万兆以太网标准.docx

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万兆以太网标准

5.5.1万兆以太网标准

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5.5.1 万兆以太网标准

之前面的介绍能够得出，就目前来讲，万兆以太网标准和标准都比较繁多，在标准方面，有2002年的IEEE，2004年的IEEE，2006年的IEEE、IEEE和2007年的IEEE；在标准方面，总共有10多个（是一比较庞大的家族，比千兆以太网的9个又多了许多）。

在这10多个标准中，能够分为三类：

一是基于光纤的局域网万兆以太网标准，二是基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网标准，三是基于光纤的广域网万兆以太网标准。

下面别离予以介绍。

1．基于光纤的局域网万兆以太网标准

就目前来讲，用于局域网的基于光纤的万兆以太网标准有：

10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-LRM、10GBase-ER、10GBase-ZR和10GBase-LX4这六个标准。

10GBase-SR

10GBase-SR中的"SR"代表"短距离"（shortrange）的意思，该标准支持编码方式为64B/66B的短波（波长为850nm）多模光纤（MMF），有效传输距离为2～300m，要支持300m传输需要采纳通过优化的50μm线径OM3（OptimizedMultimode3，优化的多模3）光纤（没有优化的线径50μm光纤称为OM2光纤，而线径为μm的光纤称为OM1光纤）。

10GBase-SR具有最低本钱、最低电源消耗和最小的光纤模块等优势。

10GBase-LR

10GBase-LR中的"LR"代表"长距离"（LongRange）的意思，该标准支持编码方式为64B/66B的长波（1310nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为2m到10km，事实上最高可达到25km。

10GBase-LR的光纤模块比下面将要介绍的10GBase-LX4光纤模块更廉价。

10GBase-LRM

10GBase-LRM中的"LRM"代表"长度延伸多点模式"（LongReachMultimode），对应的标准为2006年发布的IEEE。

在1990年以前安装的FDDI?

m多模光纤的FDDI网络和100Base-FX网络中的有效传输距离为220m，而在OM3光纤中可达260m，在连接长度方面，不如以前的10GBase-LX4标准，可是它的光纤模块比10GBase-LX4标准光纤模块具有更低的本钱和更低的电源消耗。

10GBase-ER

10GBase-ER中的"ER"代表"超长距离"（ExtendedRange）的意思，该标准支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为2m到40km。

10GBase-ZR

几个厂商提出了传输距离可达到80km超长距离的模块接口，这确实是10GBase-ZR标准。

它利用的也是超长波（1550nm）单模光纤（SMF）。

但80km的物理层不在EEE标准之内，是厂商自己在OC-192/STM-64SDH/SONET标准中的描述，也可不能被IEEE工作组同意。

10GBase-LX4

10GBase-LX4采纳波分复用技术，通过利用4路波长统一为1300nm，工作在s的分离光源来实现10Gb/s传输。

该标准在多模光纤中的有效传输距离为2～300m，在单模光纤下的有效传输距离最高可达10km。

它要紧适用于需要在一个光纤模块中同时支持多模和单模光纤的环境。

因为10GBase-LX4标准采纳了4路激光光源，因此在本钱、光纤线径和电源本钱方面较前面介绍的10GBase-LRM标准有不足的地方。

2．基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网标准

在2002年发布的几个万兆以太网标准中并无支持铜线这种廉价传输介质的，但事实上，像双绞线这种铜线在局域网中的应用是最普遍的，不仅本钱低，而且容易保护，因此在近几年就接踵推出了多个基于双绞线（6类以上）的万兆以太网标准包括10GBase-CX4、10GBase-KX4、10GBase-KR、10GBase-T。

下面别离予以简单介绍。

10GBase-CX4

10GBase-CX4对应的确实是2004年发布的IEEE万兆以太网标准。

10GBase-CX4利用中概念的XAUI（万兆附加单元接口）和用于InfiniBand中的4X连接器，传输介质称之为"CX4铜缆"（其实确实是一种屏蔽双绞线）。

