以太網(wǎng)物理層協(xié)議整理(2)-萬兆以太網(wǎng)

2016-11-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

前言

在萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化過程中,IEEE和10GEA(萬兆以太網(wǎng)聯(lián)盟)是兩個(gè)最重要的組織。

萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都比較繁多,在標(biāo)準(zhǔn)方面,首先有2002年的IEEE 802.3ae,后來也不斷有新的萬兆以太網(wǎng)規(guī)范推出,如2006年的IEEE 802.3an標(biāo)準(zhǔn)(10GBase-T)就推出了基于雙絞銅線的萬兆以太網(wǎng)規(guī)范,同樣的IEEE 802.3aq標(biāo)準(zhǔn)推出了基于光纖的10GBase-LRM;2007年的IEEE 802.3ap標(biāo)準(zhǔn)推出了基于銅線的10GBase-KX4和10GBase-KR規(guī)范。

1 IEEE 802.3ae萬兆以太網(wǎng)物理層體系結(jié)構(gòu)

 IEEE 802.3ae萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下內(nèi)容:
- 兼容802.3標(biāo)準(zhǔn)中定義的最小和最大以太網(wǎng)幀長度;
- 僅支持全雙工方式;
- 使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路和結(jié)構(gòu)化布線組建星形物理結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng);
- 支持802.3ad鏈路匯聚協(xié)議;
- 在MAC/PLS服務(wù)接口上實(shí)現(xiàn)10Gbps的速度;
- 定義兩種PHY(物理層規(guī)范),即局域網(wǎng)PHY和廣域網(wǎng)PHY;
- 定義將MAC/PLS的數(shù)據(jù)傳送速率對(duì)應(yīng)到廣域網(wǎng) PHY數(shù)據(jù)傳送速率的適配機(jī)制;
- 定義支持特定物理介質(zhì)相關(guān)接口(PMD)的物理層規(guī)范,包括多模光纖和單模光纖以及相應(yīng)傳送距離;支持ISO/IEC 11801第二版中定義的光纖介質(zhì)類型等等。
- 通過WAN界面子層(WIS:WAN interface sublayer),萬兆位以太網(wǎng)也能被調(diào)整為較低的傳輸速率,如9.584640Gbps (OC-192c, 9953.280*260/270=9584.64),這就允許萬兆位以太網(wǎng)設(shè)備與同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)STS -192c傳輸格式相兼容.

在萬兆以太網(wǎng)技術(shù)中,其中比較突出的是一種稱之為XAUI的接口。XAUI借用了原來的以太網(wǎng)附加單元接口(Attachment Unit Interface,AUI)的簡稱,而X源于羅馬數(shù)字中的10,代表每秒傳輸10千兆比特的意思。XAUI被設(shè)計(jì)成既是一個(gè)接口擴(kuò)展器,又是一個(gè)接口。其實(shí)在體系結(jié)構(gòu)中就是將在下面提到的10Gb/s介質(zhì)獨(dú)立接口(10 Gigabit Media Independent Interface,XGMII),也可以看成是對(duì)XGMII接口的擴(kuò)展。XGMII是具有74條信號(hào)線的接口,其中的32條數(shù)據(jù)線用于數(shù)據(jù)的收發(fā)。XGMII也可以作為以太網(wǎng)的MAC層對(duì)PHY的補(bǔ)充。XAUI還可以在以太網(wǎng)的MAC層和PHY的互聯(lián)方面代替或作為XGMII的擴(kuò)展,這是XGMII比較典型的應(yīng)用。XAUI直接從千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中1000Base-X的PHY發(fā)展而來,它具有自帶時(shí)鐘的串行總線。XAUI接口的速率是1000Base-X的2.5倍。通過4條串行通道,保證萬兆以太網(wǎng)的XAUI接口所支持的數(shù)據(jù)吞吐量是千兆以太網(wǎng)的10倍。

IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布的規(guī)范它包括了10GBASE-R(包括10GBase-SR、10GBase-LR和10GBase-ER三個(gè)規(guī)范)、10GBASE-W(包括10GBase-SW、10GBase-LW和10GBase-EW三個(gè)規(guī)范)、10GBase-X(僅包括10GBASE-LX4規(guī)范)三種物理接口標(biāo)準(zhǔn)。

在10GBase-X子系列的體系結(jié)構(gòu)中,物理層結(jié)構(gòu)與千兆以太網(wǎng)的基本類似,只是PCS子層與RS子層之間的接口由原來的GMII變成了XGMII,也就是前面說的XAUI。10GBASE-X使用一種特緊湊包裝,含有1個(gè)較簡單的WWDM(Wide Wavelength Division Multiplexing)器件、4個(gè)接收器和4個(gè)在1300nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器,使用8B/10B編碼,每一對(duì)發(fā)送器/接收器在3.125Gbit/s速度(數(shù)據(jù)流速度為2.5Gbit/s)下工作。

而在10GBase-R子系列的三個(gè)規(guī)范中的物理層,除了上述接口換成為XGMII外,還有一個(gè)區(qū)別就是PCS子層的編碼方式由原來的8B/10B改變成了64B/66B。數(shù)據(jù)流為10.000Gbit/s,因而產(chǎn)生的時(shí)鐘速率為10.3125Gbit/s。

在10GBase-W子系列的三個(gè)規(guī)范中相對(duì)千兆以太網(wǎng)物理層的改變更大,除了在10GBase-R子系列中的兩處改變外,還在PCS子層與PMA子層之間增加了一個(gè)新的子層--WIS(WAN Interface Sublayer)子層。通過WIS,萬兆以太網(wǎng)也能被調(diào)整為較低的傳輸速率,其時(shí)鐘為9.953Gbit/s, 數(shù)據(jù)流為9.584640Gbit/s,這就允許萬兆以太網(wǎng)設(shè)備與同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)STS-192c傳輸格式相兼容。

10G以太局域網(wǎng)和10G以太廣域網(wǎng)(采用OC-192c)物理層的速率不同,10G以太局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)率為10Gbit/s,而10G以太廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)率為9.58464Gbit/s,但是兩種速率的物理層共用一個(gè)MAC層,MAC層的工作速率為10Gbit/s。
采用什么樣的調(diào)整策略將10GMII接口的10Gbit/s傳輸速率降低,使之與物理層的傳輸速率9.58464Gbit/s相匹配,是10G以太廣域網(wǎng)需要解決的問題。
目前將10Gbit/s速率適配為9.58464Gbit/s的OC-192c的調(diào)整策略有3種: 
- 在GMII接口處發(fā)送HOLD信號(hào),MAC層在一個(gè)時(shí)鐘周期停止發(fā)送
- 利用“Busy idle”,物理層向MAC層在IPG期間發(fā)送“Busy idle”,MAC層收到后,暫停發(fā)送數(shù)據(jù)。物理層向MAC層在IPG期間發(fā)送“Normal idle”, MAC層收到后,重新發(fā)送數(shù)據(jù);
- 采用IPG延長機(jī)制:MAC幀每次傳完一幀,根據(jù)平均數(shù)據(jù)速率動(dòng)態(tài)調(diào)整IPG間隔

2基于光纖的局域網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)

就目前來說,用于局域網(wǎng)的基于光纖的萬兆以太網(wǎng)規(guī)范有:10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-LRM、10GBase-ER、10GBase-ZR和10GBase-LX4這六個(gè)規(guī)范。

2.1) 10GBase-SR

10GBase-SR中的"SR"代表"短距離"(short reach)的意思,該規(guī)范支持編碼方式為64B/66B的短波(波長為850nm)多模光纖(MMF),有效傳輸距離為2~300m,要支持300m傳輸需要采用經(jīng)過優(yōu)化的50μm線徑OM3(Optimized Multimode 3,優(yōu)化的多模3)光纖(沒有優(yōu)化的線徑50μm光纖稱為OM2光纖,而線徑為62.5μm的光纖稱為OM1光纖)。10GBase-SR具有最低成本、最低電源消耗和最小的光纖模塊等優(yōu)勢(shì)。

