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千兆以太网与六类布线

 

编译注:本文从分析以太网与布线技术相互的发展历史,以及现在千兆以太网的现状和未来高速应用的趋势阐述了作者关于布线发展趋势的观点,文章深入浅出地介绍了复杂的技术内容,是非常有可读性的技术文章。


  1997年9月,ISO/IEC JTC1 SC25 WG3 标准委员会决定为 ISO 11801 的下一版本开发两种新型电缆,这两种新型电缆按性能分为六类(E级)和七类(F级)。该决定引起了布线工业及一些标准委员会(特别是美国 TIA/EIA 组织及欧洲 CENELEC)的极大兴趣。

  除了布线标准委员会开展的这些工作之外,局域网标准委员会也在开发在现有结构化布线系统上实现千兆位传输的技术。 1996年开始研究的 IEEE802.3 千兆位以太网作为一种特殊的局域网技术引起了网络工业界的广泛关注。IEEE802.3 委员会所面对的最具挑战性的工作是开发出一种能够在现有 5 类(D级)系统上运行的可靠与稳定的千兆位以太网技术。

  众所周知,以太网技术与布线技术紧密相联系,那么千兆位以太网技术是如何发展以支持新一代电缆,特别是建议中的六类线(E类)电缆的呢?

  

IEEE 802.3 千兆以太网

 

  千兆以太网项目开始于 1996年,目前已完成了大量的工作。千兆位以太网项目的主要目的是为骨干网络提供 1Gbps 的带宽,并为现有快速以太网提供自然升级的办法,同时要尽可能地利用现有的网络管理工具和相应的培训。

  在局域网中为了维持直径为 200m 的最大冲突区域、 最小 CSMA/CD 载波时间,以太网时间片已从目前的 512比特扩展到 512字节(4096比特),最小信息包大小仍为 64字节。载波扩展特性在不修改最小包尺寸的条件下解决了 CSMA/CD 固有的时序问题。虽然这些改变可能会影响到小信息包的性能,然而这种影响已经被 CSMA/CD 算法中称作信息包突发传送的特性所抵消。

  为了缩小千兆以太网产品进入市场的时间,标准中 1000Base-SX、1000Base-LX、1000Base-CX 版本都能适应目前经过时间考验的 Fiber Channel技术。即采用 8B10 NRZ(不归零制)编码方式,提供 1.25Gbaud 的有效波特率,因此能提供全速 1Gbps 的数据速率。

  1000Base-T系列是支持大量已安装的 5 类布线系统的新设计。为了克服 5 类线的缺陷而运用了复杂的数字信号处理 DSP 技术。 1000Base-T 在传输中使用了全部 4 对双绞线并工作在全双工模式下,因此新增加的参数例如回波损耗以及远端串扰(FEXT)等就显得重要起来。这种设计采用 PAM-5 (5级脉冲放大调制) 编码在每个线对上传输 250 Mbps。 双向传输要求所有的四个线对收发器端口必须使用混合磁场线路,因为无法提供完美的混合磁场线路,所以无法完全隔离发送和接收电路。任何发送与接受线路都会对设备发生回波。因此,要达到要求的10-10的错误率(BER)就必须抵消回波。1000Base-T 无法对频率集中在 125MHz之上的频段进行过滤,但是使用扰频技术和网格编码能对 80MHz 之后的频段进行过滤。为了解决五类线在如此之高的频率范围内因近端串扰 (在PSNEXT的情况下)而受到的限制,应该采用合适的方案来抵消串扰。使用网格编码可以增强抗干扰能力,这一结论对上面的所有情况都适用。

  最终用户可能会为使用什么样的电缆来支持 1000Base-T 而感到困惑。尽管这种技术支持已安装 5 类线系统,需要特别指出的是新增加的布线传输参数也必须要令人满意。这些参数包括回波损耗,等效远端串扰(ELFEXT),传播延迟和延时偏移。因此,如果电缆满足新 5 类线(Cat.5N)或者超 5 类线(Cat.5E)的要求,那么它将支持1000Base-T。如果已安装的电缆仅满足 5 类线标准(TSB-67, 1995.9), 那么,在连接 1000Base-T 设备之前,应对布线系统按照新增加的布线参数进行认证测试。

  

需要6类布线吗 ?


