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为什么需要10G(万兆)网络?
浏览: 发布日期:2018-03-16 08:42:26

  带宽驱动的网络需求及其对基础设施的影响

  一直以来,网络设计都是一项艰巨的工程。实际上,为了做好网络设计很多网络管理员都夜不能寐、而且最近的情形显示,这项工作变得让人更加畏惧。对网络带宽的需求一直呈现螺旋上升的趋势,这种现象促使LAN技术的发展,从而在任何地点都有希望使数据传输速率达到10Mb/s至10Gb/s、甚至更多,这对网络管理员就意味着,需要从一系列选项中作出抉择,最好确定采取什么样的技术、结构或五类基础设施才能最合适他们的需求。通过采用最近的技术创新,网络行业得到了快速更新换代,例如基于铜缆布线的10G以太网就是其中的一个例子。本文考察了10Gb/s传输速率的驱动因素,该领域的发展,以及它对布线基础设施带来的影响。

  带宽不断增长

  计算机性能的快速提高对大家来说并不陌生,而且它在未来仍会呈指数增长趋势。相对来说,处理器能力的提高和网络信息流通量的增长就没那么明显。

  作为一个经验法则,由CPU处理的每秒千兆位指令(GIPS)会产生为1Gb/s的LAN信息流通量。PC机现在也可以安装具有这种传输能力的接口(I/O)总线。由于现在的商业软件还未完全利用PC机的通信能力,因此这种潜能没有得到彻底发挥,但是这种情况正在发生变化。实际上,很多网络用户都将面临严重的传输能力问题。可以预测,在100GIPS下操作的CPU将在现行安装的布线使用期内得到广泛应用,因此这个问题的困难程度就会得到确定。

  在高速LAN应用程序和多媒体软件中所取得的进展,也在不断要求开发商设计出需要更多带宽支持的强大的新型软件产品。正如对更高CPU性能的依赖一样,开发商将会利用最新及最快的网络技术。将这种技术与千兆位接口不断下降的成本结合起来,在现在大多数新型电脑里已经成为标准,同时千兆位网络对于台式机也已成为显示,因此具有超前意识的公司现在需要思考未来的变化趋势。

  在现代高带宽的计算环境中,多歌应用程序在下来前台上同时运行将会变得习以为常,这些前台包括Microsoft Office、Microsoft Outlook、Lotus Notes、Adobe Acrobat、Instant Messaging Application、Media Player、Streaming Media、Videoconferencing及VoIP。后台任务如病毒扫描、软件升级、系统检测、加密、压缩及预发式信息组织,它们都会消耗一定量终端用户无法看见的额外带宽。

  大型公司也面临在水平和骨干布线上对高带宽持续增长的需求,以支持诸如存储区域网络(SAN)、网络附加存储(NAS)及高性能的网格计算。

  SAN/NAS:10G以太网可以使NAS和SAN的成本更加有效并位其提供高速的基础设施。10G以太网可以提供相当或更高的数据传输能力,而延迟时间与很对其它的存储网络技术相似,包括光纤通道、ATM OC-3、OC-12和OC-192,以及Infiniband技术。与这些传统的光纤技术相比,10G铜导线的发展将会为100米内的连接提供一套成本非常有效的解决方案。

  高性能计算:许多行业部门采用高性能的计算平台来支持高带宽密集型应用产品,例如流媒体视频、医学影像、集中式应用 程序、高端图形、可视化技术及数据群聚。例如:   

  政府、医学和科研;    国防测试、仿真及加密措施;    生物科学及药物技术;    金融公司用于量化分析、统计及计量经济建模;    建筑与工程公司用于计算机辅助CAD/CAM应用软件和共享CAD文件;    地质和物理科学勘探公司;

  多点合作:现有的协作工具可以使与会者在一张空白的幻灯片上写划,如果登陆网址还可以同会议主持任或任何其它的与会者私下沟通。要确保这种方式的有效性,这些协作工具就会不断要求更高的带宽,而10G以太网将会成为公司内部多点协作的主要连接方式。

