千兆位以太网.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/25,史忠植 高级计算机网络,#,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,1,高级计算机网络,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,2,内容提要,10.1 概述,10.2.,千兆位以太网的模型,10.3 路由技术,10.4 载波扩充,10.5帧突发,10.6,半双工方式,10.7,全双工方式,10.8,光纤通信技术,10.9,千兆以太网技术的应用,10.10,未来的10,Gbps,以太网,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,3,10.1 概述,基于千兆位网络的分布式计算需要千兆位网络。如卡内基梅隆大学利用,HIPPI,连接,Cray-MP,及,CM-2,计算机，以处理大型化工厂的任务调度。再如，加利福尼亚大学洛杉矶分校（,UCLA）,的研究人员利用,CM-2,及另一超级并行机进行海洋与大气层交互作用的并行处理模型的研究，目的在于模拟几十年的长期天气效益，每单元计算时间约为100,ns，,交换数据约5,MB,至10,MB。,以上这些计算显然需要,Gigabit,网络。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,4,10.1 概述,1998,年6月29日，千兆以太网联盟于加利福尼亚,PALO ALTO,正式宣布了千兆以太网标准,IEEE 802.3Z。,这是千兆以太网发展的里程碑。,千兆以太网使用802.3以太网帧格式，允许以1000,Mbps,的速率进行半双工、全双工操作。按,IEEE802.3x,的规定，通过全双工、交换方式连接的两个节点可同时发送、接收数据包。千兆以太网在双工操作模式中延续同样的标准。而且千兆以太网采用标准以太网的流控方法避免网络拥塞和超载。在单工操作模式中，千兆以太网也采用同样的,CSMA/CD,基本访问方法，解决共享介质的访问冲突问题。千兆以太网与10,BASE-T、100BASE-T,技术的地址向后兼容。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,5,10.1 概述,特征,10,BASE-T,100,BASE-T,1000,BASE-T,数据速度,10,Mbps,100,Mbps,1000,Mbps,UTP5,100,m,100,m,100,m,STP coax,500,m,100,m,25,m,Multimode,Fiber,2,km,412,m(half-duplex),2 km(full-duplex),220,m,(half-duplex),Single mode,Fiber,25,km,20,km,5,km,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,6,10.1 概述,Topology,Objective,Modes,Media,Application,Switched,High,Throughput,Long distance,Full duplex,Half duplex,Multimode,Fiber,Single mode,fiber,Copper,Campus backbone,Building backbone,Wiring closet,Upgrade,Server farms,Shared,Low cost,Short distance,Half duplex,Multimode,fiber,Copper,Server farms,Desktops,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,7,10.1 概述,*,德国的,RERKOM,研究环境中铺设了大量光纤，购置了高速网及高性能工作站。目前主要研究,ATM,技术。,*,AT&T,与加利福尼亚大学伯克利分校、,Illinois,大学和,Wisconsin,大学等联合启动了实验大学网络（,XUNET），,研究基于信元的广域网计划。1990年,XUNET,扩展为,Blanca,验证环境。其研究内容十分广泛，主要有呼叫、多路复用、拥塞控制、计算机与网络界面（如超级计算机的整合、网络虚拟存储机制）及,Gigabit,应用等。该工程已产生了不少有趣的结果，包括对多媒体协议的支持、拥塞控制与回避。在,XUNET,工程中，也有来自哥伦比亚大学、宾夕法尼亚大学的研究人员。,NCSA（National Center for Supercomputing Applications）,的,Catlell,是当今高速应用的专家，,AT&T,的,Fraster,是信元网络的专家。