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万兆技术及万兆网络设计

 

摘要:本文主要参考了万兆技术的发展,万兆技术的优势和应用特点,分析了万兆技术在校园网网络建设中的需求,阐述了构建万兆园区网的主要架构,并描述和万兆网络布线相关的经验。

关键词:万兆 万兆网络

一、万兆技术的出现

目前应用最为广泛的以太网技术最早出现于1973年,当初的速率只有3M,后来陆续出现了10M100M1000M10G的以太网技术,在30多年的时间里,以太网技术得到了飞速的发展,增长了3千多倍,推动了各行业信息化的突飞猛进。

 

20026月份,万兆以太网技术基于光纤传输的第一个标准IEEE 802.3ae获得了通过。这个统一的标准,使用户在选择时不必再担心厂商之间的产品不能兼容的问题,大大规范了产商之间的竞争。其最终对万兆以太网技术发展的促进意义,是显而易见的。目前,包括锐捷网络、Cisco、华为3Com等公司在内的多家厂商已推出多款万兆以太网交换机产品,成就了今天以太网技术的全新局面。万兆以太网采用了IEEE802.3以太网媒体访问控制(MAC)协议、IEEE802.3以太网帧格式,保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长。万兆以太网是以太网在速度和距离方面的进化,定义了广域网和局域网两种物理层,是一种只采用全双工的技术。

二、万兆以太网的技术特色和应用特征

1、从技术角度分析,万兆以太网具有以下特色:

首先,万兆以太网相对于以往代表最高适用度的千兆以太网拥有着绝对的优势和特点。其技术特色首先表现在物理层面上。万兆以太网是一种只采用全双工与光纤的技术,其物理层(PHY)OSI模型的第一层(物理层)一致,它负责建立传输介质(光纤或铜线)MAC层的连接,MAC层相当于OSI模型的第二层(数据链路层)

其次,万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术,因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上皆占有极大的引进优势。在升级到万兆以太网解决方案时,用户不必担心既有的程序或服务是否会受到影响,升级的风险非常低,同时在未来升级到100G都将是很明显的优势。

第三,万兆标准意味着以太网将具有更高的带宽(10GB)和更远的传输距离(最长传输距离可达80公里)

第四、在企业网中采用万兆以太网可以最好地连接企业网骨干路由器,这样大大简化了网络拓扑结构,提高网络性能。

第五、万兆以太网技术提供了更多的更新功能,大大提升QoS,具有相当的革命性,因此,能更好的满足网络安全、服务质量、链路保护等多个方面需求。

最后,随着网络应用的深入,WAN/MANLAN融和已经成为大势所趋,各自的应用领域也将获得新的突破,而万兆以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的速度、可操作距离和连通性的途径,万兆以太网技术的应用必将为三网发展与融和提供新的动力。

2万兆以太网还有十分明显的应用特征:

1、万兆以太网结构简单、管理方便、价格低廉。由于没有采用访问优先控制技术,简化了访问控制的算法,从而简化了网络的管理,并降低了部署的成本,因而得到了广泛的应用。

2、过去有时需采用数个千兆捆绑以满足交换机互连所需的高带宽,因而浪费了更多的光纤资源,现在可以采用万兆互连,甚至4个万兆捆绑互连,达到40GB的宽带水平。

3、采用万兆以太网,网络管理者可以用实时方式,也可以用历史累积方式轻松地看到第2层到第7层的网络流量。允许“永远在线”监视,能够鉴别干扰或入侵监测,发现网络性能瓶颈,获取计费信息或呼叫数据记录,从网络中获取商业智能。

4、以太网的可平滑升级保护了用户的投资,以太网的改进始终保持向前兼容,使得用户能够实现无缝的升级,一方面不需要额外的投资升级上层应用系统,也不影响原来的业务部署和应用。

以太网技术的持续改进满足了用户不断增长的需求,以太网技术在发展过程中得到了不断的改进,如物理介质从粗同轴电缆到细同轴电缆、双绞线、光纤的扩展,网络功能从共享以太网到全双工、交换以太网的进步,传输速率从10MB100MB1000MB乃至10GB的提升,极大地满足了广大用户对各类应用的需求。

三、万兆以太网在校园网中的应用

万兆以太网标准出台,标志着万兆技术成熟,其应用前景非常广泛,各种迅速增长的带宽密集型项目,像高带宽园区骨干、数据中心汇聚、集群和网格计算、合一(语音、视频、图像和数据)的通信、存储组网、金融交易以及政府、医疗保健领域和大学的超级计算研究等,都离不开万兆以太网技术。

