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千兆以太网概述
2.1 千兆位以太网数据传输系统模型
为了形成通用的数据通信系统统一规范，1977年国际标准化组织(ISO)开发了一个7层开放式系统互联(OSI)模型，它是所有局域网和城域网(LAN/MAN)标准的体系结构参考模型。上面三层(应用层、表示层和会话层)与应用有关，而下面4层(传输层、网络层、链路层和物理层)则与网络控制和数据传输/接收有关。
物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。数据链路层和物理层各自实现自己的功能，相互之间不关心对方如何操作。
图2-1 千兆以太网参考模型
在如图2-1所示的千兆以太网参考模型中，将OSI模型中的数据链路层分解为两个IEEE802子层：逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)。OSI 模型中的物理层被分解为4个子层和两个物理定义的接口。调和子层(Reconciliation)和简化的千兆介质无关接口(RGMII)为所有类型介质所公用，剩下的3个子层(PHY层)和介质相关接口则与特定的链路介质和数据编码方法有关。调和子层的功能是在 MAC/PHY接口上将RGMII信号集映射为物理层信号(PLS)；RGMII定义为一个实际显现的接口，用于将MAC和调和子层连接到PHY层，它提供独立的8位发送和接收数据路径加上必要的控制和时钟信号以允许全双工操作。两个附加的信号提供数据管理信息的传输和控制。
千兆位以太网的单工基带传输系统可以简单分为发送机、通信信道和接收机三部分。发送机由编码器、多路复用器、调制器和脉冲成形滤波器组成，它完成为在模拟信道上可靠传输信号所需要的全部信号处理工作，并将信号发送到信道上。
2.2 千兆以太网标准
千兆以太网标准有两个：IEEE802.3z和IEEE802.3ab。IEEE标准化委员会1998年6月批准了IEEE802.3z千兆以太网标准，定义了在光纤和屏蔽双绞线（STP）上运行千兆以太网；后来又在1999年6月批准了IEEE802.3ab标准，定义了在5类非屏蔽双绞线（UTP）上运行千兆以太网。
1、802.3z协议：
IEEE 802.3z千兆以太网标准于1998年六月获得批准，它为三种传输介质定义了三种收发器：1000BASE-LX用于安装单模光纤，1000BASE-SX用于安装多模光纤，1000BASE-CX用于平衡、屏蔽铜缆，它可以用于机房的互连。1000BASE-LX的收发器也可以于多模光纤，其传送距离至少可达550米。
MAC层通过千兆介质无关接口(Gigabit Media Indepen Interface)发送或接收数据帧。数据帧通过GMII接口后，进入物理码子层(physical CodingSublayer)进行8B/10B编码，每8比特的数据被编码为10为比特的码组。编码的目的是使数据更适合在物理介质上传输，并且减低误码率。
经过编码的数据进入物理介质附加子层(Physical Medi-um Attachment Interface )，在这里将生成发送到线路上的信号，并接收线路上的信号。最后的信号由物理介质相关子层(Physical Medium Dependent)通过线缆传送到接收方。
802.3 z工作组在协议制定的初期采用了IEEE802.3以太网规范和ANSIX3TII光纤通道(Fiber Channel)规范中成熟协议的组合。光纤通道的PMO规范允许以全双工式传输1.062千兆波特的信令，而千兆以太网将这一速度提高到了1.25Gbps。因为经过8B/10B编码的数据带有25%的冗余信息，802.3z的实际速率达到1000Mbps。
2、802.3ab协议：
为了保护公司在以太网和快速以太网设施上的已有投资，提供一种简单而廉价的性能提升办法，同时又能继续使用大量现有的水平线缆，成立了802.3ab工作组以研究使用5类双绞线的千兆以太网。IEEE标准化委员会在1999年六月批准了1000BASE-T标准。
为了在五类双绞线上达到1Gbps数据传送速率，1000BASE-T设计为在四对双绞线上同时传送数据，每对的传送速率为250Mbps(250Mbps×4=1Gbps)。1000BASE-T采用与100BASE-TX相同的传送时钟频率(125MHZ)，但是利用了一种更强大的信号传输和编/解码方案，该方案可以在链路上比100BASE-TX多传送一倍的数据。
8比特的帧通过千兆介质无关接口(GMII)从MAC子层传送到物理编码子层(PCS)，1000BASE-T采用脉冲幅度调制5(PAM-5)对信号进行编码。
