10G以太网技术

刘炜
　　摘要：介绍10G以太网核心技术的同时与1G以太网进行了比较，探讨了10G以太网在宽带网络中的应用。

　　关键词：10G以太网　相关物理介质子层　介质访问控制子层　介质访问控制子层

　　一、引言

　　高速的城市网络发展，需要不断提高宽带网络容量，寻求低成本效益的解决方案。一个新方案脱颖而出----10G以太网技术。它既提供速率优势，又具有灵活性、可升级性及技术简单特点。随着时间的推移，以太网的传输速率呈指数级阶跃，从开始的10M以太网到100M以太网，到最近应用势头高涨的吉比特以太网，以太网技术成为局域网的优势技术并向城域网领域拓展。最近IEEE正在制订10G以太网标准，这更将使以太网向广域网延伸。

　　以太网技术一直是一种计算机网络技术，但随着计算机网络与电信网络融合进程的推进，以太网已经成为一种重要的城域网接入手段，而10G以太网技术的推出，无疑在向一个目标前进----从接入到骨干网络都采用以太网技术，从而可构架出一个与传统电信网络不同的宽带网络。

　　二、10G以太网核心技术

　　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。10G以太网使用IEEE（电气与电子工程师学会）802.3以太网介质访问控制协议（MAC）、IEEE802.3以太网帧格式以及IEEE802.3最小和最大帧长度。正如1000Base-X和1000Base-T（吉比以太网）都属于以太网一样，10G以太网是以太网技术发展中的一个阶段。因为它只适用于全双工模式，且只能使用光纤，所以它不需要带有冲突检测的载波侦听多路访问协议（CS-MA/CD）。除此之外，10G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子层（PMD）、物理介质附加子层（PMA）和物理编码子层（PCS）。例如，光纤收发机属于PMD，PMA使物理介质与编码相匹配PCS由编码器和一个并串转换器或复用功能组成。802.3a规范定义了局域网PHY和广域网PHY两种PHY类型。广域网PHY是在局域网PHY功能的基础上增加了一个扩展特性集。

　　1.芯片接口（XAUI）

　　在10G以太网特别工作组的诸多创新中，有一个被称作XAUI的接口。其中的"AUI"部分指的是以太网连接单元接口（Ethernet Atachment Unit Interface）。"X"代表罗马数字10，它意味着每秒10G。XAUI被设计成一个接口扩展器，它扩展的接口就是XGMII（与介质无关的10G接口）。XGMII是一个74位信号宽带接口（发送与接收用的数据路径各占32位），可用于把以太网MAC层与PHY层相连。在大多数典型的以太网MAC和PHY相连的芯片对芯片的应用中，XAUI可用来代替或者扩展XGMII。

　　XAUI是一个从1000Base-X10G以太网的物理层直接发展而来的低针数、自发时钟串行总线。XAUI接口的速度为1000Base-X的2.5倍。通过调整4根串行线，这种4bit的XAUI接口可以支持10G以太网10倍于吉比以太网的数据吞吐量。XAUI使用与1000Base-X同样的8B/10B传输编码，并通过印刷电路板上的铜线等常用介质提供高质量的完整数据。XAUI还包括其他一些优势：由于采用自发时钟，所以产生的电磁干扰（EMI）极小，具有强大的多位总线变形补偿能力；可实现更远距离的芯片对芯片的传输；具备较强的错误检测和故障隔离功能；功耗低，能够将XAUI输入/输出集成到CMOS中等。

　　XAUI的具体应用目标包括：从MAC到物理层芯片之间的互联，以及从MAC到光纤收发器模块之间的直接连接。XAUI是标准草案建议中10G可插式光纤模块（XGP）的接口。将XAUI解决方案与XGP集成为一体后，10G以太网的多个端口便可以实现MAC与光纤模块之间的互联。这种连接方式成本低、效率高，而且只需要通过印刷线路的铜导线便可实现MAC与光纤模块之间的连接。
　　2.相关物理介质子层（PMD）

　　IEEE802.3ae特别工作组已经提出了一个标准草案，它所提供的物理层可以支持光纤传输介质。

　　为了达到特定的距离，特别工作组共选择了4个PMD。其中，特别工作组选择了1310nm串联PMD来实现2km和10km单模式光纤（SMF）的连接；选择1550纳米的串联方案来实现（或者超越）40KM的SMF目标。对40km PMD的支持说明，吉比以太网已经能够成功地应用在城域网和局域网的远距离通信中。特别工作组还选用串行850nm收发器，在多模光纤上使用850nm的PMD实现65m的传输目标。