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,8,10.1 概述,*,Aurora,是位于美国东部的测试环境，其中配置了,BellcoreSunshineATM,交换机及,IBM,的,PlaNET,交换机。测试环境与工作站连接，进行网络协议、应用、分布式系统方法学、工作站操作系统及性能保证等方面的研究。杰出的工作有,ATM,纠错、流和拥塞控制、协议体系结构及,ATM,协议接口等。,*美国的,Nettar,主要研究,Gigabit,网络应用，其研究成员来自,Pittsburgh。,他们利用,HIPPI,开关及,ATM/SONET,连接,HIPPI,开关，并将,CMU,的各种计算机与,Pittsburgh,的巨型计算机互连，主要研究异构系统分布处理性能中协议及操作系统的设计。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,9,10.1 概述,*美国的,CASA,建立于1990年，它是美国,ARPA/NSF,的一个测试试验基地。主要研究分布式超级计算机，并连接了美国西部的主要超级计算机实验室，如,LosAlamos,国家实验室、,California,技术学院（,CalTech）、SanDigo,超级计算机中心（,SDSC）,及,JetPropulsion,实验室（,JPC）,等。正在研究的应用项目主要包括超级计算机间基于网络的通信、采用大量数据的化学反应计算、交互式地理应用及气象预报等。该工程主要利用,SONETOC-3,长途线路连接,LANL（Los Alamos National,labortory）、JPC、CalTech,及,SDSC,等。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,10,千兆位以太网的特点,1,千兆位以太网更显著地提高了传统以太网的原生带宽，比后者高出,100,倍。,2,千兆位以太网使用传统的,CSMA/CD,介质访问控制协议。因此它和传统以太网，快速以太网有良好的兼容性，容易互相配合在一起工作，网络的升级也很容易。,3,保护原有网络的投资。可以保留现有网络的应用程序、操作系统和网络层协议。原有的网络管理软件也适用于千兆位以太网。,4,千兆位以太网是迄今数据速率最高的局域网，但是它和快速以太网等同一族的局域网相同，是对数据通信优化设计的。因此，它不具备像,ATM LAN,所特有的多媒体通信的适用性能。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,11,千兆位以太网的特点,5.,千兆位以太网可用于多种传输介质。如短程和长程铜线、多模和单模光纤、在短程铜线(第5类,UTP),上的通信距离为25100,m，,在单模光纤介质上的通信距离为2,km。,6.,以低的成本费用提供网络升级。它以23倍当前快速以太网的成本，提供10倍于后者的性能。对用户和网管人员无需作新的培训，网管工具和应用程序可以保持不变。,7.,千兆位以太网和,ATMLAN,是当前两种最新型的高速局域网技术，前者比后者易于实现，立即能够收到提高网络性能的效果。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,12,10.2.千兆位以太网的模型,1,以太网是采用有碰撞检测的载波侦听多路访问(,CSMA/CD),介质访问控制(,MAC),机制，管理各个节点设备在网络总线上发送信息。千兆位以太网是一种新型高速局域网，它可以提供1,GbpS,的通信带宽，采用和传统10,M，100M,以太网同样的协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级，从而能最大限度的保护用户以前的投资。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,13,10.2.千兆位以太网的模型,1,在以太网的演变过程中，很重要的进展是在90年代初引入的以太网交换技术和快速以太网(100,Base-T),技术。这两种技术都保持了传统的以太网的,CSMA/CD,特性，因而与传统以太网兼容，保护了原有的网络基础设施的投资，同时又使以太网的技术性能得以大幅度的提升，提高了它的使用价值。快速以太网建立在广泛接受的10,Base-T,以太网基础之上，提供向100兆,bps,的平滑、连续性的网络升级。然而为服务器和台式机提供100,Base-T,速率的发展，又显然产生了对主干网和服务器更高网络速率的要求。这种更高速率的技术应能提供平滑的升级方式，具有较好的性能价格比，不需要重新培训。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,14,千兆以太网,的层次模型,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,15,千兆位以太网,与以太网和快速以太网一样，千兆位以太网（,Gigabit Ethernet）,只定义了物理层和介质访问控制子层。