以太网技术及标准化新进展 以太网, 进展, 标准化, 技术

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一、以太网标准体系

　　以太网标准是一个古老而又充满活力的标准。1972年，Metcalfe博士在Xerox公司PARC研究中心试验了第一个2.94Mbit/s以太网原型系统（AltoAlohaNetwork）。  


该系统可以实现不同计算机系统之间的互连，并共享打印机设备。1973年，Metcalfe将自己的系统更名为以太网（Ethernet），并指出该系统的设计原理不局限于PARC的Alto计算机互连，也适用于其它计算机系统。自此，以太网诞生了。

　　网络技术发展的历史表明，只有开放的、简单的、标准的技术才有前途。在很大程度上，以太网标准的发展进程就是以太网技术本身的发展历程。在以太网标准发展的过程中，电器和电子工程师协会（IEEE）802工作委员会是以太网标准的主要制订者，IEEE802.3标准在1983年获得正式批准，该标准确定以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问机制（CSMA/CD，CarrierSenseMultIPleAccess with Collision Detection）作为介质访问控制方法，标准带宽为10Mbit/s。此后的20年间，以太网技术作为局域网标准战胜了令牌总线、令牌环、Wangnet、25M ATM等技术，在有线和无线领域的市场和技术方面取得蓬勃发展，成为局域网的事实标准。

　　根据开放系统互连参考模型（OSIRM）的七层协议分层模型，IEEE802标准体系与这一分层模型的物理层和链路层相对应。如图1所示，IEEE802协议将数据链路层分为介质访问控制子层（MAC，MediaAccessControl）和逻辑链路子层（LLC，Logic Link Control），另外，802标准还规定了多种物理层介质的要求。





　　图1还体现出了802体系的其它标准：IEEE802.1通用网络概念及网桥、IEEE802.2逻辑链路控制、IEEE802.3以太网CSMA/CD复用方法及物理层规定、IEEE 802.4令牌总线结构和访问方法及物理层规定、IEEE 802.5令牌环访问方法及物理层规定、IEEE 802.6城域网的访问方法及物理层规定、IEEE 802.7宽带局域网、IEEE 802.8光纤局域网、IEEE 802.9 ISDN局域网、IEEE 802.10网络安全、IEEE 802.11无线局域网、IEEE 802.12优先高速局域网（100Mbit/s）、IEEE 802.13有线电视（Cable-TV）等。

　　802.3标准族是以太网最为核心的内容，也是一个不断发展中的协议体系。IEEE802.3定义了传统以太网、快速以太网、全双工以太网、千兆以太网以及万兆以太网的架构，同时也定义了5类屏蔽双绞线和光缆类型的传输介质。该工作组还明确了不同厂商设备之间、不同速率、不同介质类型下的互操作方式。但无论如何，从传统以太网的10Mbit/s，再到快速以太网的100Mbit/s，到千兆以太网的1Gbit/s，直至万兆以太网的10Gbit/s，所有的以太网技术都保留了最初的帧格式和帧长度，无论从技术上还是应用上都保持了高度的兼容性，确保为上层协议提供一致的接口，给用户升级提供了极大的方便。

　　IEEE802.3标准为采用不同传输介质的传统以太网制定了对应的标准，主要包括采用细缆的10base-2，采用粗缆的10base-5和采用双绞线的10base-T；IEEE802.3u标准则为采用不同传输介质的快速以太网制定了相应的标准，主要包括采用双绞线介质的100base-TX和100base-T4，采用多模光纤介质的100base-FX以及10/100base速率的自动协商功能；IEEE802.3x定义了全双工以太网的各种控制功能，主要包括过负荷流量控制、暂停帧的使用以及类型域定义等；802.3z千兆以太网标准主要包括采用光纤作为传输介质的1000base-SX/LX和采用双绞线介质的1000base-T；802.3ad链路聚合技术；802.3ae基于光纤的万兆以太网标准根据接口类型不同，主要包括三个标准，即10Gbase-X、10Gbase-R和10Gbase-W；802.3an基于铜缆的万兆以太网的标准10GBase-T。

