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10Gb以太网应用概述

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综述

在过去25年中,随着人们对于越来越高的联网速度的需求的不断增长,以太网也经历了很多变革,从半双工的共享媒体10-Mbps局域网(LAN)技术发展成为全双工的10/100/1000/10000Mbps LAN交换技术。在发展过程中,以太网一直保持着向后兼容性,同时总是显示出相似的易用性和低成本,而这正是它的成功的关键。它还已经超出了LAN的界限,现在包括城域网(MAN)中的远程点对点连接网络。

多年以来的实践证明,人们为了发展基于以太网的联网技术所付出的艰苦努力对将以太网从校园发展到MAN起到了巨大的推动作用。虚拟LAN(VLAN)和第三层安全功能、服务类别(CoS)、服务质量(QoS)、IP语音支持等让新一代的应用可以发挥交换式以太网络的无限潜力,给用户带来前所未有的速度和灵活性。

三十年以前在帕洛阿尔托的一个研究所里由于计算机网络的日益提高的重要性所构想出的这种创意经过长期的、艰苦的发展,到今年终于达到了它的颠峰。这个创意所结出的硕果已经超出了当时的预期。今天,大量不断增加的应用正在整合到一套完全基于以太网的基础设施上来,这套基础设施可以为每个用户提供一个单一的高速连接,在这个连接的基础上,数据、语音和视频流都能够以线速进行单点播送或者多播,同时确保必不可少的QoS和安全服务。

这个不断发展的技术的最新的标准代表――10Gb以太网(10GbE)即将由IEEE 802.3ae工作组完成。

标准草案规定,10Gb以太网只能工作在全双工模式下。因而10Gb以太网中不再需要使用10Gb以太网冲突检测协议。标准草案竭尽全力将以太网扩展到了它固有的边界以外。它将单模光纤的传输距离从千兆位以太网所支持的5公里增加到了40公里。它还让以太网分组能够高效地穿越SONET链路。

但是在其他所有方面,10Gb以太网仍然符合最初的以太网模型。

简介

本白皮书将概括地向那些对能够集中存储、数据和多媒体应用的最新网络结构感兴趣的读者介绍即将发布的10Gb以太网标准的一些最主要的应用。本文将简短地介绍不断增长的带宽需求背后的真正原因,并将举例说明目前需要10Gbps(或者更高的)数据通道来提供所需网络性能等级的大量不同的应用。

需要速度?

今天出现的对网络带宽的日益增长的需求与很多因素有关,必须在一个更为广泛的范围中思考这个问题,而在这个范围中,有很多其他的关键性需求扮演着非常重要的角色。

首先,在一个封闭系统(例如地球)中,任意互联网络节点所交换的流量的总量是网络终端的平均流量需求的一个函数。因此,必须要考虑用户应用和环境的发展,只有这样才能更好地理解网络核心将来需要满足什么样的需求。

研究人员已经发现,在互联网边缘发生的流量"猛增"现象在网络核心很少发生;随着用户的个数和计算机的连接数的不断增加,大容量链路上的流量变得越来越随机、规律、稳定和可管理。

研究人员还深入地认识到,这些年来网络带宽的过度供应对网络效率和可靠性的总体提升起了很大的作用。

由于这些原因,我们必须要在网络的核心和边缘建立起高速的数据连接,以便更好地控制流量突增情况(网络边缘)和更好地管理由于用户需求而产生的集中利用率(网络核心)。

在利用率较低的网络中,用户人数或者流量模式的改变更容易预测,也更加便于处理。因而很多人(很可能是错误地)认为目前的基础设施可以轻松地应付未来的用户需求,并在以后几年中顺利地进行扩展。但是,这种观点没有考虑很多家庭从低速接入技术向速度更高的基于以太网或者基于电缆的线路的技术转变,它也没有考虑计算机结构的迅速发展,这种发展很可能会带来大量高性能的、支持多媒体的新型数字设备。在这个带宽极度缺乏的市场中,技术的任何重大进步都意味着会出现一个要求更加严格的新型应用的浪潮,它们甚至可以让目前最强大的计算机不堪重负。

过去,过度供应的核心网络和中速的上行链路让家庭用户能够以很低的或者中等的速度(模拟调制解调器、ISDN和DSL)可靠地访问互联网,主要用于Web浏览和文件共享,也就是一些具有很少多媒体内容的非对称应用。相比之下,企业用户在内联网和外联网中都享有相对较高的速度,即使他们刚刚开始使用一些新的数字时代应用,例如IP语音和视频会议时也是如此。

但是,在硬件技术和新涌现的很多强大的应用的推动下,情况正在迅速地发生变化。

在美国,模拟调制解调器、ISDN和低速DSL线路正在逐步被高速的DSL和电缆调制解调器所取代,而在欧洲,很多电信服务供应商已经将10或者100Mbps或者铜缆以太网连接部署到了客户位于存在可供使用的暗光纤的城区的家中。总而言之,尽管转型的速度非常缓慢,但是显然可以看出,10Mbps领域的终端用户技术已经开始大举进入现有的接入网络领域。