实际上，物理层是千兆位以太网的关键组成，具有以下主要功能：,（1）,数据的编码与解码；,（2）,数据比特流的传输与故障指示；,（3）建立链路所需的机械、电气、功能和规模特性等。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,16,千兆位以太网,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,17,1000,Base-SX,标准,1000,Base-SX,采用直径为62.5,um,和50,um,的多模光纤，工作波长为850,nm,传输距离为260,m,和525,m，,数据编码方式为8,B/10B，,适用于作为大楼网络系统的主干。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,18,1000,Base-LX,标准,（1）,多模光纤,1000,Base-LX,可采用直径为50,um,和62.5,um,的多模光纤，工作波长为850,nm，,传输距离为550,m，,数据编码方法为8,B/10B，,适用于大楼网络系统的主干。,（2）,单模光纤,1000,Base-LX,可采用直径为9,um,的单模光纤，工作波长为1300,nm,或1550,nm，,数据编码方法为8,B/10B，,适用于校园或城域主干网。单模光纤连接的最大距离为3000米。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,19,1000,Base-CX,标准,1000,Base-CX,采用150,平衡屏蔽双绞线（,STP），,传输距离为25,m,传输速度为1.25,Gbit/s,数据编码采用8,B/10B，,适用于集群网络设备的互连，例如机房内连接网络服务器。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,20,1000,Base-T,标准,1000,Base-T,采用4对5类,UTP,双绞线，传输距离为100,m，,传输速率为1,Gbit/s，,使用于已铺设5类,UTP,电缆的大楼主干网络。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,21,介质访问控制,MAC,子层,性能参数包括整体吞吐率，利用率，错误率，响应时间。监控网络设备和连接的当前使用情况对性能管理是至关重要的。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,22,10.3 路由技术,在交换机只有第二层交换功能时，如果要互连不同的网络（例如,LAN,与,WAN,互连），就需要使用路由器（工作于第三层）。路由器具有以下功能：,1.,帧转发，按,IP,地址转发,IP,帧。,2.,地址转换，实现,MAC,地址与,IP,地址的转换。,3.,服务优先处理和流量控制。,4.,网络安全控制，例如分组过滤、数据加密、身份认证等。,5质量保证，例如优先级控制、带宽预留等。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,23,路由交换机,千兆位以太网要扮演好局域主干网和城域主干网的角色，就必须避免网络路由器成为网络瓶颈。目前，许多千兆位以太网交换机提供第三层交换功能，命名为千兆位以太网路由交换机，这实际上是一种支持路由器功能的千兆位以太网交换机。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,24,路由交换机,第三层交换机是基于千兆位以太网的,IP,网络迁移的理想选择。当在骨干中从100,Mbps,转向千兆位技术时，它对于以网络性能来衡量路由性能是必不可少的。第三层交换机使得这个努力既实际又经济。这个理想的网络将由网络边缘的高密度交换机构成，他级联到千兆位第三层交换机上。边缘交换机应能够在应用层信息基础上过滤和转发。所谓第三层交换，实际上是实现了第三层（网络层）的功能。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,25,网路由交换机,实现千兆以太网最通用的办法是采用三层设计。最下面的一层由10,Mbps,以太网交换机加100,Mbps,上行链路组成，第二层由100,Mbps,以太网交换机加千兆以太网上行链路组成，最高层由千兆交换机或,ATM,交换机组成。网络管理程序可加在任何一层的服务器上，具体加在哪一层则根据接入单位是工作组、企业单位还是整个企业而定。在每一层，交换机逐步提高干线交换速率。这种设计一般以价格低廉的交换机控制10,Mbps,工作站的连接，昂贵的大容量交换机只用在最高层，在这一层由于交换的信息量大，价格高一些也相对合理。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,26,工作组交换机,工作组交换机可以采用部分阻塞结构，即设计成只有部分节点在同一时间高速传送信息。