10G以太网技术及其应用前景

经过3年多的紧张工作，IEEE标准协会终于在2002年6月批准了10G以太网的正式标准??802.3ae。此标准的全名是“10 Gbit/s工作的媒体接入控制参数、物理层和管理参数”。在标准的制订过程中一共产生过5个草案标准，而最后一次对标准作技术上的修改是在2001年5月。

　　对10G以太网标准的制订起到了很大的推动作用的另一个组织是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。有些大公司在10G以太网标准正式批准之前就已经生产了符合10G以太网草案标准的产品，对10G以太网标准的制订起到了积极的推动作用。

　　值得注意的是，随着以太网速率的不断提高，以太网的工作距离也随之增大。现在10G以太网的工作距离已经增大到40 km。因此以太网不仅在局域网中占据了绝对优势，而且最近还进入了城域网和广域网的范围。

　　1 10G以太网的主要特点

　　10G以太网最主要的特点有：

• 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。
  

　　2 10G以太网的物理层

　　10G以太网的媒体访问控制(MAC)子层较简单，因此这里只介绍一下10G以太网的物理层[1～5]。10G以太网有两种不同的物理层：

• 局域网物理层
  
• 广域网物理层(可选)
  

　　这两种物理层的数据率并不一样。局域网物理层使用简单的编码机制在暗光纤(Dark fiber)和暗波长(Dark wavelength)上传送数据。而广域网物理层则需要增加一个SONET/SDH组帧子层，以便利用SONET/SDH作为第1层来传送数据。

　　10G以太网的物理层共有2个接口和4(或5)个子层。这些接口和子层的主要功能如下：

　　(1)协调子层(RS)用来将MAC子层的术语和10G媒体无关接口(XGMII)的术语进行转换。

　　(2)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，因此总的数据速率为4×8×312.5 = 10 000 Mbit/s，正好是10 Gbit/s。

　　(3)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)。例如，对于使用的编码方法是8B/10B和64B/66B的情况，前者将8 bit数据编码成为10 bit数据，而后者将64 bit数据编码成为66 bit数据。这种编码方法不仅可以使差错检测更加可靠，而且还更加有利于时钟的恢复。8B/10B编码有25%的开销，而64B/66B编码的开销就小得多。

　　(4)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。在发送数据时，PMA子层将PCS子层传来的并行数据进行并-串变换后交给PMD子层发送出去。在接收数据时，PMA子层将物理媒体相关(PMD) 子层收到的串行数据进行串-并变换后交给PCS子层。在PMA子层，这一功能由SERDES(并-串/串-并变换器，Serializer/Deserializer)芯片完成。

　　(5)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。

　　(6)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。

　　(7)媒体相关接口(MDI)用来将PMD子层和物理层的光缆相连接。

　　3 10G以太网使用的几种光纤媒体

　　10G以太网能够使用多种光纤媒体。这些光纤媒体的型号具体表示方法为：10GBASE-[媒体类型][编码方案][波长数]，或更加具体些[1,3]表示为：10GBASE-[E/L/S][R/W/X][/4]。

　　在光纤媒体表示方法的媒体类型中，S为短波长(850 nm)，用于多模光纤在短距离(约为35 m)传送数据；L为长波长(1 310 nm)，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300 m；E为特长波长(1 550 nm)，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1 550 nm波长的单模光纤时，传输距离可达40 km。

　　在光纤媒体的表示方法的编码方案中，X为局域网物理层中的8B/10B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。

　　例如：10GBASE-LX4表示使用1 310 nm波长的光纤，在局域网物理层中使用8B/10B编码，共有4个波长；10GBASE-EW则表示使用1 550 nm波长的光纤，在广域网物理层中使用64B/66B编码，并且只采用一个波长串行传输。

　　4 广域网接口子层

　　10G以太网物理层的数据率是10.000 Gbit/s(表示精确的10 Gbit/s)，因此一个10千兆以太网交换机可以支持正好10个1G以太网端口。

　　但是广域网物理层的数据率要比10 Gbit/s略低一些。这样做才能和所谓的“10 Gbit/s”的SONET/SDH(即OC-192)相连接。OC-192的数据率并非精确的10 Gbit/s(只是为了简单就称这种速率是10 Gbit/s的速率)，而是9.953280 Gbit/s。在去掉帧首部的开销后，其有效载荷的数据率只有9.584640 Gbit/s。因此，为了使10千兆以太网的帧能够插入到OC-192帧的有效载荷中，就必须设法降低进入物理层的数据率。具体做法就是在MAC子层的以太网帧之间插入一些附加帧间隔(IPG，Inter-Packet Gap)。每一个IPG的字节数与前一帧的长度成正比。在进行64B/66B的编码过程中，要将插入的IPG再卸除掉。WIS子层组成SONET/SDH帧后的数据率已经变成为OC-192速率，即9.953280 Gbit/s。显然，这种所谓的“10 Gbit/s”速率无法支持10个1G以太网端口。在WIS和PMA子层之间有一个10G的16比特接口(XSBI，10G Sixteen-Bit Interface)，是由IEEE 802.3ae制订的一个16 比特的数据接口，它基本上和光网络互连论坛(OIF，Optical Internetworking Forum)制订的OIF SFI-4接口标准相同。SFI是SERDES Framer Interface的缩写，它定义了在SONET/SDH帧形成器和高速SERDES逻辑之间的电信号接口[6]。