企业用户正在开始使用新的PC和工作站,它们通常安装了10/100/1000网络接口卡(NIC),而不是过去常见的10/100卡。另外,具有速度更快的I/O系统和磁盘的、价格低廉的多处理系统也即将面世,这将会再次使网络的利用率接近或者超过它所能接收的极限。

在数据中心,为了在单Gb或者多Gb链路上实现线速的传输速率,现有的高性能服务器需要部署能够利用一个内嵌的CPU,甚至一个硬件加速的TCP/IP堆栈来提高系统的网络性能的NIC。当对这种终端硬件的需求成为网络设备供应商们的一个特色时,它很快将成为商品市场的一个组成部分。

存储的迅速发展导致了对于存储网络的需求,以满足人们不断增长的吞吐量需求。另外,新的IP存储技术,例如基于IP的SCSI(iSCSI),基于IP的光纤通道(FCIP)和网络数据管理协议(NDMP)让企业可以加强存储整合、灾难恢复和备份解决方案,以满足迅速增长的存储需求。因此,无论是面向文件的网络连接存储(NAS)还是面向群组的存储区域网(SAN),存储网络都需要能够顺利地扩展,突破现有的千兆位以太网和光纤通道网络的限制。

除了上述因素以外,现有的PC和工作站硬件正在逐步可以运行一些过去只供研究所和大学使用的高速应用。嵌入到会议和即时消息程序中的视频和语音应用、高速的对等文件共享、三维医疗成像和分布式计算应用只是一系列全新互联网应用的几个突出的例子,它们对现有的网络技术的限制带来了巨大的压力。

在不久的将来,如果应用会创造出必要的需求,那么从老一代的接入技术升级到较新的基于以太网或者基于电缆的链路的升级可能会将家庭用户所能使用的总带宽增加十多倍,甚至上百倍。企业和美国政府部门的不断增长的带宽需求已经体现出了新一代应用的一些征兆,这些应用将会再次引起美国的生产率的迅速增长,它们包括IP语音和相关服务,高清晰度的多媒体流,大规模的分布式超级计算,应用间的高性能消息传递等等。

在全球使用最为广泛的联网技术――以太网――的速度阶梯上前进一步的时机已经到来。在已经安装的以太网交换机端口方面出于全球领导地位的思科系统公司正在率先宣传下一个技术推动因素:10Gb以太网。

面向新一代多用途数据高速公路的10Gb以太网

按照IEEE 802.3ae的要求,10Gb以太网可以满足很多关键性的标准,从而可以高效地利用高速网络:

  • 在不导致中断的情况下,方便地从现有的10/100/1000系统移植到更高的性能等级(增加10倍)
  • 与目前的同类技术相比,具有更低的整体运营成本
  • 熟悉的管理工具和功能集
  • 能够支持新旧类型的应用
  • 由于技术的灵活性和经过验证的互操作性,可以提供全面的投资保护

另外,10Gb以太网正在为这个永不终止的技术传奇的下一个令人激动的新进展铺平道路:成为将速度再增长10倍,达到100Gbps以上的基础。在目前仍然稚嫩,但是前途非常光明的10Gb以太网技术的推动下,网络行业已经在讨论突破10Gbps限制的各种方法,并开始迈入40Gbps和100Gbps以上领域。

QoS、CoS、第四到第七层智能、安全性和基于策略的网络功能都仅仅是今天的以太网产品所能提供的丰富功能的一部分。利用这些功能和LAN、MAN和WAN上的类似的第二层传输介质,网络管理人员可以将10Gb以太网部署为可以从布线室到网络核心集中语音、视频和数据流的高效、可扩展网络架构的基础。

10Gb以太网络应用

10Gb以太网目前在网络架构方面的大部分应用主要利用了新技术的下列主要优势:

  • 远程和扩展远程光纤连接
  • 为高速应用提供的最佳链路利用率
  • 为那些对延迟非常敏感的应用提供的低延时
  • 支持现有的以太网功能,例如QoS、安全性、多播、链路集中等。

高性能的计算应用

上面列出的特性是研究机构和大学最近一直努力希望达到的完美目标。他们试图通过先进的程序进行新的计算科学研究,设计出新的高性能计算机架构和网络,促进计算机科学研究在算法、可视化、系统软件和工具方面的发展。在这里,对于大量的分布式计算能力和高速通信链路的需要对于满足很多要求非常严格的应用的需求至关重要。这些应用包括:

  • 预测风暴(飓风和龙卷风)
  • 大气建模,以指导环境政策
  • 具有改进的结构和电子特性的设计材料(例如半导体和高温超导体)
  • 设计智能化的制造系统
  • 进行准确的三维医疗成像
  • 检测地表、空中和外围空间交通工具周围的涡流
  • 描绘事物的基本组成和它们的相互关系
  • 了解宇宙的进化和其中最大的结构
  • 发现病毒的结构函数关系
  • 挖掘含有实验数据和观测数据的大型文件
  • 对全球经济建立模型
  • 分析关键性的国家基础设施和它们对于敌对情况的响应

