万兆(10G)以太网简介

2002年6月IEEE标准协会批准了万兆(10G)以太网的正式标准。此标准的全名是“10Gbit/s工作的媒体接入控制参数、物理层和管理参数”。

另一个组织是10G以太网联盟(10GEA)。10GEA由网络界的著名企业创建,现已有一百多家企业参加,中国的著名通信产品制造商中兴和华为都是其成员。

10G以太网包括10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。10GBASE-X使用一种特紧凑包装,含有1个较简单的WDM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,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。10GBASE-R是一种使用64B/66B编码(不是在千兆以太网中所用的8B /10B)的串行接口,数据流为10.000Gbit/s,因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。10GBASE-W是广域网接口,与SONET OC-192兼容,其时钟为9.953Gbit/s数据流为9.585Gbit/s。

万兆(10G)以太网基本特征

  • 保留802.3以太网的帧格式
  • 保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长
  • 只使用全双工工作方式,完全改变了传统以太网的半双工的广播工作方式
  • 只使用光纤作为传输媒体而不使用铜线
  • 使用点对点链路,支持星形结构的局域网
  • 10G以太网数据率非常高,不直接和端用户相连
  • 创造了新的光物理媒体相关(PMD)子层
  • 10G以太网的工作距离已经增大到40km

万兆(10G)以太网OSI参考模型

在国际标准组织开放式系统互联(OSI)参考模型下,以太网是第二层协议。万兆以太网使用IEEE 802.3以太网介质访问控制协议(MAC)、IEEE 802.3以太网帧格式以及IEEE 802.3最小和最大帧尺寸。

正如1000Base-X和1000Base-T(千兆以太网)都属于以太网一样,从速度和连接距离上来说,万兆以太网是以太网技术自然发展中的一个阶段。但是,因为它是一种只适用于全双工模式,并且只能使用光纤的技术,所以它不需要带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)。除此之外,万兆以太网与原来的以太网模型完全相同。

在以太网中,PHY表示以太网的物理层设备,它对应于OSI模型的第一层。PHY通过连接介质(光纤或铜线)与MAC层相连,而MAC层对应的是OSI模型中的第二层。在以太网的体系结构中,PHY(第一层)进一步划分为物理介质层(PMD)和物理编码子层(PCS)。例如,光纤收发机属于PMD,PCS由编码器和一个并串转换器或复用功能组成。

10G-Layer

万兆(10G)以太网MAC层帧结构

10G-MAC-Framer

万兆(10G)以太网物理层

万兆(10G)以太网有两种不同的物理层:

  1. 局域网物理层
  2. 广域网物理层(可选)

10G-Physical-Layer

  • 10G媒体无关接口(XGMII,这里的“x”在罗马数字中表示10)用来使10G以太网下面不同的几个物理层对上面的MAC子层透明。在 IEEE 802.3ae标准中定义的XGMII由4个并行的数据通道组成,每个通道宽度为一个字节,其数据速率为312.5 Mbit/s(时钟频率为156.25MHz ±0.01%, 时钟上下沿工作),因此总的数据速率为4×8×312.5=10000Mbit/s,正好是10Gbit/s
  • 物理编码子层(PCS)是802.3ae物理层的一个子层,用来对数据进行编码(在发送数据时)和解码(当接收数据时)。
  • 物理媒体连接(PMA)子层是802.3ae物理层的一个子层,向PCS子层提供与媒体无关的方法,以支持使用面向串行比特的物理媒体。
  • 物理媒体相关(PMD)子层是802.3ae物理层的一个子层,定义物理层信令和媒体相关接口(MDI),以及所支持的媒体类型。需要指出的是,PMD子层是光信号子层,其主要功能是进行光信号的发送和接收。而PMD以上的各层都是使用电信号。
  • 广域网接口子层(WIS)是802.3ae物理层的一个子层,仅在广域网物理层中使用,它处在PCS子层和PMA子层之间。广域网接口子层的作用就是进行SONET/SDH组帧。
  • 媒体相关接口(MDI)用来将PMD子层和物理层的光缆相连接。