　　另外，特别工作组选择了两种宽波分复用（WWDM）的PMD，其中一种是1310nm的单模光纤，用于10km范围的应用；另一种1310nm PMD用在已安装的多模光纤上实现300m的传输目标。

　　3.物理介质附加子层（PMA）

　　PMA提供连续不断的数据传输。PMA支持各种可靠的编码方案，每个PMD都可用一个编码来支持并且与特殊介质适配。

　　4.物理编码子层（PCS）

　　PCS提供信息包描绘和局域网物理层扰码。在特别工作组考虑中有多种建议，如吉比以太网用8B/10B编码和采用ANSI标准光纤通道。

　　5.介质访问控制子层（MAC）

　　MAC子层是以太网标准的最高层定义，为了维护兼容现有的局域网技术，必须符合存在的以太网标准。在IEEE802.3标准工作范围内定义MAC参数，必要的话，对MAC子层可现有一些很小的改动，使10G以太网帧结构在LLC（逻辑链路控制层）实现全双工工作方式。

　　6.物理层（PHY）

　　局域网物理层和广域网物理层将在共同的PMD上工作，因此，它们支持的距离也相同。这些物理层的唯一共别在于物理编码子层（PCS）各有不同。10G局域网物理层的用途是以10倍的带宽来支持现有的吉比以太网应用，这也是目前性价比最高的解决方案。随着时间的推移，预计LAN PHY将被用于纯光纤交换网络环境中，并且可以扩展到广域网的范围。然而，为了能与现有的广域网兼容，10G以太网WAN PHY将会支持现有的和未来将要安装的SONET/SDH（同步光纤网络/同步数字层）电路交换话音接入设备。

　　广域网物理层（WAN PHY）与局域网物理层（LAN PHY）的区别在于广域网接口子层（WIS）包含一个简化的SONET/SDH帧编制器。因为SONET OC192/SDH STM-64的运行速率只有10G以太网的百分之几，所以要想实施一个能够与局域网物理层以10Gbit/s和谐工作的MAC也较为简单。同样，也可以以较为简单的方式实施能够与广域网特刊层配合工作的MAC，其有效速率大约为9.29Gbit/s。

　　三、1G以太网和10G以太网的差异

　　10G以太网有一些重要限制，如传统的CSMA/CD协议已不用，同轴介质将不再是一个选项（至少不再适用于终端链接）。

　　四、10G以太网在宽带网络中的应用

　　1.支持新应用和新数据类型

　　企业内部互联网的出现预示着向包括视频和音频在内的新数据类型的发展。在过去，人们认为视频需要一种专门为多媒体设计的不同的网络技术。但现在，通过使用下面的技术组合，我们就可以在以太网上传送数据和视频。这些技术有：由快速以太网和10G以太网带来带宽的增加以及LAN交换；提供带宽预留新协议的出现，如RSVP,802.1Q和802.1P等新标准的出现及这些协议为网络提供VLAN服务和优先级信息；先进的视频压缩技术的广泛使用，如MPEG-2。这些技术和协议组合在一志，使10G以太网成为解决视频和多媒体业务传输的一种极具吸引力的方案。

　　2.网络互联和设计灵活

　　现在的网络管理者们面对很多网络互联和网络设计的选择。他们将基于路由和交换的网络互相连接起来，构建规模越来越大的企业内部互联网。基于带宽和收费需要，人们共享（使用转发器）和改变以太网。但是，高速网络的选择不应该约束网络互联和网络拓拟的选择。

　　10G以太网可进行交换、路由，也可共享。目前所有的网络互联技术，比如使用第三层交换这种特殊交换的IP技术，都完全与10G以太网兼容，正如它们与以太网和快速以太网兼容一样。10G以太网不仅可使用LAN交换机和路由器，也可使用全双工转发器（每端口的价格比较低）。

　　五、结束语
　　以太网技术具有网络结构简单，成本低、支持宽带业务、网络灵活等诸多优势。易于

向高性能发展，网络费用较低。由于用户对以太网技术、维护和故障处理工具比较熟悉，因此维护10G以太网的价格将远远低于其他技术。此外，构建10G以太网非常迅速。一旦对培训和工具进行升级，网络支持人员就可以自如地安装10G以太网设备，排除出现的故障，并提供技术支持。

　　高速率智能化网络将成为新近主要的应用，如实时电话，需求量迅速增加。建立端到端的以太网络减少了技术复杂性，简化了网络管理系统，简化了容量扩展。DWDM光纤支持10Gbit/s以太网这将强有力地解决了城域骨干网络。由此可见10G以太网技术的出现给客户网络性能的优化带来了巨大的希望，其发展势在必行，并将成为领先网络技术公司的必争之地。

　　摘自《电信网技术》2002.1