万兆以太网技术

万兆以太网技术

目录

1.基于光纤的局域网万兆以太网规范 (1)

2.基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范 (2)

3.基于光纤的广域网万兆以太网规范 (3)

4.万兆以太网物理层规格 (4)

4.1万兆以太网物理层规格（PHY） (4)

4.2相关物理介质层（PMD） (7)

万兆以太网技术

万兆以太网标准和规范都比较繁多，在标准方面，有2002年的IEEE 802.3ae，2004年的IEEE 802.3ak，2006年的IEEE 802.3an、IEEE 802.3aq和2007年的IEEE 802.3ap。在规范方面，总共有10多个，总共可以分为三类：一是基于光纤的局域网万兆以太网规范，二是基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范，三是基于光纤的广域网万兆以太网规范。下面分别予以介绍。

1. 基于光纤的局域网万兆以太网规范

目前，基于光纤的万兆以太网规范有：10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-LRM、10GBase-ER、10GBase-ZR和10GBase-LX4这六个规范。

（1）10GBase-SR

10GBase-SR中的“SR”代表“短距离”（short range）的意思，该规范支持编码方式为64B/66B 的短波（波长为850nm）多模光纤（MMF），有效传输距离为2～300m，要支持300m传输需要采用经过优化的50μm线径OM3（Optimized Multimode 3，优化的多模3）光纤（没有优化的线径50μm光纤称为OM2光纤，而线径为62.5μm的光纤称为OM1光纤）。

10GBase-SR具有最低成本、最低电源消耗和最小的光纤模块等优势。

（2）10GBase-LR

10GBase-LR中的“LR”代表“长距离”（Long Range）的意思，该规范支持编码方式为64B/66B 的长波（1310nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为2m到10km，事实上最高可达到25km。

10GBase-LR的光纤模块比下面将要介绍的10GBase-LX4光纤模块更便宜。

（3）10GBase-LRM

10GBase-LRM中的“LRM”代表“长度延伸多点模式”（Long Reach Multimode），对应的标准为2006年发布的IEEE 802.3aq。在1990年以前安装的FDDI 62.5μm多模光纤的FDDI网络和100Base-FX网络中的有效传输距离为220m，而在OM3光纤中可达260m，在连接长度方面，不如以前的10GBase-LX4规范，但是它的光纤模块比10GBase-LX4规范光纤模块具有更低的成本和更低的电源消耗。

（4）10GBase-ER

10GBase-ER中的“ER”代表“超长距离”（Extended Range）的意思，该规范支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为2m到40km。

（5）10GBase-ZR

几个厂商提出了传输距离可达到80km超长距离的模块接口，这就是10GBase-ZR规范。它使用的也是超长波（1550nm）单模光纤（SMF）。但80km的物理层不在EEE 802.3ae标准之内，是厂商自己在OC-192/STM-64 SDH/SONET规范中的描述，也不会被IEEE 802.3工作组接受。

（6）10GBase-LX4

10GBase-LX4采用波分复用技术，通过使用4路波长统一为1300 nm，工作在3.125Gb/s的分离光源来实现10Gb/s传输。该规范在多模光纤中的有效传输距离为2～300m，在单模光纤下

的有效传输距离最高可达10km。它主要适用于需要在一个光纤模块中同时支持多模和单模光纤的环境。因为10GBase-LX4规范采用了4路激光光源，所以在成本、光纤线径和电源成本方面较前面介绍的10GBase-LRM规范有不足之处。

2.基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范

在2002年发布的几个万兆以太网规范中并没有支持铜线这种廉价传输介质的，但事实上，像双绞线这类铜线在局域网中的应用是最普遍的，不仅成本低，而且容易维护，所以在近几年就相继推出了多个基于双绞线（6类以上）的万兆以太网规范包括10GBase-CX4、10GBase-KX4、10GBase-KR、10GBase-T。下面分别予以简单介绍。

（1）10GBase-CX4

10GBase-CX4对应的就是2004年发布的IEEE 802.3ak万兆以太网标准。10GBase-CX4使用802.3ae中定义的XAUI（万兆附加单元接口）和用于InfiniBand中的4X连接器，传输介质称之为“CX4铜缆”（其实就是一种屏蔽双绞线），它的有效传输距离仅15m。

