一文了解萬兆網(wǎng)技術(shù)

一、概述

1.1釋義

10 Giga bit Ethernet，縮寫為10GE、10GbE，俗稱萬兆網(wǎng)，是一種以太網(wǎng)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，最初在2002年通過，成為IEEE Std 802.3ae-2002，它規(guī)范了以10Gbit/s的速率來傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)。

1.2分類

10G以太網(wǎng)的物理層包括10GBASE-T、10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。

1.2.1 10GBASE-T

10GBASE-T（IEEE 802.3an）通過非屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線電纜，CAT-6的傳輸距離可達(dá)55米（180英尺），而CAT-6A則可達(dá)到100米（330英尺）。10GBASE-T采用在各種以太網(wǎng)中廣泛使用的RJ45接口。根據(jù)傳輸?shù)奶匦?，傳輸時頻率需要達(dá)到500MHz，IEEE 802.3an標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于10GBASE-T的PAM-16編碼。在IEEE Std802.3ae-2002的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有10GBASE-T，因為他是在2006的標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布的，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3an-2006。

1.2.2 10GBASE-X

10GBASE-X使用一種特緊湊包裝，含有1個較簡單的WDM器件、4個接收器和4個在1300nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對發(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。

1.2.3 10GBASE-R

10GBASE-R是一種使用64B/66B編碼（不是在千兆以太網(wǎng)中所用的8B/10B）的串行接口，支持在光介質(zhì)上傳輸。數(shù)據(jù)流為10.000Gbit/s，因而產(chǎn)生的時鐘速率為10.3Gbit/s。

1.2.4 10GBASE-W

10GBASE-W是廣域網(wǎng)接口，與SONET OC-192兼容，其時鐘為9.953Gbit/s，數(shù)據(jù)流為9.585Gbit/s。

1.3發(fā)展

以太網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)主要是以速度不斷提升為標(biāo)志的，從最初的1M、10M提升到10G甚至上百G，下圖給出了以雙絞線為傳輸介質(zhì)以太網(wǎng)的速度提升和線束變化。

二、原理

標(biāo)準(zhǔn)制定者依靠4項技術(shù)構(gòu)件使10GBase-T變?yōu)楝F(xiàn)實：損耗消除、模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換、線纜增強(qiáng)和編碼改進(jìn)。10GBase-T沿用1000Base-T的傳輸方式，仍然采用四個差分對同時雙向傳輸，全雙工，但傳輸?shù)目偹俾矢哌_(dá)10Gbps，每對線的速率高達(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。

在前面介紹的四種物理層技術(shù)里面，現(xiàn)在10GBASE-R和10GBASE-T是應(yīng)用的比較多的，10GBASE-R用于光模塊的接口，10GBASE-T則是電口，使用RJ45和雙絞線進(jìn)行信號傳輸。

2.1結(jié)構(gòu)

下圖是從IEEE 802.3an-2006截取的，可以看出不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。

物理層即PHY，分層為多個子層，主要完成數(shù)據(jù)編碼校驗和轉(zhuǎn)換成模擬信號的功能。

XGMII，10G媒體獨立接口（這里的“X”在羅馬數(shù)字中表示10）用來使10G以太網(wǎng)下面不同的幾個物理層對上面的MAC子層透明。其實和百兆網(wǎng)里面的RMII接口是一樣的性質(zhì)，只是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)高達(dá)10Gbps，但是現(xiàn)在多用XAUI來代替。

PCS，物理編碼子層，用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼（在發(fā)送數(shù)據(jù)時）和解碼（當(dāng)接收數(shù)據(jù)時）。

PMA，物理媒體連接子層，向PCS子層提供與媒體無關(guān)的方法，以支持使用面向串行比特的物理媒體。

PMD，物理媒體相關(guān)子層，定義物理層信令和媒體相關(guān)接口（MDI），以及所支持的媒體類型。需要指出的是，PMD子層是光信號子層，其主要功能是進(jìn)行光信號的發(fā)送和接收，而PMD以上的各層都是使用電信號。

WIS，廣域網(wǎng)接口子層，僅在廣域網(wǎng)物理層中使用，它處在PCS子層和PMA子層之間。廣域網(wǎng)接口子層的作用就是進(jìn)行SONET/SDH組幀。

AN，自動協(xié)商子層（AUTO-NEGOTIATIONSUBLAYER），允許兩端的PHY通告其功能（速度，PHY類型，半雙工或全雙工）并自動選擇操作模式以在鏈路上進(jìn)行通信，僅在10GBASE-T中使用。

MDI，媒體相關(guān)接口，用來將PMD子層和物理層的線纜連接。

10GBASE-T的結(jié)構(gòu)包含PCS、PMA和NA三層，有MII和MDI兩個接口。其PCS層前多了一個LDPC，這個是低密度奇偶校驗功能（low density parity check）。