如果这些节点被阻塞，也只有少数节点和有限的地区受影响。高层交换机一般设计成无阻塞的，从而确保在高层不会丢失数据分组。,三层设计方式还可提供多层流控制和缓冲，当在同一台交换机中有低速端口和高速端口时，流控制和流缓冲具有重要作用。流控制保证高速端口发出的信息不会使低速端口的某些信息过载，从而避免引起数据的丢失。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,27,10.4 载波扩充,为使千兆以太网在保持千兆位率的条件下仍能维持200米的网络访问距离。千兆以太网增强了,CSMA/CD,的功能。如没有这种功能增强，发送工作站在传送最小的以太网包时，可能在检测到冲突之前就已完成了传输，从而疏漏了这种由冲突产生的传输错误。这就会使,CSMA/CD,无法正常操作。,为了解决上述问题，,CSMA/CD,的最小载波时间和以太网“槽”时间都加大了，从目前的64字节扩展到新的512字节（请注意最小的64字节包长度未受影响）。小于512字节的包加上额外载波扩充。大于512字节的包则不作扩充。因为这些修改可能影响传输小包的性能，因而在,CDMS/CD,算法中加入了新机制以作弥补。新机制称为包突发（,packet bursting）。,包突发机制使服务器、交换器和其它网络设备发送小包，以充分利用网络带宽。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,28,10.4 载波扩充,以双工方式操作的设备（交换器和其它缓冲型的转发设备）不作载波扩充，时隙间隔扩充和包突发修改。全双工设备仍将继续使用常规的以太网96位帧间隔（,IFG）,和64位的最小包长度。,为使千兆以太网在单工操作模式中（共享介质）保持向后兼容，维持10,Mbps&100Mbps,的兼容性，保留802.3的帧格式，保留最长和最短的帧长度，保留截断的二进制指数后退算法，不改变,CSMA/CD,介质访问控制方法。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,29,10.4 载波扩充,千兆位以太网的电缆长度必须缩短到20米。20米大小的网络是毫无用处的！时隙间隔长度和最小帧时间的关系必须最小帧时间大于时隙间隔长度,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,30,10.4 载波扩充,网络直径（即覆盖范围）是千兆位以太网最核心的技术问题之一。这是因为千兆位以太网较快速以太网快10倍，因此，千兆位以太网的网络直径将会发生变化。即如果保持帧长不变，则网络直径将会大大缩小；如果要保持原有的传输距离不变，则必须采用新的技术来解决这个问题。为了使最小帧尺寸至少应该是一个时隙间隔长度,可采用载波扩充（,Carrier Extension）,方法，,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,31,10.4 载波扩充,1.,数据终端设备发送一个帧。,2.,如果帧长大于时间段长度，,MAC,子层正常返回“发送完成”状态。,3.,如果帧长小于时间段长度，,DTE,继续发送“扩充的载波”信号直至时间段的末尾，,MAC,子层返回“发送完成”状态。,4.,如果在时间段中发生冲突，,DTE,中止发送，并且发送一个32比特的阻塞信号,5.,接收器收集数据比特，但是丢弃扩充的载波信号。,如果输入的数据帧小于最小帧长，该帧被丢弃。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,32,10.4 载波扩充,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,33,载波扩充带来的新问题,（1）对短的帧来说，发送时间增加了。,（2）对一个64字节的帧，虽然发送速度提高了10倍，但是发送时间增加了8倍。,（3）对短的帧来说，有效吞吐率低。如：一个只有64字节帧的网络，有效吞吐率=64/(512+8)=12%。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,34,10.5,帧突发,为解决载波扩充带来的对短的帧来说有效吞吐率低的新问题，千兆以太网增强了,CSMA/CD,的功能，引入帧突发（,Frame Bursting）,概念。,DTE,在一个突发中，发送几个帧；发送第一个帧之后，,DTE,继续占有信道，并且如果满足：（1）有另一个帧等待发送；（2）“突发定时器”没有超时发送额外的帧；突发中后续的帧都不带扩充；每个帧保持一个帧间距（,IFG）；,如果最后一个帧恰好在突发定时器超时之前发送，它可以继续完成发送。