100 Gigabit以太網解決背板和銅纜

考慮一下維基百科中的這個定義：“梅特卡夫定律指出，電信網絡的價值與系統(tǒng)連接用戶數的平方 （n2） 成正比?！?再想想本杰明·富蘭克林的一句名言：“時間就是金錢?！?梅特卡夫定律和富蘭克林聲明的總和可以用來描述以太網在過去 35 年中的進展，因為更高的網絡速度已經實現了與計算相關的低速端口的大規(guī)模部署。千兆以太網 （GbE） 幫助實現了 100 Mb 以太網的大批量部署，而 10 GbE 幫助實現了 GbE 的大批量部署。今天，40 GbE 和 100 GbE 的推出將支持 10 GbE 的大批量部署。

IEEE Std 802.3ba-2010 于 2010 年 6 月獲得批準，定義了 40 GbE 和 100 GbE 操作，以及幾個物理層規(guī)范。表 1 總結了本項目下開發(fā)的不同物理層規(guī)范。

表 1： IEEE Std 802.3ba-2010 定義了幾個物理層規(guī)范。

與跨銅介質電傳輸相關的兩個物理層規(guī)范是 -KR（背板）和 -CR（銅纜）規(guī)范。從該表中可以得出兩個觀察結果。首先，這兩個物理層規(guī)范均基于“n”通道 x 10 Gbps 方法。其次，沒有為背板上的 100 GbE 定義物理層規(guī)范，這意味著 10 通道 x 10 Gbps 的方法被視為 100 GbE 背板規(guī)范不可接受。

擴展 100 GbE 物理層規(guī)范

自從 40 GbE 和 100 GbE 規(guī)范獲得批準以來，以太網社區(qū)認識到需要擴展 100 GbE 物理層規(guī)范系列并添加一個以解決跨背板的操作。有幾個因素促成了這一認識［1］：

由于考慮了基于支持 10 Gbps、40 Gbps 和 100 Gbps 的外形尺寸的前面板 I/O 容量，因此觀察到的線卡容量范圍為 400 Gbps 到 3.2 Tbps。根據這些線卡容量，計算了高達 45 Tbps 的總體背板容量要求。

與基于 25 Gbps 電信號的 x4 架構相比，當僅使用基于 10 Gbps 電信號的 x10 架構時，構建支持這些線卡和背板容量的背板變得越來越具有挑戰(zhàn)性。簡而言之，差分走線的數量增加了連接器引腳的數量以及 PCB 層的數量。

在 40 GbE 和 100 GbE 之間的費率辯論中，注意到服務器帶寬容量大約每 24 個月翻一番。根據這一觀察，到 2017 年服務器將支持 100 GbE。然而，支持這些服務器的背板將在此時間框架之前在系統(tǒng)中發(fā)貨。因此，為確保這些背板可升級到 100 GbE，有必要制定一個標準，定義一個能夠支持 25 Gbps 信令的背板通道，以實現支持 100 GbE 的 x4 架構。

此外，由于 10GBASE-KR 為開發(fā) -CR 系列物理層規(guī)范提供了基礎，人們意識到通過將通道速率從 10 Gbps 提高到 25 Gbps 來減少通道數量也將有利于銅雙軸電纜組件。通過將差分對的數量從 10 個減少到 4 個，可以實現成本、端口密度和布線便利性的改進。

因此，在背板和銅纜上開發(fā) 100 GbE 物理層規(guī)范的真正挑戰(zhàn)是將給定通道上的信號速率從 10 Gbps 提高到 25 Gbps。盡管存在這種困境，但作為整體解決方案的一部分，可以探索許多潛在的選擇。

這個頻道

對于物理層規(guī)范，通道最終是問題陳述。插入損耗、其偏差、回波損耗以及串擾和插入損耗之間的關系共同定義了通道的性能限制。雖然連接器技術、PCB 材料和電路板制造的持續(xù)改進提高了通道質量，但它們通常是有代價的。這種與背板相關的努力通常會導致討論支持今天部署的傳統(tǒng)背板與可以利用最新技術的新開發(fā)背板。然而，更具挑戰(zhàn)性的通道可能會提高用于解決問題的電路的復雜性和功率。

銅纜通道也有其自身的挑戰(zhàn)。連接器技術、PCB 材料和電路板制造將提高位于主板上的通道的質量，但對主板走線的損耗進行預算將因此減少與電纜組件相關的損耗量，這會轉化為更短的電纜長度。

調制

不歸零 （NRZ） 是現有的信令方案。10GBASE-KR 解決方案能夠在 5.15625 GHz 的奈奎斯特頻率下實現大約 25 dB 的插入損耗。預計在不使用前向糾錯 （FEC） 的情況下，大約 25 Gbps 的 NRZ 方案將支持在 12.9 GHz 下大約 25 dB 到 30 dB 的通道插入損耗。對于標準批準時將存在于現場的大容量應用或遺留背板，這樣的損耗目標可能證明成本太高。因此，一些人建議該小組除了 NRZ 解決方案外，還應考慮開發(fā) 4 級脈沖幅度調制規(guī)范。有人建議 PAM-4 解決方案在大約 7 GHz 時支持大約 30 dB 插入損耗的通道插入損耗。

均衡

各種形式的均衡——從發(fā)射前饋均衡和波形整形到連續(xù)時間線均衡再到接收器決策反饋均衡——被用來克服給定信道內的各種缺陷。適當的均衡類型取決于調制方案和目標信道。重要的是要了解均衡必須優(yōu)化，并且可能過度均衡通道。

前向糾錯

FEC 可以以增加復雜性和延遲為代價提高整體鏈路性能。因此，必須評估不同 FEC 提案與 IEEE 802.3ba-2010 架構之間的交互，以確定在可接受的復雜度下具有最佳延遲的解決方案。已經提出了 6 dB 或更高編碼增益的建議，并且預計任何能夠在 1 m 長的背板通道上驅動 100 GbE 的解決方案都需要某種類型的 FEC。

為下一代網絡奠定基礎

這些新物理層規(guī)范的開發(fā)將由 2011 年 9 月成立的 IEEE P802.3bj 100 Gbps 背板和銅纜工作組推動。該項目的目標包括：

僅支持全雙工操作。

利用 802.3 媒體訪問控制 （MAC） 保留 802.3/以太網幀格式。

保留當前 802.3 標準的最小和最大幀大小。

支持MAC/專線業(yè)務接口誤碼率大于等于10-12。

定義一個 4 通道 100 Gbps 背板 PHY，用于在與“改進的 FR-4”（由 IEEE P802.3ap 或工作組定義的更好材料定義）上的銅跡線一致的鏈路上運行，長度至少為 1米。

定義一個 4 通道 100 Gbps PHY，用于在與長度至少為 5 m 的銅雙軸電纜一致的鏈路上運行。

除了這些目標之外，還在考慮有關新的 100 GbE 物理層規(guī)范的能效演示。這些演示建立在定義為 IEEE 802.3az-2010 一部分的節(jié)能以太網概念之上，該概念定義了低利用率期間的低功耗空閑狀態(tài)。

審核編輯：郭婷