超能课堂(232):我们需要万兆网吗?

2020-06-12 15:35:46 16点赞 37收藏 18评论

大家可能注意到最近两年的新主板上,尤其是高端主板上面,会带有一个或两个所谓的万兆网口,这些网口比原本的千兆网口更为高级一些,因为它们能够支持比千兆,也就是1000 Mbps更高的传输速率,那么,万兆之于目前常见的千兆网络,到底在哪些地方有不同之处,它在我们的实际应用中又能够起到什么样的作用呢?这篇超能课堂就针对刚开始走上普及之路的万兆网络为各位进行一次答疑解惑。

超能课堂(232):我们需要万兆网吗?
图片来自于Unsplash

十倍于千兆网的速度、取消半双工模式

万兆网,顾名思义,就是指传输速率可以达到10Gbps的以太网(Ethernet),把数据单位换成字节的话,这个传输速度大概在1250 MB/s左右,比目前的千兆网络高了约莫有十倍,这也是我们能够感受到的,两种网络之间最为直观的差异。在制定万兆网络标准的时候,IEEE组织根据不同的传输距离需求给出了不同的标准,归入在10GBASE标准之下,比如说10GBASE-LR就是应用于长距离传输的标准,而10GBASE-SR是应用于短距离传输的标准,它们都使用光纤作为传输介质,但使用了不同波长的光。

当然,万兆网也不仅仅只是将传输速率提升十倍那么简单,它在一些被之前标准沿用许久的规格上面做出了改动,比如说,它只有全双工的工作模式。

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半双工模式

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全双工模式

在通讯上面,双工这个概念指的是通讯双方可以互相交换数据,简单的说,它就是相对于单向数据传输的概念。而在工作模式上面,一般存在半双工和全双工两种。在半双工模式下,同一时间只能有一个方向的数据进行传输,而全双工模式则允许同一时间双方同时向对方发送数据。在万兆网之前的以太网标准中,为了兼容性,都保留了半双工/全双工两种工作模式,由网络设备自动进行工作模式的协定。千兆时代,半双工的模式已经很少见了,甚至于有些设备直接就不支持它。到了后来制定万兆以太网标准的时候,标准制定者们索性就取消了半双工的模式。也就是说,只要用上万兆网,网络设备就会工作在全双工模式下。在物理层上面,万兆网络将原本的8b/10b编码替换成了更为高效的64b/66b编码方式,降低了校验的开销。

Wi-Fi 6、云游戏和视频传输需要万兆网

万兆网络有诸多的好处,但我们似乎还没有太大的必要去花钱升级到万兆网络,我们的宽带带宽也还没有到要把千兆网用完的地步,那为什么这两年,网上各种部署万兆网络的教程开始流行起来了呢?这主要是来自于用户的多方面需求促使万兆网络开始加速普及,其中最主要的,还是来自于局域网内部的传输速率需求,比如,新的Wi-Fi 6。

从去年开始热度逐渐升高的Wi-Fi 6,也就是802.11ax协议,在使用160MHz的频宽时,其单流速度已经能够达到1200Mbps,在目前常见的2x2 MIMO下,理论的传输速率已经有2.4Gbps之高。目前也已经有路由器通过自己的方式将Wi-Fi理论速率推到了10.8Gbps的高度。实际速度虽然达不到理论值那么高,但超越千兆网络的上限是非常轻松的事情。如果是通过Wi-Fi 6从本地局域网的设备上面拉取文件,有很大可能会被千兆网络限制住传输的速度,发挥不出Wi-Fi 6的真实水平。

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除开无线传输的需求外,有线设备之间的互传瓶颈,也已经摆上台面,就比如现在有如雨后春笋一般冒出来的大小视频工作室,由于现在能够拍摄4K影片的器材已经普及,不少视频工作室都会选择使用该分辨率进行前期的拍摄工作,拿现在比较常见的索尼A7III做例子,它的4K影片码率可以达到100 Mbps,用它拍摄一段10分钟左右的源素材,得到的视频文件大小就已经有7 GB之巨。而在视频工作室中,可能会存在多人协作完成一个项目的情况,此时视频源素材是通过网络共享的,千兆网络在应付这种情况时已经成为了明显的瓶颈——用它传输一个大小为10GB的文件都要等将近两分钟,在网络存储与本机之间导素材都要花掉很长时间,严重影响到了工作的效率。

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更何况,这还是用机身压缩过后的视频当源素材的情况,现在有不少的视频工作室在素材上面可以说是拉到极致的地步,什么4K RAW,8K RED RAW,更高质量的源素材对有线网络提出了更高的要求,对于这些追求极致的内容创作者,只有更高速度的万兆网络能够满足他们的需求了。

