陶智勇
(武漢郵電科學研究院，湖北 武漢430074)
摘 要：2002年6月12日，10 Gbit/s以太網(10 GbE)標準被IEEE正式通 過.文章介紹了10 GbE標準的體系結構,著重討論了其物理層結構，最后給出了它的應用 前景.
關鍵詞：10Gbit/s以太網；802.3ae標準；局域網；廣域網
自1999年以來，IEEE802.3 HSSG（High Speed Study Group）小組一直在專門研究10Gbit/ s以太網(簡稱10 GbE)標準802.3ae.其目的是完善802.3協議，將以太網應用擴展到廣域網， 提高帶寬，兼容現有的802.3接口，并與原有的網絡操作和網絡管理保持一致.10GbE是傳 統以太網技術的升級，它不僅在原有千兆以太網基礎上將傳輸速率提高10倍，同時通過采 用新技術大大增加了傳輸距離，加強了鏈路管理功能，將以太網擴展到廣域網的范圍.10Gb E標準草案IEEE 802.3ae于2000年9月形成，10GbE聯盟(1999年成立)成員單位相繼推出10G bE相關產品，如三層交換機、光模塊以及10GbE LAN/WAN測試儀等，并提出了直接采用 10 GbE組成二層城域以太網(Foundry公司提出)和10GbE/DWDM城域網(Riverstone 公司提出)的組網方案.2002年6月12日，10 GbE標準被IEEE正式通過.據IDC預測，到200 4年10GbE的市場將達到10億美元.本文從10 GbE標準的體系結構、10 GbE的物 理層和應用前景幾方面對10 GbE進行分析.
1 10 GbE以太網標準的體系結構
IEEE802.3ae任務組在制訂標準時，主要考慮以下幾點：
· 有廣闊的市場前景；
· 與802.3標準兼容；
· 有明顯的特點；
· 技術上可行；
· 經濟上可行.
10GbE標準內容包括10GBaseX、10GBaseR和10GBase-W3種類型，10 GBaseX、10 GBase-R常用于局域網.10 GBase-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1300 nm波長附近以大約25nm為間隔工作的激光器，每一對發送器/接 收器以3.125 Gbit/s速率（數據流速度為2.5 Gbit/s）工作.10 GBase-R是一種使用64B /66B編碼（不是在千兆以太網中所用的8 B/10 B）的串行接口，數據流為10 Gbit/s ，因而產生的時鐘速率為10.3 Gbit/s.10 GBase-W是廣域 網接口，與SONET OC192兼容，其 時鐘為9.953 Gbit/s,數據流為9.585 Gbit/s.10 GbE標準 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 型號具體表示方法為：10 GBase-［媒體類型］［編碼方案］［波長數］，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型中，S為短波長(850 nm)，用于多模光纖在短距離傳送數據 ；L為長波長(1310nm)，用于在校園網的建筑物之間或大廈的樓層間進行數據傳輸.當使 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(1550 nm)，用于廣域網或城域網中的數據傳送，當使用1550 nm波長的單模光纖時， 傳輸距離可達40km
(2) 物理介質相關(PMD）子層：PMD子層將這些電信號轉換成適合于在某種特定介質上傳輸 的形式.PMD是物理層的最低子層，標準中規定物理層負責從介質上發送和接收信號.
(3) 物理介質接入(PMA）子層：PMA子層提供了PCS和PMD層之間的串行化服務接口.和PCS 子層的連接稱為PMA服務接口.另外PMA子層還從接收位流中恢復出用于對接收到的數據進行 正確的定時的時鐘.
(4) 廣域網接口(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容器速率的以太網數據流.該 速率數據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子層位于協調子層（通過GMII）和物理介質接入（PMA）子 層之間.PCS子層完成將經過完善定義的以太網MAC功能映射到現存的編碼和物理層信號系統 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服務接口. 在光纖媒體的表示方法的編碼方案中，X為局域網物理層中的8 B/10 B編碼；R為局域網物理 層中的64 B/66 B編碼；W為廣域網物理層中的64 B/66 B編碼(簡化的SONET/SDH封裝).
(6) 協調子層(RS)和XGMII(10 Gbit/s介質無關接口)：協調子層的功能是將XGMII的通路數 據和相關控制信號映射到原始PLS服務接口定義(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和協調子層使MAC可以連接到不同類型的物理介質上.在 10 GbE特別工作組的諸多創新中，有一個被稱做XAUI的接口.其中的“AUI”部分指的是 以太網連接單元接口（Ethernet Attachment Unit Interface）.“X”代表羅馬數字10，它 意味著每秒萬兆(10 Gbit/s).XAUI被設計成一個接口擴展器，它擴展的接口就是XGMII （與介質無關的10 Gbit/s接口）.XGMII是一個74位信號寬度的接口（發送與接收用的數據 信號各占32位，控制信號各占4位，時鐘信號各占1位），可用于把以太網介質訪問控制(MAC )層 與物理層（PHY）相連.在大多數典型的以太網MAC和PHY相連的 、芯片對芯片的應用中，XAUI可用來代替或者擴展XGMII.XAUI使用與1000 Base-X同樣的8B/10B傳輸編碼，并通過印刷電路板上的銅線等常用介 質提供高質量的完整數據.XAUI還包括其他一些優勢：由于采用自發時鐘，所以產生的電磁 干擾（EMI）極小；具有強大的多位總線變形補償能力；可實現更遠距離的芯片對芯片的傳 輸；具備較強的錯誤檢測和故障隔離功能；功耗低，能夠將XAUI輸入/輸出集成到CMOS中等 .