  流式媒体:流式媒体可以加强公司内部及外部的信息通信。它可以在召开会议、举办新闻发布会、展示新产品、支持营销及广告活动、培训员工、提供用户支持,以及娱乐活动,例如HDTV、视频点播或极限互联网游戏的过程中发挥作用。由于向流式媒体传输数据要求在数据源和用户之间建立一个连续通道,因此带宽就会成为流式媒体使用的关键因素及加速器。

  网格计算:网格计算可以在网络中腾出“空闲”的桌面CPU功率,以供需要它的大型任务使用。还有许多科学应用软件需要使用大楼的计算功率,但是直到现在,超型积水机或大规模并行陈列的使用仍受到一定的限制。网格计算这项技术可以有效地汇集“横跨网络”的功率以供各种应用程序使用。

  网格计算对所有共享计算的平台之间的快速互联依赖型极强。现在这项技术已得到成功实现,采取的形式是通过快速光纤通道或其它类型的光学界面将数据中心内保留的服务器连接起来形成服务器群。

  正如之前讨论的那样,近期出现的网络此时与工作站组装到一起可以得到空前的计算功率。利用这些通用设备的简单能力,连同极速的成本有效连接方案,就有可能在机构内部配置网格计算系统。现在,网格计算被用来积聚空余的计算周期,从而对应用程序中的复杂建模和仿真提供功率,这些应用程序包括药物研究、金融投资风险分析、电子设计自动化及其它的计算机密集型应用程序。网格也允许进行协作和共享。对于将成为公司基础设施根基的网格而言,将会开发更多利用网格的应用程序,但是同时,网格技术可以并将用于推动数量不断增加的应用程序和行业的资源共享、利用及协作。

  尽管这些应用程序只使用了PC网络流通量潜能的10%,但是随着现在的处理器速率不断提升,10Gb/s的桌面通信在未来五到十年内将成为现实。

  应用程序对带宽的需求及趋势

  以下我们详细考察一下各种逐渐流行的应用程序及其对带宽的需求。网络应用程序可以分为两大类,即文件传输和实时流式媒体。

  文件传输:这些应用程序包括从服务器上将文件下载至用户的台式机设备中(反之亦然)。在很多情况下,用户或设备只有当文件传输完毕后才能对文件进行操作。如果对一项文件的传输耗时过久,用户会感觉延迟不可接受,同时工作效率也会大大降低。决定可接受的数据传输速率的是用户的主观反应。

  文件传输的需求是在不断提高的,这主要受以下相关趋势的推动影响:

  互联网接入:这个持续增长的应用领域继续刺激着运营商和公司LAN的信息流通。

  从网站上下载文件势必会加重网络带宽的负担,尤其是随着互联网文件的大小注定要不断增加更是如此。

  瘦客户端体系结构:瘦客户端PC机采用小型(或无)硬盘驱动器的操作系统,因此在用户开始工作之前必须从服务器上下载软件应用程序及数据文件。

  这些机器有时被称作网络计算机,它们可以为IT公司减少管理间接费用。随着公司开始注意在结构中央保护数据,这种体系也越来越容易被接受。

  客户端/服务器应用程序:在这些应用程序之中,软件应用程序会驻留在客户端的PC机上,而相关的数据则存储在服务器中。服务器常驻数据(或数据摘录)必须下载带客户端才能由用户对其处理及展示。

  从服务器上下载数据库:首先要在服务器上找到电子数据表、文件及数据库的存储地址,然后下载到PC机上才能观看或对其进行处理。尖端的应用程序包括:

  数据仓库及备份应用程序——它们可以包括分布于上千个网络服务器中并可由上万个用户接近实时地搜寻TB级的公司信息。这种负荷会对信息流通聚集的场所,如LAN骨干和WAN产生一定的影响。

  科学及工程应用程序——这样的例子包括:小到分子大到飞机等复杂物体的3D可视化;由台式机向打印设备发送全色系出版软件;共享昂贵设备的复杂医学影像传输。

  传输的文件大小分为多个级别,而信息传输需要花费的时间主要与网络的数据传输速率有关。对于文件传输应用程序而言,除了在特殊的情况下和那些数据流聚集的场所,现在还不要求数据传输速率达到10Gb/s。然而,这种假定还要取决于所谓的可接受等待时间。

