万兆以太网规范

5.5.1 万兆以太网规范
5.5.1 万兆以太网规范
从前面的介绍可以得出，就目前来说，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（是一比较庞大的家族，比千兆以太网的9个又多了许多）。

在这10多个规范中，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
就目前来说，用于局域网的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。

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。

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。

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 62.5?m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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
5.5.2 万兆以太网的物理层结构
5.5.2 万兆以太网的物理层结构
万兆以太网采用了IEEE 802.3以太网介质访问控制（MAC）协议、IEEE 802.3以太网帧格式，以及IEEE 802.3帧的最大和最小尺寸。

正如千兆以太网标准1000Base-X和
1000Base-T保留了以太网模型的基本内容一样，万兆以太网在本质上仍然是以太网在速度和距离方面的自然进化。

但因为万兆以太网是一种只采用全双工的传输技术，所以网络运营商不需要应用低速的、半双工的CSMA/CD协议。

在许多万兆以太网规范中，也对应了许多不同类型的万兆以太网物理层，但总体类型还是与最初于2002年发布的几类万兆以太网规范差不多。

下面分基于光纤传输介质万兆以太网规范物理层和基于铜线传输介质万兆以太网规范物理层两种类型进行介绍。

在2002年发布的7个规范中，可以分为三大类，即10GBase-X（仅包括10GBase-X规范）、10GBase-R（包括10GBase-SR、10GBase-LR和10GBase-ER三个规范）和10GBase-W （包括10GBase-SW、10GBase-LW和10GBase-EW三个规范）。

这三个子系列所对应的物理层体系结构分别对应图5-19中的左、中、右图（注意其中用颜色标注的部分）。

在万兆以太网技术中，其中比较突出的是一种称之为XAUI的接口。

XAUI借用了原来的以太网附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的简称，而X源于罗马数字中的10，代表每秒传输10千兆比特的意思。

XAUI被设计成既是一个接口扩展器，又是一个接口。

其实在体系结构中就是将在下面提到的10Gb/s介质独立接口（10 Gigabit Media Independent Interface，XGMII），也可以看成是对XGMII接口的扩展。

XGMII是具有74条信号线的接口，其中的32条数据线用于数据的收发。

XGMII也可以作为以太网的MAC
XAUI直接从千兆以太网标准中1000Base-X的PHY发展而来，它具有自带时钟的串行总线。

XAUI接口的速率是1000Base-X的2.5倍。

通过4条串行通道，保证万兆以太网的XAUI接口所支持的数据吞吐量是千兆以太网的10倍。

对比一下图5-16中右图所示的千兆以太网标准中的物理层可以看出，在10GBase-X子系列的体系结构中，物理层结构与千兆以太网的基本类似，只是PCS子层与RS子层之间的接口由原来的GMII变成了XGMII，也就是前面说的XAUI。

而在10GBase-R子系列的三个规范中的物理层，除了上述接口换成为XGMII外，还有一个区别就是PCS子层的编码方式由原来的8B/10B改变成了64B/66B。

在10GBase-W子系列的三个规范中相对千兆以太网物理层的改变更大，除了在10GBase-R子系列中的两处改变外，还在PCS子层与PMA子层之间增加了一个新的子层--WIS（WAN接口）子层。

通过WAN接口子层（WAN Interface Sublayer，WIS），万兆以太网也能被调整为较低的传输速率，如9.584640Gb/s（OC-192），这就允许万兆以太网设备与同步光纤网络（SONET）STS-192c传输格式相兼容。

下面对万兆以太网物理层的这几个子层和接口进行具体介绍。

PMD（物理介质相关）子层
PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间交换串行化的符号代码位。

PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。

PMD是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上发送和接收信号。

PMA（物理介质连接）子层
PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接口。

它与PCS子层的连接称为PMA服务接口。

另外PMA子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）的符号定时时钟。

WIS（广域网接口）子层
WIS子层是可选的物理子层（只在10GBase-W子系列三个规范中采用），位于PMA 子层与PCS子层之间，用于广域网中产生适配ANSI定义的SONET STS-192c传输格式，或ITU定义SDH VC-4-64c容器速率的以太网数据流。