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,35,10.5,帧突发,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,36,10.5,帧突发,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,37,发送器操作,(1),DTE,检查一个帧是否是突发中的第一个帧，或者只是中间的帧,(2)第一个帧：等待如果载波活跃，后退如果冲突，等等。,(3)中间的帧：突发计时器正在运行,(4)发送完带载波扩充的第一个帧，检查,-,是否有别的帧等待发送？,-,是否突发计时器超时？,(5)如果两个条件都满足，,DTE,等待一个帧间距，然后发送别的帧。,(6)如果没有帧等待发送，突发结束，计时器复位,(7),DTE,重复整个过程。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,38,接收器操作,(1),接收器利用前同步码和帧头定界符和发送器同步,(2)接收器接收数据比特直到发现,-,端到端载波信号，或者,-,带有复位的扩充标志的扩充信号,(3)扩充标志应该在时间段中复位,(4)接收器比较输入比特流和时间段,(5)如果扩充标志没有在帧尾被复位，这帧就是一个冲突碎片，应该丢弃。,(6)如果帧有一个非法的帧校验序列，也会被丢弃。,(7),在一个正确配置的网络中，在时间段后不可能发生冲突。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,39,千兆位以太网的运行参数,参 数,值,时隙,4096 位次,内帧间隙,0.096,s,赏试次数,16,后退次数,10,拥塞长度,32,bits,最大帧长度,1518,octets,最小帧位数,512,bits,突发位数,65,536,bits,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,40,帧突发,1.,时隙间隔长度=512字节=4096比特时高了8倍。,2.,帧间距（,IFG）=96,比特，百兆位以太网的1/10。,3.,比特时间=1纳秒。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,41,帧突发性能分析,理论最大吞吐效率,令,P=,以比特计的帧长度,I=,帧间距=96比特,M=,前同步码长度=64比特,S=,时间段长度=4096比特,n=,突发中除第一帧之外的连续帧数,L=,突发上限=65536比特,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,42,对于百兆,CSMA/CD,以太网而言,归一化效率,=,P/P+I+m,如果最小帧长,P =512,比特，有,最坏情况,=512/512+96+64 =76%,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,43,对于不带载波扩充的千兆以太网而言,归一化效率,=,P/max(S,P)+I+m,如果最小帧长,P =512,比特，有,最坏情况,=512/4096+96+64 =12%,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,44,对于带载波扩充的千兆位以太网而言,归一化效率（,Normalized Efficiency）,=(n+1)P/max(S,P)+I+m+n(P+I+m),n =L max(S,P)/P+I+m,如果最小帧长,P=512,比特，有,n =(65536-4096)/512+96+64=91.4,92,最坏情况效率,=93*512/4096+96+64+92*(512+96+64),=72%,接近百兆位以太网。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,45,突发能力对最坏情况效率的影响,(1)吞吐率随突发能力增加而增加;,(2)超过65536比特后的效率增益小。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,46,俘获效应,成功发送的,DTE,比遭遇冲突的,DTE,有更高的机会发送新的帧。这导致一个,DTE,可以长时间发送，而别的,DTE,却不能。俘获效应提高了网络吞吐率却导致不公平。有些,DTE,可能遇到大幅度变动的访问等待时间。这不利于等待时间敏感的应用。频繁的冲突可能引起包丢失。,在千兆位以太网中,时间段以8的倍数增加。每次冲突后的后退延迟以更快的速率增加。这会使得别的,DTE,有更长的时间传输数据。俘获效应会被帧突发放大。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,47,帧突发的作用,（1）帧突发实际上可以帮助减轻俘获效应,（2）在帧突发中，只有第一个帧可能发生冲突，其余的帧则不可能。,（3）通过允许主机发送多个帧，从而更快地清空发送队列，帧突发提高了它的效率。,（4）其它,DTE,在帧突发期间更少地冲突，所以它们的后退时间不会很快增加。