随着internet和intranet的发展、网络通信的模式已由过去80%的流量存在工作组或部门内部 (仅20%的流量在主干网上)，快速扩展为主干网上承担80%的网络流量、只有20%的流量仍存在工作组或部门内部。这对主干网的通信能力提出了挑战，千兆以太网的兴起正适应着这种发展。
　　通信网络的流量也发生了很大的变化。以前单一的纯文本通信转变为包含声音、数据和图象等多媒体的综合业务，这样对通信带宽的需求大大增加。以符合H.323规范的视频会议应用为例，传每秒30帧的单向视频数据需要384kbps的带宽，总共则需要带宽768kbps。随着internet的飞速发展，用户数目的骤增，现有主干网将无法满足带宽的需要。
　　通信网络流量的增加，使FDDI和快速以太网出现了瓶颈。目前70%的主干网为FDDI，它受限于100Mbps而无法进行升级。此外，虽然可以在主干网交换机间加入更多的快速以太网以增加带宽，但这样会提高端对端连接的费用，甚至其花费可能比升级到使用千兆以太网的价格更高。曾经把ATM看成唯一的升级解决方案，ATM在技术上也确有先进性，但推广ATM将引起网络业界的一场革命，它需要对网络基础设施完全更新。然而，在全球已安装的局域网中，目前以太网占80%以上，它代表着用户数千亿美元的投资。显然，这些网络的经营者和管理者都不希望改变网络基础设施，而强烈希望保留以太网技术。以便通过较少的投入获得较大的网络性能，在这样的背景下，千兆以太网的出现和广泛应用将是大势所趋。
1 千兆以太网规范
　　IEEE802.3z工作组负责制定了1000BASE－X规范，其中1000BASE－SX主要用于较小范围的主干网，它使用短光波长(850nm)，芯径为62.5μm的多模光纤，网络最长直径为220－275米。而芯径为50μm的多模光纤，网络最长直径可达550米。1000BASE－SX是针对低价位的多模光纤而设计的。而1000BASE－LX使用长波长(1300nm)、 对多模光纤而言，标准定义的千兆比特数据流传输的最长距离为550米，而单模光纤的覆盖范围能达到5公里。因此，1000BASE－LX可用于更长距离的楼内多模光纤主干网和单模光纤校园网。目前，千兆以太网首选了美国国家标准化委员会(ANSI)X3T11光纤通道标准的物理层(FC－0)改进版本。802.3z工作组还定义了一种基于150(铜缆的标准1000BASE－CX，它使用了与光纤一样的8B/10B编码，传输码速为1.25Gbps，覆盖范围为25米，显然这样的网络范围无法满足实际需要。因此后成立的IEEE802.3ab工作组，制定了基于5类UTP(非屏蔽双绞线)的千兆以太网规范1000BASE－T。它在5类UTP的四对线上都传输1Gbps的数据流，网络直径达到了200米。1000BASE－T能利用现有的以太网基础设施并保证了升级的简易性，但1000BASE－T需要采用一些新的技术和新的编解码方式。千兆以太网各种方案的规范可参看图1。

2 基本原理
　　千兆以太网目前定义了以光纤和铜线传输的两种标准。在光纤通道中采用了8B/10B编码，将每8比特数据编码为10比特，虽保证了数据传输的可靠性，但带来了冗余。在光纤中千兆以太网为达到1.0Gbps的数据速率，实际的传输波特率用1.25Gbaud。相比之下，基于铜线的1000Base－T中实际的传输波特率仅仅为125Mbaud，1000Base－T用了5类UTP中全部四对线，并在每对线上以双工方式同时进行数据的发送和接收。与其它以太网的编码方式不同，1000Base－T采用的编码方式为5级编码(PAM5)。在PAM5编码方式下并同时使用4对线传输数据，使1000Base－T在每个信号脉冲内，能够并行传送一个字节的数据(125Msymbols/second * 8bit/symbol ＝1Gb/s)。
