以太网物理层协议整理(2)-万兆以太网

2016-11-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

前言

在万兆以太网标准化过程中,IEEE和10GEA(万兆以太网联盟)是两个最重要的组织。

万兆以太网标准和规范都比较繁多,在标准方面,首先有2002年的IEEE 802.3ae,后来也不断有新的万兆以太网规范推出,如2006年的IEEE 802.3an标准(10GBase-T)就推出了基于双绞铜线的万兆以太网规范,同样的IEEE 802.3aq标准推出了基于光纤的10GBase-LRM;2007年的IEEE 802.3ap标准推出了基于铜线的10GBase-KX4和10GBase-KR规范。

1 IEEE 802.3ae万兆以太网物理层体系结构

IEEE 802.3ae万兆以太网标准主要包括以下内容:
- 兼容802.3标准中定义的最小和最大以太网帧长度;
- 仅支持全双工方式;
- 使用点对点链路和结构化布线组建星形物理结构的局域网;
- 支持802.3ad链路汇聚协议;
- 在MAC/PLS服务接口上实现10Gbps的速度;
- 定义两种PHY(物理层规范),即局域网PHY和广域网PHY;
- 定义将MAC/PLS的数据传送速率对应到广域网 PHY数据传送速率的适配机制;
- 定义支持特定物理介质相关接口(PMD)的物理层规范,包括多模光纤和单模光纤以及相应传送距离;支持ISO/IEC 11801第二版中定义的光纤介质类型等等。
- 通过WAN界面子层(WIS:WAN interface sublayer),万兆位以太网也能被调整为较低的传输速率,如9.584640Gbps (OC-192c, 9953.280*260/270=9584.64),这就允许万兆位以太网设备与同步光纤网络(SONET)STS -192c传输格式相兼容.

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。

IEEE 802.3ae标准中发布的规范它包括了10GBASE-R(包括10GBase-SR、10GBase-LR和10GBase-ER三个规范)、10GBASE-W(包括10GBase-SW、10GBase-LW和10GBase-EW三个规范)、10GBase-X(仅包括10GBASE-LX4规范)三种物理接口标准。

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。10GBASE-X使用一种特紧凑包装,含有1个较简单的WWDM(Wide Wavelength Division Multiplexing)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,使用8B/10B编码,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。

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。数据流为10.000Gbit/s,因而产生的时钟速率为10.3125Gbit/s。

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 Interface Sublayer)子层。通过WIS,万兆以太网也能被调整为较低的传输速率,其时钟为9.953Gbit/s, 数据流为9.584640Gbit/s,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。

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10Gbit/s,而10G以太广域网的数据率为9.58464Gbit/s,但是两种速率的物理层共用一个MAC层,MAC层的工作速率为10Gbit/s。
采用什么样的调整策略将10GMII接口的10Gbit/s传输速率降低,使之与物理层的传输速率9.58464Gbit/s相匹配,是10G以太广域网需要解决的问题。
目前将10Gbit/s速率适配为9.58464Gbit/s的OC-192c的调整策略有3种:
- 在GMII接口处发送HOLD信号,MAC层在一个时钟周期停止发送
- 利用“Busy idle”,物理层向MAC层在IPG期间发送“Busy idle”,MAC层收到后,暂停发送数据。物理层向MAC层在IPG期间发送“Normal idle”, MAC层收到后,重新发送数据;
- 采用IPG延长机制:MAC帧每次传完一帧,根据平均数据速率动态调整IPG间隔

2基于光纤的局域网万兆以太网

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。

2.1) 10GBase-SR

10GBase-SR中的"SR"代表"短距离"(short reach)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。

2.2) 10GBase-LR

10GBase-LR中的"LR"代表"长距离"(Long Reach)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。

2.3) 10GBase-ER

10GBase-ER中的"ER"代表"超长距离"(Extended Reach)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。

2.4) 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10GBase-LRM规范有不足之处。

2.5) 10GBase-LRM

在10GBASE-LRM之前,已有两种10GE端口支持多模光纤,即10GBASE-SR和10GBASE-LX4。为什么IEEE 802.3aq创建另一种多模光纤端口类型10GBASE-LRM?
只有安装新型高带宽OM3 (50 um纤芯)多模光纤, 10GBASE-SR才能支持300米的距离。在通常安装的带宽较低的多模光纤OM1 (62µm纤芯)和OM2 (50 µm纤芯)上, 10GBASE-SR只能用于机房中的设备间互连。10GBASE-LX4是一种昂贵的波分复用解决方案。
OM1和OM2光纤的安装数量庞大,而且正在不断增长,其要求真正经济的10G以太网解决方案。
10GBase-LRM中的"LRM"代表"Long Reach Multimode”,对应的标准为2006年发布的IEEE 802.3aq。波长1300 nm,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。

