光传输：让以太网速度无极限，30年后达1000G？

2011-08-05 09:40

　　但据我所知，没有商家实施了上述方案：他们改为采用交换机。如果有交换机或直接连接两台计算机的电缆，CSMA/CD技术就根本没必要了：双方同时传输数据不会产生任何问题。这种方法叫全双工操作，和传统CSMA/CD采用的半双工操作相对。这种衍生的UTP电缆支持一种“自动配置协议”，允许两个以太网系统自行决定采用全双工抑或半双工操作。

　　在自动配置协议广泛流传开来之前，人们有时会手工配置计算机系统，以改用全双工操作，但另一台计算机依然会使用半双工操作。在流量少的情况下，这种冲突产生的问题自然也少。但随着流量增加，操作方式之间的冲突就越来越频繁了。全双工操作的计算机系统会忽略这个问题，受损的数据封包也不会被重发。而近些年来，自动配置协议有效而可靠地为我们解决了上述问题，相信将来也没有任何理由取缔这个可靠的小助手，给我们自找麻烦。

　　惊人的速度：100千兆位以太网

　　如今，在一栋大厦或者一间办公室里搭建局域网的常见方法是用好几台小的交换机（大概是一个配线柜里一台），所有的UTP电缆都从这里发出。这些小交换机再和一台更大更高速、充当局域网网络主干的交换机连接。因为不同楼层、不同服务器的计算机用户最终都要汇总到一间机房，所以即使整栋大厦的计算机不至于把10千兆位以太网塞爆，但交换机之间的数据传输对带宽的需求依然大得夸张。所以即使到了今天，配备100千兆位以太网的计算机也不常见。现在非常需要100千兆位以太网作为网络主干技术。相关的标准在2002年已经发布了。

Pic：100千兆位以太网

　　　在电信行业的世界里，有一种叫SONET或SDH（Synchronous Optical Networking/ Synchronous Digital Hierarchy，同步光纤网络和同步数字系列）的技术，通过光纤传播传输大量的语音呼叫和数字形式的数据。SONET的运行速度达到155Mbps， 622Mbps， 2.488Gbps… 甚至 9.953Gbps！这速度简直快得令人无法抗拒。所以有一种形式的100千兆位以太网就采用了低层的SONET/SDH成帧方法。

　　这种网络叫WAN PHY（Wide Area Network in physical layer，物理层广域网）。但也有一种物理层局域网，速度达到10.3125Gbps。100千兆位以太网不再支持CSMA/CD半双工操作了；在这种速度下，只有全双工操作能运作。

　　100千兆位以太网和大部分物理层局域网的衍生形式都使用光纤。要令10千兆位以太网在UTP电缆上运行的效果跟在光纤上运行的效果一样好，可不是件轻松活儿。对100千兆位以太网来说着就更困难了；100千兆位以太网在光纤上哪怕跨越相当长的距离也能运行得很好，因此100千兆位以太网很受网络服务提供商欢迎。

　　但要令100千兆位以太网在UTP电缆上运行还要变一个小戏法——直到2006年，10GBASE-T标准才发布。10GBASE-T标准要求比1000BASE-T更好的电缆——要符合CAT-6a标准，碰撞域超过100米。CAT-6a使用比CAT-5e更粗的绝缘层，所以新式电缆在老式电缆接口上未必适用。

　　10GBASE-T更将快速以太网和10千兆位以太网每秒能处理的数据符数从12.5亿个提升到80亿个，从每个数据符能编码2比特提升到每个数据符能编3.125比特。10GBASE-T还加强了回音消除、近端噪音消除功能，新增了另外一些与UTP上运行的千兆以太网共同推出的信号处理程序、前向纠错功能，用来修复偶发性的传输错误。

　　1000千兆位以太网触手可及

　　显而易见，在10千兆位以太网之后，100千兆位以太网就是新一代接班人了。然而，要在光纤中以100Gbps的速度传输数据委实困难重重，因为在光纤中传递信息时，激光脉冲会变得非常短，所以激光脉冲在传输过程中很难保持波形。因此，IEEE作了小小的让步，将40千兆位以太网作为保留选项，而不是坚持每次升级网速一定要升10倍的传统。