,（5）相对于基本的载波扩充，帧突发实际上提高了网络的性能。,（6）当突发长度增加时，延迟实际上减小了。,（7）这是因为通过增加突发定时器，重负载的,DTE,可以更加高效地发送帧，从而提高总体的效率。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,48,半双工方式,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,49,半双工工作,工作在1000,Mbps,半双工模式时，物理层设备采用,GMII,接口，接收任何输入信号，中继信号到除了输入端口之外的其余端口。所有成员共享带宽。在一个碰撞域中只能有一个中继器碰撞域就是网络直径。2个或更多的碰撞域可以用桥、交换机或者路由器互连。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,50,半双工工作,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,51,半双工工作方式比特预测分析,比特预测分析包括检查任何一对,DTE,的往返碰撞延迟，以及最大往返碰撞延迟应该小于时间段，即4096比特时间。,往返延迟（,RTD）=,DTE,延迟+,链路延迟+中继器延迟+安全余量,链路延迟=,段长度（,m）*（,电缆延迟/,m）,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,52,10.7,全双工方式,全双工方式下，发送和接收路径无关，所以,DTE,之间不存在帧冲突。,DTE,之间的距离受链路和收发器的特性限制。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,53,全双工网络结构,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,54,全双工中继器带缓存的分发器,有了带缓存的分发器，所有使用基于帧的流量控制的链路都是全双工的。中继器配置有几个端口，每个端口包括物理层、,MAC,子层控制器和缓存。所有输入的帧以,FIFO,方式缓存,一种存储转发操作。一个调度程序把帧从输入,FIFO,队列转发到所有输出,FIFO,队列，没有冲突。如：端口1输入的帧缓存在队列1，然后被转发到端口2和3的队列中。链路长度只受物理特性限制。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,55,全双工中继器,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,56,全双工中继器拥塞控制,使用基于802.3,x,的流量控制处理拥塞。用循环调度程序或者帧转发程序在最大1000,Mbps,速率转发帧。拥塞（,Congestion）,检测如下:,（1）输入速率总计=端口数*1000,Mbps,（2）,输出速率合计=1000,Mbps,（3）,如果输入速率 输出速率，拥塞发生了,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,57,全双工中继器拥塞控制,拥塞控制机制（,Control Mechanism）,采用:,（1）一个发生拥塞的实体发送暂停（定时器）给源，让它停止发送,（2）当拥塞减轻时，发送暂停（定时器=0）恢复帧发送,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,58,10.8,光纤通信技术,光纤通信从80年代中期以来，取得了很大的发展。光纤通信以其优良的带宽特性，廉价的成本成为电信网的主要传输手段。,光通信本质上属于电磁载波通信。其波段从光区段中选择，包括红外光，可见光和紫外光频率。在光在光频率段进行通信，调调制带宽显著增大（光频率段所具有的可利用带宽大约是无线电射频波段的10,5,倍）：通信容量有显著提高，并且价格与传统电信通信相比要低廉的多。其传输性能好，损耗低；抗电磁干扰，中继距离高长。用光纤通信的器件要比电信通信器件尺寸减小很多。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,59,10.8,光纤通信技术,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,60,光纤通信,数据信号一般是电信号，经过光电转化调制成光信号，由光发送机发送至光纤传输系统。短距离通信不需要中继器。对于长距离通信，由于光缆损耗和光纤连接器损耗等原因，需要对光信号进行放大，整形再生，即中继后再继续传输，光检测器的任务是对接收到信号进行光电转换，经过消除噪声，放大后恢复数据信息。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,61,光纤通信,按照所传输的信号分类，可将光纤通信系统分为光纤模拟传输系统和数字传输系统。