2.2) 10GBase-LR

10GBase-LR中的"LR"代表"長距離"(Long Reach)的意思,該規(guī)范支持編碼方式為64B/66B的長波(1310nm)單模光纖(SMF),有效傳輸距離為2m到10km,事實(shí)上最高可達(dá)到25km。10GBase-LR的光纖模塊比下面將要介紹的10GBase-LX4光纖模塊更便宜。

2.3) 10GBase-ER

10GBase-ER中的"ER"代表"超長距離"(Extended Reach)的意思,該規(guī)范支持超長波(1550nm)單模光纖(SMF),有效傳輸距離為2m到40km。

2.4) 10GBase-LX4

10GBase-LX4采用波分復(fù)用技術(shù),通過使用4路波長統(tǒng)一為1300 nm,工作在3.125Gb/s的分離光源來實(shí)現(xiàn)10Gb/s傳輸。該規(guī)范在多模光纖中的有效傳輸距離為2~300m,在單模光纖下的有效傳輸距離最高可達(dá)10km。它主要適用于需要在一個(gè)光纖模塊中同時(shí)支持多模和單模光纖的環(huán)境。因?yàn)?0GBase-LX4規(guī)范采用了4路激光光源,所以在成本、光纖線徑和電源成本方面較10GBase-LRM規(guī)范有不足之處。

2.5) 10GBase-LRM

在10GBASE-LRM之前,已有兩種10GE端口支持多模光纖,即10GBASE-SR和10GBASE-LX4。為什么IEEE 802.3aq創(chuàng)建另一種多模光纖端口類型10GBASE-LRM?
只有安裝新型高帶寬OM3 (50 um纖芯)多模光纖, 10GBASE-SR才能支持300米的距離。在通常安裝的帶寬較低的多模光纖OM1 (62μm纖芯)和OM2 (50 μm纖芯)上, 10GBASE-SR只能用于機(jī)房中的設(shè)備間互連。10GBASE-LX4是一種昂貴的波分復(fù)用解決方案。
OM1和OM2光纖的安裝數(shù)量龐大,而且正在不斷增長,其要求真正經(jīng)濟(jì)的10G以太網(wǎng)解決方案。
10GBase-LRM中的"LRM"代表"Long Reach Multimode”,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為2006年發(fā)布的IEEE 802.3aq。波長1300 nm,在1990年以前安裝的FDDI 62.5μm多模光纖的FDDI網(wǎng)絡(luò)和100Base-FX網(wǎng)絡(luò)中的有效傳輸距離為220m,而在OM3光纖中可達(dá)260m,在連接長度方面,不如以前的10GBase-LX4規(guī)范,但是它的光纖模塊比10GBase-LX4規(guī)范光纖模塊具有更低的成本和更低的電源消耗。

2.6) 10GBase-ZR

幾個(gè)廠商提出了傳輸距離可達(dá)到80km超長距離的模塊接口,這就是10GBase-ZR規(guī)范。它使用的也是超長波(1550nm)單模光纖(SMF)。但80km的物理層不在EEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi),是廠商自己在OC-192/STM-64 SDH/SONET規(guī)范中的描述,也不會(huì)被IEEE 802.3工作組接受。

3基于雙絞線(或銅線)的局域網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)

