企业万兆以太网交换技术概述和应用

2022-11-03 16:11

自从 IEEE 802.3ae 标准于 2002 年中获得批准以来，万兆以太网端口的售货量已经从每季度几百个端口增加到了每季度几万个端口。万兆以太网的部署量之所以会出现如此快速的增长，主要源自于下列因素：

万兆以太网每端口价格的大幅降低——目前，万兆以太网的价格还不到 2002 年中时的五分之一。因此，在智能模块化交换机中，万兆以太网目前的性价比（包括光纤成本）已经与基于光纤的千兆以太网相差无几。

新型光纤扩大了万兆以太网的部署范围——目前，新型光纤的出现让万兆以太网可以部署到从数据中心到配线间的任何环境之中，而且可以延用现有的光纤布线。

带宽持续增长——首先，千兆以太网到桌面的部署量已经在 2004 年底之前达到了每季度数百万个端口。如此广泛的部署大大提高了网络其他部分的超额使用率。万兆以太网有助于将超额使用率降低到了网络设计最佳实践所要求的水平。其次，服务器适配器和 PIC 总线技术的发展使得服务器能够生成超过 7Gbps 的流量，这提高了为服务器使用万兆以太网连接的需求。最后，新型应用在企业园区、数据中心内部和数据中心之间，都催生了对于万兆以太网性能的要求。以下章节将会详细介绍这些应用。

因为万兆以太网仍然属于以太网，所以它可以充分利用经过多年发展的以太网技术，简化向这种更高速技术的迁移过程。与此前的快速以太网和千兆以太网一样，万兆以太网采用了 IEEE 802.3 以太网 MAC协议、以太网帧格式和帧尺寸。它支持标准的以太网服务，例如 802.3ad 链路汇聚，最多可以将 8 个万兆以太网链路汇聚到一个虚拟的 80Gbps 连接上。因为万兆以太网也是全双工的点对点技术，它可以在不导致数据包冲突的情况下，同时支持来自于链路两端的流量。因此，它不存在固有的距离限制。最大链路距离取决于传输机制和传输介质光纤，而不取决于以太网冲突域的范围大小。

万兆以太网的物理层接口通常使用下列命名规范：前缀 = “10GBASE-” = 10Gbps 基带通信；首个后缀= 介质类型或者波长（如果介质类型是光纤的话）；第二个后缀= PHY 编码类型；第三个后缀 = 宽波分复用（WWDM）波长或者 XAUI 通道个数。

例如，10GBASE-LX4 光传输模块使用一个 1310 纳米（nm）的激光束，LAN PHY（8B/10B）编码，4个 WWDM 波长。10GBASE-SR 光传输模块使用一个串行 850nm 的激光束，LAN PHY （64B/66B）编码，1 个波长。IEEE 802.3an 任务组计划在 2006 年的稍晚些时候，确定基于双绞线铜缆的万兆以太网（10GBASE-T）的标准。

在现有的从园区分发层到配线间的光纤布线中，有超过 75%都是 FDDI 级别的（62.5 微米）多模光纤（MMF）。距离要求通常超过 100 米（m）。因此，要在现有的 FDDI 级别 MMF 上为配线间部署万兆以太网，通常需要使用 10GBASE-LX4 光传输模块。

万兆以太网可插拔接口具有多种外型，例如 XENPAK、X2 和 XFP。从部署的角度而言，这些外型之间的主要区别在于：1）某个指定外型所支持的万兆以太网物理接口的宽度；2）物理尺寸。例如，由于空间限制，XFP 外型目前并不支持 10GBASE-LX4 和 10BASE-CX4 光传输模块。只要链路两端的万兆以太网物理接口类型（例如 10GBASE-LX4 或者 10GBASE-SR）相同，不同类型的接口就能在光传输方面进行交互操作。

很多网络管理人员都在考虑，是应当汇聚多条千兆以太网链路，还是部署一个万兆以太网链路。与过去一样，这两种方式都各有利弊，需要根据实际情况选择合适的方式。但是，与汇聚多条千兆以太网链路相比，万兆以太网可以提供一些重要的优势：

减少光纤使用量——一条万兆以太网链路所使用的光纤束少于千兆以太网汇聚方式。后者需要为每条千兆以太网链路使用一个光纤束。万兆以太网的这种优势可以降低数据中心的布线复杂度。对于那些可能因为成本原因而无法铺设更多光纤的园区环境，万兆以太网能够更加有效地使用现有的光纤布线。

为大型数据流提供更加有力的支持——由于终端设备的数据包排序要求，汇聚的千兆以太网链路所能支持的链路可能只限于 1Gbps 的数据流。相比之下，由于单个万兆以太网链路具有更高的容量，所以万兆以太网能够更加有效地支持那些会产生多 Gb 数据流的应用。

更久的部署使用寿命——万兆以太网能够提供高于多个千兆以太网链路的可扩展性，延长部署的使用寿命。最多可以将 8 个万兆以太网链路汇总到一个虚拟的 80Gbps 连接。

万兆以太网现在可以部署在从数据中心到配线间上行链路的已有光纤布线之上（如图 1 所示）。随着终端设备连接带宽的增加，万兆以太网部署还可以继续拓展到网络核心之外，从而提升网络的可扩展性。例如，千兆以太网到桌面的部署量已经在 2004 年底之前达到了每季度数百万个端口。如此广泛的部署大大提高了配线间上行链路的超额使用率，尤其是考虑到超过 90%的配线间流量都会以由北往南的方式流经上行链路。