10GBase-CX4规范不是利用单个铜线链路传送万兆数据，而是使用4台发送器和4台接收器来传送万兆数据，并以差分方式运行在同轴电缆上，每台设备利用8B/10B编码，以每信道3.125GHz的波特率传送2.5Gb/s的数据。这需要在每条电缆组的总共8条双同轴信道的每个方向上有4组差分线缆对。另外，与可在现场端接的5类、超5类双绞线不同，CX4线缆需要在工厂端接，因此客户必须指定线缆长度。线缆越长一般直径就越大。

10GBase-CX4的主要优势就是低电源消耗、低成本、低响应延时，但是接口模块比SPF+的大。

（2）10GBase-KX4 和10GBase-KR

10GBase-KX4 和10GBase-KR所对应的是2007年发布的IEEE 802.3ap标准。它们主要用于背板应用，如刀片服务器、路由器和交换机的集群线路卡，所以又称之为“背板以太网”。

万兆背板目前已经存在并行和串行两种版本。并行版（10GBase-KX4规范）是背板的通用设计，它将万兆信号拆分为4条通道（类似XAUI），每条通道的带宽都是3.125Gb/s。而在串行版（10GBase-KR规范）中只定义了一条通道，采用64/66B编码方式实现10Gb/s高速传输。在10GBase-KR规范中，为了防止信号在较高的频率水平下发生衰减，背板本身的性能需要更高，而且可以在更大的频率范围内保持信号的质量。IEEE 802.3ap标准采用的是并行设计，包括两个连接器的1m长铜布线印刷电路板。10GBase-KX4使用与10GBase-CX4规范一样的物理层编码，10GBase-KR使用与10GBase-LR/ER/SR三个规范一样的物理层编码。目前，对于具有总体带宽需求或需要解决走线密集过高问题的背板，有许多家供应商提供的SerDes芯片均采用10GBase-KR解决方案。

（3）10GBase-T

10GBase-T对应的是2006年发布的IEEE 802.3an标准，可工作在屏蔽或非屏蔽双绞线上，最长传输距离为100m。这可以算是万兆以太网一项革命性的进步，因为在此之前，一直认为在双绞线上不可能实现这么高的传输速率，原因就是运行在这么高工作频率（至少为500MHz）基础上的损耗太大。但标准制定者依靠4项技术构件使10GBase-T变为现实：损耗消除、模拟到数

字转换、线缆增强和编码改进。

10GBase-T 的电缆结构也可用于1000Base-T 规范，以便使用自动协商协议顺利从1000Base-T 升级到10GBase-T 网络。10GBase-T 相比其他10G 规范而言，具有更高的响应延时和消耗。在2008年，有多个厂商推出一种硅元素可以实现低于6W 的电源消耗，响应延时小于百万分之一秒（也就是1μs ）。在编码方面，不是采用原来1000Base-T 的PAM-5，而是采用了PAM-8编码方式，支持833Mb/s 和400MHz 带宽，对布线系统的带宽要求也相应地修改为500MHz ，如果仍采用PAM-5的10GBase-T 对布线带宽的需求是625MHz 。

在连接器方面，10GBase-T 使用已广泛应用于以太网的650MHz 版本RJ-45连接器。在6类线上最长有效传输距离为55m ，而在6a 类类双线上可以达到100m 。

3. 基于光纤的广域网万兆以太网规范

前面提到的10GBase-SW 、10GBase-LW 、10GBase-EW 和10GBase-ZW 规范都是应用于广域网的物理层规范，专为工作在OC-192/STM-64 SDH/SONET 环境而设置，使用轻量的SDH （Synchronous Digital Hierarchy ，同步数字体系）/SONET （Synchronous Optical Networking ，同步光纤网络）帧，运行速率为9.953Gb/s 。它们所使用的光纤类型和有效传输距离分别对应于前面介绍的10GBase-SR 、10GBase-LR 、10GBase-ER 和10GBase-ZR 规范。在10GBase-LX4和10GBase-CX4规范中没有广域网物理层，因为以前的SONET/SDH 标准都是工作在串行传输方式的，而10GBase-LX4和10GBase-CX4规范采用的是并行传输方式。

