陶智勇
(武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)
摘 要：2002年6月12日，10 Gbit/s以太網(wǎng)(10 GbE)標(biāo)準(zhǔn)被IEEE正式通 過(guò).文章介紹了10 GbE標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu),著重討論了其物理層結(jié)構(gòu)，最后給出了它的應(yīng)用 前景.
關(guān)鍵詞：10Gbit/s以太網(wǎng)；802.3ae標(biāo)準(zhǔn)；局域網(wǎng)；廣域網(wǎng)
自1999年以來(lái)，IEEE802.3 HSSG（High Speed Study Group）小組一直在專(zhuān)門(mén)研究10Gbit/ s以太網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)10 GbE)標(biāo)準(zhǔn)802.3ae.其目的是完善802.3協(xié)議，將以太網(wǎng)應(yīng)用擴(kuò)展到廣域網(wǎng)， 提高帶寬，兼容現(xiàn)有的802.3接口，并與原有的網(wǎng)絡(luò)操作和網(wǎng)絡(luò)管理保持一致.10GbE是傳 統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的升級(jí)，它不僅在原有千兆以太網(wǎng)基礎(chǔ)上將傳輸速率提高10倍，同時(shí)通過(guò)采 用新技術(shù)大大增加了傳輸距離，加強(qiáng)了鏈路管理功能，將以太網(wǎng)擴(kuò)展到廣域網(wǎng)的范圍.10Gb E標(biāo)準(zhǔn)草案IEEE 802.3ae于2000年9月形成，10GbE聯(lián)盟(1999年成立)成員單位相繼推出10G bE相關(guān)產(chǎn)品，如三層交換機(jī)、光模塊以及10GbE LAN/WAN測(cè)試儀等，并提出了直接采用 10 GbE組成二層城域以太網(wǎng)(Foundry公司提出)和10GbE/DWDM城域網(wǎng)(Riverstone 公司提出)的組網(wǎng)方案.2002年6月12日，10 GbE標(biāo)準(zhǔn)被IEEE正式通過(guò).據(jù)IDC預(yù)測(cè)，到200 4年10GbE的市場(chǎng)將達(dá)到10億美元.本文從10 GbE標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)、10 GbE的物 理層和應(yīng)用前景幾方面對(duì)10 GbE進(jìn)行分析.
1 10 GbE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)
IEEE802.3ae任務(wù)組在制訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：
· 有廣闊的市場(chǎng)前景；
· 與802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容；
· 有明顯的特點(diǎn)；
· 技術(shù)上可行；
· 經(jīng)濟(jì)上可行.
10GbE標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括10GBaseX、10GBaseR和10GBase-W3種類(lèi)型，10 GBaseX、10 GBase-R常用于局域網(wǎng).10 GBase-X使用一種特緊湊包裝，含有1個(gè)較簡(jiǎn)單的WDM器件、4個(gè) 接收器和4個(gè)在1300 nm波長(zhǎng)附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對(duì)發(fā)送器/接 收器以3.125 Gbit/s速率（數(shù)據(jù)流速度為2.5 Gbit/s）工作.10 GBase-R是一種使用64B /66B編碼（不是在千兆以太網(wǎng)中所用的8 B/10 B）的串行接口，數(shù)據(jù)流為10 Gbit/s ，因而產(chǎn)生的時(shí)鐘速率為10.3 Gbit/s.10 GBase-W是廣域 網(wǎng)接口，與SONET OC192兼容，其 時(shí)鐘為9.953 Gbit/s,數(shù)據(jù)流為9.585 Gbit/s.10 GbE標(biāo)準(zhǔn) 接口如圖1 所示.具體介紹如下：
(1) 10 GbE物理媒體層：包括如圖1所示的10 GBase-R、10 GBase-RW等.光纖媒體的 型號(hào)具體表示方法為：10 GBase-［媒體類(lèi)型］［編碼方案］［波長(zhǎng)數(shù)］，或更加具體些表 示為： 10 GBase-［E/L/S］［R/W/X］［/4］.
