IEEE 802.3ae是2002年6月通過的10 Gb/s速率的乙太網標準。10G乙太網作為傳統乙太網技術的一次較大的升級，在原有的千兆乙太網的基礎上將傳輸速率提高了10倍，傳輸距離也大大增加，擺脫了傳統乙太網只能套用於區域網路範圍的限制，使乙太網延伸到了城域網和廣域網。10G乙太網技術適用於各種網路結構，可以降低網路的複雜性，能夠簡單、經濟地構建各種速率的網路，滿足骨幹網大容量傳輸的需求，解決了城域傳輸的“瓶頸”問題。10G乙太網是實現未來端到端光乙太網的基礎。
基本介紹
- 中文名：IEEE802.3ae
- 時間：2002年6月
- 定義：10 Gb/s速率的乙太網標準
- 網速：10 Gb/s
簡介,相關信息,
簡介
2002年6月，IEEE通過了10 Gb/s速率的乙太網標準——IEEE 802.3ae[1]。至此為止，乙太網的發展已經歷了4個階段，即乙太網、快速乙太網、千兆乙太網和10G乙太網(10GE)階段。10G乙太網的優點在於保留了IEEE 802.3乙太網媒體訪問控制(MAC)協定，保持乙太網的幀格式不變。10G乙太網主要有以下特點：只工作在全雙工模式；增加了廣域網接口子層(WIS)，可實現與SDH的無縫連線。由於區域網路、城域網、廣域網採用同一種核心技術，避免了協定轉換，實現了無縫連線，因此10G乙太網是實現未來端到端光乙太網的基礎。
相關信息
1 10G乙太網光接口
10G乙太網標準中關於物理接口有3種類型：
(1)IEEE 802.3ae，定義了在光纖上傳輸10G乙太網的標準，傳輸距離從300 m到40 km。
(2)IEEE 802.3ak，定義了在對稱銅纜上運行10G乙太網的標準，傳輸距離小於15 m，適用於數據中心內部伺服器之間的連線套用。
(3)IEEE 802.3an，定義了基於雙絞線作為媒質的10G乙太網標準，希望傳輸距離至少達到100 m，目前該標準正在制訂中。
3種類型中，基於IEEE 802.3ae標準定義的10G乙太網光接口，可以根據光纖類型、傳輸距離等進一步細分為7種類型。
在接口類型中，10GBASE-LX4使用了粗波分復用(CWDM)技術，把12.5 Gb/s的數據流分成4路3.125 Gb/s的數據流在光纖中傳播，由於採用了8B/10B編碼，因此有效數據流量是10 Gb/s。這種接口類型的優點是套用場合比較靈活，既可以使用多模光纖，套用於傳輸距離短對價格敏感的場合，也可以使用單模光纖，支持較長傳輸距離的套用。
10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理編碼子層(PCS)使用了效率較高的64B/66B編碼，線上路上傳輸的速率是10.3 Gb/s。
10GBASE-SR使用850 nm的雷射器，在多模光纖上的傳輸距離是300 m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分別使用1 310 nm和1 550 nm的雷射器，在單模光纖上的傳輸距離分別是10 km和40 km，適用於城域範圍內的傳輸，是目前的主流套用。
10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是套用於廣域網的接口類型，其傳輸速率和OC-192 SDH相同，物理層使用了64B/66B的編碼，通過WIS把乙太網幀封裝到SDH的幀結構中去，並做了速率匹配，以便實現和SDH的無縫連線。
2 10G光模組
由於光收發模組集成化程度越來越高，因此10G乙太網光接口的功能完全可以由一個光模組來實現。10G光模組主要包括光/電轉換、時鐘提取和同步、復用/解復用、64B/66B編解碼、WIS、8B/10B編解碼等子功能模組。
據LIGHT READING雜誌的研究報告[2]顯示，10G光模組將是未來幾年最具市場潛力的光器件。現在套用比較廣泛的10G光模組有以下幾種：300pin、Xenpak[3]、Xpak、X2和XFP[4]。其中300pin屬於第一代模組，主要套用於SDH，把電接口改成10G乙太網16位接口(XSBI)後也可套用於10G乙太網；Xenpak是針對10G 乙太網推出的第一代光模組，採用IEEE 802.3ae標準中的10G附加單元接口(XAUI)作為數據通路；Xpak和X2是Xenpak光模組的直接改進版，體積縮小了40%左右；XFP是一種外形緊湊、價格低廉的光模組，有點類似於千兆乙太網的小型化可拔插光模組(SFP)。由於300pin光模組在10G乙太網中套用較少，因此下面重點介紹Xenpak、Xpak、X2和XFP這4種光模組。