2.2媒體獨立接口

媒體獨立接口是媒體訪問控制（MAC）子層和物理層（PHY）之間的接口。XGMII是一種簡單、廉價且易于實現(xiàn)的互連接口。我們也可以選擇使用10千兆位連接單元接口（XAUI）來以減少的引腳數(shù)來擴(kuò)展XGMII的操作距離。當(dāng)然，由于XGMII的線數(shù)太多，并且距離較短，現(xiàn)在基本都是使用XAUI。

XAUI和XGMII之間既是替代關(guān)系，也可是擴(kuò)展關(guān)系，這里先給出XGMII XAUI的圖。

2.2.1 XGMII接口

XGMII接口的單端信號采用HSTL/SSTL_2邏輯，端口電壓1.5V/2.5V，由于SSTL_2的端口電壓高，功耗大，現(xiàn)在已很少使用。XGMII的通信線分為數(shù)據(jù)線、控制線和時鐘線，收發(fā)對稱，數(shù)據(jù)32根，控制線4根，時鐘線一根。

TXD[31：0]，發(fā)送信號線。

RXD[31：0]，接收信號線。

TXC[3：0]，發(fā)送通道控制信號，TXC=0時，表示TXD上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。TXC=1時，表示TXD上傳輸?shù)氖强刂谱址?/p>

RXC[3：0]，接收通道控制信號，RXC=0時，表示RXD上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。RXC=1時，表示RXD上傳輸?shù)氖强刂谱址?/p>

TX_CLK，TXD和TXC的參考時鐘，時鐘頻率156.25MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。

RX_CLK，RXD和RXC的參考時鐘，時鐘頻率156.25MHz，在時鐘信號的上升沿和下降沿都采樣數(shù)據(jù)。

156.25MHz×2×32=10Gbps。

XGMII的收或者發(fā)的32根信號線被分成了4個lane，每個lane有一個控制信號，他們的對應(yīng)關(guān)系如下圖所示。

2.2.2 XAUI接口

XAUI借用了以太網(wǎng)“附加單元接口”的簡稱AUI（Attachment Unit Interface），首字母“X”代表羅馬數(shù)字10，代表傳輸速率是每秒10G比特。和XGMII接口相比，XAUI接口大大簡化。XAUI接口只有16條信號線，其中4對balanced差分線用于數(shù)據(jù)接收，4對balanced差分線用于數(shù)據(jù)發(fā)送，XAUI接口是自帶時鐘的串行總線。差分對使用CML邏輯，AC耦合方式，耦合電容在10nF~100nF之間。每對差分線上的數(shù)據(jù)速率為3.125Gbps，總數(shù)據(jù)帶寬為12.5Gbps，有效帶寬為12.5Gbps×0.8=10Gbps（因為XAUI總線數(shù)據(jù)在傳輸前進(jìn)行了8b/10b變換）。

下面這張圖是XAUI接口發(fā)送端的規(guī)格。

這里只規(guī)定了差分信號的幅度最大是1600mVpp，Marvell的88X3310里面使用的typical值是1000mVpp，最大值是1200mVpp，接收端允許的最大輸入時1600mVpp，如下圖所示。

差分對的阻抗要求是在2.5GHz測試條件下100歐姆±5%。相比于XGMII信號線數(shù)量大大減少，差分信號具備更強(qiáng)的抗干擾能力，從而簡化了電路的走線設(shè)計。FR4 PCB板上，XAUI接口的走線長度可達(dá)50cm，而XGMII接口的走線長度只有7cm。XAUI接口的走線比較長，大大方便了PCB板的設(shè)計，背板走線成為可能。正如此原因，一般MAC芯片不提供XGMII接口給用戶使用。但是，在芯片內(nèi)部XGMII依舊作為標(biāo)準(zhǔn)接口使用。在MAC芯片內(nèi)部，集成了XGXS（XGMII ExtenderSublayer）子層，用來實現(xiàn)XGMII接口和XAUI接口之間的雙向映射，這就是前面那張圖所展示的。

在XGAMII互轉(zhuǎn)的過程是這樣的，源端XGMII把收發(fā)32位寬度數(shù)據(jù)流分為4個獨立的lane通道，每個lane通道對應(yīng)一個字節(jié)，經(jīng)XGXS（XGMII Extender Sublayer）完成8b/10b編碼后，將4個lane分別對應(yīng)XAUI的4個獨立通道，XAUI端口速率為2.5Gbps×1.25×4＝12.5Gbps。在發(fā)送端的XGXS模塊中，將TXD[31：0]/RXD[31：0]，TXC[3：0]/RXC[3：0]，TX_CLK/RX_CLK轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)從TXLane[3：0]/RXLane[3：0]中發(fā)出去，在接收端的XGXS模塊中，串行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成并行，并且進(jìn)行時鐘恢復(fù)和補(bǔ)償，完成時鐘去抖，經(jīng)過5b/4b解碼后，重新聚合成XGMII。

