802.3x的流量控制處理?yè)砣Ｓ醚h(huán)調(diào)度程序或者幀轉(zhuǎn)發(fā)程序在最大1000Mbps速率轉(zhuǎn)發(fā)幀。擁塞（Congestion）檢測(cè)如下:（1）輸入速率總計(jì)=端口數(shù)*1000Mbps（2）輸出速率合計(jì)=1000Mbps（3）如果輸入速率輸出速率，擁塞發(fā)生了,2020/4/27,.,57,全雙工中繼器擁塞控制,擁塞控制機(jī)制（ControlMechanism）采用:（1）一個(gè)發(fā)生擁塞的實(shí)體發(fā)送暫停（定時(shí)器）給源，讓它停止發(fā)送（2）當(dāng)擁塞減輕時(shí)，發(fā)送暫停（定時(shí)器=0）恢復(fù)幀發(fā)送,2020/4/27,.,58,10.8光纖通信技術(shù),光纖通信從80年代中期以來(lái)，取得了很大的發(fā)展。光纖通信以其優(yōu)良的帶寬特性，廉價(jià)的成本成為電信網(wǎng)的主要傳輸手段。光通信本質(zhì)上屬于電磁載波通信。其波段從光區(qū)段中選擇，包括紅外光，可見(jiàn)光和紫外光頻率。在光在光頻率段進(jìn)行通信，調(diào)調(diào)制帶寬顯著增大（光頻率段所具有的可利用帶寬大約是無(wú)線電射頻波段的105倍）：通信容量有顯著提高，并且價(jià)格與傳統(tǒng)電信通信相比要低廉的多。其傳輸性能好，損耗低；抗電磁干擾，中繼距離高長(zhǎng)。用光纖通信的器件要比電信通信器件尺寸減小很多。,2020/4/27,.,59,10.8光纖通信技術(shù),2020/4/27,.,60,光纖通信,數(shù)據(jù)信號(hào)一般是電信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)化調(diào)制成光信號(hào)，由光發(fā)送機(jī)發(fā)送至光纖傳輸系統(tǒng)。短距離通信不需要中繼器。對(duì)于長(zhǎng)距離通信，由于光纜損耗和光纖連接器損耗等原因，需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，整形再生，即中繼后再繼續(xù)傳輸，光檢測(cè)器的任務(wù)是對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)消除噪聲，放大后恢復(fù)數(shù)據(jù)信息。,2020/4/27,.,61,光纖通信,按照所傳輸?shù)男盘?hào)分類(lèi)，可將光纖通信系統(tǒng)分為光纖模擬傳輸系統(tǒng)和數(shù)字傳輸系統(tǒng)。模擬傳輸系統(tǒng)是在畸變盡可能小的情況下傳輸波形；而數(shù)字傳輸方式是把所要求的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信號(hào)，并調(diào)制后發(fā)送傳輸?？衫妹}沖調(diào)試方式副載波方式進(jìn)行調(diào)制。光纖數(shù)字通信具有抗干擾性強(qiáng)，傳輸質(zhì)量高，無(wú)噪聲積累，易于計(jì)機(jī)接口和控制管理等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字傳輸方式是光纖通信發(fā)展的方向，可最終實(shí)現(xiàn)BISDN。,2020/4/27,.,62,光纖通信,光纖通信近十幾年來(lái)取得了飛速的發(fā)展。廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)途干線通信，主干網(wǎng)，高質(zhì)量電視傳輸?shù)阮I(lǐng)域。80年代末的PDH到目前主流的同步數(shù)字系列(SynchronousDigitalHierachy,SDH)，相關(guān)的通信技術(shù)也有了很大的提高。為了更好的利用帶寬，提高傳輸效率在光域上采用了各種復(fù)用技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用（TDM），波分復(fù)用（WDM）。發(fā)展的方向，可最終實(shí)現(xiàn)BISDN。,2020/4/27,.,63,光纖通信,光纖通信近十幾年來(lái)取得了飛速的發(fā)展。廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)途干線通信，主干網(wǎng)，高質(zhì)量電視傳輸?shù)阮I(lǐng)域。80年代末的PDH到目前主流的同步數(shù)字系列(SynchronousDigitalHierachy,SDH)，相關(guān)的通信技術(shù)也有了很大的提高。為了更好的利用帶寬，提高傳輸效率在光域上采用了各種復(fù)用技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用（TDM），波分復(fù)用（WDM）。發(fā)展的方向，可最終實(shí)現(xiàn)BISDN。,2020/4/27,.,64,同步數(shù)字系列,同步光纖網(wǎng)絡(luò)SONET(SynchronousOpticalNetwork)是電信標(biāo)準(zhǔn)SDH簇的一個(gè)重要組成部分，它的目的是代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜主干線路的話路信令。許多研究人員認(rèn)為，電信行業(yè)將逐步采用SONET幀格式。發(fā)展SDH的目的是改變目前低速鏈路上三種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)和ITU標(biāo)準(zhǔn))。例如，美國(guó)采用T1標(biāo)準(zhǔn)將24個(gè)64kb/s的話音電路復(fù)路復(fù)用到1.5Mb/s的鏈路上，而ITU則將32個(gè)話音電路復(fù)用到速率為2Mb/s的E1電路上。