　　千兆以太网可以在全双工或半双工模式下运行，在全双工模式下：在同一连接的两个通道上，同时双向传输的数据将使用不同的频段，这样使千兆以太网在全双工模式下，能提供实际为2Gbps的带宽，它是半双工模式下带宽的2倍。由于全双工模式只能用于点对点的连接，其两个站点间的带宽为专有，因此不存在冲突，网络直径也不会受到CSMA/CD(载波监听/冲突检测)机制的限制。显然，对于主干网和高速服务器间的连接，全双工模式是最理想的。设计千兆以太网的初衷也正是针对交换型的全双工网络，为其提供更大的带宽。但是从实际情况来看，因交换机的核心电路比中继器要复杂得多，故交换型全双工网络比半双工网络要昂贵得多。
　　在某些应用场合，半双工模式千兆以太网更经济和更有效，特别在数据不总是持续高流量的情形下，为了充分利用现有的网络设施，也只好使用共享型的CSMA/CD千兆以太网，以便兼容某些仅支持半双工操作的现存网络，如100Base－T4。实际上大量存在基于CSMA/CD冲突检测机制的半双工千兆以太网，其网络直径将会受到限制，这是千兆以太网技术中一个非常重要的问题，下面将对此专门进行讨论。
3 千兆以太网的冲突域问题
　　CSMA/CD定义了在共享型网络中传输数据的一种机制，即传送一帧前、 在每个主机上都检测信道是否空闲，如果信道处于忙，则延迟发送。如果信道空闲，就开始发送数据。在发送数据时也对信道保持监听，如检测到冲突则放弃当前发送，并向其它站点发出阻塞信号，以便通知全网发生了一次冲突。
　　CSMA/CD机制中的一个重要参数是碰撞槽时间(Slot time)，它定义了最坏情况下检测到碰撞的最大时间间隔，一般用每位传输时间(位时─BT)来表示。 如图2所示，如果A发出的帧在B处发生碰撞，则检测到最大的碰撞槽时间为网络中环回的延时，即在半双工模式下，为了最大程度地减小帧丢失和帧的误重发，必须保证每一帧的成功传送时间，至少为一个碰撞槽时间。它限制最短帧长，即传送一个最短帧的时间应等于一个碰撞槽时间。如果帧长过短，则可能A发出的帧在B处发生碰撞时，A将无法检测到碰撞，这会因碰撞造成该帧丢弃，又未能重发该帧。

　　须知，在这种机制中网络速率的提高必然伴随着网络最大直径的减小，或者是碰撞槽时间的增加。在10Mbps以太网中最短帧长为64字节，相应的碰撞槽时间就是512位时。如图2所示，它等于检测到碰撞的总时间，即网络的环回延时：
　　中继器延时*2＋电缆延时*2＋DTE延时*2＋MAU延时*2＝512位时
　　10Mb/s网络中的512位时＝51.2us，推算出网络直径约为2000米。从10Mb/s以太网向100Mb/s快速以太网升级时，当时网络发展遇到的问题是增加网络分段，所以采取了保留原来的碰撞槽时间，而同时把网络直径减小到200米的解决办法。如果仍用减小网络直径的办法，把网络速率从100Mb/s提高到1000Mb/s，则网络直径将减小到20米，在通常情况下这是网络用户无法接受的。于是在千兆以太网中采用增加碰撞槽时间的办法，把碰撞槽时间增大到512字节。根据前面的分析，这将导致最短帧长的增加。为了易于升级、千兆以太网又必须保留和原有以太网相同的帧结构，这样就不能简单地增加最短帧长，故千兆以太网在保留原有64字节的最短帧长同时，还采取了几种相应的解决办法：
　　· 载波扩展法(Carrier Extension): 把载波监听时间扩展到一个碰撞槽时间(512字节)，如果发送的帧长短于512字节，则在发送完毕该帧后继续保持载波监听/检测碰撞。此方法不足之处在于：
　　(1) 如果数据帧已发送完毕，接收端也已经接收到了完整的数据帧，却在载波扩展期间发生了碰撞，则发送端将检测到碰撞，并认为数据帧无效重发该帧。对于接收端来说，为了避免数据帧重复，也不得不丢弃已接收到的完整数据帧。
　　(2)对于短帧的传输效率较低：在最坏情况下，假
　　设传输均为64字节的短帧，每一帧都需要实际传输512字节的码流。虽然传输速率比快速以太网提高了10倍，传输码流也同时增加了8倍，但效率总共才提高了25%。不过在网络通信中的短帧很少，故载波扩展法仍然能达到较高的效率。