以上各种规范的综合比较如表1所示。

表1 万兆以太网规范比较 万兆以太网规范

使用的传输介质 有效距离 应用领域

10GBase-SR

850nm 多模光纤，50μm 的OM3光纤 300m 局域网 10GBase-LR

1310nm 单模光纤 10km 10GBase-LRM

62.5 μm 多模光纤，OM3光纤 260m 10GBase-ER

1550nm 单模光纤 40km 10GBase-ZR

1550nm 单模光纤 80km 10GBase-LX4

1300nm 单模或者多模光纤 300m （多模时），10km （单模时） 10GBase-CX4

屏蔽双绞线 15米 10GBase-T

6类、6a 类双绞线 55m （6类线时），100m （6a 类线时） 10GBase-KX4

铜线（并行接口） 1m 背板以太网 10GBase-KR

铜线（串行接口） 1m 10GBase-SW

850nm 多模光纤，50μm 的OM3光纤 300m SDH/SONET 广域网 10GBase-LW

1310nm 单模光纤 10km 10GBase-EW

1550nm 单模光纤 40km 10GBase-ZW 1550nm 单模光纤 80km

4.万兆以太网物理层规格

在IEEE 802.3ae中定义了万兆以太网物理层规格（PHY）和支持光模块，如图1（左）所示（左）。在以太网标准中，光模块被正式定义为一种物理媒体依赖接口（PMD）。右图显示了PMD、PHY和MAC（媒体访问控制）在交换路由器板卡上的逻辑设计。万兆以太网MAC（右图）在服务接口（向PHY）以10Gb/s的速率运行，在MAC PHY层之间适应速率，通过调试Inter-Packet Gaps （IPG）以适应LAN PHY和WAN PHY的略有不懂的数据速率。速率适应机制在IEEE 802.3ae中叫做Open Loop Control。

图1 Stack Diagram of 10GE PHYS & PMDs Typical Switch Card Layout

4.1 万兆以太网物理层规格（PHY）

（1）连续LAN PHY

连续物理层由64b/66b多媒体数字信号编解码器（译码/解码)配置和serializer/deserializer (SerDes)组成。64b/66b多媒体数字信号编解码器配置是执行包描绘的块状编码配置。SerDes为连续光模块或PMD，在传送器上将16- bit并行数据路径（每个644 Mb/s）排序到一个10.3Gb/s的连续数据流，并将一个10.3Gb/s的连续数据流去序列化到16-bit并行数据路径（每个644Mb/s）。

（2）连续WAN PHY

连续WAN PHY由WAN接口子层（WIS）、64b/66b多媒体数据信号编解码器配置（与上文描述一样）、和SerDes组成，SerDes也与上文描述一样，除了连续数据流的速度为9.95Gb/s（OC-192），每个16-bit并行数据路径为622Mb/s。WIS为SONET framing和X7+ X6 + 1 scrambling专门设计。与SONET OC-192速度结合，连续WAN PHY使万兆以太网能在现有SONET OC-192设施和10Gb/s Dense Wavelength Division Multiplexing （DWDM）光学网络上无中断运行。

万兆以太网物理媒体独立接口

图2显示了万兆以太网PHY和万兆以太网PMD光纤类型和最大确保距离。前四个PMD 由IEEE 802.3ae定义，后两个PMD目前市场上可得。凭借新的High-Band Multi-Mode fiber

（HDMMF），850nm连续光模块支持高达300米。

图2 万兆以太网PHY和万兆以太网PMD光纤类型和最大确保距离

万兆以太网应用——基于不同PHY和PMD的结合

具有850nm连续光模块的LAN/WAN PHY（连续）：Intra POP/数据中心连接；

具有1310nm连续光模块的WAN PHY（连续）：以太网到DWDM/SONET OC-192 ；

具有1550nm连续光模块的WAN PHY（连续）：Inter POP/数据中心连接（长距离）；

在国际标准组织开放式系统互联（OSI）参考模型下，以太网是第二层协议。万兆以太网使用IEEE 802.3以太网介质访问控制协议（MAC）、IEEE 802.3以太网帧格式以及IEEE 802.3最小和最大帧尺寸。