该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。

PCS（物理编码）子层
PCS子层位于协调子层（通过GMII）和物理介质接入层（PMA）子层之间。

PCS子层完成将经过完善定义的以太网MAC功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。

PCS子层和上层RS子层的接口由XGMII提供，与下层PMA接口使用PMA服务接口。

RS（协调子层）和XGMII（10Gb/s介质无关接口）
协调子层的功能是将XGMII的通路数据和相关控制信号映射到原始PLS服务接口定义（MAC/PLS）接口上。

XGMII接口提供了10Gb/s的MAC和物理层间的逻辑接口。

XGMII 和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质上。

5.5.3 万兆以太网MAC子层
5.5.3 万兆以太网MAC子层
应用于局域网的万兆以太网的MAC子层与千兆以太网的MAC子层的帧格式基本一样（参见图5-17），但不再支持CSMA/CD介质控制方式，只允许进行全双工传输。

这就意味着万兆以太网的传输将不受CSMA/CD冲突字段的限制，从而突破了局域网的概念，进入到了城域网和广域网范畴。

又由于10G以太网可以在广域网上使用，所以为了与传统的以太网兼容，必须采用标准以太网的帧格式承载业务。

为了达到10Gb/s的高速率可以采用SONET/SDH网络中的OC-192c帧格式传输，这就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能。

同时，由于以太网的原设计是面向局域网的，网络管理功能较弱，传输距离短并且其物理线路没有任何保护措施。

当以太网作为广域网进行长距离、高速率传输时必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。

因此，如果以太网帧要在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。

以太网一般利用物理层中特殊的10B（Byte）代码实现帧定界。

当MAC层有数据需要发送时，PCS子层对这些数据进行8B/10B编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组SFD（帧起始定界符）和EFD（帧结束定界符）；当PCS子层收到来自底层的10B编码数据时，可以很容易地根据SFD（帧起始字界符）和EFD（帧结尾定界符）找到帧的起始和结束，从而完成帧定界。

但是SDH中承载的千兆以太网帧定界不同于标准的千兆以太网帧定界，因为复用的数据已经恢复成8B编码的码组，去掉了SFD和EFD。

如果只利用千兆以太网的前导码（Preamble）和SFD进行帧定界，由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，采用这样的帧定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界。

为了避免上述情况，10G以太网采用了HEC（Header-Error-Check，头部错误检测）策略。

在以太网帧中添加了"长度"字段和"HEC"字段。

为了在定帧过程中方便查找下一个帧位置，同时又确保最大帧长为1518字节，所以把原来"前导码"字段的两个字节改
用为"长度"字段，然后对前面的8字节进行CRC-16校验，将最后得到的两个字节作为"HEC"字段插入SFD之后，DA字段之前。

【注意】10G WAN物理层并不是简单地将以太网MAC帧用OC-192c承载。

虽然借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销，但是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化，使得修改后的以太网对抖动不敏感，对时钟的要求不高。

减少了许多不必要的开销，简化了SDH帧结构，与千兆以太网相比，增强了物理层的网络管理和维护，可在物理线路上实现保护倒换。

其次，避免了烦琐的同步复用，信号不是从低速率复用成高速率流，而是直接映射到OC-192c净负荷中。

10G以太局域网和10G以太广域网（采用OC-192C）物理层的速率不同，10G以太局域网的数据率为10Gb/s，而10G以太广域网的数据率为9.58464Gb/s（SDH OC-192c，是PCS 层未编码前的速率），但是两种速率的物理层共用一个MAC层，MAC层的工作速率为
10Gb/s。