因为1000BASE-T在传输中使用了全部4对双绞线并工作在全双工模式下，所以信号是双向传输的。在同一对双绞线上两个方向上信号同时进行传输，两个收发器对占据同一对双绞线。在一对双绞线上传送双向数据是通过一种被称作“混合电路”的设备实现的，混合电路将本地发送的信号与本地接收的信号区分开来。由于无法提供完美的混合磁场线路，无法完全隔离发送和接收电路，任何发送与接受线路都会对设备发生回波。因此，为了达到符合要求的误比特率(BER)就必须抵消回波。
1000BASE-T回波抵消器利用了在电信领域中得到广泛应用而且获得了实践检验的技术。此外,1000BASE-T串扰抵消器利用了数字信号处理(DSP)技术，这种技术已经在很多高级调制调解器和数字用户线(DSL)设备中采用。
2.3 千兆以太网传输线介绍
目前，1000Base-T双绞线收发模块已被广泛应用在千兆以太网中，它能在现有5类双绞线中实现千兆位传输，将传统10/100M以太网连接平滑升级到千兆以太网，大大降低了以太网升级成本。
IEEE802.3协议族规范了4种媒质可以承载千兆以太网的传输，表2-1列出了信号在这4种媒质中的传输距离。
表2-1 千兆以太网不同传输媒质比较
应用代码 传输媒质 传输距离（米）
1000Base-SX 多膜光纤 2～550
1000Base-LX 多膜光纤 2～550
单膜光纤 ～10000
1000Base-CX 平衡、屏蔽铜缆 ～25
1000Base-T 非屏蔽第5类双绞线 ～100
1000Base-T的承载媒质是5类双绞线。5类双绞线由ANSI/EIA/TIA-568-A定义，是现在应用最广泛的以太网传输媒质。在5类双绞线上传输千兆位的信号，设计者将面临巨大的挑战，这些挑战来自于线揽信号的衰减、回波及串扰。衰减是由于线缆阻抗而引起的能量的减少，并随着频率的升高而增大。回波是由于信号的双向传输而引起的，即发射信号和接收信号都在同一对线中进行。串扰是指相邻线对间信号的相互干扰，分为近端串扰和远端串扰。
1000Base-T使用了5类双绞线中所有的4对线，并在每对线中实现信号的双向传输。这样，每对线中的信号比特率降为1/4，即250Mbps，从而降低了线缆对信号的衰减。
1000Base-T使用5级PAM制编码方式，相对于二进制编码将信道利用率提高了1倍，这样每个线对的信号波特率下降为125Mb/s，再一次降低了信号所占用的带宽，从而进一步减少线缆对信号的衰减。
基于以上技术，1000Base-T得以在5类双绞线上传输千兆位的高速信号。目前世界上85%的以太网采用双绞线连接，其中大部分为5类双绞线。1000Base-T技术可以利用现有的线缆设施，最大程度地保护客户的现有投资，从而为客户提供最具性价比的千兆连接解决方案。
2.4 千兆以太网的主要特点
1、易升级性
使用局域网交换器或路由器将现有的低速以太网设备和千兆以太网设备连接很简单，利用原有的线路即可互联。由于所有的以太网的帧格式和长度都相同，没有必要做网络的其他变动。这种网络升级途径使得千兆以太网可以“无缝”融入现存的以太网和快速以太网之中，因此，由 10Base-T、100Base-T升级到千兆以太网非常容易。
2、经济性
总体开销是评价新型网络技术的一个重要的因素。总体开销不仅包括购买设备的开销，还应包括培训、维护和纠错的开销。目前千兆以太网每端口的综合造价是100兆以太网的 3-5倍。随着产品数量的增加，生产线的简化以及低价光电设备的成功研制，千兆以太网端口价格将不断降低。
另外，由于现有系统的用户早已熟悉了以太网技术及以太网的维护和纠错工具，以太网的支持开销将远远低于其他的技术。一旦千兆以太网的升级培训完成之后，网络支持人员可以有充分信心做千兆以太网的安装和纠错工作。
3、可管理维护性
网络管理员所面临的一个重要问题是如何获得更高的网络带宽，而不致于使现存的网络瘫痪。千兆以太网采用和以前的10兆、100兆以太网相同的格式，执行同样的功能。这样，向更高速度网络发展时，升级就成为直接性的和增加性的。所有的三种以太网都采用同样的IEEE802.3帧格式，同样的双工操作和流控机制。单工操作模式中，千兆以太网采用同样的基本载波侦听多路访问协议方式解决共享介质的冲突问题。而且千兆以太网使用同样的、由IEEE802.3小组定义的管理对象。
从以太网过渡到快速以太网，大多数网络管理员所熟悉的基本管理对象仍将在千兆以太网上得以延续；使用厂商开发了的网络管理软件，使千兆以太网的集中管理和维护非常简便。
4、广泛应用性
千兆以太网为局域网主干和城域网主干提供了一种高性能价格比的宽带传输交换平台，使得许多宽带应用能施展其魅力。
Internet应用的出现预示着新数据类型的发展，包括视频和音频。在过去，人们认为视频需要一种新的、专为多媒体设计的技术，但是如今由于新型协议和新标准的出现，采用先进的视频压缩技术，将数据和视频综合在以太网上已经成为现实。
5、保证服务质量（QOS）
千兆以太网提供高速连接能力，但本身不提供完整的服务功能（如服务质量、自动冗余容错或高层寻径功能）。如同所有的以太网描述一样，千兆以太网只定义数据链路层以下的协议，这些功能将分别在网络层和传输层中定义，实现在应用之间的可靠通信服务。