正如1000Base-X和1000Base-T（千兆以太网）都属于以太网一样，从速度和连接距离上来说，万兆以太网是以太网技术自然发展中的一个阶段。但是，因为它是一种只适用于全双工模式，并且只能使用光纤的技术，所以它不需要带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）。除此之外，万兆以太网与原来的以太网模型完全相同。

在以太网中，PHY表示以太网的物理层设备，它对应于OSI模型的第一层。PHY通过连接介质（光纤或铜线）与MAC层相连，而MAC层对应的是OSI模型中的第二层。在以太网的体系结构中，PHY（第一层）进一步划分为物理介质层（PMD）和物理编码子层（PCS）。例如，光纤收发机属于PMD，PCS 由编码器和一个并串转换器或复用功能组成。

802.3ae规范定义了两种PHY类型：局域网PHY和广域网PHY。广域网PHY在局域网PHY功能的基础上增加了一个扩展特性集。这些PHY惟一的区别在PCS上。同时，PMD 也有多种类型，见图3。

图3 局域网PHY和广域网PHY

芯片接口（XAUI）

在万兆以太网特别工作组的诸多创新中，有一个被称做XAUI（读作“Zowie”）的接口。其中的“AUI”部分指的是以太网连接单元接口（Ethernet Attachment Unit Interface）。“X”代表罗马数字10，它意味着每秒万兆(10Gbps)。XAUI被设计成一个接口扩展器，它扩展的接口就是XGMII（与介质无关的万兆接口）。XGMII是一个74位信号宽度的接口（发送与接收用的数据路径各占32位），可用于把以太网MAC层与物理层（PHY）相连。在大多数典型的以太网MAC和PHY相连的、芯片对芯片的应用中，XAUI可用来代替或者扩展XGMII。

XAUI是一种从1000Base-X万兆以太网的物理层直接发展而来的低针数、自发时钟串行总线。XAUI接口的速度为1000Base-X 的2.5倍。通过调整4根串行线，这种4bit的XAUI 接口可以支持万兆以太网10倍于千兆以太网的数据吞吐量。

XAUI使用与1000Base-X同样的8B/10B传输编码，并通过印刷电路板上的铜线等常用介质提供高质量的完整数据。XAUI还包括其他一些优势：由于采用自发时钟，所以产生的电磁干扰（EMI）极小；具有强大的多位总线变形补偿能力；可实现更远距离的芯片对芯片的传输；具备较强的错误检测和故障隔离功能；功耗低，能够将XAUI输入/输出集成到CMOS 中等。

许多零部件厂商都已经宣布在自己的独立芯片、专用集成电路（ASIC）芯片、甚至FPGA （可编程门阵列）中提供XAUI接口能力。万兆以太网的XAUI 技术与其他主要的工业标准是相同或相当的，如InfinaBand、万兆光纤通道以及通用的铜线和光纤主干互连等，这一点可以确保万兆互连技术能够在健康有序的市场竞争中，以低廉的的成本提供出色的产品。

XAUI的具体应用目标包括：从MAC到物理层芯片之间的互连，以及从MAC到光纤收发器模块之间的直接连接。XAUI是标准草案建议中万兆可插式光纤模块（XGP）的接口。将XAUI解决方案与XGP集成为一体后，万兆以太网的多个端口便可以实现MAC与光纤模块之间的互连。这种连接方式成本低、效率高，而且只需要通过印刷线路的铜导线便可实现MAC与光纤模块之间的连接。