  实时流式媒体

  这些应用程序如桌面视频电话会议、互联网广播或TV要求实时地传送声音(如语音和音乐)及移动图像(如视频和动画)。流式应用程序则包括向桌面用户对信息进行传输、再现和展示。未来保证声音或画面的连续性,就要求这类应用程序具有不容延迟性,这就对网络设备开发人员和网络设计人员提出了一些实际挑战。但是对于布线到桌面而言,介质自然应该以足够的速率传输数据。

  在网络数据传输速率稳步提高的同时,数据压缩技术也一定程度地降低了带宽要求。可接受的压缩程度取决于想要获得的声音或图像的质量。可以采用不同的算法使开发人员和终端用户能够按应用程序的要求对压缩程度进行调整,但总会存在与质量对应的成本问题。压缩带来的另一个不利因素就是延迟,高级压缩方案会增加延迟,这对实时双向视频交互系统来说就难以承担。

  多媒体应用程序由信息传输性质各不相同的单个组件构成。例如,印刷文本要求阅读机扫描代码序列,然后将代码重现为字词、句子和图片。虽然可视图像可以瞬间识别大量的材料,但是对于文本型数据而言它仍不能得到有效利用。随着数据元素变得更加鲜明,它们处理内含信息的时候也更加容易且更快。以下的段落总结了在可接受的性能水平下运行不同的网络多媒体应用程序时,要求的预计数据传输速率,并举例说明了千兆位联网的必备条件。

  静态影像主要是指对现有物体进行图像再现。正如一句名言所说的那样“图片胜千言”,静态影像比文本更能快速传递信息,因为人类对于可视化信息要比书写信息更加敏感。照片可以通过数字制作也可以转换成数字格式,通常需要采用一道扫描过程。一张照片可能包含几百万个颜色变量,它们需要在数字格式中再现。既然图像文件往往很大,特别是当使用了无数的颜色更是如此,因此压缩技术对它来说就非常有用。很多压缩文件格式可用于存储数字静态影像。

  以下是我们对这些应用程序的数据传输速率要求进行的考察。在每英寸1200象素(dpi)条件下,一张8.5英寸×11英寸的图片里含有(8.5×1200)×(11×1200)=10200×13200=134640000个象素。如果8.5英寸×11英寸的图片是采用256个明暗灰度比率图像,则每个象素就占用1字节的存储空间。因此,整个图像在没有压缩的情况下就需要134640000字节。即占用134.6兆字节的存储空间。即使是经过压缩也会十分庞大,如果在正常操作下出现很多这样的图像同时在网络上传输,则该网络就必须通过特殊设计以满足这样的信息流通量。

  虽然成像和图像软件产生的数据文件很大,但是音频和视频应用程序产生的文件会更大,即使采用了算法进行压缩也是如此。

  音频是一种动态的元素,可以通过它以多种不同的方式对多媒体应用程序进行增强。音频的使用包括以下几项:

  计算机命令的语音识别    语音帮助功能    加有注解的语音文件    加有注解的语音电子邮件    配有视频和动画的声效    音乐

  声音的使用可以使信息的展示更加真实化。但是将音频捕获和转换成数字格式会产生很大的文件,特别是想要达到压缩光盘(CD)的音质,得到的文件就会更大。捕获后音频文件的最终大小取决于以下四个因素:

  音频剪辑的长度    采样率——11、22或44千赫(KHz)    用来表示每个样本的比特个数——可以采用8或16比特    录音采用的是立体声还是单立体声——由于立体声需要录制两个通道因此它产生  的文件大小会两倍于单立体声产生的文件

  想要达到CD的音质,录音必须采用立体声,且采样率为44000赫兹(44KHz),同时每个样品采用16比特进行表征。因此,一分钟这样的录音就需要占用超过10兆字节的磁盘存储空间。计算方法如下所示:

  44000样本/秒×16比特/样本×2=1408000比特/秒=1.408兆字节/秒

  1.408兆字节/秒×60秒/分钟=84.48兆字节/分钟(1字节=8比特),即约等于10兆字节/分钟

  分别以1.408兆字节/秒的速率,在网络上同时播放多个CD音质的文件可能很快就会消耗完大量的带宽。换句话说,下载一个全CD声音文件并进行适时播放会占用大量的带宽。

  视频元素主要是与多媒体联系在一起。它可以用在实时通信领域(如视频会议)或对其进行捕获和存储供以后使用(如数字文件中的视频剪辑)。对视频进行数字化处理可以将与电影电视相关的视听技术配置到办公室内。传输和存储数字视频对应的通信信道容量和存储要求对于多媒体元素要求最高。1分钟高质量且未经压缩的视频可能会占用500兆字节的存储空间。

  将以前提出的“视频绘千画”说法进行展开,也可以验证视频是一系列的帧(静态图像)通过快速连续回放实现的。对于数字视频,显示的屏幕图像在数字格式中由很多单个的点或象素构成。视频图形陈列(VGA)监测器的显示分辨率为640×480象素,而超清晰图形陈列(UXGA)可支持的分辨率可达1600×1200象素。为了使数字显示更加真实,图像颜色更加逼真,每个象素都由存储为红、绿和蓝(RGB)的三字节序列表示。因此,显示为1600×1200象素的全屏视频在未压缩的情况下显示一帧视频时所需信息就达5760000字节(1600×1200×3字节/象素)。实际上,大多数的视频都采用基于MPEG2解码方案的标准(要求提供一部分数字信息用于解压缩)压缩后再进行传输,但是还有数量不断增加的应用程序如医学CT扫描、X射线及娱乐格式,它们要求具备这种解压缩容量。当一系列的帧在连续快速条件下按所谓的刷新率进行显示时,这项请求就会被系统理解。

  例如,标准的模拟电视显示器采用的刷新率为每秒30帧(很多国家采用的是每秒25帧)。更高分辨率的应用程序例如VGA则要求刷新率是上述水平的两倍多,通常为每秒72帧。

  为了在数据网络上实现数字解压缩,就要求数据流通量达到3.3Gb/s(8位/字节×5760000字节/帧×72帧/秒)。

  当数据流通速率达到3.3Gb/s时,就会明显发现瞬时数字视频会很快由于流通量拥塞产生网络故障,特别时添加并进行文件共享和文本/图像文件传输时更是如此。千兆位网络已经被充分证明可以适用于这些应用程序,但是对未来将要配置的其它程序又会怎样呢?

  移动图像:数字高清晰电视(HDTV)采用的全移动视频可能会成为最苛求的流式应用程序。如果RGB高清晰度电视演播室信号带有1080条直播线路,每条线路有1920个样本,每个样本占8位且每秒钟传送30张图像,则它要求的位速率将为3×1080×1920×30,即约为1.5Gb/s。为了向客户播放节目,就要求将数据速率压缩至略小于20Mb/s,即压缩比例为75。

  未来的应用程序:刚刚出现一些流式应用程序要求到桌面的数据速率还要更高。其中任何一张程序都会提高体验的真实性(及有效性)。可能出现的事物包括:

  用于增强型视频会议的大型和超高分辨率的液晶显示器。

  配有声音和高分辨率3D图像的虚拟实景或“遥现”应用程序,还可能会带有其它的官能感觉。这种技术可以使远程的桌面用户感觉就像身临其境一样。

  多媒体应用程序的成功对于网络管理员来说可谓是一把双刃剑。现代化的多媒体、互联网及协同应用程序可以使公司在生产率和成本节省上得到较大的改善。同时,这些应用程序也会对总体网络的带宽需求增加负担,而且会对桌面、服务器和交换施加一定的压力,因此网络内核会提出更高的容量需求。