包括10GBase-CX4、10GBase-KX4、10GBase-KR、10GBase-T。

3.1) 10GBase-CX4

IEEE 802.3ak提出10GBase-CX4在同軸銅纜上實(shí)現(xiàn)萬兆以太網(wǎng)傳輸,已于2004年3月獲得了批準(zhǔn),但傳輸距離被限制在15米之內(nèi)。10GBase-CX4使用802.3ae中定義的XAUI(萬兆附加單元接口)和用于InfiniBand中的4X連接器,傳輸介質(zhì)稱之為"CX4銅纜"(其實(shí)就是一種屏蔽雙絞線)。10GBase-CX4規(guī)范不是利用單個(gè)銅線鏈路傳送萬兆數(shù)據(jù),而是使用4臺(tái)發(fā)送器和4臺(tái)接收器來傳送萬兆數(shù)據(jù),并以差分方式運(yùn)行在同軸電纜上,每臺(tái)設(shè)備利用8B/10B編碼,以每信道3.125GHz的波特率傳送2.5Gb/s的數(shù)據(jù)。這需要在每條電纜組的總共8條雙同軸信道的每個(gè)方向上有4組差分線纜對(duì)。另外,與可在現(xiàn)場(chǎng)端接的5類、超5類雙絞線不同,CX4線纜需要在工廠端接,因此客戶必須指定線纜長度。線纜越長一般直徑就越大。10GBase-CX4的主要優(yōu)勢(shì)就是低電源消耗、低成本、低響應(yīng)延時(shí),但是接口模塊比SPF+的大。

3.2) 10GBase-KX4 / 10GBase-KR

10GBase-KX4 和10GBase-KR所對(duì)應(yīng)的是2007年發(fā)布的IEEE 802.3ap標(biāo)準(zhǔn)。它們主要用于背板應(yīng)用,如刀片服務(wù)器、路由器和交換機(jī)的集群線路卡,所以又稱之為"背板以太網(wǎng)"。
萬兆背板目前已經(jīng)存在并行和串行兩種版本。并行版(10GBase-KX4規(guī)范)是背板的通用設(shè)計(jì),它將萬兆信號(hào)拆分為4條通道(類似XAUI),10GBase-KX4使用與10GBase-CX4規(guī)范一樣的物理層編碼,每條通道的帶寬都是3.125Gb/s。而在串行版(10GBase-KR規(guī)范)中只定義了一條通道,采用與10GBase-LR/ER/SR三個(gè)規(guī)范一樣的物理層編碼- 64/66B編碼方式實(shí)現(xiàn)10Gb/s高速傳輸。在10GBase-KR規(guī)范中,為了防止信號(hào)在較高的頻率水平下發(fā)生衰減,背板本身的性能需要更高,而且可以在更大的頻率范圍內(nèi)保持信號(hào)的質(zhì)量。

3.3) 10GBase-T

10GBase-T對(duì)應(yīng)的是2006年發(fā)布的IEEE 802.3an標(biāo)準(zhǔn),10GBase-T的目標(biāo)是:
- 10位誤差率(BER);
- 在100米長的F級(jí)布線(7類)上數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到萬兆位/秒;
- 在55到100米長的E級(jí)布線(6類)上數(shù)據(jù)傳輸速度到達(dá)萬兆位/秒。新CAT6a可達(dá)到100米的傳輸距離, 6a類和6類的主要區(qū)別點(diǎn)包括:6a類將擴(kuò)展至500MHz頻率之外,6類可能停步于250MHz..

10GBase-T沿用1000Base-T的傳輸方式,仍然采用四個(gè)差分對(duì)同時(shí)雙向傳輸,全雙工,但傳輸?shù)目偹俾矢哌_(dá)10Gbps,每對(duì)線的速率高達(dá)2.5Gbps。在編碼方面,不是采用原來1000Base-T的PAM-5,而是采用了PAM-16編碼方式。

我們來回顧一下1000Base-T 使用的PAM5(5級(jí)脈沖調(diào)幅技術(shù))調(diào)制技術(shù)。在PAM5模式下,介質(zhì)中傳輸?shù)男盘?hào)不再是簡單的0和1,而是分成了5個(gè)級(jí)別(-2,-1,0,1,2)。這個(gè)分為5個(gè)級(jí)別的電平信號(hào)稱之為碼元,1個(gè)碼元所能攜帶的多少個(gè)bit 的信息取決于碼元的特性和編碼的方式。比如PAM5,每個(gè)PAM5碼元最多攜帶2.32個(gè)bit(22.32=5),考慮到編碼的效率及需要糾錯(cuò)碼和同步碼,所以最終1000Base-T每個(gè)碼元攜帶2個(gè)bit的信息。
根據(jù)奈氏準(zhǔn)則,理想低通信道下的最高碼元傳輸速率=2*帶寬,我們知道1000Base-T 的碼元速率為125M/秒,所以要求至少有62.5Mhz的傳輸帶寬。

