千兆以太网1000Base-T
2007-04-29   网络

　　千兆以太网早期主要是用在高速主干网和某些特定的工作组，传输介质以光纤为主。过去两年中802.3z工作组在基于光纤和基于STP短距离屏蔽式跳线的千兆以太网方面做了大量工作，并在1998年6月通过了正式标准IEEE802.3z。但光纤的价格毕竟较为昂贵，而且随着桌面机处理速度的提高和局域网业务模式的改变，千兆以太网必然要向桌面机延伸，这就意味着千兆以太网将用于已经广泛铺设的铜线系统。
　　众所周知，一幢办公大楼内的各种网络设备可以很方便地从一个房间搬到另一个房间，而对楼内现存错综复杂的布线进行改装升级却非易事。因此升级到更高速网络时，网络管理者都会认真考虑现有布线的适用性。 目前以太网布线大多为第5类UTP布线，因此都关注现存CAT－5的1000Base-T千兆以太网技术。1997年3月成立IEEE802.3ab工作组，其任务是研究5类UTP在千兆以太网上的应用，要求网络长度最大到100米。1998年12月28日千兆以太网联盟宣布对1000Base-T进行开放投票，1999年3月正式通过了1000Base-T的标准。

　　１、基本原理
　　传统快速以太网(100Base-TX)使用5类UTP四对线中的两对，一对用于发送数据，一对用于接收数据。由于100Base-TX的编码方式为4B／5B，故实际传输码速为125Mbaud。1000Base-T中的传输码速也是125Mbaud，但它要使用CAT－５中全部四对线，并在每一对线上同时实现收发操作，编码方式改为５电平编码ＰＡＭ５后，才能在每个信号脉冲内并行传送一个字节的数据，即125Msymbols/s×8bit／symbol＝1Gb/s。当然，实际应用时要考虑CAT－5中四对线高速并行传输数据会带的回波和串音等问题。
　　1000Base-T规定了全双工和半双工模式下1000bit／s的数据传输，在一个碰撞域内只允许一个中继器，网络直径为２００米，采用与100Base-TX相同的自动协商方式，并与传统以太网更好地兼容。许多厂商都宣称将生产在100Mb/s和1000Mb/s下都能工作的“双速”千兆以太网设备，对于系统升级来说，可能提供一种灵活的解决方案。

　　２、布线问题
　　通常，在铜线上传输1000Mb/s高速的码流，布线系统的支持是最主要的问题。即在CAT－5的四对线上传输1000Mb/s的数据流，所面临的信号衰减、回波、返回损耗、串音和电磁干扰等问题。

　　·信号衰减(attenuation)?
　　衰减是发送过程中信号的损失，它随信号频率的提高而增加。因此在保证数据传输速率的前提下，应尽量使用较低的频段。

　　·回波(echo)
　　如图1所示，回波是因为发送设备和接收设备比较靠近而产生的干扰。全双工通信模式下的千兆以太网，信号的收发都使用同一对线，因电缆的返回损耗和转接器损耗引起的泄漏发送信号，将与接收信号相混，并对性能造成负面影响。通常，对由阻抗不匹配造成的反射能量可用返回损耗(return loss)来度量。

　　·串音(crosstalk)
　　串音是邻近线对中信号的相互干扰。1000Base-T使用了5类UTP中所有的四对线，每一对线都可能被邻近的其它3对线干扰而产生串音。串音以发送端作为参考，近端串音(NEXT)为某线对受发送端的其它线对的干扰，远端串音(FEXT)是某线对受发送电缆远端其它线对的干扰，等效远端串音(ELFEXT)为不考虑电缆衰减情况下的等效的FEXT。若远端串音与接收信号电平能比拟时，接收端进行信号恢复应充分考虑串音的影响并采取相应的措施。

　　·返回损耗(return loss)?
　　返回损耗是由于在链路中阻抗不匹配引起的反射信号能量，它对千兆以太网1000Base-T产生很重要的影响。

　　·抗电磁干扰
　　在无屏蔽双绞线上以1000Mb/s这样的极高速率传输数据时，必须考虑电磁干扰?包括AM、CB、短波段广播等的影响。一些标准如EN50082－1和IEC 1000－4－3要求抗高于25MHz频率，场强为3V／m的连续电磁波干扰。

　　·抗噪性能
　　1000Base-T还需要能抗背景噪声和突发噪声的干扰。实际情况中由于电力开关快速切换产生电弧或静电荷放电等都会引起突发噪声。在1000Mb/s的高速数据中突发噪声的危害性很大。

