高速10GE接口研究

高速10GBE接口研究
一、10GBE以太网规范
就目前来说，10GBE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10GBE以太网规范，二是基于双绞线（或铜线）的局域网10GBE以太网规范，三是基于光纤的广域网10GBE
二、10GBE以太网的物理结构
10GbE标准框架包含两个物理层规范：LAN PHY和WAN PHY。

另外还有三种PCS子层：10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。

前两个属于LAN PHY系列，最后一个属于WAN PHY。

LAN PHY和WAN PHY的区别在于帧类型和接口速度。

10GBASE-X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器/接收器在3.125Gbit/s 速度（数据流速度为2.5Gbit/s）下工作。

10GBASE-R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太网中所用的8B /10B）的串行接口，数据流为10.000Gbit/s，因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。

10GBASE-W是广域网接口，与SONET OC-192兼容，其时钟为9.953Gbit/s数据流为9.585Gbit/s。

由于本公司设备关于10GE应用重点在LAN PHY，下面就重点介绍其应用。

10GBE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，10GBE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10GBE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10GBE以太网技术中，其中使用比较多的是一种称之为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层对PHY的补充。

XAUI还可以在以太网的MAC层和PHY的互联方面代替或作为XGMII的扩展，这是XGMII比较典型的应用。

XAUI与XGMII的关系见图2-1：
图2-1XAUI与XGMII的关系
XGMII为10吉比特全双工接口，其宽度为74bit，其中数据通道为64bit（单向数据通道为32bit），其余的为时钟和控制信号比特，它是连接以太网MAC层和物理层的桥梁。

当XGMII提供10吉比特的数据通道时，由于时钟比特和数据比特再加上在时钟上升沿和下降沿锁存数据的定时要求，会导致路由选择的总线长度超出通常建议的7cm，因此使用XGMII总线会对系统线卡的端口数量产生很大限制，所以在芯片之间、各种板之间，以及芯片和光学组件之间的接口一般不选用此接口。

XAUI直接从千兆以太网标准中1000Base-X的PHY发展而来，其接口的速率是1000Base-X的2.5倍。

XAUI接口是一个全双工接口，它分别在两个方向上使用4对自同步串行链路来实现10Gbit/s的吞吐量。

每一个串行链路使用8B/10B编码传送数据和开销，其工作速率为3.125Gbit/s，自同步特性消除了时钟和数据的相位偏移。

XGMII和XAUI接口之间的转换由XAUI扩展子层（XAUI Extender Sublayer, XGXS）完成，在XAUI接口的信号源侧，某给定线上的数据和时钟字节在XGXS中被转变成8B/10B编码数据流。

每对线上的数据流传输速率为3.125Gbit/s。

在互连的信号宿侧，将时钟信号从到达的数据流中提取出来，再通过解码，重新映射成32bit XGMII格式。

这样，74针的XGMII接口可以减少成8对即16针的XAUI接口；而且，XAUI的信源同步时钟方案允许XAUI交叉时钟域，从而
在系统中除去复杂的定时校正。

由于XAUI接口结构紧凑，性能健壮，因此很适合用于芯片之间、各种板之间，以及芯片和光学组件之间。

优缺点见表2-1所示：
表2-1 XAUI与XGMII优劣比较
三、10GBE以太网的光接口
10GbE以太网的光接口目前有Xenpak，Xpak，X2，XFP，SFP+等。

根据现在流行的做法，基本上偏爱使用XFP和SFP+。

下面分别就两种接口进行说明：
XFP的速率是10G，并且是串行光收发模块的一种标准化封装。

它完全符合以下标准：10G光纤通道、10G以太网、SONET/OC-192和SDH/STM-64。

XFP光模块主要用于数据通讯和电信传输网的光纤传输XFP模块是一种可热插拔的、占电路板面积很小的、串行－串行光收发器，可以支持SONET OC‐192、10 Gbps 以太网、10 Gbps 光纤通道和G.709链路。

它是串行10G光收发模块的一种标准化封装。

它与协议无关并且完全符合以下标准：10G以太网、10G光纤通道、SONET/OC-192和SDH/STM-64。

XFP光收发模块用于数据通讯和电信传输网的光纤连接并且其优点在于拥有比其他10G光转发器（如XENPAK、X2）更小的管脚。

主板的电接口是标准化的称为XFI的10G 串行接口。

其处理方式如图3-1所示
图3-1 XFP内部图
10G模块经历了从300Pin，XENPAK，X2，XFP的发展，最终实现了用和SFP一样的
尺寸传输10G的信号，这就是SFP+。

SFP凭借其小型化低成本等优势满足了设备对光模块高密度的需求，从2002年标准推了，到2010年已经取代XFP成为10G 市场主流。

SFP+光模块优点：
1、SFP+具有比X2和XFP封装更紧凑的外形尺寸(与SFP尺寸相同）；
2、可以和同类型的XFP,X2,XENPAK直接连接；
3、成本比XFP,X2,XENPAK产品低。

XFP和SFP+ 的区别如下：
1、SFP+和XFP 都是10G 的光纤模块，且与其它类型的10G模块可以互通；
2、SFP+比XFP 外观尺寸更小；
3、因为体积更小SFP+将信号调制功能，串行/解串器、MAC、时钟和数据恢复(CDR)，以及电子色散补偿(EDC)功能从模块移到主板卡上；
4、XFP 遵从的协议：XFP MSA协议；
5、SFP+遵从的协议：IEEE 802.3ae、SFF-8431、SFF-8432；
6、SFP+是更主流的设计。

7、SFP+ 协议规范：IEEE 802.3ae、SFF-8431、SFF-8432。