为了将所有必要的计算能力整合到一起,完成这些要求非常严格的任务,研究机构可以将全国的很多独立的高速CPU连接到一起,利用10Gb以太网或者10Gb以太通道连接传输大量的处理器间通信,这些信息对于确保一个大规模的分布式超级计算机集群的最佳性能至关重要。

图1 分布式高性能计算机架构

分布式高性能计算机架构

先进的企业网络架构

对于企业来说,基于10Gb以太网的网络让他们可以将计算能力集中到专用的站点,例如远程服务器群设施,它含有多种高性能的文件管理器、资源和金融管理应用服务器、数据库服务器、数据库挖掘系统等。

例如,金融机构可以利用10Gb以太网,无缝地、有效地连接专门用于完全不同的功能的远程站点,这些功能包括无服务器建筑物,一个或者多个集中式服务器群,以及一个专门负责备份和故障恢复的站点(参见图2)。

利用10Gb以太网技术所固有的低延时特性,以及利用QoS来正确地对不同的流量进行分类,用户可以有效地将对延时非常敏感的多播流从中央数据中心发送到交易场所。

图2 高速企业网络架构

高速企业网络架构

下一代POP架构

电信服务供应商正在寻找一个新的平台来集成OC-12 POS或者更快的链路。一个基于10Gb以太网的架构将能够集中汇聚电信服务供应商的客户链路(OC-12以上),并需要使用从终端设备到核心LAN交换机的10Gb以太网上行链路。核心LAN交换机是一个第二层或者第三层交换机,可以集中汇聚来自于接入点(POP)中的边缘平台的上行链路。只要任何一个边缘平台具有10Gb以太网上行链路,这种架构就将需要10Gb以太网接口。通常,边缘平台会具有多个指向核心LAN交换机的千兆位以太网上行链路,因而需要第二层或者第三层负载均衡支持。企业在设计电信服务供应商网络时,经常喜欢将千兆位以太网接口用于POP间连接。但是,随着边缘平台的容量的不断增加,利用多个千兆位以太网上行链路连接核心LAN交换机,以及从核心LAN交换机连接到核心WAN交换机,将变得越来越难以扩展,因而必须要采用一种速度更高的技术。(参见图3)

图3 高速POP架构

高速POP架构

面向TLCS供应商的更高的可扩展性

透明LAN服务(TLS)供应商正得到广泛欢迎。他们可以为他们的客户提供一个原始的第二层数据通道,并通过基本的第二层QoS和安全服务加以改进。当客户连接是一个千兆位以太网或者一个千兆位以太通道链路时(或者有时是他们的带宽的一部分),TLS网络的核心将需要把几个Gb的流量集中汇聚到一个高效的、冗余的网络中。10Gb以太网和10Gb以太通道技术代表了以极高的速度提供必要的链路效率和冗余的最佳选择。(参见图4)

输入流量的速率限制和安培是两项非常有用的功能,它们让电信服务供应商可以为客户提供部分速度,并且有助于在TLS网络的每个入口更好地管理带宽。支持QoS的10Gb以太网核心互联可以处理流量优先级设置,并能够以非常低的延时传输高优先级的流量。

图4 高速透明LAN服务(TLC)网络架构

高速透明LAN服务(TLC)网络架构

集中服务器群中的千兆位以太网流量

现代的文件和数据服务器所需要的数据带宽是非常惊人的:一个高性能的文件管理器可以管理多个千兆位以太网NIC,并且由于它采用了优化的系统软件和加速的NIC硬件,它可以轻松地占用所有接口卡中的所有带宽。这种巨大的处理能力,无论是用于NFS传输还是事务处理,或者执行关键任务型应用,都会将任何高性能的网络的容量使用到极限。只有在服务器群的分布层和核心层采用一种非常高速的技术,例如10Gb以太网,才可能更加平稳地实现它们的增长,以及满足高级应用对于廉价原始带宽的不断增长的需求。(参见图5)

Cisco Catalyst 6500系列目前支持一个16端口的、支持结构的10/100/1000Base-T以太网模块,它可以提供数据中心中的高端服务器和需要大量带宽的应用所要求的性能等级。为了在分布层和核心层中保持相同等级的性能,网络设计人员可以利用10Gb以太网上行链路来有效地集中指向10Gb以太网互联网路由器的接入层流量。

图5 高性能的服务器群

高性能的服务器群

结论

在城区部署大量的暗光纤让电信服务供应商可以为终端用户提供更多价格便宜的带宽。同时,电信服务供应商和客户都必须能够从种类不断增多的服务中受益。因此,以太网正在成为人们期待已久的媒体集中改革的理想目标。几乎所有服务都可以通过通用的以太网连接,发送到支持数字媒体的设备:应用数据传输,文件共享,消息发送,非对称备份传输,远程存储,高速分布式计算处理器间通信(IPC)等。图6显示了一个所有基础设施都基于以太网的网络模型。

图6 实现网络介质融合

实现网络介质融合

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