1.2 升级网络骨干带宽

所谓网络骨干，是指核心交换机与汇聚交换机，以及核心交换机与数据中心交换机（即用于连接服务器的交换机）之间的连接。无论是对内部服务器的访问，还是对外部网络或Internet的访问，都必须经过骨干，因此，网络骨干的带宽决定着局域网服务的质量。

1.2.1 网络骨干升级的必要性

无论所谓的“千兆位以太网”还是“万兆位以太网”，其实所指的都是网络骨干所提供的带宽。随着网络内用户数量的不断增加，网络传输数据量的不断增大，网络应用特别是多媒体技术应用（如视频点播、网络电视等）和实时通信（如IP电话、网络会议等）的应用，都对网络带宽提出了越来越高的要求。

在因特网创建初期，没有意识到实时通信的需要。因此，整个网络运作如一个“竭尽全力”的系统。依发送和接收者看来，数据包从起点到终点的传输过程中会发生许多事情，并产生如下有问题的结果。

（1）丢失数据包：当数据包到达一个缓冲器已满的路由设备或交换机时，则代表此次的发送失败，交换机和路由设备会依网络的状况决定要丢弃、不丢弃一部份或者是所有的数据包，而且这不可能在预先就知道，接收端的应用程序在这时必须请求重新传送，而这同时可能造成总体传输严重的延迟。

（2）延迟：或许需要很长时间才能将数据包传送到终点，因为它可能会被漫长的队列迟滞。

（3）传输顺序出错：当一群相关的数据包被路由经过网络时，不同的数据包可能选择不同的路由，这会导致每个数据包有不同的延迟时间。最后数据包到达目的地的顺序会和数据包从发送端发送出去的顺序不一致，这个问题必须要有特殊额外的协议负责刷新失序的数据包。

（4）出错：有些时候，数据包在被运送的途中会发生跑错路径、被合并、甚至是毁坏的情况，这时接收端必须要能侦测出这些情况，并将它们统统判别为已遗失的数据包，再请求发送端再送一份同样的数据包。

QoS（Quality of Service）服务质量作为网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要QoS，比如Web浏览、E-mail收发等，因此，即使网络发生拥塞，也只是感觉慢一点儿，并无大碍。但是，对于一些关键应用和多媒体应用而言，当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。

事实上，网络资源总是有限的，只要存在抢夺网络资源的情况，那么，在保证某类业务的服务质量的同时，就会损害其他业务的服务质量。例如，在网络总带宽固定的情况下，如果某类业务占用的带宽越多，那么其他业务能使用的带宽就越少，可能会影响其他业务的使用，或者说，其他网络应用和服务就会变得越来越慢，让人无法忍受。因此，只有尽可能地提高网络带宽，以充分保证每种网络服务都能够拥有足够的带宽资源，同时，再根据各种业务的特点来对网络资源进行合理的规划和分配，才能真正保证网络通信和数据传输的稳定高效。换言之，增加网络带宽才是解决数据丢失、传输延迟等问题的根本解决之道。

1.2.2 网络骨干升级的方式与适用

由于网络骨干决定着整个网络的传输带宽，因此，首先要考虑升级网络骨干，即升级核心交换机与汇聚交换机，以及核心交换机与数据中心交换机之间的连接，然后，再升级汇聚交换机与接入交换机之间的连接，从而提高整个网络的传输速率。

1.网络带宽升级规划

网络带宽升级时，按照“先核心后边缘，先扩充后更换”的原则进行。也就是说，先升级决定整个网络传输速率和效率的网络核心层和汇聚层设备，然后，再升级网络边缘的接入层设备；先考虑在现有硬件设备上以扩充线卡的方式升级，再考虑淘汰和更新原有设备。

升级核心层

随着技术的不断成熟和制造成本的不断下降，万兆位设备的价格已经非常合理。因此，对于网络升级而言，万兆位核心应当是必然选择。如果现有的核心交换机采用的是模块化交换机，且支持万兆位技术，只需购置少量的万兆位接口线卡即可。否则，可以将现有的核心交换机下移，作为汇聚交换机甚至接入交换机使用。

升级汇聚层

既然核心层已经支持万兆位技术，那么，作为与核心层直接连接的汇聚层，也必须提供万兆接口才能真正构建万兆位网络。因此，汇聚交换机必须提供2～4个万兆位接口。汇聚交换机通常采用固定端口交换机，可以将现有的千兆位汇聚交换机下移作为接入交换机，然后，重新购置支持万兆位技术的汇聚交换机。同时，为了保证接入交换机拥有足够的连接带宽，要求汇聚交换机除上联端口之外的所有接入端口全部为千兆位。

升级数据中心接入

由于数据中心交换机用于直接连接服务器，因此，对网络传输速率的要求也就更高，必须采用万兆位接口连接至核心交换机。同时，由于服务器数量众多，也就要求数据中心交换机拥有更多的千兆位位以太网接口。