2 10 GbE的物理層
盡管10 GbE是在以太網技術的基礎上發展起來的，但由于工作速率大大提高，適用范圍 有了很大的變化，與原來的以太網技術相比有很大的差異，主要表現在：(1） 物理層實現 方式；(2） 幀格式.
千兆以太網的物理層是使用已有的光纖通道(Fiber Channel)技術，而10 GbE的物理層則是 新開發的.由于10 GbE可作為LAN，也可作為WAN使用，而LAN和WAN之間由于工作環境不同， 對于各項指標的要求存在許多的差異，主要表現在時鐘抖動、BER（比特差錯率）、QoS等要 求不同，因此制定了兩種不同的物理介質標準：局域網采用以太網幀格式，傳輸速率為10 Gbit／s；廣域網采用STM-64幀格式.
我們知道，STM-64的數據速率并非精確的10 Gbit/s(只是為了簡單化，稱這種速率是 10 Gbit/s)，而是9.953 28 Gbit/s.在去掉幀首部開銷后，其有效載荷的數據速率只有 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 使用可選的廣域網物理層，其數據速率為9.584 64 Gbit/s.很顯然，這種所謂的“10 Gbi t/s”速率不能支持10個千兆以太網端口，而只是能夠與SDH相連接.這兩種物理層規范共 用一個MAC層，僅支持全雙工策略，采用光纖作為物理介質.全雙工鏈路只受介質和收發器本 身的物理特性限制；以太網MAC層CSMA/CD半雙工協議對其沒有限制.因此全雙工以太網可以 運用到城域網和廣域網.原則上，如SDH網絡一樣，目前主要受光功率預算色散容限和非線性 的限制.
廣域網PHY可以提供多種SONET/SDH管理信息，網絡管理員能夠像查看SONET/SDH鏈路一樣， 查看以太廣域網PHY的信息.網絡管理員還可以利用SONET/SDH管理功能，在整個網絡中進行 性能監測和錯誤隔離操作.10 Gbit/s WAN物理層并不是簡單地將MAC幀用STM-64承載，雖然 借鑒了STM-64的塊狀幀結構、指針和映射以及分層的開銷，但在SDH幀結構的基礎上做了大 量的簡化，使修改后的以太網對抖動不敏感，對時鐘的要求不高.首先，減少了許多開銷， 僅采用了幀定位字節A1和A2、段層誤碼監視B1、蹤跡字節J0、同步狀態字節S1、保護倒換字 節K1和K2以及備用字節Z0.對沒有定義或沒有使用的字節填充“00000000.”減少了許多不必 要的開銷，簡化了SDH幀結構.與千兆以太網相比，增強了物理層的網絡管理和維護，在物 理線路上實現保護倒換，其次，避免了繁瑣的同步復用.
10 GbE中，局域網PHY和廣域網PHY將在共同的PMD上工作，因此，它們支持的距離也相同.這 些物理層的區別在于PCS子層各有不同.廣域網PHY與局域網PHY的區別在于WIS包含一個簡 化的SONET/SDH幀編制器.為了降低廣域網物理層在實施過程中的成本，10 GbE模型中沒有 實現物理層與SONET/SDH抖動、分層時鐘，以及某些光纖規格兼容.在廣域網傳輸主干網上， 這一特性使得以太網可以將SONET/SDH作為其第1傳輸層.
另一方面，以太網一般是利用物理層中特殊的10 B代碼實現幀定界的.當MAC層有數據需要 發送時，PCS子層對這些數據進行8 B／10 B編碼，當發現幀頭和幀尾時，自動添加特殊的碼 組幀起始定界符（SPD）和幀結束定界符（EPD）.當PCS子層收到來自于底層的10 B編碼數 據時，可以輕易根據SPD和EPD找到幀的起始和結束從而完成幀定界.但是SDH中承載的千兆 以太網幀定界不同于標準的千兆以太網定界，因為復用的數據已經復原成8 B編碼的碼組， 去掉了SPD和EPD.如果只利用千兆以太網的前導碼(Preamble)和幀起始（SFD）進行幀定界 ，由于信息數據中出現與前導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 造成接收端始終無法進行正確的以太網幀定界，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的幀格式，添加長度域和HEC域.為了在定幀過程中 方便查找下一個幀位置，同時由于最大幀長為1518字節，最少需有11個比特，所以在 復接MAC幀的過程中用兩個字節替換前導頭，兩個字節作為長度域.然后對這8個字節 進行CRC-16校驗，將最后得到的兩個字節作為HEC插入SFD之后.其中長度域的值表示修改 后的MAC幀長.
3 10 GbE的應用前景
總之，10 GbE缺少SONET的鏈路管理能力，無法排除鏈路故障.有人建議用數字封裝法來傳遞 以太網幀，使之具備鏈路管理能力，但這將增加成本和復雜性.所以，在長距離傳輸下，SON ET有其優勢，但以太網處理突發數據和網狀網的能力比SONET強.10 GbE的價格仍是用戶考慮 的重要因素.目前10 GbE的廣域網端口的價格還偏高，大約在1～5萬美元(但Packe t over SONET的端口價格約為30萬美元).
采用10 GbE作為城域網骨干可以省略骨干網設備的POS或者ATM鏈路.首先可以節約成本 ,以太網端口價格遠遠低于相應的POS端口或者ATM端口.其次可以使端到端采用以太網幀成 為可能：一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優先級信息；另一方面可以省略在數 據設備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數據包分片，簡化網絡設備.
參考文獻
［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.