在光纖媒體表示方法的媒體類(lèi)型中，S為短波長(zhǎng)(850 nm)，用于多模光纖在短距離傳送數(shù)據(jù) ；L為長(zhǎng)波長(zhǎng)(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(shí)可支持10km的傳輸距離，而在使用多模光纖時(shí)，傳輸距離為300m；E為特長(zhǎng) 波長(zhǎng)(1550 nm)，用于廣域網(wǎng)或城域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)使用1550 nm波長(zhǎng)的單模光纖時(shí)， 傳輸距離可達(dá)40km
(2) 物理介質(zhì)相關(guān)(PMD）子層：PMD子層將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于在某種特定介質(zhì)上傳輸 的形式.PMD是物理層的最低子層，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定物理層負(fù)責(zé)從介質(zhì)上發(fā)送和接收信號(hào).
(3) 物理介質(zhì)接入(PMA）子層：PMA子層提供了PCS和PMD層之間的串行化服務(wù)接口.和PCS 子層的連接稱(chēng)為PMA服務(wù)接口.另外PMA子層還從接收位流中恢復(fù)出用于對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行 正確的定時(shí)的時(shí)鐘.
(4) 廣域網(wǎng)接口(WIS）子層：WIS子層是可選的物理子層，可用在PMA與PCS之間，產(chǎn)生適配 ANSI定義的SONET STS192c傳輸格式或ITU定義SDH VC-4-64c容器速率的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流.該 速率數(shù)據(jù)流可以直接映射到傳輸層而不需要高層處理.
(5) 物理編碼(PCS）子層：PCS子層位于協(xié)調(diào)子層（通過(guò)GMII）和物理介質(zhì)接入（PMA）子 層之間.PCS子層完成將經(jīng)過(guò)完善定義的以太網(wǎng)MAC功能映射到現(xiàn)存的編碼和物理層信號(hào)系統(tǒng) 的功能上去.PCS子層和上層RS/MAC的接口由XGMII提供，與下層PMA接口使用PMA服務(wù)接口. 在光纖媒體的表示方法的編碼方案中，X為局域網(wǎng)物理層中的8 B/10 B編碼；R為局域網(wǎng)物理 層中的64 B/66 B編碼；W為廣域網(wǎng)物理層中的64 B/66 B編碼(簡(jiǎn)化的SONET/SDH封裝).
(6) 協(xié)調(diào)子層(RS)和XGMII(10 Gbit/s介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)：協(xié)調(diào)子層的功能是將XGMII的通路數(shù) 據(jù)和相關(guān)控制信號(hào)映射到原始PLS服務(wù)接口定義(MAC/PLS)接口上.XGMII接口提供了10 Gbit/ s MAC和物理層間的邏輯接口.XGMII和協(xié)調(diào)子層使MAC可以連接到不同類(lèi)型的物理介質(zhì)上.在 10 GbE特別工作組的諸多創(chuàng)新中，有一個(gè)被稱(chēng)做XAUI的接口.其中的“AUI”部分指的是 以太網(wǎng)連接單元接口（Ethernet Attachment Unit Interface）.“X”代表羅馬數(shù)字10，它 意味著每秒萬(wàn)兆(10 Gbit/s).XAUI被設(shè)計(jì)成一個(gè)接口擴(kuò)展器，它擴(kuò)展的接口就是XGMII （與介質(zhì)無(wú)關(guān)的10 Gbit/s接口）.XGMII是一個(gè)74位信號(hào)寬度的接口（發(fā)送與接收用的數(shù)據(jù) 信號(hào)各占32位，控制信號(hào)各占4位，時(shí)鐘信號(hào)各占1位），可用于把以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC )層 與物理層（PHY）相連.在大多數(shù)典型的以太網(wǎng)MAC和PHY相連的 、芯片對(duì)芯片的應(yīng)用中，XAUI可用來(lái)代替或者擴(kuò)展XGMII.XAUI使用與1000 Base-X同樣的8B/10B傳輸編碼，并通過(guò)印刷電路板上的銅線等常用介 質(zhì)提供高質(zhì)量的完整數(shù)據(jù).XAUI還包括其他一些優(yōu)勢(shì)：由于采用自發(fā)時(shí)鐘，所以產(chǎn)生的電磁 干擾（EMI）極小；具有強(qiáng)大的多位總線變形補(bǔ)償能力；可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的芯片對(duì)芯片的傳 輸；具備較強(qiáng)的錯(cuò)誤檢測(cè)和故障隔離功能；功耗低，能夠?qū)?/SPAN>XAUI輸入/輸出集成到CMOS中等 .
