10Gb 以太网：我不得不（重新）学习的内容10Gb Ethernet: what I had to (re)learn

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我的网络服务提供商最近开始提供10Gb选项，我立刻触发了那种“闪亮的新玩意儿！”的巴甫洛夫式反应。所以当然，我得升级家里的有线网络——这意味着我必须学一些新东西才能让它全部正常工作，还得重新捡起这些年已经忘得差不多的旧知识。

过去二十多年里，家庭和小办公室的有线网络发展其实并没有太大进步。早在2006年，千兆以太网在企业中已是标准配置，大多数家庭用户也很快跟进采用了它。或许是因为WiFi在“最后几米”连接中大行其道，这种技术基本就停滞在了那个水平，直到最近才稍微向2.5Gb/s的方向推进了一点。

但随着更快的ISP接入服务不断涌现，我觉得事情开始变得有点意思了。即使是速度最快的WiFi 7连接，也只能让单个设备达到约6Gb/s的速率——而这还是在理想条件下实现的：一台超级快的机器紧挨着接入点，放在一个屏蔽良好的实验室里。

下面是我为了搞定这一切，不得不从记忆深处挖出来的内容，以及需要学习的新知识。我会在本文中先写一下背景介绍，明天再详细说说我实际部署了什么方案。

一点历史回顾

让我们先从一点背景故事说起。请耐心听我说完，这可不是单纯的怀旧自恋！

当我刚开始使用联网电脑的时候，那还是上世纪90年代初，最流行的标准是10BASE2。我在第一家工作的办公室和大学计算机机房里都见过这种布线方式。每台电脑后面都有一个T型接头，就像这样：

© Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

照片里朝向镜头的那一端就是插进电脑的部分。电脑之间是串联起来的：服务器连工作站一，工作站一连工作站二，依此类推，直到最后一个工作站。每段链路的末端都必须用特殊的终结器封住未使用的T型接头端口。

本质上这是一根同轴电缆构成的总线，所有电脑都能看到上面传输的每一个比特。相应地，大家共享同一带宽，仅有可怜的10Mb/s。与早期网络技术相比，以太网最酷的地方在于，电脑可以无需协调就能共享这条线路——如果两台同时开始“说话”，它们会察觉到冲突并停止发送；然后各自等待一段随机退避时间后重试，其中一台等待时间较短就会率先开始，另一台则会注意到“线路忙”而再次等待机会。

当然这也限制了单网内能容纳的电脑数量——一旦超过二十台左右，它们就会不停地互相打断对方，实际上根本无法有效通信；而且无论如何，几十台电脑平分10Mb/s带宽也够呛。此外还有个硬性限制：每个网络最多只能接30台机器。要连接不同的网络，则需要使用更专业的网络设备，比如网桥、交换机和路由器——关于交换机我们稍后再聊。

到我们大约在1996年开始在一套和朋友合租的房子里搭建网络时，最流行的选择已经发生了变化：现在人们开始使用10BASE-T。仍然是10Mb/s的速率，但采用了我们如今熟悉并喜爱的RJ45接口和双绞线电缆。所有计算机都会通过一根线缆连接到集线器上，形成星型拓扑结构。你可以将多个集线器连接起来构建更大的网络。

然而，这些集线器本质上不过是一种便于将所有线路电气连接成单一总线的实用外形而已。你依然面临每个计算机都能看到总线上的每一个比特的问题，以及由此带来的带宽共享和连接设备数量受限等问题。

此后几年，情况逐渐改善。交换机在当时还比较昂贵，通常用于连接集线器或10BASE2网络。它们会通过观察传入数据包的源MAC地址来学习哪些机器连接在各自的端口上，并根据这些信息决定如何将数据包从其他端口转发出去。例如，如果一个交换机发现地址A、B和C都位于端口1，那么当来自端口2的数据包要发送给其中任一地址时，它就知道只需从端口1转发，而无需广播到其他端口。这有助于解决带宽共享和冲突问题。

