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。
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(Optimized Multimode 3,优化的多模 3)光纤(没有优化的线 光纤,而线μm 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。
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-64SDH/SONET 规范中的描述,也不会被 IEEE 802.3 工作组接受。
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。
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 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 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 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 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 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 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m。这可以算是万兆以太网一项性的进步,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GBase-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MHz。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 类类双线基于光纤的广域网万兆以太网规范
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 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。
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
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
layer,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。
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。
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 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。
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。