XAUI接口有如下一系列的變種，RXAUI、XLAUI（40Gb）、CAUI（100Gb）等。

XAUI接口可以直接接光模塊，如XENPAK/X2等。也可以轉(zhuǎn)換成一路10G信號XFI，接XFP/SFP+等。

2.2.3 MDIO接口

補(bǔ)充說明一下MDIO需要使用一個電阻進(jìn)行上拉。

2.3編碼技術(shù)

PCS層是物理編碼子層，用來對MAC層通過XGMII或者XAUI發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以便通過MDI傳輸，當(dāng)然也同樣承擔(dān)著解碼任務(wù)。編碼完成的任務(wù)是保證高速的數(shù)據(jù)能正常通過線纜進(jìn)行傳輸。10GBASE-T需要每對雙絞線上傳輸速率高達(dá)2.5Gbps的數(shù)據(jù)，這是極其有挑戰(zhàn)的，而編碼技術(shù)在這里面就起到至關(guān)重要的作用。

在車載以太網(wǎng)中也面臨著高速傳輸抗干擾的問題，那里使用PMA3技術(shù)。在1000Base-T中使用的PAM5（5級脈沖調(diào)幅技術(shù)）調(diào)制技術(shù)。在PAM5模式下，介質(zhì)中傳輸?shù)男盘柌辉偈呛唵蔚?和1，而是分成了5個級別（-2、-1、0、1、2）。這個分為5個級別的電平信號稱之為碼元，1個碼元所能攜帶的多少個bit的信息取決于碼元的特性和編碼的方式。比如PAM5，每個PAM5碼元最多攜帶2.32個bit（2^2.32=5），考慮到編碼的效率及需要糾錯碼和同步碼，所以最終1000Base-T每個碼元攜帶2個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級電平，這樣每個電壓幅度可以表示4個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，還要加入校驗碼進(jìn)行前向糾錯，10GBase-T采用的LDPC碼（低密度奇偶校驗碼）是一種線性分組碼，具有優(yōu)越的糾錯性能和巨大的實用價值，被認(rèn)為是迄今為止性能最好的糾錯碼。LDPC碼的性能能夠逼近香農(nóng)極限，同時這種逼近又是在不太高的譯碼復(fù)雜度下實現(xiàn)的，硬件實現(xiàn)簡單，同樣兼顧性能和成本。

在10GBase-T編碼過程中。每64個bit信息，加上控制/數(shù)據(jù)的標(biāo)志位組成一個65bit的塊（block），50個塊編成一個組（Group），每個組加上8bit CRC校驗碼。一共生成65×50+8=3258個bit，再附加上一個通道附加碼一共是3259個bit。3259個bit分成2個部分，3×512bit（含通道附加碼）通過無保護(hù)方式傳輸，另外1723bit再加上325個校驗碼，通過LDPC（1723、2048）保護(hù)方式傳輸，這樣共需要512個128DSQ編碼（3×512+4×512），也就是1024個PAM16符號。最終相當(dāng)于每個PAM16攜帶3.125個bit信息（64×50/1024=3.125），傳輸速率=3.125×800M×4=10Gbps。10G以太網(wǎng)PHY芯片的內(nèi)部框圖如下所示。

2.4MDI接口

10GBASE-T使用的是RJ45和CAT-6以上規(guī)格的線纜進(jìn)行傳輸，里面有四對雙絞線線進(jìn)行全雙工通信。線序定義如下圖所示。

下圖為某款芯片MDI接口差分對的spec。

下圖給出了不同規(guī)格的網(wǎng)線能達(dá)到的傳輸距離以及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

三、擴(kuò)展

3.1命名規(guī)則

10G以太網(wǎng)采多種光纖媒介。光纖媒介的型號具體表示方法為10GBASE-[媒介類型][編碼方案][波長數(shù)]，或更加具體10GBASE-[E/L/S][R/W/X][4]。在媒介類型中S為短波長（850nm），用于多模光纖在短距離（約為35m）傳送數(shù)據(jù)。L為長波長（1310nm），用于在校園網(wǎng)的建筑物之間或大廈的樓層間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)使用單模光纖時可支持10km的傳輸距離，而在使用多模光纖時，傳輸距離為300m。E為特長波長（1550nm），用于廣域網(wǎng)或城域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)使用1550nm波長的單模光纖時，傳輸距離可達(dá)40km。

在編碼方案中，X為局域網(wǎng)物理層中的8B/1OB編碼，R為局域網(wǎng)物理層中的64B/66B編碼，W為廣域網(wǎng)物理層中的64B/66B編碼（簡化的SONET/SDH封裝）。最后的波長數(shù)可以為4，使用的是寬波分復(fù)用（WWDM）。在進(jìn)行短距離傳輸時，WWDM要比密集波分復(fù)用（DWDM）便宜得多。如果不使用波分復(fù)用，則波長數(shù)就是1，并且可將其省略。

3.2IEEE802.3ae端口類型

來源：機(jī)器之瞳

審核編輯：湯梓紅