教育园区网是万兆技术应用的一个重要场合。如今的教育园区网,无论在信息访问量、用户数还是业务应用上,与几年前相比已有极大的改变。根据近几年权威机构的统计,所有行业的信息访问量排行中,教育行业一直高居榜首,出口访问利用率可以达到97%以上,这是一个非常值得关注的现象。

因此,随着高校多媒体网络教学、数字图书馆等应用的开展,高校校园网将是万兆以太网的重要应用场合,利用10GE的高速链路构建校园网的骨干链路以及各个分校区和本部之间的连接,实现端到端的以太网访问,提高网络传输的效率,有效地保证远程多媒体教学、数字图书馆等业务的开展。

高校校园网络建设的主要目的是将校园网络的性能、带宽、主要网络业务进行全网的建设,建设成一个利用先进、成熟、可靠、稳定、安全的网络和技术,建成一个高带宽、高可靠性、可管理的信息化基础。

由于高校校园网需要采用大量的多媒体教学,应用系统非常丰富,所以,在校园网中有各种各样的应用业务数据流,当网络流量处于高峰期时,必定会影响到关键业务数据流的响应时间,对于多媒体业务来说,就会有说话结巴、图像出现马赛克的情况。因此,在高校的信息化建设上,尤其是在网络的建设与应用上,网络的性能至关重要。也就要求构建校园网络的组网技术必须是高带宽的组网技术,核心交换设备必须支持线速交换,以保证无阻塞的数据交换。

从网络结构设计上,需要考虑到一些高流量多媒体应用的分布式部署,以降低跨骨干网的流量,提高网络的性能。所以网络建设的重点就落在了对整网的规划和建设上,落在了采用先进的硬件平台上,目的是不言而喻的,以满足未来应用扩展的需要,并对核心和汇聚进行万兆连接实现完整骨干,满足大流量数据的需要。

四、万兆校园网架构设计

万兆校园网是成规模的高校网络建设的一个基本方向,这样可以满足多业务、高带宽对网络性能的要求。但是,考虑到整个网络信息点分布、高流量业务的分布情况,需要建设一个结构化的网络基础架构,才能更充分的利用网络基础资源。

根据目前网络建设的主流趋势,采用树形结构设计整个网络的骨干架构,比较符合网络业务流趋势。在需要采用万兆链路的场合,可以把网络按照规模分成两层架构和三层架构两种模型。

1、两层网络架构

两层网络架构主要分成核心层和接入层。这种架构适合于信息点规模比较小(比如,1000个信息点以内的网络)、信息点分布比较集中的网络。如下图:

在接入层和用户电脑之间,需要采用千兆连接的场合,由于接入层交换机上行口存在瓶颈,因此,上行采用万兆设计,实现网络万兆骨干,千兆接入的模式。

核心层在设计中,可以采用单核心、双核心、核心环路等各种结构。

2、三层网络机构

三层网络架构主要分成核心层、汇聚层和接入层。这种架构适合于信息点规模比较大的网络、信息点分布比较分散的场合。

由于目前常用的接入层交换机大多数是百兆下行,千兆上行的设备,因此,在三层的网络架构中,存在的瓶颈是汇聚层网上的位置。汇聚层交换机提供多个千兆下行,上行需要扩展成万兆,避免形成性能瓶颈。如下图:

核心层在设计中,可以采用单核心、双核心、核心环路等各种结构。

3、万兆校园网设计案例

A、单核心万兆骨干

 

B、双核心万兆骨干

C、万兆核心环路


五、万兆网络部署经验

1、万兆铜缆布线方案

综合布线系统差不多每七年会更新一次,从三类到五类系统用了五年时间,超五类系统替换五类系统,仅用了三年的时间,而现在,六类系统已经成熟并日益广泛的应用,在六类系统上实现千兆以太网已经是潮流,而七类系统的标准正在制定和初步执行中,将铜缆布线系统的发挥到极致是万兆铜缆最新目标。

由于包括视频会议、流媒体广播、基于因特网的语音电话(VoIP)、网格计算和存储网络在市场的高速增长,带宽的需求也在飞速的增长。今天在数据中心的内部连接中,已经实现了万兆光纤的连接。但业界开始关注成本更低的更易于实现的基于铜缆的万兆解决方案。基于铜缆布线的万兆系统的第一个用户对象将是数据中心,而到桌面的应用最终可能锁定在千兆以太网。