　　IEEE802.3ab工作组制定1000Base-T的目标就是使千兆以太网能够在符合ANSI／TIA／EIA－568A(1995)规范的5类UTP上运行，并使支持100Base-TX的链路很容易地转到支持1000Base-T。IEEE对需要升级到千兆以太网的CAT－5增加了两项测试参数，返回损耗 (return loss)和远端串音(Far－End Crosstalk)。返回损耗定义了链路中因阻抗不匹配引起的反射信号能量。远端串音(FEXT)则是某线对受发送电缆远端其它线对的干扰，实际测试中常用等效远端串音(ELFEXT)和总功率等效远端串音(PSELFEXT)来表示。在10Bas－T中返回损耗和远端串音的影响可以忽略不计，但在100Base-TX和1000Base-T中它们对网络性能将有重要影响。原有ANSI/TIA/EIA568－A标准的5类布线没有指定返回损耗和ELFEXT及PSELFEXT的测试(1995年制定此规范时这些问题没有引起人们的重视)。1998年新标准ANSI/TIA/EIA-TSB-95，在原有规范基础上加了这两项参数测试，并称其为增强型5类布线。
　　按1000Base-T工作组和布线公司估计，现有5类布线中大约有不到10％不符合安装规范，不能支持1000Base-T。不符合ANSI/TIA/EIA-TSB-95规范的连接设备也要进行升级。须知，布线系统非标准化并非大规模铺设CAT－5电缆本身所引起，往往问题出在连接端口和零星小段电缆。ANSI/TIA/EIA568A－1995在5类布线连接中允许使用4种连接器，而返回损耗和远端串音主要就是由连接器引起的。图２显示了一个符合ANSI/TIA/EIA－568－A(1995)的典型5类UTP布线系统。

　　图3示出了改进后的5类布线系统。

　　ANSI/TIA/EIA TSB－95(1998)定义了五项改进措施以提高电缆在返回损耗和远端串音方面的性能：
　　·如果链路有一个交叉连接，把交叉连接重新配置为互连型。

　　·把转接点连接器换为符合增强型5类规范的转接点连接器。

　　·在工作区出口使用符合增强型5类规范的互连器。

　　·把互连器都换为符合增强型５类规范的互连器。

　　·把零星的散线(patch cord)换为符合增强型5类规范的电缆。

　　３、关键技术
　　数字信号处理(DSP)技术的发展使在５类布线系统及增强型５类布线系统中传输1000Mbps数据成为可能。1000Base-T采用了下列一些关键的技术保证数据的高速传输?
　　· 采用符合ANSI/TIA/EIA TSB－95(1995)标准的5类布线。

　　·使用电缆中的所有4对线并使波特率达到125Mbaud。

　　·全双工传输方式

　　1000Base-T在5类utp的四对线上同时双向传输数据，相对于单向发送和接收数据来说，能够在每一对线上把传输波特率减小为原来的一半，大大提高了可靠性。通常使用混合电路(hybrid)在一对线上同时实现发送和接收功能，它使用不同频段的滤波器分别得到发送信号和接收信号，这在很大程度上减小了回波，当要完全滤除回波信号时，还需在每一线对中加入回波抵消器。

　　·５电平PAM编码：
　　由于每个传送码元表示5电平?－2，－1，0，1，2?中的一个电平(图4)， 故每波特码代表２比特信息(4电平代表2位，还有一个前向纠错码)，这比二电平编码提高了带宽利用率，并能把波特率和所需信号带宽减为原来的一半。多电平编码需要用多位A／D、D／A转换，采用更高的传输信噪比和更好的接收均衡性能，技术实现相对较复杂。

　　·前向纠错编码(FEC)
　　前向纠错编码为二级编码，在强干扰和串音影响下能纠正接收信号中的误码。1000Base-T采用的是4维8态网格的前向纠错编码，具有很强的纠错能力。

　　·脉冲平滑技术
　　脉冲平滑技术通过发送信号的频谱特性与传输信道特征匹配，增大信噪比，达到最佳传输效果，它通过在收、发两端采用数字和模拟滤波器来实现。脉冲平滑技术可减小在干扰严重频段的发送信号功率，减小低频和高频的信号功率，以及滤除外来的高频噪声。通过脉冲平滑技术，1000Base-T的传输频谱能够与100Base-T的频谱接近一致。

　　·信号均衡技术
　　信号均衡技术用于补偿传输信道中引入的信号失真。线性数字均衡采用一系列有限冲激响应(FIR)滤波器，而非线性均衡采用判决反馈均衡(DFE)，在传输媒体引起某些频段衰减较大的情况采用DFE比线性均衡性能好，但应注意DFE易于产生错误扩展(单个错误在反馈作用下引起均衡器连续错误)，导致误码率急剧上升。可采用多个判决反馈滤波器的办法解决。

　　·扰码(scrambling)
　　用来产生随机传输码序列，避免出现特殊频谱信号。

　　总之，仅仅在几年前许多专家还认为10Mbps以太网将不可能在双绞线上使用，100Mbps以太网出现时也有类似的看法，今天许多厂商仍对基于铜线的1000Mbps以太网表示怀疑。现在，IEEE802.3ab工作组已经解决了所有相关的技术问题，1999年3月IEEE公布了1000Base-T的正式标准802.3ab，现有基于100Base-T的5类布线将能很容易地转而支持1000Base-T。可以预见，千兆以太网的应用即将进入一个新的纪元。