如果沿用1000Base-T 的技術(shù),那10GBase-T的碼元傳輸速率為1250M/秒,系統(tǒng)最小傳輸帶寬為625MHz。這對(duì)傳輸系統(tǒng)的性能提出了很高的要求;
但如果提高碼元的性能,讓一個(gè)碼元攜帶更多的Bit,降低系統(tǒng)最小帶寬,就需要強(qiáng)大的處理器進(jìn)行編解碼處理,那意味著成本的增加,這是一對(duì)矛盾。最后經(jīng)過性能和成本的平衡,10GBase-T 使用了PAM16技術(shù)(16級(jí)脈沖調(diào)幅,采用-15,-13,-11,-9,-7,-5,-3,-1,1,3,5,7,9,11,13,15),PAM16調(diào)制下,脈沖電壓幅度分為16級(jí)電平,這樣每個(gè)電壓幅度(稱之為”Symbol”)可以表示4個(gè)bit的信息,其中3.125bit是有效數(shù)據(jù),另外的0.875位用于輔助和校驗(yàn)等。當(dāng)然,3.125和0.875都是平均值。800M每秒的碼元速率,最小帶寬要求400Mhz。

為了讓PAM16能夠安全的傳輸10Gbps(BER=10-12),就需要設(shè)置一定的編碼規(guī)則。為了能夠提高BER,還要加入校驗(yàn)碼進(jìn)行前向糾錯(cuò),10GBase-T采用的LDPC碼(低密度奇偶校驗(yàn)碼) 是一種線性分組碼,具有優(yōu)越的糾錯(cuò)性能和巨大的實(shí)用價(jià)值,被認(rèn)為是迄今為止性能最好的糾錯(cuò)碼。LDPC碼的性能能夠逼近香農(nóng)極限,同時(shí)這種逼近又是在不太高的譯碼復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)的,硬件實(shí)現(xiàn)簡單,同樣兼顧性能和成本。
在10GBase-T編碼過程中。每64個(gè)bit信息,加上控制/數(shù)據(jù)的標(biāo)志位組成一個(gè)65bit的塊(block),50個(gè)塊編成一個(gè)組(Group),每個(gè)組加上8bit CRC校驗(yàn)碼。一共生成65*50+8=3258個(gè)bit, 再附加上一個(gè)通道附加碼一共是3259個(gè)bit。
3259個(gè)bit分成2個(gè)部分,3*512bit (含通道附加碼)通過無保護(hù)方式傳輸,另外1723 bit 再加上325個(gè)校驗(yàn)碼,通過LDPC(1723,2048)保護(hù)方式傳輸,這樣共需要 512個(gè)128DSQ編碼(3*512+4*512),也就是1024個(gè)PAM16符號(hào)。最終相當(dāng)于每個(gè)PAM16 攜帶3.125個(gè)bit信息(64*50/1024=3.125)
傳輸速率=3.125*800M*4=10G bp

4基于光纖的廣域網(wǎng)萬兆以太網(wǎng)

10GBase-SW、10GBase-LW、10GBase-EW和10GBase-ZW規(guī)范都是應(yīng)用于廣域網(wǎng)的物理層規(guī)范,專為工作在OC-192/STM-64 SDH/SONET環(huán)境而設(shè)置,使用輕量的SDH/SONET幀,運(yùn)行速率為9.953Gb/s。
它們所使用的光纖類型和有效傳輸距離分別對(duì)應(yīng)于前面介紹的10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-ER和10GBase-ZR規(guī)范。
10GBase-LX4和10GBase-CX4規(guī)范中沒有廣域網(wǎng)物理層,因?yàn)橐郧暗腟ONET/SDH標(biāo)準(zhǔn)都是工作在串行傳輸方式的,而10GBase-LX4和10GBase-CX4規(guī)范采用的是并行傳輸方式。

5萬兆以太網(wǎng)規(guī)范比較

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