它的有效传输距离仅15m。

10GBase-CX4标准不是利用单个铜线链路传送万兆数据，而是利用4台发送器和4台接收器来传送万兆数据，并以差分方式运行在同轴电缆上，每台设备利用8B/10B编码，以每信道的波特率传送s的数据。

这需要在每条电缆组的总共8条双同轴信道的每一个方向上有4组差分线缆对。

另外，与可在现场端接的5类、超5类双绞线不同，CX4线缆需要在工厂端接，因此客户必需指定线缆长度。

线缆越长一样直径就越大。

10GBase-CX4的要紧优势确实是低电源消耗、低本钱、低响应延时，可是接口模块比SPF+的大。

10GBase-KX4和10GBase-KR

10GBase-KX4和10GBase-KR所对应的是2007年发布的IEEE标准。

它们要紧用于背板应用，如刀片效劳器、路由器和互换机的集群线路卡，因此又称之为"背板以太网"。

万兆背板目前已经存在并行和串行两种版本。

并行版（10GBase-KX4标准）是背板的通用设计，它将万兆信号拆分为4条通道（类似XAUI），每条通道的带宽都是s。

而在串行版（10GBase-KR标准）中只概念了一条通道，采纳64/66B编码方式实现10Gb/s高速传输。

在10GBase-KR标准中，为了避免信号在较高的频率水平下发生衰减，背板本身的性能需要更高，而且能够在更大的频率范围内维持信号的质量。

IEEE标准采纳的是并行设计，包括两个连接器的1m长铜布线印刷电路板。

10GBase-KX4利用与10GBase-CX4标准一样的物理层编码，10GBase-KR利用与10GBase-LR/ER/SR三个标准一样的物理层编码。

目前，关于具有整体带宽需求或需要解决走线密集太高问题的背板，有许多家供给商提供的SerDes芯片均采纳10GBase-KR解决方案。

10GBase-T

10GBase-T对应的是2006年发布的IEEE标准，可工作在屏蔽或非屏蔽双绞线上，最长传输距离为100m。

这能够算是万兆以太网一项革命性的进步，因为在此之前，一直以为在双绞线上不可能实现这么高的传输速度，缘故确实是运行在这么高工作频率（至少为500MHz）基础上的损耗太大。

但标准制定者依托4项技术构件使10GBase-T变成现实：

损耗排除、模拟到数字转换、线缆增强和编码改良。

10GBase-T的电缆结构也可用于1000Base-T标准，以便利用自动协商协议顺利从1000Base-T升级到10GBase-T网络。

10GBase-T相较其他10G

标准而言，具有更高的响应延时和消耗。

在2020年，有多个厂商推出一种硅元素能够实现低于6W的电源消耗，响应延时小于百万分之一秒（也确实是1μs）。

在编码方面，不是采纳原先1000Base-T的PAM-5，而是采纳了PAM-8编码方式，支持833Mb/s和400MHz带宽，对布线系统的带宽要求也相应地修改成500MHz，若是仍采纳PAM-5的10GBase-T对布线带宽的需求是625MHz。

在连接器方面，10GBase-T利用已普遍应用于以太网的650MHz版本RJ-45连接器。

在6类线上最长有效传输距离为55m，而在6a类类双线上能够达到100m。

3．基于光纤的广域网万兆以太网标准

前面提到的10GBase-SW、10GBase-LW、10GBase-EW和10GBase-ZW标准都是应用于广域网的物理层标准，专为工作在OC-192/STM-64SDH/SONET环境而设置，利用轻量的SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系）/SONET（SynchronousOpticalNetworking，同步光纤网络）帧，运行速度为s。

它们所利用的光纤类型和有效传输距离别离对应于前面介绍的10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-ER和10GBase-ZR标准。

在10GBase-LX4和10GBase-CX4标准中没有广域网物理层，因为以前的SONET/SDH标准都是工作在串行传输方式的，而10GBase-LX4和10GBase-CX4标准采纳的是并行传输方式。