而人們希望在高速鏈路上只有一種復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)。SONET是按幀傳遞數(shù)據(jù)，在邏輯上每幀由90列9行字節(jié)組成。表10.8標(biāo)明了SONET網(wǎng)絡(luò)定義的帶寬范圍。對(duì)于OC-n的數(shù)據(jù)速率，傳送單位為n幀，單個(gè)OC-n的幀由n個(gè)OC-1幀組成。,2020/4/27,.,65,同步數(shù)字系列,2020/4/27,.,66,波分復(fù)用,傳統(tǒng)電氣數(shù)字通信采用時(shí)分復(fù)用（TDM）頻分復(fù)用（FDM）方法提高傳輸效率，降低傳輸成本。隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對(duì)傳輸系統(tǒng)的擴(kuò)容方式也從電復(fù)用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?fù)用方式。光復(fù)用分為光時(shí)分復(fù)用（TDM），波分復(fù)用（WDM），碼分復(fù)用（CDM）。TDM目前已日益接近技術(shù)極限，沒(méi)有太多潛力可挖。光波分復(fù)用（WDM）的出現(xiàn)，第一次把復(fù)用技術(shù)從電域轉(zhuǎn)移到光域，直接對(duì)光信號(hào)復(fù)用，標(biāo)志著光通信時(shí)代的到來(lái)。采用WDM技術(shù)充分利用了光纖的巨大帶寬資源，使客量迅速擴(kuò)大幾倍至幾百倍。在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)，可以節(jié)約大量光纖和再生器從而大大降低傳輸成本。由于WDM傳輸技術(shù)與信號(hào)速率及電調(diào)制方式無(wú)關(guān)，是引入寬帶新業(yè)務(wù)的方便手段。利用WDM實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和復(fù)用可望實(shí)現(xiàn)為了透明高度生存性的光聯(lián)網(wǎng)。,2020/4/27,.,67,波分復(fù)用,目前利用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的SDH傳輸速率可以達(dá)到162.5Gbps。利用WDM（DWDM）技術(shù)提高光纖傳輸帶寬已不是WDM發(fā)展的主要目標(biāo)，當(dāng)前主要的方向是利用WDM對(duì)光信號(hào)進(jìn)行傳輸控制，路由選擇，以實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)。國(guó)內(nèi)光纖通信發(fā)展也非常迅速，光纖通信的應(yīng)用基本達(dá)到國(guó)際同期水平。1999年5月，國(guó)產(chǎn)第一條最高速率國(guó)家一極通信干線“濟(jì)南一青島825G”DWDM通過(guò)驗(yàn)收。WDM本質(zhì)上就是光域上的頻分復(fù)用技術(shù)。單個(gè)光源的線寬只占用極窄的一部分，將不同峰值波長(zhǎng)的光源信號(hào)同時(shí)在一根光纖上傳輸，則可大大增加光纖信息容量。由于波傳播的相互獨(dú)立性，每個(gè)不同峰值波長(zhǎng)分別攜帶各自的電信號(hào)，被接收端轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，可完整的恢復(fù)來(lái)自每個(gè)光源的獨(dú)立信息。這就是波分復(fù)用的原理。,2020/4/27,.,68,波分復(fù)用,WDM將頻域分割成若干個(gè)波長(zhǎng)通路，每個(gè)通路獨(dú)立傳輸光信號(hào)。在發(fā)送側(cè)可以有N個(gè)不同發(fā)送波長(zhǎng)的激光器，由合波器將這N個(gè)不同波長(zhǎng)的信號(hào)光載波合并起來(lái)耦合進(jìn)單根光纖進(jìn)行傳輸：在接收側(cè)，由一個(gè)分波器將這些不同信號(hào)的光載波分開(kāi)，分別送給與這些波長(zhǎng)相應(yīng)的檢測(cè)器中恢復(fù)各自的攜帶信息。,2020/4/27,.,69,波分復(fù)用,2020/4/27,.,70,密集波分復(fù)用,DWDM（密集波分復(fù)用）與WDM是不同發(fā)展時(shí)期對(duì)WDM系統(tǒng)的稱呼。當(dāng)光載波間隔非常窄（約幾個(gè)nm時(shí)），通常就稱為DWDM。早期由于技術(shù)原因，波長(zhǎng)間隔較小的WDM無(wú)法實(shí)現(xiàn)。WDM主要工作于1310nm窗口，復(fù)用光載波個(gè)數(shù)也較少。隨著1550nmEDFA（摻餌光纖放大器）的成熟和商用化，人們不再利用1310nm窗口，而只用1550nm窗口傳送奪路光載波信號(hào)。相鄰波長(zhǎng)間隔很窄（小于1.6nm），且工作在同一窗口內(nèi)共享EDFA光放大器，稱之為密集波分復(fù)用（密集指相鄰波長(zhǎng)間隔?。D10.18是典型的DWDM系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，每一種波長(zhǎng)的光信號(hào)稱為一個(gè)傳輸通道（channel）。每個(gè)通道都可以是一路155Mb/s、622Mb/s、25G/b甚至10Gbs的ATM或SDH或是千兆以太網(wǎng)信號(hào)等。DWDM提供了接口的協(xié)議和速率的無(wú)關(guān)性，在一條光纖上，可以同時(shí)支持ATM、SDH和千兆以太網(wǎng)，保護(hù)了已有投資，并提供了極大靈活性。