万兆铜缆以太网出现的主要驱动力是降低了万兆以太网的组网成本,对于大范围的实施万兆以太网来说,利用光纤传输的解决方案已经被证明过于昂贵,因此基于铜缆的解决方案得以被开发和应用。

近来IEEE正在进行一个新的项目,这个项目就是制定基于铜缆的结构化布线系统上运行万兆以太网(10GbE)的传输标准,这个研究小组正在和来自于综合布线、电气、测试仪器和系统设计等方面领先的厂家进行协作。10G以太网标准也被定名为IEEE 802.3ae的国际标准。

万兆铜缆以太网10GBase-T标准工作组宣布的布线系统支持的目标如下:

14连接器双绞线铜缆系统信道

2100米长度 F级(7类)布线信道

355米长度 E级(6类)布线信道

4100米长度增强型E级(6类)信道

10G 6类布线系统如下图:

10G 7类布线系统如下图:

 

 








下图是从面板、信息模块、线缆、配线架到跳线的完整的七类系统万兆铜缆解决方案:

 

 

2、布线施工中应当注意的问题

由于网络综合布线工程实施设计对布线的全过程起着决定性的作用,工程实施的设计机构应慎之又慎。从整体上来说,在实施设计时首先应注意符合规范化标准。结构化布线的实施设计不仅要做到设计严谨,满足用户使用要求,还要使其造价合理,符合规范化标准。国际和国内对结构化布线有着严格的规定和一系列规范化标准,这些标准对结构化布线系统的各个环节都做了明确的定义,规定了其设计要求和技术指标。

其次示根据实际情况设计。首先要对工程实施的建筑物进行充分地调查研究,收集该建筑物的建筑工程、装修工程和其他有关工程的图纸资料,并充分考虑用户的建设投资预算要求、应用需求及施工进度要求等各方面因素。如果建筑物尚在筹建之中就确定了结构化布线方案,则可以根据建筑的整体布局、走线的需求向建筑的设计机构提出有关结构化布线的特定要求,以便在建筑施工的同时将一些布线的前期工程完成。如果是在原有建筑物的基础上与室内装修工程同步实施的布线工程,则必须根据原有建筑物的情况、装修工程设计和实际勘查结果进行布线实施设计;

最后是要注意选材和布局。布线实施设计中的选材用料和布局安排对建设成本有直接的影响。在设计中,应根据网络建设机构的需求,选择合适类型的布线线缆和接插件,所选布线材料等级的不同对总体方案技术指标的影响很大。建议在布线中使用一家厂商的系列配套产品,因为布线是一套系统,而不是线缆和元件的简单组合。布局安排的设计除了对建设成本有直接的影响外,还关系到网络布线是否合理,对于一座多层建筑物来说,安装整个建筑物网络主干交换机的信息中心网络机房,最好设置在建筑物的中部楼层,如果各个楼层设置配线间,最好设置在楼层的中段,这样设计不但可以尽量缩短垂直和水平主干子系统的布线长度,节约材料,降低成本,还可以减少不必要的信道传输距离,有利通信质量的提高。

如果要从细节上来讲,还需要注意的还有施工现场督导人员要认真负责,及时处理施工进程中出现的各种情况,协调处理各方意见;如果现场施工碰到不可预见的问题,应及时向工程单位汇报,并提出解决办法供工程单位当场研究解决,以免影响工程进度;对工程单位计划不周的问题,要及时妥善解决;对工程单位新增加的点要及时在施工图中反映出来;对部分场地或工段要及时进行阶段检查验收,确保工程质量;最好制订出工程进度表,但在制订工程进度表时,要留有余地,还要考虑其他工程施工时可能对本工程带来的影响,避免出现不能按时完工、交工的问题,因此,建议使用督导指派任务表、工作间施工表。

而在工程施工结束时,还应该注意清理现场,保持现场清洁、美观;对墙洞、竖井等交接处要进行修补;各种剩余材料汇总,并把剩余材料集中放置一处,并登记其还可使用的数量;并做好总结材料:开工报告、布线工程图、施工过程报告、FLUKE(福禄克)测试报告、使用报告和工程验收所需的验收报告等。

 

 


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