  以位速率连接至桌面

  就在近两年前,LAN行业内最热门的话题是传输速率达1000Mb/s的千兆位以太网的发展。事实上,它仍然是“以太网”,但却十倍于现有LAN的运行速率,从而使它成为高位速率连接桌面领域中无可争议的赢家。按照布线术语来说,就是这种快速的技术加速了5e类和6类布线的发展趋势。三速10/100/1000 UTP以太网界面卡的引入使网络管理员可以平衡他们现有的以太网交换机电子装置的安装基础,还为将来提供了一种向更高传输速率升级的简单途径。随着千兆位界面卡的成本不断下降,千兆位以太网在LAN中的应用也得到了显著加强。

  在所有的LAN协议中,以太网无疑是市场的赢家。随着以太网朝着更高的传输速率不断发展,它也通过向数据网络提供成本有效的可靠方案从而满足终端用户的需求。除此之外,考察交换以太网网络在从同轴电缆到各类光缆几乎所有物理介质层上的运行结果,表明它具有极好的稳固性。

  随着对带宽的需求持续提高,以太网发展的下个阶段已经浮出水面,即10G以太网。由以下原因可以使人信服为什么称它为10G以太网:

  可支持所有服务(包括格式化的语音、视频和数据)及3层到7层智能开放式系统互联(OSI)模型    可以较为容易地按公司及服务提供商网络的大小确定以太网的规模    可以平衡亿万个以太网交换端口的安装基础    能够实现优质的服务质量(QoS)    可以支持LAN、MAN和WAN     可与OC-192的MAN/WAN骨干速率相匹配

  由于几乎所有现在网络流通都起源于以太网和互联网协议(IP)流通,因此下一步快速构建以太网是按尺寸确定 公司和服务提供商网络设计规模方法之一。构建教化网络的基本法则总是需要更快的技术来聚集多个低速的网络单元。简言之,对于公司LAN应用程序而言,10G以太网可以使网络管理员在提高网络性能时平衡在以太网中的投资,同时将他们以太网的网络传输能力分别设计成10Mb/s、100Mb/s和10Gb/s不等。而对于服务提供商城区和广域的应用程序来说,通过采用波分复用(WDM)技术后,10G以太网可以提供易于利用以太网工具进行管理的高性能、成本有效的连接,从而达到亿万比特和更高的传输速率。通过WDM技术,成百以及未来上千传输速率为10Gb/s的信道可以以不同的光波波长或各色光传输到单个光纤表面。

  对基础设施的影响

  随着在系统中不断引入传输能力更强的设备,也就更加需要配置能够支持这种传输能力的新型布线系统。引进的一般步骤为:

  开始研发和设计,并组建行业研究团体    组建布线及LAN标准小组,并开始起草被提议的标准    引入标准前的布线    标准得到批准,然后引入基于标准的LAN设备。标准布线在新型重新布线的设备中得到广泛使用(网络接口卡——NICs通常能够同时支持老式和新型的数据传输速率而不需要进行改变)    首先在骨干网中配置LAN设备,然后对水平网进行配置    出现能够利用这种更高网络传输速率的应用程序

  最初的10G以太网标准由IEEE 802.3ae委员会承担制订并于2002年公布,它主要是以光纤技术为基础。所选用的四种光学收发器如下:用于单模光纤的1310nm串行收发器、用于单模光纤的1550nm串行收发器、用于激光优化多模光纤(即国际标准中的OM3光纤)的850nm串行收发器、用于安装多模光纤和单模光纤的宽波分复用(WWDM)收发器。

  从基础设施的角度来看,相对简单的决定是选择配置对上述可选收发器提供支持的最成本有效的光纤布线。

  为了使成本最低,且在传输距离达到300米时对向下完全兼容的LAN设备提供支持,一般采用激光优化(OM3)的多模方案作为最佳选择。

  要对延长距离的LAN、MAN和WAN设备提供支持,最好采用单模方案。在MAN和LAN内,倾向于采用单模光纤,它可以消除会对光缆性能产生直接影响的羟基峰问题,从而在WDM应用于城域和校园应用程序中时,为波长的使用打开了一扇窗户。

  小型封装LC连接器的使用可以使损耗最低而密度最高。(LC连接器因其速率快而成为1G和10G以太网用高速光学收发器的理想连接器。)