  目前布线行业中对是否需要六类布线的争论很多(即使在当前六类标准仍在草案阶段下)。为了正确分析,让我们回头看看 1992年 3 类布线盛行、而 5 类布线仅刚提出时的情形。廉价的 10Mbps 是为运行以太网 10Base-T 和 25Mbps ATM 局域网而在三类布线的基础之上研制的。当以太网的比特率增加到 100 Mbps, ATM 局域网增长为155Mbps时,为了在三类布线的基础上支持这些局域网技术,电子设备不得不提高其复杂性与成本。 100Base-T4, 100Base-T2 和 155Mbps CAP64 ATM 局域网要求使用复杂的 DSP 技术以克服三类布线的局限性。随着5类布线被众多最终用户采用,廉价的 100Mbps (100Base-TX)以太网和 155Mbps NRZ ATM 局域网也得以发展并在五类布线的基础上得到了更好的性能。

  实际情况表明: 使用三类布线运行 100Base-T4 时每个用户连接的全部费用(例如从路由器到网卡,包括电缆在内)与在五类布线的基础上实现 100Base-TX 相比平均每个用户连接费用节省 24%。

  毫无疑问,同样的发展将再次发生在 1000Base-T 局域网技术上,由于 1000Base-TX 设计采用两对线对发送、两对接收的工作方式,因此不需要全双工模式下的回波抵消。为了缩短进入市场的时间,将选择 100Base-TX 使用的 MLT-3 编码方式, MLT-3 的带宽效率为每 赫兹 4 比特,因此频宽为 125 MHz。这很好地限制在六类布线的 NEXT 和 PSNEXT 范围内,因此串扰抵消就是不必要的。就目前的半导体技术水平来看,不使用回波及串扰抵消器件将至少减少 1000Base-TX 设计的 50% 的整体复杂性 (与目前的1000Base-T设计相比 )。网格编码技术可能还需改进以确保符合电磁兼容性(EMC)要求。

  引申开来,如果数据频率从每对 500Mbps 提高到 600Mbps,那么这种设计就可以用于1.2Gbps 系统。因此,六类布线不仅可以降低支持千兆以太网的电子设备的费用,同时也为今后可能超过 1Gbps 的局域网技术提供了基本设施保障。

  布线基础设施的投资将被认为是一种长期投资,布线设施本身也应作为一种资产。根据国际布线标准 ISO 11801,一个布线系统的期望寿命至少为 10 年。在这段时间内,PC 技术将取得巨大的发展。就目前而言,桌面系统虽然还没有用到 1Gbps 的需求,但是这主要是由于当前 PC 内部总线结构限制造成的,因为总线决定处理器和内存以及其他外围设备(例如网卡)之间的的数据交换速率。著名的摩尔定律预言芯片上的晶体管数目每过 18 个月就增加一倍。这一经常被用来描述 PC 处理器性能的增长速度,也就是说,每过 18 个月 PC 的性能就要提高一倍。基于这些事实,也许三年内台式 PC 中就会出现 "PCI 2" 总线。以此类推,在布线系统的生命周期内,1000Base-TX 技术应用到桌面系统是非常可能的。

 

可能的应用

 

  让我们想一下那些应用会需要如此巨大的吞吐量吧。多媒体应用正在成为台式 PC 的基本要求。 Intel 推出了 MMX 技术,该技术将极大推动多媒体应用。多媒体商务和多媒体信息传递的出现戏剧性地影响了局域网的设计。将来多媒体商务应用将必然要求更高带宽和更低的响应时间以达到令人满意的性能。按 Intel的说法,未来的计算机商务将是屏幕之间的交流,商业建立在采用 Intel 结构的可视连接 PC(Visual Connected PC,VCPC)之间。1997年推出的 AGP 图形加速接口支持 MMX 技术,用于低成本、高性能的 3D 图形应用。随着低成本的 DVD (Digital Versatile Disk,数字式通用磁盘)的出现,扫描仪和数字照相机将为用户带来一种全新的互动式的,直觉和生活化的计算机体验,用户可以把自己独特的的可视数据输入软件中去。文件尺寸将急剧增大,出现大量位图图形以及图片用来引导操作 ,使得文件、文档更为有趣并更加用友好。可视计算将要求提供比目前局域网更高带宽。

 

结 论

 

  过去五年中 IT 业在网络技术方面取得了巨大发展和长足进步。越来越多的最终用户进入网络,这促进了复杂和基于事务的应用软件的发展。PC 机性能的增强与数字信号处理能力的成倍增加,以及硅片的储存能力的加大为软件开发商开发要求大量带宽的应用软件创造了新的商机。结果必然导致文件尺寸迅速增加。所有这些趋势都对网络提出了更高的要求。布线基础设施是其中枢神经系统,必须保证其高效运行并且要避免网络瘫痪。这样,最终用户至少要选择超5类线以保证网络的正常工作,对于新安装的系统推荐使用 6 类线,这将保证千兆位以太网技术可以经济地满足目前和将来的需要。

 

(完)

 


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