　　· 帧组发方法(Frame Bursting)：这是对载波扩展的改进方法，它在CSMA/CD机制中加入了多帧组发的功能，而保留了一次发一帧的机制。它的最大组长是基于最大帧长而不是碰撞槽时间，在一个帧组开始时，第一个碰撞槽时间内只传输一帧，如帧长短于512字节则采用载波扩展方法。在第一个碰撞槽时间结束时检测信道，如信道忙则该帧组结束。否则传输一系列短帧，中间用96位时的帧间隙隔开，直到最大组长。计算机仿真结果证明：最大组长越长，性能的提高越明显。显然，帧组发是一种很好的方案。
　　· 改进CSMA/CD：使用缓冲分发器(buffered distributor)，也称为全双工中继器(full－duplex repeater)。它采用了带有流量控制机制的全双工连接，在每一个端口增加了输入缓冲区。全双工中继器包括传统半双工中继器和交换机的一些功能，是综合考虑性能与价格的产物。象传统以太网中继器一样，它把接收到的数据包发送到所有相连的其它端口，无需进行地址分析与选择，并提供低价格的共享介质操作。它同时也支持全双工操作，在多个端口接收数据并先将其保存在缓冲区内。当缓冲区要溢出时，全双工中继器使用802.3x流量控制机制，通知发送节点暂停发送数据。实际上，这解决了CSMA/CD机制中，因碰撞检测带来网络直径减小的问题，把碰撞检测功能放在中继器上进行，可实现全双工连接上的收发操作。
4 服务质量QoS (Quality of Service)
　　现在的网络通信已经从单一的数据通信转向多媒体通信方式，即话音、实时视频与数据的同时传输。通常应根据对时延的敏感程度把服务类别进行分类(CoS)，并引入服务质量(QoS)的概念。在IEEE802.1p(现在的802.1D)中对不同服务种类进行优先级分类并在数据包的格式中进行了定义。不同类别的数据流根据此优先级顺序，排成队列进行传输。资源保留协议(RSVP)是一种基于IP的接入控制算法，它让端站为优先级高的数据流保留一定的带宽，以便实现实时业务。在Ipv4中的服务类型(TOS)字段中，可以为互连网络的QoS提供几种标识功能，传输延迟、吞吐量、优先级和可靠程度都可以用该字段来标识。在网络中QoS实现的一种更有效的方法是套接地址，在IP中可由IP地址和端口号组成套接地址，不同端口号对应于不同的应用，一对套接地址提供具体端口间连接的唯一标识，它将用到第四层的交换。既然许多千兆以太网厂商都提供多层交换机(包括了第四层的交换)，甚至有厂商宣称他们的产品能够在OSI的所有七层实现交换，那么套接地址就具有更大的优越性。
　　传统以太网设计来传输数据，它面向无连接的传输技术，传输变长的数据帧，在网络中每一帧各自选择路由，不能保证实时业务的传输，已被证实对传输数据是行之有效的。但随着网络中多媒体业务的大量增加、在千兆以太网中也增加了对服务质量QoS的支持。为了面向实时业务，在网络层以上千兆以太网还需要添加RSVP(资源保留协议)和OSPF(改进最短开通道优先协议)及RTP(实时传输协议)。RSVP通过资源保留来支持不同的应用优先级，OSPF可以在逐段链路上支持基于服务质量的路由选择，RTP则在数据包中加入优先级信息，以保证快速传送。在千兆以太网的第二层，需要IEEE802.3q配合解决优先级问题，802.3p配合解决有效广播问题。在全双工连接和流量控制方面还要802.3x协议的支持。可以看出，相对于传统以太网，千兆以太网在QoS方面有了很大改进。
5 最新进展
　　1998年6月IEEE已经通过了基于光纤和150(铜线的千兆以太网标准802.3z。同年7月，802.3ab工作组宣布1000BASE－T技术上的所有问题已经得到解决，12月28日千兆以太网联盟(由3Com、Cisco和intel等八十家网络公司组成的千兆以太网研究开发组织)宣布对802.3ab标准进行开放投票，又在1999年3月正式达成了协议。千兆以太网的前景一片光明，必将成为新一代高速网络的主流。
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