以上各类标准的综合比较如表5-7所示。

表5-7 万兆以太网标准比较

万兆以太网规范

使用的传输介质

有效距离

应用领域

10GBase-SR

850nm多模光纤，50μm的OM3光纤

300m

局域网、

城域网

10GBase-LR

1310nm单模光纤

10km

10GBase-LRM

μm多模光纤，OM3光纤

260m

10GBase-ER

1550nm单模光纤

40km

10GBase-ZR

1550nm单模光纤

80km

10GBase-LX4

1300nm单模或者多模光纤

300m（多模时），10km（单模时）

10GBase-CX4

屏蔽双绞线

15米

10GBase-T

6类、6a类双绞线

55m（6类线时），100m（6a类线时）

10GBase-KX4

铜线（并行接口）

1m

背板以太网

10GBase-KR

铜线（串行接口）

1m

10GBase-SW

850nm多模光纤，50μm的OM3光纤

300m

SDH/SONET广域网

10GBase-LW

1310nm单模光纤

10km

10GBase-EW

1550nm单模光纤

40km

10GBase-ZW

1550nm单模光纤

80km

5.5.2万兆以太网的物理层结构

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5.5.2 万兆以太网的物理层结构

万兆以太网采纳了IEEE以太网介质访问操纵（MAC）协议、IEEE以太网帧格式，和IEEE帧的最大和最小尺寸。

正如千兆以太网标准1000Base-X和1000Base-T保留了以太网模型的大体内容一样，万兆以太网在本质上仍然是以太网在速度和距离方面的自然进化。

但因为万兆以太网是一种只采纳全双工的传输技术，因此网络运营商不需要应用低速的、半双工的CSMA/CD协议。

在许多万兆以太网标准中，也对应了许多不同类型的万兆以太网物理层，但整体类型仍是与最初于2002年发布的几类万兆以太网标准差不多。

下面分基于光纤传输介质万兆以太网标准物理层和基于铜线传输介质万兆以太网标准物理层两种类型进行介绍。

在2002年发布的7个标准中，能够分为三大类，即10GBase-X（仅包括10GBase-X标准）、10GBase-R（包括10GBase-SR、10GBase-LR和10GBase-ER三个标准）和10GBase-W（包括10GBase-SW、10GBase-LW和10GBase-EW三个标准）。

这三个子系列所对应的物理层体系结构别离对应图5-19中的左、中、右图（注意其顶用颜色标注的部份）。

在万兆以太网技术中，其中比较突出的是一种称之为XAUI的接口。

XAUI借用了原先的以太网附加单元接口（AttachmentUnitInterface，AUI）的简称，而X源于罗马数字中的10，代表每秒传输10千兆比特的意思。

XAUI被设计成既是一个接口扩展器，又是一个接口。

其实在体系结构中确实是将在下面提到的10Gb/s介质独立接口（10GigabitMediaIndependentInterface，XGMII），也能够看成是对XGMII接口的扩展。

XGMII是具有74条信号线的接口，其中的32条数据线用于数据的收发。

XGMII也能够作为以太网的MAC层对PHY的补充。

XAUI还能够在以太网的MAC层和PHY的互联方面代替或作为XGMII的扩展，这是XGMII比较典型的应用。

（点击查看大图）图5-19 三个万兆以太网规范子系列的体系结构

XAUI直接从千兆以太网标准中1000Base-X的PHY进展而来，它具有自带时钟的串行总线。

XAUI接口的速度是1000Base-X的倍。

通过4条串行通道，保证万兆以太网的XAUI接口所支持的数据吞吐量是千兆以太网的10倍。

对照一以下图5-16中右图所示的千兆以太网标准中的物理层能够看出，在10GBase-X子系列的体系结构中，物理层结构与千兆以太网的大体类似，只是PCS子层与RS子层之间的接口由原先的GMII变成了XGMII，也确实是前面说的XAUI。

而在10GBase-R子系列的三个标准中的物理层，除上述接口换成为XGMII外，还有一个区别确实是PCS子层的编码方式由原先的8B/10B改变成了64B/66B。