升级接入层

接入层交换机往往连接着24～48个网络用户端，承担着大量的网络访问流量，因此，上行链路至少应当提供千兆位连接速率。

2.千兆位以太网技术

千兆位以太网技术是在100Base-TX和100Base-FX基础上发展起来的超高速网络技术，提供高达1000Mb/s的连接速率，目前已经被广泛应用于各种类型的局域网络，实现汇聚交换机（或核心交换机）与接入交换机之间的连接。

千兆位以太网的主要特点

千兆位以太网具有以下主要特点：

●简易性

千兆位以太网继承了以太网和快速以太网的简易性，因此其技术原理、安装实施和管理维护都很简单。

●扩展性

由于千兆位以太网采用了以太网、快速以太网的基本技术，因此由10Base-T、100Base-TX升级到千兆位以太网非常容易。

●可靠性

由于千兆位以太网保持了以太网、快速以太网的安装维护方法，采用星型网络结构，因此网络具有很高的可靠性。

●经济性

由于千兆位以太网是10Base-T和100Base-T的继承和发展，一方面降低了研究成本，另一方面由于10Base-T和100Base-TX的广泛应用，作为其升级产品，千兆位以太网的大量应用只是时间问题，为了争夺千兆位以太网这个巨大市场，几乎所有著名网络公司都生产千兆位以太网产品，因此其价格将会逐月下降。千兆位以太网与ATM等宽带网络技术相比，其价格优势非常明显。

●可管理维护性

千兆位以太网采用基于简单网络管理协议（SNMP）和远程网络监视（RMON）等网络管理技术，许多厂商开发了大量的网络管理软件，使千兆位以太网的集中管理和维护非常简便。

●广泛应用性

千兆位以太网为局域主干网和城域主干网（借助单模光纤和光收发器）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。例如，在千兆位以太网上开展视频点播业务和虚拟电子商务等。

千兆位以太网应用方案

千兆位以太网联盟（GEA）为千兆位以太网的应用提出以下几种具体方案：

●网络主干升级

在不对原有传输光缆作任何改变的情况下，只需将网络中心交换机由原来的快速以太网交换机更换为千兆位以太网交换机，即可将校园网络的主干提升至千兆位，从而全面改善原有的网络性能，不仅简单易行投资小，而且网络从此将变得畅通无阻。

●服务器链路升级

将安装有千兆位以太网卡的服务器直接与千兆位以太网交换机进行连接，全面升级服务器至交换机的通信链路，为服务器提供无阻塞的千兆位线速交换能力，为实现网络的多媒体应用奠定基础。无论是采用光缆连接，还是非屏蔽双绞线连接，都不会有太大的投入，但都将使局域网络的服务质量迈上一个新的台阶，并为校园网络的多媒体应用奠定坚实的基础。

●升级交换机之间的连接

一旦主干传输速度提高到了1Gb/s，其他网络设备自然成为下个升级的目标。将在原有的快速以太网交换机中直接增加1000Mb/s模块，或索性更换1000Mb/s交换机都是简捷的升级方法。

●桌面交换机连接升级

千兆位到桌面高性能工作站安装千兆位以太网卡，直接与千兆位以太网相连，从而实现桌面台式机的千兆位网络连接。

千兆位以太网支持新的全双工操作模式，在一对线上可以同时用于发送和接收信息，因此，无需采用CSMA/CD机制。各工作站传输的数据在不同的线对进行，传输之前无需再等待，也没有冲突的发生，从而在点对点交换链路中可以提供更宽的带宽。图1-9所示全部连接均为千兆。

3.万兆位以太网技术

万兆位以太网（10Gigabit Ethernet）技术已经成熟，并且是过去以太网技术的延伸，因此，在既有的网络市场上，将会有较大的发挥空间。不过，由于10Gb/s设备的价格非常昂贵，因此，目前只被应用于网络高速骨干链路。

10Gb/s网络技术特点

万兆位以太网相对于以往代表最高适用度的千兆位以太网拥有着绝对的优势和特点。

●结构简单

万兆位以太网结构简单，管理方便，价格低廉。万兆位以太网是一种只采用全双工与光纤的技术，其物理层（PHY）和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）和MAC层的连接，MAC层相当于OSI模型的第二层（数据链路层）。在网络的结构模型中，把PHY进一步划分为物理介质关联层（PMD）和物理代码子层（PCS）。光学转换器属于PMD层。PCS层由信息的编码方式（如64B/66B）、串行或多路复用等功能组成。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，因而得到广泛的应用。

●技术兼容

万兆位以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆位以太网技术，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。在升级到万兆位以太网解决方案时，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40Gb/s甚至100Gb/s都将是很明显的优势。

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。

●宽带更高

万兆位标准意味着以太网将具有更高的带宽（10Gb/s）和更远的传输距离（最长传输距离可达40km）。过去有时需采用数个千兆位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，现在可以采用万兆位互连，甚至4个万兆位捆绑互连，达到40Gb/s的宽带水平。

●易于管理

万兆位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，能更好地满足网络安全、服务质量、链路保护等多个方面需求。采用万兆位以太网，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。