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二、从局域到广域


　　很长一段时间里，以太网主要在局域网中占有优势。业界普遍认为以太网不能用于城域网（MAN），特别是汇聚层以及骨干层。主要原因在于以太网用做城域网骨干带宽太低（10/100M以太网），且传输距离不足。随着带宽的逐步提高，千兆以太网粉墨登场，包括短波长光传输1000Base-SX、长波长光传输1000Base-LX以及五类线传输1000Base-T。2002年底IEEE802工作委员会又通过了802.3ae：10Gbit/s以太网（万兆以太网）。在以太网技术中，100Base-T是一个里程碑，确立了以太网技术在局域网中的统治地位。而千兆以太网以及随后万兆以太网标准的推出，使得以太网技术从局域网延伸到了城域网的汇聚和骨干层。

　　首先是传输带宽，目前最常见的10/100M以太网作为城域骨干网带宽显然不够。即使将多个快速以太网链路捆绑使用，对满足多媒体等大带宽业务的需求仍然是心有余而力不足。随着千兆以太网的标准化以及在生产实践中的广泛应用，以太网技术逐渐延伸到城域网的汇聚层。千兆以太网通常用作将小区用户汇聚到城域业务接入（POP）点，或者将汇聚层设备连接到骨干层。但是在当前10/100M宽带用户的环境下，千兆以太网链路作为汇聚开始有些勉强，作为骨干则是力所不能及。虽然以太网多链路聚合技术已完成标准化，可以将多个千兆链路捆绑使用。但考虑到光纤资源以及波长资源，链路捆绑一般只用在POP点内或者短距离应用环境中。

　　传输距离也是以太网无法作为城域数据网汇聚/骨干层链路技术的一大障碍。无论是10/100M还是千兆以太网，由于信噪比、碰撞检测、可用带宽等原因，五类线传输距离都难以突破100m的限制，使用光纤时的传输距离则受到以太网的主从同步机制所制约。802.3规定1000Base-SX接口使用纤芯62.5μm的多模光纤最长传输距离275m，使用纤芯50μm的多模光纤最长传输距离550m；1000Base－LX接口使用纤芯62.5μm的多模光纤最长传输距离550m，使用纤芯50μm的多模光纤最长传输距离550m，即使是使用纤芯为10μm的单模光纤最长传输距离5km。显然千兆以太网的5km传输距离在城域范围内还是远远不够。目前也有厂商力推40km的千兆以太网长距接口，但这毕竟是一种非标实现，难以保证所有厂商在该类接口便捷的互连互通。

　　为了突破以上限制，新的万兆以太网标准在设计之初就考虑到了城域骨干网需求，首先带宽10G足够满足现阶段以及未来一段时间内城域骨干网的带宽需求；其次，万兆以太网标准中城域网传输距离可达40km，且可以配合10G传输通道使用（利用广域网SONET封装可达上千公里），完全可以满足城域网/广域网的应用范围。也就是说，随着万兆以太网技术的出现，上述问题得到了圆满的解决。

　　目前，10G以太网标准主要包括10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。10GBASE-X使用一种特紧凑包装，含有1个波分复用器件、4个接收器和4个工作在1300nm波长附近的激光器，每一对发送器/接收器在3.125Gbit/s速度（码流速率为2.5Gbit/s，接口速率为2.5Gbit/s×4=10Gbit/s）下工作；10GBASE-R是一种使用64B/66B编码的串行接口，数据流为10.000Gbit/s，时钟速率为10.3Gbit/s；10GBASE-W是一种广域网接口，与SONETOC-192兼容，其时钟为9.953Gbit/s，数据流为9.585Gbit/s。

　　特别需要指出的是，万兆以太网与传统以太网标准除在物理层上完全不同以外（通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度），数据链路层也发生了较大的变化。首先，由于万兆以太网接口应用于点到点链路，不需要共享带宽，碰撞检测、载波监听和多重访问机制已经不再重要，因此没有必要实现CSMA/CD；其次，为了实现10Gbit/s的高速率，很可能采用OC-192帧格式进行封装，这就需要在物理子层实现以太网帧到OC-192帧格式的映射功能；另外，以太网原先的设计是面向局域网的，网络管理功能相对比较薄弱，传输距离短且无任何物理线路保护措施，当应用到广域网范围中，网管系统、信号频率相位抖动以及信号同步都需要进行谨慎的设计。但无论如何，万兆与传统以太网采用完全相同的以太网帧结构，就其本质而言万兆以太网仍属于以太网的范畴。