交换机的价格越来越低，最终——我想是在2005年到2010年之间——变得如此便宜，以至于使用集线器几乎毫无意义了。你只需将每台计算机直接连接到交换机即可。这意味着同一台交换机上的任意两台计算机都可以以完整的网络速度通信，因为数据包只需在端口之间进行交换即可送达（无需像集线器那样泛洪）。当然，交换机之间的连接仍然是一个瓶颈，但这已经不再是主要问题了。

与此同时，网络速度也在提升，从10Mb/s升级到100Mb/s，最终达到1Gb/s。到2005年左右，1Gb/s已成为商用计算机的标准配置——我记得当我们为Resolver Systems公司购买第一批电脑时，默认就是配备了这个速率。

家用计算机也紧随其后——自那以后我们就一直沿用这一模式。

ISP和大规模网络：向SFP的转变

回到交换机之间那个关键的瓶颈问题。即使在10Mb/s网络时代，如果你管理的是较大规模的网络，也希望有更快的互联方式——例如，如果同一台交换机上的两台计算机都想访问外部资源，它们就不应竞争同一个10Mb/s的上行链路。一旦网络规模超过小型办公室级别，这类问题就开始变得重要起来。ISP和数据中心自然更是深受其扰。

你需要的是交换机上能运行更快数据率的上行链路。因此，即便当时1Gb/s以太网对于连接普通计算机来说仍过于昂贵，你也可以选择带有1Gb/s上行链路的交换机来接入更大规模的网络，同时为本地设备提供若干个100Mb/s端口。

此外，对于大型网络来说，还存在另一个问题——物理距离。所有这些基于 RJ45 的网络技术，其最大电缆长度均为 100 米。你可以每隔约 100 米放置一个中继器（甚至只是一个交换机）作为“信号增强器”来延长这一距离，但如果例如需要连接两栋建筑物，这就变得棘手了。你需要同时铺设数据电缆和电源线，并且如果中继器出现故障，还需要有办法对其进行维护。

不过，光纤以太网多年来一直是标准配置，其传输距离远优于传统方案——单模光纤可达数公里。因此，尽管它对于局域网来说过于复杂，但作为骨干网技术却非常合适。

这意味着，为了搭建某种特定拓扑结构的网络，你可能不得不采购大量不同类型的交换机。在两个设备之间进行短距离连接时，可以使用 RJ45 上行链路；而在长距离连接时，则可能需要使用光纤。更复杂的拓扑结构可能还需要完全不同的端口组合。

情况变得更糟的是，光纤通信存在多种不同的标准：多模与单模光纤、不同种类的连接器等等。

制造商没有选择生产一系列包含所有可能组合的交换机，而是将传输的物理层与交换硬件分离。这种交换机不再为每个端口配备固定的 RJ45 或光纤接口，而是采用小型可插拔（Small Form-factor Pluggable, SFP）“插槽”，本质上是一种新型插座。用户可以根据需求混合搭配不同类型的光电收发模块，将其插入插槽后即可提供实际可用的接口——无论是用于千兆以太网的 RJ45 接口，还是用于他们所使用的特定类型光纤连接的接口，只要能满足最佳配置即可。

典型的较大规模网络交换机可能配备一到两个 SFP 插槽用于骨干连接，其余则为本地连接的 RJ45 接口。随着时间推移，千兆骨干已无法满足需求，于是出现了支持 10Gb/s 速率的 SFP+。此后又发展出速度更快的技术，最高可达数百 Gb/s。

当然，过去这些技术主要只对中型及以上规模网络的网管人员重要。但现在，由于热管理问题，即使是家庭用户也开始受到影响——10GBASE-T 已经变得非常“烫手”。

10GBASE-T 现在真的很热。

问题在于：粗略地说，在某种布线条件下，网络连接的速度越快，运行时的发热量就越大。通过 RJ45/双绞线连接时，10Mb/s 以太网几乎不发热，100Mb/s 稍多一些，千兆以太网也只是让交换机略微温热。而升级到通过 RJ45 实现的 10Gb/s 以太网（即 10GBASE-T）则会明显升温——明天我会详细介绍到底有多热。