万兆(10G)以太网WIS物理层

10G--WIS-Physical-Layer

万兆(10G)以太网PCS与XGMII

10G-PCS-XGMII

万兆(10G)以太网64B/66B编码

  • 一种为10G以太网开发的新型线路编码机制,它使用了带有非扰码同步字符和控制字符的扰码方式。
  • 不同于8b/10b的查找表方式,64b/66b使用了带有非扰码同步字符和控制字符的扰码方式。
  • 对齐方式每66位中都会有01或10的同步比特。在比特流的其他地方也会出现这样的比特组合。对齐程序首先随机选择一个起点。它首先搜寻有效的同步(01或者10组合),如果没有找到,则移动一位然后重新检测。一旦找到01或者10组合,则检查后续的66个比特。如果后续比特中包含一个有效同步符号,则计数器增1,然后继续检测后面的66个比特。如果在一行中能够连续检测到足够多的同步符号,而且没有发生错误,则确定对齐。如果检测过程中出现任何错误,则计数器清零。
  • 低开销的代价是更长的对齐时间、出现轻微直流偏置的可能性和更加复杂的编码器和解码器。很多复杂处理使得64b/66b的电路比它们的近亲8b/10b要复杂的多,例如启用或者关闭有效载荷的扰码器就是很复杂的过程。解码器启用和使用也更加复杂了。

10G-64B-66B

 

主帧的数据主要有两种。简单的主帧包括两位同步比特01以及64为的数据,数据经过扰码处理,但是同步比特则不进行扰码处理。另一种主帧既可以是数据也可以是控制信息。控制帧的前两位是同步比特10,类型域的8比特定义其余56为有效载荷的形式,距离说明,如果类型是十六进制0xcc,则该帧包含4个字节的数据和3个字节的控制信息。

10G-0xcc

10G-64B-66B-PCS-Block-Format

万兆(10G)以太网XGMII接口

关于XGMII接口,本站会另有文章介绍,在这里只简单提一下。

10G-XGMII

10G-XGMII-Timing

10G-XGMII-Coding

10G-XGMII-Example

10G-XGMII-Elcetrical-Character

10G-XGMII-Circuit-Topology

万兆(10G)以太网光纤媒介命名

  • 10G以太网采多种光纤媒介。光纤媒介的型号具体表示方法为:10GBASE-[媒介类型][编码方案][波长数],或更加具体:10GBASE-[E/L/S][R/W/X][4]。
  • 在媒介类型中S为短波长(850nm),用于多模光纤在短距离(约为35m)传送数据;
  • L为长波长(1310nm),用于在校园网的建筑物之间或大厦的楼层间进行数据传输,当使用单模光纤时可支持10 km 的传输距离,而在使用多模光纤时,传输距离为300m;
  • E为特长波长(1550nm),用于广域网或城域网中的数据传送,当使用1550nm波长的单模光纤时,传输距离可达40km。
  • 在编码方案中,X为局域网物理层中的8B/1OB编码,R为局域网物理层中的64B/66B编码,W为广域网物理层中的64B/66B编码(简化的SONET/SDH封装)。
  • 最后的波长数可以为4,使用的是宽波分复用(WWDM)。在进行短距离传输时,WWDM要比密集波分复用(DWDM)便宜得多。如果不使用波分复用,则波长数就是1,并且可将其省略。

10G-Fiber-Naming

IEEE 802.3ae端口类型

Device Range Fiber Optics PCS WIS
10GBASE-LX4 300m/10km MMF/SMF 1310nm/WWDM 8B/10B No
10GBASE-SR 33m/300m 62.5?m/50?m MMF 850nm 64B/66B ?
10GBASE-LR 10km SMF 1310nm ? ?
10GBASE-ER 40km SMF 1550nm ? ?
10GBASE-SW 33m/300m 62.5?m/50?m MMF 850nm 64B/66B Yes
10GBASE-LW 10km SMF 1310nm 64B/66B Yes
10GBASE-EW 40km SMF 1550nm 64B/66B Yes
10GBase-CX4 15m Coaxial ? 8B/10B ?
10GBase-T 100m Twisted pair ? 8B/10B ?

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