模拟传输系统是在畸变尽可能小的情况下传输波形；而数字传输方式是把所要求的信息转换成二进制信号，并调制后发送传输。可利用脉冲调试方式副载波方式进行调制。光纤数字通信具有抗干扰性强，传输质量高，无噪声积累，易于计机接口和控制管理等优点，数字传输方式是光纤通信发展的方向，可最终实现,BISDN。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,62,光纤通信,光纤通信近十几年来取得了飞速的发展。广泛应用于长途干线通信，主干网，高质量电视传输等领域。80年代末的,PDH,到目前主流的同步数字系列(,Synchronous Digital Hierachy,SDH)，,相关的通信技术也有了很大的提高。为了更好的利用带宽，提高传输效率在光域上采用了各种复用技术，如时分复用（,TDM），,波分复用（,WDM）。,发展的方向，可最终实现,BISDN。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,63,光纤通信,光纤通信近十几年来取得了飞速的发展。广泛应用于长途干线通信，主干网，高质量电视传输等领域。80年代末的,PDH,到目前主流的同步数字系列(,Synchronous Digital Hierachy,SDH)，,相关的通信技术也有了很大的提高。为了更好的利用带宽，提高传输效率在光域上采用了各种复用技术，如时分复用（,TDM），,波分复用（,WDM）。,发展的方向，可最终实现,BISDN。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,64,同步数字系列,同步光纤网络,SONET(Synchronous Optical Network),是电信标准,SDH,簇的一个重要组成部分，它的目的是代替传统电缆主干线路的话路信令。许多研究人员认为，电信行业将逐步采用,SONET,帧格式。发展,SDH,的目的是改变目前低速链路上三种标准的现状(美国标准、日本标准和,ITU,标准)。例如，美国采用,T1,标准将24个64,kb/s,的话音电路复路复用到1.5,Mb/s,的链路上，而,ITU,则将32个话音电路复用到速率为2,Mb/s,的,E1,电路上。而人们希望在高速链路上只有一种复用标准。,SONET,是按帧传递数据，在逻辑上每帧由90列9行字节组成。表10.8标明了,SONET,网络定义的带宽范围。对于,OC-n,的数据速率，传送单位为,n,帧，单个,OC-n,的帧由,n,个,OC-1,帧组成。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,65,同步数字系列,SONET,线路名称,Mbit/s,STS-1/OC-1,STS-3/OC-3,STS-9/OC-9,STS-12/OC-12,STS-18/OC-18,STS-24/OC-24,STS-36/OC-36,STS-48/OC-48,51.84,155.52,466.56,622.08,933.12,1244.16,1866.24,2488.32,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,66,波分复用,传统电气数字通信采用时分复用（,TDM,）,频分复用（,FDM,）,方法提高传输效率，降低传输成本。随着光纤通信网络的快速发展，对传输系统的扩容方式也从电复用逐渐转变为光复用方式。光复用分为光时分复用（,TDM,），,波分复用（,WDM,），,码分复用（,CDM,）。,TDM,目前已日益接近技术极限，没有太多潜力可挖。光波分复用（,WDM,）,的出现，第一次把复用技术从电域转移到光域，直接对光信号复用，标志着光通信时代的到来。采用,WDM,技术充分利用了光纤的巨大带宽资源，使客量迅速扩大几倍至几百倍。在大容量长途传输时，可以节约大量光纤和再生器从而大大降低传输成本。由于,WDM,传输技术与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段。利用,WDM,实现网络交换和复用可望实现为了透明高度生存性的光联网。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,67,波分复用,目前利用,WDM,技术实现的,SDH,传输速率可以达到162.5,G bps。,利用,WDM（DWDM）,技术提高光纤传输带宽已不是,WDM,发展的主要目标，当前主要的方向是利用,WDM,对光信号进行传输控制，路由选择，以实现全光网。国内光纤通信发展也非常迅速，光纤通信的应用基本达到国际同期水平。1999年5月，国产第一条最高速率国家一极通信干线,“,济南一青岛825,G,”,DWDM,通过验收。,WDM,本质上就是光域上的频分复用技术。单个光源的线宽只占用极窄的一部分，将不同峰值波长的光源信号同时在一根光纤上传输，则可大大增加光纤信息容量。由于波传播的相互独立性，每个不同峰值波长分别携带各自的电信号，被接收端转换成电信号时，可完整的恢复来自每个光源的独立信息。