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三、从有线到无线


　　无线局域网（WLAN，WirelessLocalAreaNetwork）作为有线局域网技术的重要分支，也是以太网技术的延伸，以其灵活便捷的魅力，越来越展现出蓬勃生机。在某些有线局域网架设受到环境制约的条件下，无线局域网解决方案作为有线局域网的补充或替代，以其灵活性、移动性和较低的投资成本等优势，得到了快速的应用发展。

　　应无线局域网发展需求，1990年IEEE成立了802.11工作委员会，开始制定无线局域网标准。与其它802标准体系相似，802.11规范了无线局域网的介质访问控制层及物理层。但与其它标准体系不同的是，根据无线传输方式的不同，IEEE802.11在统一的介质访问控制层下面规范了不同的物理层，以适应未来技术发展的需要。目前802.11中规定了三种物理层介质，并提供了多重速率的功能。这三种物理层介质分别为：直序扩频（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）、跳频扩频（FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum）和扩散式红外（Diffused Infrared）。考虑到无线传输环境的特殊性，载波冲突检测和载波侦听是不可靠并且难以实现的，IEEE802.11媒体访问控制子层没有继续沿用以太网的CSMA/CD，而采用了带冲突避免的载波侦听多路访问机制（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）。这种方法与以太网所用的CSMA/CD略有不同，在IEEE802.11中载波侦听由两种方式来实现，一种是直接去监听是否有信号在传送，以确定链路是否空闲，另一种是发送虚拟载波，告知其它站点自己要发送数据，以防止发生碰撞。

　　由于标准体系非常庞大，未能按照预期计划完成，直到1997年IEEE才批准了802.11标准，它工作在2.4GHz频段，最高传输速率为2Mbit/s。随后为了更高的数据通信带宽、更多的功能和无线局域网的发展，IEEE802.11工作组对802.11标准进行了扩展和加强，相继出现了802.11b、802.11a和802.11g标准。1999年批准的802.11b采用直序扩频技术，工作频段为2.4GHz，数据传输速率根据实际情况在11M、5.5M、2M、1M之间自动切换，并且在2M、1M速率时与802.11相互兼容，相关产品一经推出就得到了用户的认可，是迄今为止最为流行的无线局域网标准；同年制定的802.11a标准采用了独特的正交频分复用扩频技术，工作频段为5GHz，数据传输速率为54Mbit/s（Turbo应用下可以达到72Mbit/s），但802.11a与802.11b标准无法实现兼容，使得其应用受到了一定的限制；2003年最新推出的IEEE802.11g标准采用了前面两种调制方式，工作频段为2.4GHz，数据传输速率为54Mbit/s，它最大的特点是可以兼容802.11b标准。由于802.11g不但提供了高速的通信带宽，并以较低的成本实现了对原有标准的兼容，因此也得到了快速的发展，应用前景看好。

　　除了以上标准，802工作委员会还开展了大量相关标准化工作，内容包括：802.11d，确保802.11设备可以在不同国家和地区正常工作；802.11e，对802.11的介质访问控制层QoS进行改进，以保障实时业务服务质量；802.11f，确保不同设备商无线接入点的互操作性，支持接入点互操作协议（IAPP）；802.11h，支持802.11a无线网络检测和频谱管理；802.11i，完善WEP加密存在的安全漏洞，定义严格的加密格式和鉴权机制；802.11k，确保无线接入点支持特定频段，并支持网管；802.11n，使得无线局域网传输速率达到100Mbit/s。

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四、从企业到电信


　　传统观点认为以太网技术适合于企业楼宇应用，目前随着电信级以太网技术的发展，以太网技术也从企业级的局域以太网技术走向电信运营商的城域以太网技术。业界研究认为，以太网技术如果需要满足电信级服务，在原有技术上需要增加以下几个方面的技术能力。

　　城域以太网首先需要解决的问题就是可扩展性问题，也就是说需要考虑能够提供城域范围内几十万用户的多种以太网服务的问题。以太网适应用户数目和服务种类方面的技术发展主要反映在IEEE802.1ad和IEEE802.1ah标准草案中。在可提供的服务距离方面，IEEE的802.3ah制定了EPON技术标准。基于电缆的以太网可以达到一公里的传输距离，极大地扩展了以太网在企业网中的100m接入距离范围。IEEE802.16正制定无线方面的技术标准，可在几十公里范围内提供无线接入。

　　其次是以太网必须满足电信级服务的高可靠性要求，这方面的主要进展体现在基于环状网络的以太网RPR（弹性分组环）技术，基于MPLS的流量工程技术和尚处于草案阶段的、适用于通用网络的IEEE802.1ak草案技术。这些技术方案的共同目标都是在以太网上实现50ms的快速保护倒换能力。