采用什么样的调整策略将10G MII接口的10Gb/s传输速率降低，使之与物理层的传输速率9.58464Gb/s相匹配，是10G以太广域网需要解决的问题。

5.5.4 万兆以太网的主要特性和优势
5.5.4 万兆以太网的主要特性和优势
万兆以太网定义在IEEE 802.3ae协议中，其数据传输速率达到百亿比特每秒。

基于当今广泛应用的以太网技术，万兆以太网提供了与各种以太网标准相似的有利特点。

但同时它又具有相对以前几种以太网技术鲜明的特点和优势，主要体现在以下几个方面：物理层结构不同
万兆以太网是一种只采用全双工数据传输技术，其物理层（PHY）和OSI参考模型的第一层（物理层）一致，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参考模型的第二层（数据链路层）。

万兆以太网标准的物理层分为两部分，分别为LAN物理层和WAN物理层。

LAN物理层提供了现在正广泛应用的以太网接口，传输速率为10Gb/s；WAN物理层则提供了与OC-192c和SDH VC-6-64c相兼容的接口，传输速率为9.58Gb/s。

与SONET不同的是，运行在SONET上的万兆以太网依然以异步方式工作。

WIS（WAN接口子层）将万兆以太网流量映射到SONET的STS-192c帧中，通过调整数据包间的间距，使OC-192c略低的数据传输率与万兆以太网相匹配。

提供多种物理接口
千兆以太网的物理层每发送8比特的数据要用10比特组成编码数据段，网络带宽的利用率只有80%；万兆以太网则每发送64比特只用66比特组成编码数据段，比特利用率达97%。

虽然这是牺牲了纠错位和恢复位换取的，但万兆以太网采用了更先进的纠错和恢复技术，确保数据传输的可靠性。

基于光纤的万兆以太网标准的物理层可进一步细分为5种具体的接口，分别为1550nm LAN接口、1310nm宽频波分复用（WWDM）LAN接口、850nm LAN接口、1550nm WAN 接口和1310nm WAN接口。

以上每种接口都有其对应的最适宜的传输介质：850nm LAN接口适用于50/125μm多模光纤上，最大传输距离为65m；50/125μm多模光纤现在已用得不多，但由于这种光纤制造容易，价格便宜，所以用来连接服务器比较划算；1310nm宽频波分复用（WWDM）LAN 接口适用于66.5/125μm多模光纤上，传输距离为300m；66.5/125μm的多模光纤又叫FDDI 光纤，是目前企业使用得最广泛的多模光纤，从20世纪80年代末90年代初开始在网络界大行其道；1550nm WAN接口和1310nm WAN接口适合在单模光纤上进行长距离的城域网和广域网数据传输；1310nm WAN接口支持的传输距离为10km；1550nm WAN接口支持的传输距离为40km。

另外，在10GBase-T规范中，还支持最常见的双绞线RJ-45接口。

带宽更宽，传输距离更长
万兆以太网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80km）。

另外，过去有时需采用数个千兆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，现在可以采用万兆互连，甚至4个万兆捆绑互连，达到40Gb/s 的宽带水平。

结构简单、管理方便、价格低廉
由于万兆以太网只工作于光纤模式（屏蔽双绞线也可以工作于该模式），没有采用载波侦听多路访问和冲突检测（CSMA/CD）协议和访问优先控制技术，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，也因而得到了广泛的应用。

便于管理
采用万兆以太网，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。

应用更广
万兆以太网主要工作在光纤模式上，所以它不仅在局域网中可以得到应用，更在城域网和广域网中有着非常广阔的用途，把原来仅用于局域网的以太网带到了广阔的城域网和广域网中。

另外，随着网络应用的深入，WAN/MAN与LAN融合已经成为大势所趋，各自的应用领域也将获得新的突破，而万兆以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的速
度、可操作距离和连通性的途径，万兆以太网技术的应用必将为三网发展与融合提供新的动力。

具有更高多功能，服务质量更好
万兆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的需求。

当然，最重要的特性就是，万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上都占有极大的优势。

在升级到万兆以太网解决方案时，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，可实现平滑升级，保护了用户的投资；同时在未来升级到40Gb/s甚至100Gb/s 都将是很明显的优势。