图4 XAUI可充当MAC和PCS之间的一个扩展接口

4.2 相关物理介质层（PMD）

IEEE 802.3ae 特别工作组已经开发了一个标准草案，它所提供的物理层可以支持光纤传输介质。其连接距离如右表所示。

为了达到特定的距离，特别工作组共选择了4个PMD。其中，特别工作组选择了1310纳米串联PMD来实现2公里和10公里单模式光纤（SMF）的连接；选择1550纳米的串联方案来实现（或者超越）40公里的SMF目标。对40公里PMD的支持说明，千兆以太网已经能够成功地应用在城域网和局域网的远距离通信中。特别工作组还选用串行850纳米收发器，在多模光纤上使用850纳米的PMD实现65米的传输目标。

另外，特别工作组选择了两种宽波分复用（WWDM）的PMD，其中一种是1310纳米的单模光纤，用于10公里范围的应用；另一种1310纳米PMD用于在已安装的多模光纤上实现300米的传输目标。

物理层（PHY）

局域网物理层和广域网物理层将在共同的PMD上工作，因此，它们支持的距离也相同。这些物理层的惟一区别在于物理编码子层（PCS）各有不同。万兆局域网物理层的用途是以10倍的带宽来支持现有的千兆以太网应用，这也是目前性价比最高的解决方案。随着时间的推移，预计LAN PHY将被用于纯光纤交换网络环境中，并且可以扩展到广域网的范围。然而，为了能与现有的广域网兼容，万兆以太网WAN PHY将会支持现有的和未来将要安装的SONET/SDH（同步光纤网络/同步数字层）电路交换话音接入设备。

广域网物理层（WAN PHY）与局域网物理层（LAN PHY）的区别在于广域网接口子层（WIS）包含一个简化的SONET/SDH 帧编制器。因为SONET OC-192/SDH STM-64的运行速率只有万兆以太网的百分之几，所以要想实施一个能够与局域网物理层以10Gbps和谐工作的MAC也较为简单；同样，也可以以较为简单的方式实施能够与广域网物理层配合工作的MAC，其有效速率大约为9.29Gbps。

为了降低广域网物理层在实施过程中的成本，工作组没有实现物理层与SONET/SDH波动、分层时钟，以及某些光纤规格兼容。从根本上来说，广域网物理层是使用通用以太网PMD实现的高性价比连接。它可以向SONET/SDH基础设施提供访问能力，使基于包的IP/以太网交换机可以附加至SONET/SDH和时分复用（TDM）基础设施上。在广域网传输主干网上，这一特性使得以太网可以将SONET/SDH作为其第一传输层。

还有一点需要指出的是，以太网仍然是一种异步连接。与任何以太网一样，万兆以太网的计时和同步工作在每个字符的数据位流中进行，但是接收端的集线器、交换机或路由器可能会对数据进行重新计时和同步。相比之下，同步协议，包括SONET/SDH在内，要求所有设备共享同一系统时钟，其目的是避免在传送和接收设备之间出现时间错乱。因为如果发生时间错乱，网络传输过程中的错误会增多，特别对于那些需要及时传输数据的网络来说，时间错乱是最为致命的问题。

表2 工作组确定光纤传输的目标距离

可选收发机所支持的光纤型号目标距离(米)

850nm串行多模65

1310nmWWDM 多模300

1310nmWWDM 单模10000

1310nm串行单模10000

1550nm串行单模40000 广域网物理层将诸如交换机或路由器这样的数据设备连入SONET/SDH或光纤网络中。这样便可以以最简单的方式对以上网络中的以太网进行扩展。因此，两台路由器在工作时就好像它们是通过以太网链路直接连在一起的。由于在它们之间不需要网桥或存储转发缓存设备，所以，不同服务中所有的IP流量管理系统都是在连接两台路由器的扩展万兆以太网链路中运行的。

为简化扩展万兆以太网链路的管理工作，广域网物理层可以提供多种SONET/SDH管理信息，网络管理员能够像查看SONET/SDH链路一样，查看以太广域网物理层的信息。网络管理员还可以利用SONET/SDH管理功能，在整个网络中进行性能监测和错误隔离操作，操作对象包括万兆以太网广域网链路。SONET/SDH管理信息是由广域网接口子层（WIS）提供的，WIS的工作范围介于局域网物理层的64B/66B PCS和串行PMD层之间。