　　第三，以太网必须保障网络自身及业务的安全性，现阶段的考虑是在二层实现加密功能，其思路与IP的三层加密类似，将MAC层地址之外的静负荷部分进行加密。这样一来不同用户之间的二层业务数据帧在城域范围内传送的时候，用户自己可使用不同的密钥进行加密，不同用户之间的业务就做到了彼此安全隔离。

　　第四，以太网必须能够满足不同用户、不同业务的服务质量要求，现阶段必须满足用户的数据、语音和视频业务的时延、抖动、丢包率要求，进一步为未来的Tripleplay业务提供服务质量解决方案。此外，运营商还需要根据用户的重要性将用户进行分类划分，对不同类别的用户提供不同级别的QoS保障。

　　最后，如何在以太网上承载传统PSTN电话业务也是一个需要解决的问题。以太网初衷是为了接入IP数据业务，并没有考虑TDM业务接入对时钟同步、时延和抖动等方面的特殊要求，因此如何在以太网上承载时分复用信号或电路型数据专线成为以太网研究的热点。虽然目前国内外均对TDMoverEthernet技术进行了积极的研究并取得了一定的成果，但并不十分成熟，要完全达到TDM业务要求的严格的QoS更是面临相当大的困难。

　　五、标准化进展

　　除IEEE以外，还有其它国际标准组织在进行以太网标准的研究，包括国际电信联盟（ITU-T）、城域以太网论坛（MEF,MetroEthernetForum）、10G以太网联盟（10GEA, 10 Gigabit Ethernet Alliance）以及Internet工程任务组（IETF, Internet EngineerTask Force）。

　　ITU-T主要关注运营商网络的体系结构，重点是规范如何在不同的传送网上承载以太网帧。ITU-T内与以太网相关的标准主要由SG13和SG15研究组负责制订，其中ITU-TSG13工作组主要研究以太网的性能管理、流量管理和以太网OAM，ITU-TSG15工作组主要负责制订传送网承载以太网的标准。

　　IETF主要研究如何在分组网络（如IP/MPLS）中提供以太网业务。IETF内与以太网相关的工作组有PWE3和L2VPN工作组。其中，PWE3工作组主要负责制定伪线的框架结构和与业务相关的技术（伪线：封装和承载不同业务的PDU的隧道），L2VPN工作组负责制订运营商的L2VPN实施方案。

　　MEF的工作动态尤其值得关注，它成立于2001年6月，专注于解决城域以太网技术问题的非盈利性组织，目的是要将以太网技术作为交换技术和传输技术广泛应用于城域网建设。它首要的目标是统一光以太网实现的一致性，并以此影响现有的标准；其次是对其它相关标准组织的工作提出一些建议；最后也制定一些其它标准组织未制定的标准。MEF目前开展的工作包括以下几个方面。

　　*开发城域以太网参考模式，为内部组件和外部组件之间定义参考点和接口。

　　*定义城域以太网的服务模式，对城域以太网服务的术语、接口、规范、和提供的基本服务进行统一。开发服务提供商和终端客户之间建立SLA使用的SLS框架。

　　*研究如何能使以太网作为一种广域传输技术，包括城域以太网的保护模式及服务质量。保护模式的目标是以太网服务提供端到端的保护恢复时间<50ms；QoS的目标是创建一种框架，可以提供各种分等级的服务（CoS），并且在每个CoS中确保QoS。

　　*开发用于服务提供商和终端客户之间以太网接口管理的要求、模式和框架，也包括服务提供商的城域网络内部的以太网接口的管理。

　　为推动我国IP多媒体数据通信网络标准化的发展，1999年国内电信研究机构联合诸多通信企业成立了中国IP和多媒体标准研究组。研究组成立后，便将以太网作为该研究组的一项重要技术进行研究和制订。截至目前，已经立项研究了一批以太网标准，包括《二层VPN业务技术要求》、《基于LDP信令的虚拟专用以太网技术要求》、《基于LDP信令的虚拟专用以太网测试方法》以及《仿真点到点伪线业务技术规范》等。

　　由于以太网服务质量、安全、扩展性、管理等技术受到业界的广泛关注，研究组也加强了对这些热点问题的跟踪研究，相关标准也正在紧张制订中。

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