　　需要注意的是，10G以太网并没有SONET/SDH的同步接口而只有异步的以太网接口。因此，10G以太网在和SONET/SDH连接时，出于经济上的考虑，具有SONET的某些特性，如OC-192的链路速率、SONET/SDH的组帧格式等，同时还提供最基本的管理信息，使得网管可将10G以太网的广域网物理层链路当成是SONET/SDH链路，并且可以进行性能监视和故障隔离。但广域网物理层与SONET/SDH并不全部兼容。例如，10G以太网没有昂贵的TDM的支持，没有使用分层的精确时钟，没有某些性能指标(如抖动)，也没有完整的网络管理功能，如OAM&P。

　　因此，10G以太网只能说是“SONET化的”以太网(SONETising Ethernet)，或者说是一种轻型SONET(SONET Lite)。

　　5 10G以太网的应用前景

　　由于10千兆以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式有以下一些好处：以太网是一种经过证明的成熟技术，无论是因特网服务提供者(ISP)还是端用户都很愿意使用以太网；以太网的互操作性也很好，不同厂商生产的以太网都能可靠地互操作；在广域网中使用以太网时，其价格大约只有SONET的五分之一和ATM的十分之一；以太网能够适应多种的传输媒体，如铜缆、双绞线以及各种光缆，使具有不同传输媒体的用户在进行通信时不必重新布线；端到端的以太网连接方式使帧的格式全都是以太网的格式，而不需要再进行帧的格式转换，简化了操作和管理。但是，以太网和现有的其他网络，如帧中继或ATM网络，仍然需要有相应的接口才能进行互连。

　　目前在城域网的应用中，10G以太网有着特殊的意义。由于广域网广泛地使用了DWDM技术，因此因特网主干网的带宽已成倍地增长。但作为企业网或校园网到主干网之间的衔接网络??城域网的发展却有些滞后。这是因为现在的城域网基本上是使用SONET/SDH和ATM技术，其价格相当昂贵。这就使得城域网在许多情况下成为用户接入到因特网的“瓶颈”。于是有了“主干网供过于求”(Backbone glut)的说法，表现为因特网的许多主干网的利用率相当低。当10G以太网用于城域网时，无论是因特网服务提供者或是因特网用户，都能够在经济上得到明显的好处。单模光纤的10G以太网可将数据传送40 km，这对城域网很合适。

　　10G以太网的价格仍是用户考虑的重要因素。目前10G以太网的广域网端口的价格还偏高，大约在1~5万美元左右(但Packet over SONET的端口价格约为30万美元)。预计10G以太网的价格有望在2003年开始下降。

　　6 结束语

　　回顾过去的历史，我们看到10 Mbit/s以太网最终淘汰了速率比它快60%的16 Mbit/s的令牌环，100 Mbit/s的快速以太网也使得曾经最快的光纤数字数据接口(FDDI)变成为了历史。吉比特以太网和10G以太网的问世，使以太网的市场占有率进一步得到提高，使得ATM在城域网和广域网中的地位受到更加严峻的挑战。

　　总之，以太网经受了时间的考验，已成为使用最为广泛的网络，它已不仅仅被应用于局域网，而且也被应用于城域网和广域网。

　　10G以太网是IEEE 802.3标准在速率和距离方面的自然演进。10G以太网将以太网的已被证明的价值和经济性扩展到了城域网和广域网。由于10G以太网可提供潜在的最低成本、直接演进而来的性能、已被证明的互操作性、熟悉的网络管理性能，因此10G以太网的发展前景被看好。

　　参考文献

　　1 Randall Atkinson. 10 Gigabit Ethernet: Standards Update and Applications. Apricot 2002, Bankok. http://www.apricot2002.net
　　2 10 Gigabit Ethernet Technology Overview, White Paper, Revision 2. May 2002. http://www.10gea.org
　　3 10 Gigabit Ethernet: Technology and Applications, White Paper, 3Com. April 2002. http://www.3com.com
　　4 Ameet Diminico. Optical Fiber and 10 Gigabit Ethernet, Version 2. May 2002. http://www.10gea.org
　　5 John D Ambrosia. XAUI: An Overview, Version 1.0. March 2002. http://www.10gea.org
　　6 Interface White Paper. OIF Electrical Interfaces. http://www.oiforum.com

[摘要] 文章介绍了10G以太网的主要特点，列举了10G以太网物理层接口和子层的主要功能，着重讨论了10G以太网物理层中广域网接口子层的结构，最后给出了10G以太网的应用前景。

[关键词] 10G以太网；802.3ae标准；局域网；广域网

[Abstract] The main characteristics of 10 Gigabit Ethernet are presented and the main functions of the network;s physical layer interfaces and sublayers are overviewed. Emphasis is put on the analysis of the architecture of WAN interface sublayers under the 10 Gigabit Ethernet physical layer. Finally, the application of 10 Gigabit Ethernet is prospected.

[Keywords] Ten gigabit ethernet; Standard 802.3ae; LAN; WAN