计算机网络—原理、技术与应用：万兆以太网特点与工作方式

随着互联网和多媒体技术的快速发展及应用，网络数据流量迅速增加，使原有速率的局域网难以满足要求，IEEE组织了由3Com、Cisco、Intel和Lucent等著名IT企业组成的联盟进行万兆位（10Gbit/s）以太网技术的开发。2000年初，其高速研究组（HSSG）发布了10Gbit/s以太网（10GE）的IEEE802.3ae规范，并于2002年6月在IEEE正式通过这个标准规范。

1.万兆以太网特点

10GE的主要特点是：

1）保留了IEEE802.3以太网的帧格式。

2）保留了IEEE802.3以太网最大帧长和最小帧长。

3）只使用全双工传输方式，不再支持半双工传输。

4）使用光纤作为传输介质（不使用铜线）。

5）使用点对点链路，支持星形结构的局域网。

6）数据传输率非常高，不直接和端用户相连。

7）创造了新的光物理介质相关（PMD）子层。

8）所有数据传输都以全双工方式进行，这不仅极大扩展了网络覆盖区域（交换网络传输距离只受光纤所达距离限制），而且使标准大大简化。

2.万兆以太网体系结构

10Gbit/s以太网分层体系结构如图3-12所示。

10Gbit/s以太网分层体系结构各层功能如下：

1）介质访问控制子层（MAC）：MAC子层是以太网标准的最高层定义，为了维护兼容现有的局域网技术，必须符合已经存在的以太网标准。在IEEE 802.3标准工作范围内定义MAC参数，对MAC子层可有一些很小改动，使10Gbit/s以太网帧结构在LLC实现全双工工作方式。

2）协调子层（RS）：协调子层的功能是把XGMII的信号传送给MAC。

图3-12 万兆以太网体系结构

3）介质独立的10Gbit/s接口（XGMII）：XGMII被定义为从MAC到物理层的10Gbit/s接口，还提供分离的8位或64位传输和接收数据的路径，提供必要的控制信息、时钟信号等用于控制同步的信息。(www.xing528.com)

4）物理编码子层（PCS）：PCS层对传送出去的数据进行编码，对接收数据进行解码。PCS层实现64B/66B、8B/10B编码与解码，实现挠码和去挠码；连接广域网时实现速率匹配。

5）广域网接口子层（WINS）：10Gbit/s以太网物理层提供与OC-192c和SDHVC-4.64c相兼容的接口，传输速率为9.58Gbit/s。与SONET不同的是，运行在SONET上的万兆以太网依然以异步方式工作。WIS（WAN接口子层）将万兆以太网流量映射到SONET的STS-192c帧中，通过调整数据包间的间距，使OC-192c略低的数据传输率与万兆以太网相匹配。

6）物理介质相关子层（PMA）：PMA提供连续不断的数据传输。PMA支持各种可靠的编码方案，每个PMD都可用一个编码来支持并且与特殊介质适配。

7）物理介质独立子层（PMD）：PMD通过介质相关接口MDI与传输介质（光纤）相连，主要负责比特流的传送和接收。

8）介质相关接口（MDI）：MDI实质上是信号收发器和电缆之间的连接头的规范。

3.万兆以太网帧结构

图3-13为万兆以太网帧结构。万兆以太网帧与10Mbit/s以太网帧在结构上存在差异，在万兆以太网帧头部添加了长度字段和头部差错校验字段（Header Error Correction，HEC）。长度字段占2B，用于指示MAC帧的长度。HEC字段占2B，位于SFD字段之后，它是长度、前导和SFD字段的CRC-16校验。此时，前导字段由原来的7B减到5B。

图3-13 万兆以太网帧结构

4.万兆以太网物理层结构

由于万兆以太网支持局域网和广域网，因此，万兆以太网增加了一个广域网接口子层（WAN Interface Sublayer，WIS）。WIS介于物理介质相关子层和物理编码子层之间，负责将MAC子层的8B/10B编码与ANSI SONET STS-192C传输格式编码或ITU SDHVC-4-64C格式编码（统称OC-192帧）进行映射。

由于OC-192编码的数据传输速率是9.953280Gbit/s，而非万兆以太网的10Gbit/s，因此，要把MAC帧的物理编码插入OC-192帧，就必须降低MAC帧的发送速率。具体办法是：WIS在MAC帧编码之间插入一些额外的间隔，间隔的字节数与前一帧的长度成正比，在WIS子层进行64B/66B编码时，再将这些间隔剔除。这样经过WIS处理，其输出SONET/SDH帧的速率就符合OC-192要求了。WIS和PMA之间接口是16位接口（XSBI），是SONET/SDH帧生成器与高速的SERDES逻辑之间的电信号接口。万兆以太网使用的编码方案有以下两种：局域网PCS使用8B/10B（对应物理层标准中的字母X）、64B/66B（对应字母R）；广域网WIS使用64B/66B（对应字母W）。

5.万兆以太网物理层标准

万兆以太网只支持光纤通信介质。万兆以太网物理层标准表示为：10GBase-[介质类型][编码方案][波长数]，通式为：10GBase-[E/L/S][R/W/X][l/4]。其中各参数含义如下。

1）介质类型。S表示短波长（850nm），用于多模光纤在短距离（约为35m）传送数据；L代表长波长，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为900m；E代表特长波长，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550 nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。

2）编码方案。X代表局域网物理层中的8B/10B编码；R代表局域网物理层中的64B/66B编码；W代表广域网物理层中的64B/66B编码。

3）波长数。当波长数为4时，使用的是宽波分复用（WWDM）传输。在短距离传输时，WWDM要比密集波分复用（DWDM）适宜。如不使用波分复用，则波长数为1。