2 10 GbE的物理層
盡管10 GbE是在以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但由于工作速率大大提高，適用范圍 有了很大的變化，與原來(lái)的以太網(wǎng)技術(shù)相比有很大的差異，主要表現(xiàn)在：(1） 物理層實(shí)現(xiàn) 方式；(2） 幀格式.
千兆以太網(wǎng)的物理層是使用已有的光纖通道(Fiber Channel)技術(shù)，而10 GbE的物理層則是 新開(kāi)發(fā)的.由于10 GbE可作為LAN，也可作為WAN使用，而LAN和WAN之間由于工作環(huán)境不同， 對(duì)于各項(xiàng)指標(biāo)的要求存在許多的差異，主要表現(xiàn)在時(shí)鐘抖動(dòng)、BER（比特差錯(cuò)率）、QoS等要 求不同，因此制定了兩種不同的物理介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)幀格式，傳輸速率為10 Gbit／s；廣域網(wǎng)采用STM-64幀格式.
我們知道，STM-64的數(shù)據(jù)速率并非精確的10 Gbit/s(只是為了簡(jiǎn)單化，稱(chēng)這種速率是 10 Gbit/s)，而是9.953 28 Gbit/s.在去掉幀首部開(kāi)銷(xiāo)后，其有效載荷的數(shù)據(jù)速率只有 9.584 64 Gbit/s.因此，為了使10 GbE的幀能夠插入到STM64幀的有效載荷中，就要 使用可選的廣域網(wǎng)物理層，其數(shù)據(jù)速率為9.584 64 Gbit/s.很顯然，這種所謂的“10 Gbi t/s”速率不能支持10個(gè)千兆以太網(wǎng)端口，而只是能夠與SDH相連接.這兩種物理層規(guī)范共 用一個(gè)MAC層，僅支持全雙工策略，采用光纖作為物理介質(zhì).全雙工鏈路只受介質(zhì)和收發(fā)器本 身的物理特性限制；以太網(wǎng)MAC層CSMA/CD半雙工協(xié)議對(duì)其沒(méi)有限制.因此全雙工以太網(wǎng)可以 運(yùn)用到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng).原則上，如SDH網(wǎng)絡(luò)一樣，目前主要受光功率預(yù)算色散容限和非線性 的限制.
廣域網(wǎng)PHY可以提供多種SONET/SDH管理信息，網(wǎng)絡(luò)管理員能夠像查看SONET/SDH鏈路一樣， 查看以太廣域網(wǎng)PHY的信息.網(wǎng)絡(luò)管理員還可以利用SONET/SDH管理功能，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行 性能監(jiān)測(cè)和錯(cuò)誤隔離操作.10 Gbit/s WAN物理層并不是簡(jiǎn)單地將MAC幀用STM-64承載，雖然 借鑒了STM-64的塊狀幀結(jié)構(gòu)、指針和映射以及分層的開(kāi)銷(xiāo)，但在SDH幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了大 量的簡(jiǎn)化，使修改后的以太網(wǎng)對(duì)抖動(dòng)不敏感，對(duì)時(shí)鐘的要求不高.首先，減少了許多開(kāi)銷(xiāo)， 僅采用了幀定位字節(jié)A1和A2、段層誤碼監(jiān)視B1、蹤跡字節(jié)J0、同步狀態(tài)字節(jié)S1、保護(hù)倒換字 節(jié)K1和K2以及備用字節(jié)Z0.對(duì)沒(méi)有定義或沒(méi)有使用的字節(jié)填充“00000000.”減少了許多不必 要的開(kāi)銷(xiāo)，簡(jiǎn)化了SDH幀結(jié)構(gòu).與千兆以太網(wǎng)相比，增強(qiáng)了物理層的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)，在物 理線路上實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換，其次，避免了繁瑣的同步復(fù)用.
10 GbE中，局域網(wǎng)PHY和廣域網(wǎng)PHY將在共同的PMD上工作，因此，它們支持的距離也相同.這 些物理層的區(qū)別在于PCS子層各有不同.廣域網(wǎng)PHY與局域網(wǎng)PHY的區(qū)別在于WIS包含一個(gè)簡(jiǎn) 化的SONET/SDH幀編制器.為了降低廣域網(wǎng)物理層在實(shí)施過(guò)程中的成本，10 GbE模型中沒(méi)有 實(shí)現(xiàn)物理層與SONET/SDH抖動(dòng)、分層時(shí)鐘，以及某些光纖規(guī)格兼容.在廣域網(wǎng)傳輸主干網(wǎng)上， 這一特性使得以太網(wǎng)可以將SONET/SDH作為其第1傳輸層.