2.6) 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。

3基于双绞线(或铜线)的局域网万兆以太网

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

3.1) 10GBase-CX4

IEEE 802.3ak提出10GBase-CX4在同轴铜缆上实现万兆以太网传输,已于2004年3月获得了批准,但传输距离被限制在15米之内。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)。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。

3.2) 10GBase-KX4 / 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),10GBase-KX4使用与10GBase-CX4规范一样的物理层编码,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,采用与10GBase-LR/ER/SR三个规范一样的物理层编码- 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。

3.3) 10GBase-T

10GBase-T对应的是2006年发布的IEEE 802.3an标准,10GBase-T的目标是:
- 10位误差率(BER);
- 在100米长的F级布线(7类)上数据传输速度达到万兆位/秒;
- 在55到100米长的E级布线(6类)上数据传输速度到达万兆位/秒。新CAT6a可达到100米的传输距离, 6a类和6类的主要区别点包括:6a类将扩展至500MHz频率之外,6类可能停步于250MHz..

10GBase-T沿用1000Base-T的传输方式,仍然采用四个差分对同时双向传输,全双工,但传输的总速率高达10Gbps,每对线的速率高达2.5Gbps。在编码方面,不是采用原来1000Base-T的PAM-5,而是采用了PAM-16编码方式。

我们来回顾一下1000Base-T 使用的PAM5(5级脉冲调幅技术)调制技术。在PAM5模式下,介质中传输的信号不再是简单的0和1,而是分成了5个级别(-2,-1,0,1,2)。这个分为5个级别的电平信号称之为码元,1个码元所能携带的多少个bit 的信息取决于码元的特性和编码的方式。比如PAM5,每个PAM5码元最多携带2.32个bit(22.32=5),考虑到编码的效率及需要纠错码和同步码,所以最终1000Base-T每个码元携带2个bit的信息。
根据奈氏准则,理想低通信道下的最高码元传输速率=2*带宽,我们知道1000Base-T 的码元速率为125M/秒,所以要求至少有62.5Mhz的传输带宽。

如果沿用1000Base-T 的技术,那10GBase-T的码元传输速率为1250M/秒,系统最小传输带宽为625MHz。这对传输系统的性能提出了很高的要求;
但如果提高码元的性能,让一个码元携带更多的Bit,降低系统最小带宽,就需要强大的处理器进行编解码处理,那意味着成本的增加,这是一对矛盾。最后经过性能和成本的平衡,10GBase-T 使用了PAM16技术(16级脉冲调幅,采用-15,-13,-11,-9,-7,-5,-3,-1,1,3,5,7,9,11,13,15),PAM16调制下,脉冲电压幅度分为16级电平,这样每个电压幅度(称之为”Symbol”)可以表示4个bit的信息,其中3.125bit是有效数据,另外的0.875位用于辅助和校验等。当然,3.125和0.875都是平均值。800M每秒的码元速率,最小带宽要求400Mhz。

为了让PAM16能够安全的传输10Gbps(BER=10-12),就需要设置一定的编码规则。为了能够提高BER,还要加入校验码进行前向纠错,10GBase-T采用的LDPC码(低密度奇偶校验码) 是一种线性分组码,具有优越的纠错性能和巨大的实用价值,被认为是迄今为止性能最好的纠错码。LDPC码的性能能够逼近香农极限,同时这种逼近又是在不太高的译码复杂度下实现的,硬件实现简单,同样兼顾性能和成本。
在10GBase-T编码过程中。每64个bit信息,加上控制/数据的标志位组成一个65bit的块(block),50个块编成一个组(Group),每个组加上8bit CRC校验码。一共生成65*50+8=3258个bit, 再附加上一个通道附加码一共是3259个bit。
3259个bit分成2个部分,3*512bit (含通道附加码)通过无保护方式传输,另外1723 bit 再加上325个校验码,通过LDPC(1723,2048)保护方式传输,这样共需要 512个128DSQ编码(3*512+4*512),也就是1024个PAM16符号。最终相当于每个PAM16 携带3.125个bit信息(64*50/1024=3.125)
传输速率=3.125*800M*4=10G bp

4基于光纤的广域网万兆以太网

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/SONET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。
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。

5万兆以太网规范比较

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	300m	局域网
10GBase-LR	1310nm单模光纤	10km
10GBase-ER	1550nm单模光纤	40km
10GBase-ZR	1550nm单模光纤	80km
10GBase-LRM	1310nm 多模光纤	260m
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	背板以太网
10GBase-SW	850nm多模光纤	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