还有一个问题是布线本身。由于网络速度长期稳定——千兆以太网已作为标准使用了约 20 年——大多数具备结构化布线的建筑（即在墙内安装 RJ45 插座并相互连通的那种）都采用了 CAT-5E 标准。遗憾的是，10Gb/s 以太网无法在该标准下正式运行——即使偶尔能工作，也往往仅限于短距离线缆，且通常不可靠。

CAT-6 布线有助于实现这一目标——它可以在约 55 米的距离内支持 10Gb/s 的传输速率。理想情况下应使用 CAT-6A，它能在与旧式、低速系统相同的 100 米电缆长度下支持 10Gb/s 的速度。

这意味着需要制定一个过渡标准。10GBASE-T 虽然性能强劲，但所需的线缆并非所有用户都具备，尤其是在建筑墙体中预埋的线路往往不符合要求。不过，如果适当降低速度，就可以在较老的线缆上运行，而不会导致过热损坏。

这也是为什么我之前没有提及 2.5Gb/s 以太网（更少见的是 5Gb/s）的原因。它们实际上是作为 10Gb/s 的降速版本推出的，目的是在不进行大规模升级的情况下利用现有基础设施。这听起来很棒，直到你的 ISP 突然通知你家里现在可以开通 10Gb/s 服务……

那么，如何在不过热的前提下实现 10Gb/s 传输呢？

SFP+、DAC、光纤

让我们来看看 SFP 或 SFP+ 模块到底是什么。它插入交换机上的一个插槽（cage）中。一侧通过电气连接与交换机硬件相连，传输进出信号，采用特定的协议（例如 4）。模块内部进行处理后，另一侧则提供——比如——10GBASE-T 接口（RJ45 插座），或者用于光纤的光学接口（带闪烁激光）。

如果只是用一根普通的电信号线将一个交换机的 SFP+ 插槽连接到另一个交换机的 SFP+ 插槽，会发生什么？实际上这非常有效！这种线缆被称为无源直连铜缆（Passive Direct Attach Copper, DAC）。虽然其接口比一根简单的电线复杂一些——因为交换机需要查询插槽中的模块信息，所以需要少量电子元件——但整体仍然非常简单。

在此基础上，如果在 DAC 中加入放大功能，就变成了有源 DAC（Active DAC），其传输距离可翻倍（不过这类产品相对较少见）。

DAC 的一大优势是发热量远低于 10GBASE-T，功耗仅为后者的三分之一左右。当然，它的缺点在于传输距离有限。但对于同一房间内或机架间交换机之间的简单连接来说，DAC 表现非常出色。

接下来，除了 DAC，还可以直接将底层 SFP(+) 协议转换为光信号，并通过光纤传输——通常称为有源光缆（Active Optical Cable），简称 AOC（尽管我在一些地方也见过令人困惑的术语“光学 DAC”）。使用 AOC 一般可实现长达 100 米的传输距离。由于它们是即插即用的整体式设备，无需繁琐的光纤对准操作，因此一旦超出无源 DAC 的距离范围，AOC 就是最佳选择。

再往后，你就必须转向正式的标准规范，采用更传统的光纤布设方案了。这方面的研究我做得不多，就不在这里详细解释了。总之，对于家庭用户而言，目前阶段超过这个级别的技术可能已经过于超前了……

总结

因此，从过去二十年一直稳定运行的 2.5Gb/s 网络升级到 10Gb/s，是一次颇具挑战性的技术跃迁。曾经无关紧要的因素——如散热管理、线缆长度等——如今变得至关重要。虽然有解决方案，但你不能再像以前那样随意插拔设备并期望它能正常工作，而是需要真正理解这些技术细节。

太棒了！是时候付诸实践了 :-) 我会在下一篇文章中详细展示如何将现有的 2.5Gb/s 网络端口升级到 10Gb/s——包括我最终购买的硬件、其实际表现，以及（更重要的是）整个系统的发热情况。