另一方面，以太網(wǎng)一般是利用物理層中特殊的10 B代碼實(shí)現(xiàn)幀定界的.當(dāng)MAC層有數(shù)據(jù)需要 發(fā)送時(shí)，PCS子層對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行8 B／10 B編碼，當(dāng)發(fā)現(xiàn)幀頭和幀尾時(shí)，自動(dòng)添加特殊的碼 組幀起始定界符（SPD）和幀結(jié)束定界符（EPD）.當(dāng)PCS子層收到來(lái)自于底層的10 B編碼數(shù) 據(jù)時(shí)，可以輕易根據(jù)SPD和EPD找到幀的起始和結(jié)束從而完成幀定界.但是SDH中承載的千兆 以太網(wǎng)幀定界不同于標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)定界，因?yàn)閺?fù)用的數(shù)據(jù)已經(jīng)復(fù)原成8 B編碼的碼組， 去掉了SPD和EPD.如果只利用千兆以太網(wǎng)的前導(dǎo)碼(Preamble)和幀起始（SFD）進(jìn)行幀定界 ，由于信息數(shù)據(jù)中出現(xiàn)與前導(dǎo)碼和幀起始相同碼組的概率較大，采取這樣的定界策略可能會(huì) 造成接收端始終無(wú)法進(jìn)行正確的以太網(wǎng)幀定界，為了避免這種情況，采用了HEC策略.
為此，822.3ae建議中修改了千兆以太網(wǎng)的幀格式，添加長(zhǎng)度域和HEC域.為了在定幀過(guò)程中 方便查找下一個(gè)幀位置，同時(shí)由于最大幀長(zhǎng)為1518字節(jié)，最少需有11個(gè)比特，所以在 復(fù)接MAC幀的過(guò)程中用兩個(gè)字節(jié)替換前導(dǎo)頭，兩個(gè)字節(jié)作為長(zhǎng)度域.然后對(duì)這8個(gè)字節(jié) 進(jìn)行CRC-16校驗(yàn)，將最后得到的兩個(gè)字節(jié)作為HEC插入SFD之后.其中長(zhǎng)度域的值表示修改 后的MAC幀長(zhǎng).
3 10 GbE的應(yīng)用前景
總之，10 GbE缺少SONET的鏈路管理能力，無(wú)法排除鏈路故障.有人建議用數(shù)字封裝法來(lái)傳遞 以太網(wǎng)幀，使之具備鏈路管理能力，但這將增加成本和復(fù)雜性.所以，在長(zhǎng)距離傳輸下，SON ET有其優(yōu)勢(shì)，但以太網(wǎng)處理突發(fā)數(shù)據(jù)和網(wǎng)狀網(wǎng)的能力比SONET強(qiáng).10 GbE的價(jià)格仍是用戶考慮 的重要因素.目前10 GbE的廣域網(wǎng)端口的價(jià)格還偏高，大約在1～5萬(wàn)美元(但Packe t over SONET的端口價(jià)格約為30萬(wàn)美元).
采用10 GbE作為城域網(wǎng)骨干可以省略骨干網(wǎng)設(shè)備的POS或者ATM鏈路.首先可以節(jié)約成本 ,以太網(wǎng)端口價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的POS端口或者ATM端口.其次可以使端到端采用以太網(wǎng)幀成 為可能：一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優(yōu)先級(jí)信息；另一方面可以省略在數(shù) 據(jù)設(shè)備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數(shù)據(jù)包分片，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.
參考文獻(xiàn)
［1］IEEE draft P802.3ae/D5.0Supplement to carrier sense multiple a ccess with collision detection(CSMA/CD) access method and physical layer specifi cationsmedia access control (MAC) parameters, physical layer, and management p arameters for 10 Gbit/s operation [S].
［2］John D Ambrosia. XAUI: An Overview(Version 1.0) [DB/OL]. http://www.10g ea.org,2002-03.