在 20 世纪 90 年代后期，常见的做法是为桌面部署 10/100 以太网，再配以冗余千兆以太网上行链路。如果每台交换机连接了 192 个用户，那么超额使用率就约为 19:1。根据标准网络设计最佳实践的要求，配线间带宽超额使用率应该介于 15:1 到 20:1 之间，因此这种做法没有超出规定的范围。但是，随着千兆以太网到桌面近些年来的日益普及，这些超额使用率迅速地攀升到了 48:1，甚至 96:1。

即使配线间上行链路已经增加到两个或者四个千兆以太网通道，情况也没有得到改观。通过为当前的交换解决方案部署万兆以太网上行链路，有助于将配线间的超额使用率恢复到网络设计最佳实践所要求的范围之内，并可以根据未来的需要进一步扩展带宽容量。

利用万兆以太网，IT 经理现在可以将他们的网络存储环境提升到新的水平，并利用基于以太网的网络支持要求最严格的存储解决方案，例如：

通过数据中心备份和灾难恢复提高业务永续性——为了满足严格的业务要求，企业一直面临着如何开发出经济高效、安全、可扩展的业务连续性和灾难恢复策略的挑战。企业之所以要采用城域存储网络，一个重要的因素是他们需要在远程地点建立备份和远程镜像，以拓展已经达到容量极限的数据中心，或者集中位于多个园区或者地点的数据中心资源。万兆以太网的远程传输能力让企业可以在相距80 公里的两地之间提供高速的网络连接。通过使用光学放大器和散射补偿器，传输距离还能进一步延长。

因此，企业能够支持在此范围内的多个园区，实现存储到服务器和存储到存储的数据传输。利用万兆以太网和智能交换所提供的高带宽、低延时和安全性，企业可以更加轻松地、在企业存储系统的某些距离遥远的组件之间，实现无缝的数据传输。图 4 显示了一个可以支持所有基于 IP 存储的城域解决方案和技术的万兆以太网基础设施，包括网络附加存储（NAS）、互联网小型计算机系统接口（iSCSI）、基于 IP 的光纤通道（FCIP）和网络数据管理协议（NDMP）。

对于需要更高带宽的汇聚、更远的传输距离、低延时，以及支持非 IP 技术（例如光纤通道或者 IBM 的企业系统连接[ESCON]协议）的部署，密集波分复用（DWDM）能够在城域网（MAN）中，提供高容量、独立于协议的存储访问和传输功能。这种基于光纤的城域网的关键性存储应用包括：备份、远程镜像、灾难恢复、群集和存储外包。同步镜像需要极低的延时和很高的带宽，而万兆以太网可以提供这些要素的理想组合，满足这种关键任务型的业务需求。

用于高性能数据共享和存储整合的网络附加存储（NAS）——NAS 已经成为基于 IP 的存储整合和文件共享的主流部署方式。NAS 在很多环境中得到了广泛的应用，包括协作式工作组开发、工程设计、电子邮件、Web 服务和一般性文件服务。由于 NAS 操作系统的可定制性，NAS 文件服务器能够极为有效地处理 I/O。这使得它很容易就会以线速占满多个千兆以太网通道。

因此，企业迫切需要为 NAS存档整合采用万兆以太网，如图 5 所示。另外，越来越多的企业需要为 NAS 文件服务器建立直接的万兆以太网连接，以支持那些单个数据流超过 1Gbps 的高性能应用。相比之下，802.3ad 链路汇聚无法支持这样的应用。

除了提供对共享文件的高性能访问以外，万兆以太网基础设施还能利用多种协议，例如网络数据管理协议（NDMP），实现服务器之间的复制和备份到磁盘等功能。

群集和网格计算旨在满足那些需要进行大量 CPU 计算、任务处理和 I/O 传输的应用的要求。这些应用需要多台服务器才能有效地完成工作负载。群集为将计算需求扩展到多台服务器提供了一种经济高效的方法，可以让多个计算节点作为一个庞大的、虚拟的计算节点协同工作。群集应用可能对计算节点之间的互联性能极为敏感，因而对于连接这些节点的网络基础设施提出了很高的要求。

因此，通过借助万兆以太网的低延时特性最大限度地提高网络性能，群集应用可以获得有力的支持。为了最大限度地减少服务器延时和 CPU 负荷，企业开始采用一些新颖的服务器端技术，例如系统级 I/O 加速，TCP/IP 卸载引擎（TOE），以及远程直接内存访问（RDMA）。这些在网络和服务器性能方面取得的重要进展，也能够受益于广泛部署的以太网和 IP 技术在互操作性、管理和投资保护方面提供的优势。

由于价格、性能目标的实现，新型光纤接口对于更广泛部署的支持，以及日益增加的新型应用不断提高对带宽的要求，万兆以太网的部署量正在迅速增长。但是，万兆以太网仅仅是一个范围更广泛的交换解决方案的网络接口。成功的万兆以太网部署还会结合一些领先的智能交换服务，例如集成化安全、高可用性、交付优化和增强的可管理性等，从而为新型应用提供必要的支持。

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内容来源：智能计算芯世界。关于服务器最全分析材料请参考服务器基础知识全解PPT(终极版)和服务器基础知识全解PDF(终极版)。