2.1 Xenpak光模組
Xenpak光模組的功能框圖如圖1所示，分別對應IEEE 802.3ae標準中的10G媒體無關接口擴展子層(XGXS)、PCS、物理媒體附加子層(PMA)和物理媒體相關子層(PMD)的功能。
Xenpak光模組通過70pin的SFP連線器與電路板連線，其數據通道是XAUI接口；Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定義的光接口，線上路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。
Xenpak光模組封裝在一個4.8×1.4×0.7立方英寸的空間內，內置1 310 nm的半導體分布反饋(DFB)雷射器，採用直接調製方式，無內嵌溫度控制裝置。Xenpak在G.652的單模光纖上傳輸距離可以達到10 km，適合於城域範圍的套用，是目前10G乙太網連線埠的主流產品。除光電部分外，復用/解復用模組(MUX/DEMUX)是Xenpak內部的另一個重要的功能部件，Xenpak 50%以上的功耗是由復用/解復用模組消耗的，因此Xenpak光模組體積較大，功耗也較大。
Xenpak光模組的套用比較簡單，只用一個光模組即可實現10G乙太網光接口的功能。其電路設計的難點在於高速數據接口XAUI的設計，XAUI接口包括8對速率為3.125 Gb/s，串列，內含時鐘的差分線。XAUI接口的性能直接影響到系統的轉發性能。
2.2 Xpak和X2光模組
Xpak和X2光模組都是從Xenpak標準演進而來的，其內部功能模組與Xenpak基本相同，在電路板上的套用也相同，都是使用一個模組即可實現10G乙太網光接口的功能。由於Xenpak光模組安裝到電路板上時需要在電路板上開槽，實現較複雜，無法實現高密度套用。而Xpak和X2光模組經過改進後體積只有Xenpak的一半左右，可以直接放到電路板上，因此適用於高密度的機架系統和PCI網卡套用。
Xpak和X2光模組可以提供兩種電路接口：XAUI和串列成幀器接口(SFI-4)，即可以用於10G乙太網，也可用於OC-192 SDH和10GFC。可以說Xpak和X2是非常相近的標準，X2相比Xpak的改動主要反映在導軌系統上，業界人士普遍認為兩種規格會最終融合到一起。
2.3 XFP光模組
與Xenpak陣營分庭抗禮的領銜廠商是美國Finisar公司，它聯合了大約10個公司，包括系統集成商Brocade、Emulex、ONCiena，光模組提供商Finisar、JDSU、Sumitomo Electric、Tyco Electronics和晶片製造商Broadcom、Maxim、Velio等，在2002年3月成立了XFP多源協定組織(MSA)。與其他幾種光模組相比，XFP是外形最緊湊成本是最低廉的光模組，因此具有很大的優勢。XFP已被認為是繼Xpak或X2後的新一代產品，目前已經有很多廠商都發布了自己的XFP光模組產品。
XFP的功能框圖如圖2所示，與其他幾種光模組相比，XFP是光收發器(Transceiver)不是光收發模組(Transponder)。光收發器實際上只是一個光電轉換器件，只負責完成光/電信號的轉換，其他功能如復用/解復用、64B/66B編解碼等由電路板上的晶片實現。XFP光模組可輕鬆實現高連線埠密度的套用，由於XFP占用印刷電路板(PCB)的面積只有Xenpak的20%，功耗只有1.5～2 W，因此可用於實現最多16連線埠的線卡。
XFP與電路板的接口採用10G串列電路接口(XFI)。現在已經有廠家提供XSBI-to-XFI和XAUI-to-XFI的晶片，XGMII-to-XFI的晶片也有廠家在開發中。圖3所示是分別使用Xenpak和XFP實現10G乙太網接口的對比，從圖中可以看出，與Xenpak相比，XFP雖然要和物理層(PHY)晶片配合使用，但仍然節省了中間的XGXS和XAUI接口部分(圖3中深色陰影部分)，使得費用降低。