10Gb/s应用方案

10Gb/s应用方案主要包括以下内容。

●交换机之间互联

过去，必须采用数个千兆位捆绑，以满足交换机互连所需的高带宽，因此浪费了更多的光纤链路资源。现在，可以采用万兆位实现核心交换机与汇聚交换机的互连（如图1-12所示），甚至实现4个万兆位链路的捆绑互连，从而达到40Gb/s的宽带水平。

●数据中心或服务器群组网络中作为宽带汇聚

文件和数据服务器所需要的数据带宽是非常可观的，在越来越多的服务器改用千兆位以太网作为上连技术后，升级到万兆位以太网在服务质量及成本上都将占有相对的优势。

●存储网络

万兆位以太网不仅可以满足存储设备的高速互连，也可以实现存储设备的备份及灾难恢复。出于成本的考虑，万兆位以太网可以在这个新兴的应用上得到发挥。

1.2.3 带宽升级的布线需求

千兆位以太网和万兆位以太网对传输介质和传输距离有比较严格的要求。对于千兆位以太网而言，水平布线可以采用超五类双绞线或六类双绞线，而垂直布线则通常采用9/125µm单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）、50/125µm或62.5/125µm多模光纤（Multi Mode Fiber，MMF）。对于万兆位以太网而言，则通常采用单模光纤或多模光纤。因此，在规划和升级千兆位或万兆位以太网前，应当先确认现有的布线系统是否能够满足千兆位以太网和万兆位以太网对于传输介质和传输距离的要求。

1.千兆位以太网链路有效传输距离

1Gb/s千兆位以太网标准有两个，一个是IEEE 802.3z（定义1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-LH、1000Base-ZX和1000Base-CX），另一个是IEEE 802.3ab（定义1000Base-T），分别用于规范在光纤和非屏蔽线缆上传输千兆位信号。如表1-3所示为1000Mb/s网络可用的传输介质与有效传输距离。

表1-3 1000Mb/s网络传输介质与有效传输距离

2.万兆位以太网链路有效传输距离

10Gb/s万兆位以太网的标准有4个，即IEEE802.3ae、802.3ak、802.3an和802.3aq。其中，802.3ae规定了10GBase-LR、10GBase-SR、10GBase-ER、10GBase-LX4、10GBase-EW、10GBase-LW和10GBase-SW等多种类型。802.3ak规定了10GBase-CX4，802.3an规定了10GBase-T，802.3aq规定了10GBase-LRM。如表1-4所示为10Gigabit以太网支持的传输介质及其最远有效传输距离。

表1-4 10Gigabit以太网有效传输距离

3.超五类和六类双绞线

六类非屏蔽双绞线虽然价格较高，但是，一来铜线布线系统价格本身较为低廉，二来铜线接口的价格也非常便宜，同时与五类和超五类布线系统具有非常好的兼容性，并且能够非常好地支持1000Base-T，所以应当作为网络升级布线系统的当然之选。

超五类双绞线

超五类（Enhanced Category 5，简称5e）双绞线（如图1-13所示）是在对原有五类双绞线部分性能加以改善后的电缆，不少性能参数——如近端串扰、衰减串扰比、回波损耗等都有所提高，但其传输带宽仍为100MHz。

超五类双绞线采用4个绕对和1条抗拉线（也称剥皮拉绳），线对的颜色分别为白橙、橙、白绿、绿、白蓝、蓝、白棕和棕（如图1-14所示）。裸铜线径为0.51毫米（线规为24AWG），绝缘线径为0.92毫米，UTP电缆直径为5毫米。

六类双绞线

六类（Category 6）非屏蔽双绞线各项参数都有较大提高，带宽也扩展至250MHz或更高。超五类和六类电缆系统与现在广泛使用的RJ-45接插模块相兼容。六类双绞线在外形上（如图1-15所示）和结构上（如图1-16所示）与五类或超五类双绞线都有一定的差别，不仅增加了绝缘的十字骨架，将双绞线的四对线分别置于十字骨架的四个凹槽内，而且电缆的直径也更粗。

电缆中央的十字骨架随长度的变化而旋转角度，它的作用主要有：将4对双绞线卡在骨架的凹槽内，保持4对双绞线的相对位置，提高电缆的平衡特性和串扰衰减；另外，保证在安装过程中电缆的平衡结构不遭到破坏。六类非屏蔽双绞线裸铜线径为0.57毫米（线规为23AWG），绝缘线径为1.02毫米，UTP电缆直径为6.53毫米。

超五类和六类双绞线的性能参数见表1-5。

表1-5 几类双绞线的性能参数

4.单模光纤与多模光纤

根据光纤传输点模数的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种。所谓“模”，是指以一定角速度进入光纤的一束光。

从光源上来看，单模光纤采用激光二极管LD（injection laser diode）作为光源，而多模光纤采用发光二极管LED（light-emitting diode）作为光源。

从性能上来看，多模光纤传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但成本低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中，即水平布线系统和垂直布线系统。单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但需激光源，成本较高，通常用于建筑物之间（即建筑群布线系统）的网络连接。单模光纤与多模光纤特性比较如表1-6所示。

表1-6 单模光纤与多模光纤特性比较

如图1-17所示为在室内使用的多模光缆。