  随着基于铜缆布线10Gb/s传输速率的发展,该布线的性能优越性现在也显得更加重要。在IEEE 802.3an 10GBASE-T工作小组于2003年11月成立之后,基于铜缆的10G以太网标准10G以太网标准也正在制订当中。由于预期将电子装置的结合体用于支持10GBASE-T,因此就取消了早期支持5e类布线的计划。该项目的最终强制目标是在6类或更好的布线上“传输距离至少达到55米到100米”。很多人都预计称,随着智能芯片设计人员对这个项目进行深入研究,新的技术将被开发出来并可以提高基于普通6类布线的最低保证距离。最低6类规格的提升空间也会扩充最大传输距离。在2003年3月IEEE会议上,SYSTIMAX实验室首次向人们展示了最大距离对UTP用于10Gb/s时性能的显著改善。SYSTIMAX实验室确信,芯片设计的综合改进及6类以上保证极限的布线可以使成本有效的10Gb/s传输在UTP布线上成为现实。

  尽管现行的10Gb/s以太网规格草案主要使支持6类和7类布线,但是预计它所包含的一些附加要求可适用于现有布线标准中未指定的布线。这些要求包括全部现有参数(直到500MHz),以及新的外界串扰要求。布线标准正在为此进行补充和修订。因此应该向正在考虑安装或最近已经安装了水平布线系统的终端用户透露一个信息,就是“不必惊慌”,但是必须首先要知道在基础设施中要求安装10Gb/s网的可能区域。由于预期10Gb/s应用程序会在将来出现,因此你可能不需要抽出现有的布线系统,但是一旦出现,还是需要对基础设施进行评估。

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100Mb/s以太网

1Gb/s以太网

10Gb/s以太网

开始研发(电缆和设备)

1990

1995

2002

水平网可用的布线

1991(标准前的5类)

1995(5e类)

1998(6类)

2004

水平网中的布线快速增加

1993

1995(5e类)

2001(6类)

2006

通过新标准

1995(布线)

1996-1997(布线)

1999(设备)

2000(布线)

2006

适用于LAN骨干网的设备

1995

2000

2005

开始安装适用于桌面连接的设备

1997

2002

2007

适用于桌面连接的设备快速增加

1998

2004

2008/9

表1 基于铜缆的100Mb/s、1Gb/s和10Gb/s以太网的时间进度表

  由于LAN具有层次结构特性,同时LAN交换会产生“漏斗效应”,因此由桌面开始的“速率需求”很明显会进一步提高。在未来几年内普通商业LAN的自然发展,将会是首先在服务器界面上向桌面交换1000Mb/s。交换10Gb/s的容量转变,然后是建筑物骨干,而最好在主流公司环境中实现交换10Gb/s的能力。基础设施部分在相同时间段内将会经历类似的转变,而高性能UTP被普遍选为水平网介质,激光优化的多模光纤则主要用于建筑物骨干网,而单模光纤则用于校园网中。

  结论

  很难比较确信地预测采用新技术后能够达到的传播速率或应用程序的发展水平。越来越可能出现的现象是,在愈来愈复杂的主流商业应用程序的聚集要求及界面卡成本下降的驱使下,桌面带宽会持续增加,但是这种趋势会得到一定的控制。只要继续发展下去,将基于高性能UTP的交换100Mb/s以太网和交换1000Mb/s以太网精心设计综合起来,就会成为现代网络设计的通用解决方案,同时还可以满足未来几年内普通商业LAN用户团团大要求。可以对行业进行过来的激进价格策略,使这些技术或多或少要比传统的以太网更昂贵。

  可以确定的是,还有些精选的垂直网市场,其中带宽要求超出标准的范围。在LAN区域内已经要求采用高速技术如10G以太网。而在近期,这种需求将仅限于对高性能服务器、交换机和CAD工作站进行相互联接,并且局限于支持千兆位以太网增强使用到桌面的骨干网应用程序。然而,由于带宽需求稳步提高,而且界面电子装置的成本下降和可能采用立体网格计算等技术,因此10G速率到桌面将会成为显示。从布线基础设施的角度来看,安装10G布线解决方案可以减少在不可预知的未来网络需求中的投资。