这就是波分复用的原理。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,68,波分复用,WDM,将频域分割成若干个波长通路，每个通路独立传输光信号。在发送侧可以有,N,个不同发送波长的激光器，由合波器将这,N,个不同波长的信号光载波合并起来耦合进单根光纤进行传输：在接收侧，由一个分波器将这些不同信号的光载波分开，分别送给与这些波长相应的检测器中恢复各自的携带信息。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,69,波分复用,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,70,密集波分复用,DWDM（,密集波分复用）与,WDM,是不同发展时期对,WDM,系统的称呼。当光载波间隔非常窄（约几个,nm,时），通常就称为,DWDM。,早期由于技术原因，波长间隔较小的,WDM,无法实现。,WDM,主要工作于1310,nm,窗口，复用光载波个数也较少。随着1550,nm EDFA（,掺饵光纤放大器）的成熟和商用化，人们不再利用1310,nm,窗口，而只用1550,nm,窗口传送夺路光载波信号。相邻波长间隔很窄（小于1.6,nm），,且工作在同一窗口内共享,EDFA,光放大器，称之为密集波分复用（密集指相邻波长间隔小）。图10.18是典型的,DWDM,系统。在此系统中，每一种波长的光信号称为一个传输通道（,channel）。,每个通道都可以是一路155,Mb/s、622Mb/s、25G/b,甚至10,Gbs,的,ATM,或,SDH,或是千兆以太网信号等。,DWDM,提供了接口的协议和速率的无关性，在一条光纤上，可以同时支持,ATM、SDH,和千兆以太网，保护了已有投资，并提供了极大灵活性。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,71,密集波分复用,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,72,密集波分复用,目前，在局域网中主要采用千兆以太网帧结构，此种格式下报头包含的网络状态信息不多，但由于没有使用一些造价昂贵的再生设备，因而成本相对较低。由于使用的是,“,异步,”,协议，对抖动和时延不那么敏感。同时由于与主机的帧结构相同，因而在路由器接口上下需对帧进行拆装分割（,SAR）,操作和为了使数据帧和传输帧同步的比特塞入操作。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,73,WDM,的主要的研究课题,*如何使确认通道所需的时间最少。,*如何使用户数据的传输时间最长。,*对光纤带宽的有效利用，尽可能压缩不同频率通道。,*,多跳（,Multihop,）,WDM,网络的体系结构。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,74,IP over WDM,IP over SDH,把,SDH,网络的物理传输网络。采用链路和,PPP,协议对,IP,规数据包进行封装。,把,IP,数据包插入,PPP,帧中的信息段后映射到,SDH,的同步净荷中，再经过传输层和段层，将净荷装入,SDH,帧中。最后到达光层在光纤中传输。目前支持,IP over SDH,的协议标准有,PPP,协议（,The Point-to-Point Protocol,）,和简化的数据链路协议（,SDL,）,等。,IP over SDH,保留了,IP,无连接的特性，对,IP,路由的支持能力强，具有很高的,IP,传输效率。利用,SDH,技术对网络可靠性和稳定性支持较好。网络结构比,IP over ATM,要简单，运行费用低。但其对其他业务的支持井不理想，也无法提供象,IP over ATM,那样较好的服务质量保障。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,75,IP over WDM,IP over WDM,，,也称光因特网，是真正意义上的链路层数据网。利用,WDM,的传输技术，将数据信号复用至光纤中传输，到接收段解复用并送至不同终端。其中，高性能的路由器通过光,ADM,或,WDM,耦合器直接连至,WDM,光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。目前支持,IP over WDM,的帧格式有,SDH,帧格式和千兆以太网格式两种。,SDH,帧格式报头信息全，便于网络管理，但是在路由器接口对,SDH,帧拆装分割耗费比较大，多在主要的网络再生设备上使用。在局域网中则多采用千兆以太网帧结构，其成本较低。但是由于使用的不是同步协议，对抖动和延时不敏感，因此在路由要接口为了使数据帧和传输帧同步需要进行比特赛入操作。,2024/11/20 周三,史忠植 高级计算机网络,76,