,2020/4/27,.,71,密集波分復(fù)用,2020/4/27,.,72,密集波分復(fù)用,目前，在局域網(wǎng)中主要采用千兆以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，此種格式下報(bào)頭包含的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息不多，但由于沒(méi)有使用一些造價(jià)昂貴的再生設(shè)備，因而成本相對(duì)較低。由于使用的是“異步”協(xié)議，對(duì)抖動(dòng)和時(shí)延不那么敏感。同時(shí)由于與主機(jī)的幀結(jié)構(gòu)相同，因而在路由器接口上下需對(duì)幀進(jìn)行拆裝分割（SAR）操作和為了使數(shù)據(jù)幀和傳輸幀同步的比特塞入操作。,2020/4/27,.,73,WDM的主要的研究課題,*如何使確認(rèn)通道所需的時(shí)間最少。*如何使用戶數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間最長(zhǎng)。*對(duì)光纖帶寬的有效利用，盡可能壓縮不同頻率通道。*多跳（Multihop）WDM網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。,2020/4/27,.,74,IPoverWDM,IPoverSDH把SDH網(wǎng)絡(luò)的物理傳輸網(wǎng)絡(luò)。采用鏈路和PPP協(xié)議對(duì)IP規(guī)數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝。把IP數(shù)據(jù)包插入PPP幀中的信息段后映射到SDH的同步凈荷中，再經(jīng)過(guò)傳輸層和段層，將凈荷裝入SDH幀中。最后到達(dá)光層在光纖中傳輸。目前支持IPoverSDH的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有PPP協(xié)議（ThePoint-to-PointProtocol）和簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（SDL）等。IPoverSDH保留了IP無(wú)連接的特性，對(duì)IP路由的支持能力強(qiáng)，具有很高的IP傳輸效率。利用SDH技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性支持較好。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比IPoverATM要簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低。但其對(duì)其他業(yè)務(wù)的支持井不理想，也無(wú)法提供象IPoverATM那樣較好的服務(wù)質(zhì)量保障。,2020/4/27,.,75,IPoverWDM,IPoverWDM，也稱光因特網(wǎng)，是真正意義上的鏈路層數(shù)據(jù)網(wǎng)。利用WDM的傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)用至光纖中傳輸，到接收段解復(fù)用并送至不同終端。其中，高性能的路由器通過(guò)光ADM或WDM耦合器直接連至WDM光纖，由它控制波長(zhǎng)接入、交換、選路和保護(hù)。目前支持IPoverWDM的幀格式有SDH幀格式和千兆以太網(wǎng)格式兩種。SDH幀格式報(bào)頭信息全，便于網(wǎng)絡(luò)管理，但是在路由器接口對(duì)SDH幀拆裝分割耗費(fèi)比較大，多在主要的網(wǎng)絡(luò)再生設(shè)備上使用。在局域網(wǎng)中則多采用千兆以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，其成本較低。但是由于使用的不是同步協(xié)議，對(duì)抖動(dòng)和延時(shí)不敏感，因此在路由要接口為了使數(shù)據(jù)幀和傳輸幀同步需要進(jìn)行比特賽入操作。,2020/4/27,.,76,IPoverWDM,與IPoverATM以及IPoverSDH相比，IPoverDWM對(duì)數(shù)據(jù)的格式、傳輸數(shù)車(chē)、以及調(diào)制方式完全透明，可以支持各種不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)，擴(kuò)展性強(qiáng)。充分利用了光纖傳輸?shù)木薮髱捹Y源，傳輸?shù)臄?shù)率高。目前對(duì)WDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)不僅僅是利用WDM技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而是考慮利用光信號(hào)本身波長(zhǎng)特性，直接對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行路由選擇等操作。這免了數(shù)據(jù)傳輸中光一電，電一光轉(zhuǎn)化的耗費(fèi)，進(jìn)一步提高傳輸性能，從而最終實(shí)現(xiàn)“光網(wǎng)”。IPoverWDM將成為新一代IP主干網(wǎng)的主流。,2020/4/27,.,77,10.9千兆以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)交換器到交換器連接的升級(jí)對(duì)交換器到服務(wù)器連接的升級(jí)骨干網(wǎng)升級(jí)對(duì)高性能的臺(tái)式機(jī)升級(jí),2020/4/27,.,78,10.10未來(lái)的10Gbps以太網(wǎng),到目前為止，以太網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了三個(gè)階段：以太網(wǎng)（Ethernet）、快速以太網(wǎng)(FastEthernet)以及最近完成的千兆位以太網(wǎng)(GigabitEt