因為XFP只是一個光收發器，所以與協定實現無關，可以普遍適用於10G乙太網、10GFC和OC-192 SDH，套用的普遍性有利於設備製造商提高採購量，從而達到降低成本的目的。此外，XFP提供一個兩線的串列接口，可以實現數據診斷功能，實時地監控光模組的各種參數，如溫度、雷射器偏置電流、傳送光功率、接收光功率、工作電壓等。
3 4種光模組優缺點對比
光模組可按其內部結構和功能分成兩類：Xenpak、Xpak和X2是光收發模組類，XFP是光收發器類。這兩類光模組體現了兩種不同的設計思路，兩者各有優缺點：光收發模組的優點是集成度高，電路設計實現簡單，電路設計工程師可以將主要精力放在系統設計上，不必為器件在電路上的實現花費太多的精力；缺點是功耗大、體積大，限制了在PCB板上安裝光模組的數目，不能滿足現在數據產品對連線埠密度的要求。光收發器的優點是體積小、價格便宜，易於實現高連線埠密度的套用；缺點是對電路設計要求較高，要在普通電路板上實現10 Gb/s速率、12英寸傳輸距離的XFI接口。此外，XFP光模組要求能夠同時支持低價位短距離和高性能長距離的套用(從600 m到40 km)。
目前來看，由於Xenpak光模組推向市場最早，技術成熟度較高，提供XAUI接口的晶片也較多，因此套用比較廣泛。而Xpak、X2雖然在體積上僅有Xenpak的一半，但成本也比Xenpak光模組高，只能作為一種過渡性的產品出現。由於XFP光模組的出現和技術的飛速發展，很多廠商都已放棄Xpak、X2光模組的開發，直接轉向XFP光模組。從目前各光模組廠商的出貨情況來看，Xenpak的出貨量仍然很大，Xpak、X2套用較少，而XFP的增長則非常迅速。
4 10G乙太網交換機的實現
2002年9月，中興通訊獨家承擔了國家十五“863”計畫項目“基於10 Gb/s城域乙太網試驗系統的開發”，並在國內首家推出了符合IEEE 802.3ae標準的10G乙太網交換機ZXR10-6610。ZXR10-6610基於10G平台實現，轉發容量達到120 Mp/s，提供10G乙太網、1 000/100M乙太網、10G RPR、OC-192/OC48 POS等多種業務類型接入，具備高可靠性、平滑的升級能力和良好的QoS性能，支持多協定標籤交換(MPLS)、虛擬專用網(VPN)、網路地址轉換(NAT)、策略路由等多種套用。
在ZXR10-6610中，10G乙太網轉發板是整個系統的關鍵部件。為保證10G連線埠的線速性能，轉發板採用10G網路處理器實現。
圖4中，10G網路處理器和10G乙太網光接口是完成高速數據轉發的核心部件。系統採用了第二代10G網路處理器，單晶片具備全雙工10 Gb/s的數據處理能力，既可以提供像專用積體電路晶片(ASIC)一樣的處理速度，又具有通用處理器的智慧型性和靈活性。考慮到技術成熟度，10GE光接口採用了符合10GBASE-LR標準的Xenpak光模組來實現。Xenpak光模組的套用比較簡單，其外圍接口包括：用戶光纖連線器(SC)、XAUI接口、管理數據輸入輸出接口、電源等。10GE光接口部分的設計難點在於XAUI接口的設計，由於其性能直接影響到系統的轉發性能，因此是設計中必須要解決的關鍵技術。
ZXR10 6610在XAUI接口設計上採取了以下措施：
(1)為降低線路噪聲干擾，在本系統中傳送方向(網路處理器到光接口)的串列線採用電源作為參考平面，接收方向(光接口到網路處理器)的串列線採用地作為參考平面，有效地提高了接口性能。
(2)嚴格控制高速差分線的傳輸阻抗，要求單端阻抗控制為50 Ω，差分阻抗為100 Ω。
(3)保證差分對內的信號線布線長度一致，要求控制在2 mil以內；各差分線對之間的距離要儘可能遠，尤其是不同連線埠的差分對之間的距離要求大於200 mil。
(4)避免高速信號線在不連續的平面上布線，這樣會導致阻抗不匹配，引起信號反射，造成電磁干擾(EMI)。
對10G乙太網連線埠的轉發性能的測試表明：中興通訊10G乙太網交換機ZXR10-6610對最短包(64位元組)的轉發吞吐率達到了100%，線速情況下的延遲與延遲抖動非常小，系統實現了板間的10 Gb/s線速轉發，標誌著ZXR10-6610的性能指標處於國際同類產品領先水平。