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以上两种需求基本上都是针对文件传输的,而另外还有一种对网络带宽有较高需求的应用已经在这两年里面慢慢走入我们的生活,那就是云游戏。像Google Stadia、GeForce NOW这样的云游戏平台门槛比较高,我们接触不到,但像Steam Remote Play这样在自家局域网内即可运行的“云游戏”可是有不少游戏玩家已经在用了。书房里的PC作为主机运行游戏,同时将画面和音频进行一定程度的压缩后发送到客厅的电视机上。因为要同时顾忌到画面质量和低延时两方面,这个压缩比率当然是高不到哪里去的,此时便对网络带宽提出了一定的要求,如果是串流4K游戏,那对网络带宽的需求就更高了,万兆网络是这种玩法的更好选择。

上面的几种需求都是离我们比较近的,实际上万兆网乃至40GbE和100GbE已经在各种数据中心里面落地很久了,它早就已经在承担互联网上巨量数据交换的需求了。

现有的网线和基础设施是万兆网普及的拦路虎

万兆网的相关标准最早在2002年就已经颁布,到现在已经过去有十多年时间了,但好像只有在最近两三年里,才听到有关于它的应用,这又是为什么呢?

其实最主要的问题还是需求不足。上面说了几种离我们还算是比较近的需求,但这些实际上都属于较为小众的应用,对于普罗大众来说,对万兆网络最为直观的体验,就是下载速度了。不过目前国内的家用宽带最高规格可能也就只到千兆,而国外也只有部分地区开通了超千兆的宽带。在家用宽带的带宽普遍超越千兆之前,我们暂时是体验不到每秒破1GB的速度了。

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六类线一般会有十字骨架支撑

除开需求外,另一个很现实的问题就是传输介质跟不上了。万兆网支持不同的物理层标准,有基于光纤的,也有基于铜缆的,其中对于双绞线的要求是六类线(Cat 6)及以上,普通的六类线能够在55米的距离内承担起万兆网的传输需求,而如果换到超六类线材(Cat 6a),就可以在100米的范围内用到万兆网。现在较为常用的网线,也就是基于铜缆的双绞线,根据内部线芯绞合程度、线径等规格分成不同种类的线材,目前最常见的网线类型是五类(Cat 5)或者超五类线(Cat 5e),它们能够提供100MHz/125MHz的传输频率,可以满足千兆网的需求,现在大部分的房屋在建设时预埋的都是这两种网线,但在万兆网时代,这两种线材满足不了需求了。

目前大部分的住宅房和办公室想要用上万兆网都不太容易,重新布线基本上是肯定的事情,但这种工程非常耗费时间、人力和金钱成本,很少会有普通的家庭用户或小型企业用户会为了这项对日常生活影响甚微的技术对自己的房屋大动干戈。除开线材要换,路由器和交换机这样的网络基础设备肯定也要升级到万兆标准才能用对吧,相比起平价的千兆基础设备,万兆的就要贵上很多了。普通的家用交换机的价格就已经要千元以上,而能够满足小型企业的交换机价格就更贵了。

那么肯定还是会有不少用户既不想搞这种大工程又想用上更快的网络,除了换用更好的无线网络之外,还可以参考一下厂商们提出的一些过渡方案,那么具体有什么呢?最新的400系主板上大量配备的2.5GbE就是其中的一种,另一种是速度更快一些的5GbE,它们都可以算是千兆向万兆发展的过渡型方案。

2.5GbE和5GbE这两种方案在一定程度上放松了对网线的需求,尤其是前者,用现在的超五类线即可轻松满足要求,因此也成为了Intel现在主推的一种标准,但是现在集成有千兆以上网口的家用路由器并不多见,基本上只会在较为昂贵的高端路由器上才能找的到一个2.5GbE的口子。

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某高端路由器后部网口

综上所述,在各种因素的制约之下,万兆网的普及之路是非常漫长的,在短时间内普罗大众都是用不上它的。

总结:未来的主流是无线技术,但离不开万兆网来打基础

其实在日常生活中,用到有线网络的场景是在慢慢变少的,现在无线网络的普及程度已经非常高了,其几年去到哪里都要问个Wi-Fi密码就是无线网络高普及程度的一大真实写照,这几年里,包括笔记本在内的很多设备已经去掉了有线网口,迈向全面无线化的趋势相当明显。但无线网络是离不开有线网络的,后者在未来将会扮演一个基础性的角色,为无线网络提供坚实的基础。

回到本文标题带出的问题——“我们需要万兆网吗?”答案是很明显的——我们需要。在互联网依旧在高速成长的今天,我们每天产生的数据量可以说是在呈指数级别增长的,对数据传输速度的要求,自然是越快越好,万兆网这项并不算是很新的技术就能够让我们更好地应付已经在爆炸的数据量。需求推动着技术向前发展,也促使它们逐渐变得平民化,相信很快,我们会在日常使用PC的时候,看到显示着10Gbps的有线连接。



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