　　目前，已经有大量100GBASE-*系列的标准了，但它们当中相当部分，要么为了达到40或100Gbps的速度而必须使用四条并行数据路径，要么只能在短距离之间使用。创建大一统100GBASE标准的目标依然前路漫漫。

　　以太网的未来

　　令人震惊的是，以太网在问世后居然成功地存活了超过30年，速度产生了超过4个数量级的狂飙突进。这表示，在元祖级10Mbps以太网传输一个比特所花的时间里，100千兆位以太网可以传输一整个数据封包了（假设它有1212字节那么长）。在过去的30年里，以太网的所有方面都发生了改变：包括MAC程序，比特率编码技术，布线方式……讽刺的是，唯有数据封包的格式固步自封。这可是由于一开始IEEE偏心与众不同的DIX 2.0标准，而故意忽略、不多做规定的部分啊。

　　这种向后兼容实际上却是个大问题：在10Mbps的网速下，你每秒大概可以发送14，000个46字节的，或者830个1500字节的数据封包。但即使在千兆位级的网速下，数据封包最大也只能达到1500字节，这就成问题了。实际上现在很多千兆位以太网网卡的传输控制协议/网际协议堆栈（TCP/IP stack）都可以发送或接收大得多的数据包，将之分割或合并后再传送给CPU，这样可以令CPU的日子好过些。因为CPU处理数据时是以数据封包数为单位的，而不考虑数据封包的大小。

　　而想以100千兆级速度每秒传输多达14亿个的46字节大小数据封包，根本就是存心搞笑。不幸的是，如果允许传输更大的数据包的话，又会破坏了新旧系统之间的兼容性。所以如今IEEE一直在努力作出改变。

　　如果只扮演互联网这条高速公路的匝道的角色的话，现在局域网可谓无处不在。以太网凭借着它的千姿百态取得了举世赞叹的成功，同时排挤着与之竞争的其他局域网技术。在过去十年里令以太网发展速度放缓的唯一原因，是因为无线局域网（Wi-Fi格式）实在是太方便了（而且Wi-Fi和有线以太网之间的兼容性很好）。

　　但有线和无线网络功能很大程度上是互补的，所以即使越来越多计算机不会动用到以太网端口，甚至根本就没有配备这么一个端口，以太网仍时刻准备着为人们提供高速而可靠的传输服务。这些特性一直是共享无线介质梦寐以求的。

Pic：Wi-Fi

　　万千兆位以太网？

　　未来还会出现速度高达1000Gbps的一万千兆位以太网吗？从一方面看，在光纤里以100Gbps的速度传输已经难度很大了，所以这实在很悬；不过话又说回来，若时光退回1975年，也没几个人能想象得到如今的学生能带着配备10Gbps端口的笔记本去上课吧？

　　CPU设计师们已经通过多核并行技术解决了类似的问题。10千兆位以太网在UTP电缆中使用了四绞线，这已经体现出“并行”的概念了。很多以光纤为介质、速度达40Gbps和100Gbps的衍生类型以太网，也已经通过采用不同波长激光来实现了利用并行数据流传输。

　　海底电缆更是已经通过使用密集波分复用（densewavelength division multiplexing，DWDM）实现了在一根光纤电缆里有一万千兆位总带宽。所以纵观时局，现在又是以太网将现有技术据为己用、取长补短，积极降低成本的好机会。

Pic：DWDM

　　或者连这样的步骤都不必了。当我通过电邮向拉迪亚.珀尔曼申请在本文中引用她的《算法小诗》时，她提及一种被称为多链接半透明互联（TransparentInterconnection of Lots of Links， TRILL）的新技术。这种技术实现了用“多链接”而不仅仅是一个快速链接来搭建灵活、高速的以太网网络。看来无论如何，高速以太网的未来都必然要糅合进“并行”的概念了。