在10GBase-W子系列的三个标准中相对千兆以太网物理层的改变更大，除在10GBase-R子系列中的两处改变外，还在PCS子层与PMA子层之间增加了一个新的子层--WIS（WAN接口）子层。

通过WAN接口子层（WANInterfaceSublayer，WIS），万兆以太网也能被调整为较低的传输速度，如s（OC-192），这就许诺万兆以太网设备与同步光纤网络（SONET）STS-192c传输格式相兼容。

下面对万兆以太网物理层的这几个子层和接口进行具体介绍。

PMD（物理介质相关）子层

PMD子层的功能是支持在PMA子层和介质之间互换串行化的符号代码位。

PMD子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。

PMD是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上发送和接收信号。

PMA（物理介质连接）子层

PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化效劳接口。

它与PCS子层的连接称为PMA效劳接口。

另外PMA子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）的符号定不时钟。

WIS（广域网接口）子层

WIS子层是可选的物理子层（只在10GBase-W子系列三个标准中采纳），位于PMA子层与PCS子层之间，用于广域网中产生适配ANSI概念的SONETSTS-192c传输格式，或ITU概念SDHVC-4-64c容器速度的以太网数据流。

该速度数据流能够直接映射到传输层而不需要高层处置。

PCS（物理编码）子层

PCS子层位于和谐子层（通过GMII）和物理介质接入层（PMA）子层之间。

PCS子层完成将通过完善概念的以太网MAC功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。

PCS子层和上层RS子层的接口由XGMII提供，与基层PMA接口利用PMA效劳接口。

RS（和谐子层）和XGMII（10Gb/s介质无关接口）

和谐子层的功能是将XGMII的通路数据和相关操纵信号映射到原始PLS效劳接口概念（MAC/PLS）接口上。

XGMII接口提供了10Gb/s的MAC和物理层间的逻辑接口。

XGMII和和谐子层使MAC能够连接到不同类型的物理介质上。

5.5.3万兆以太网MAC子层

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5.5.3 万兆以太网MAC子层

应用于局域网的万兆以太网的MAC子层与千兆以太网的MAC子层的帧格式大体一样（参见图5-17），但再也不支持CSMA/CD介质操纵方式，只许诺进行全双工传输。

这就意味着万兆以太网的传输将不受CSMA/CD冲突字段的限制，从而冲破了局域网的概念，进入到了城域网和广域网范围。

又由于10G以太网能够在广域网上利用，因此为了与传统的以太网兼容，必需采纳标准以太网的帧格式承载业务。

为了达到10Gb/s的高速度能够采纳SONET/SDH网络中的OC-192c帧格式传输，这就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能。

同时，由于以太网的原设计是面向局域网的，网络治理功能较弱，传输距离短而且其物理线路没有任何爱惜方法。

当以太网作为广域网进行长距离、高速度传输时必然会致使线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。

因此，若是以太网帧要在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。

以太网一样利用物理层中特殊的10B（Byte）代码实现帧定界。

当MAC层有数据需要发送时，PCS子层对这些数据进行8B/10B编码，当发觉帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组SFD（帧起始定界符）和EFD（帧终止定界符）；当PCS子层收到来自底层的10B编码数据时，能够很容易地依照SFD（帧起始字界符）和EFD（帧结尾定界符）找到帧的起始和终止，从而完成帧定界。

可是SDH中承载的千兆以太网帧定界不同于标准的千兆以太网帧定界，因为复用的数据已经恢复成8B编码的码组，去掉了SFD和EFD。

若是只利用千兆以太网的前导码（Preamble）和SFD进行帧定界，由于信息数据中显现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，采纳如此的帧定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界。

为了幸免上述情形，10G以太网采纳了HEC（Header-Error-Check，头部错误检测）策略。

在以太网帧中添加了"长度"字段和"HEC"字段。

为了在定帧进程中方便查找下一个帧位置，同时又确保最大帧长为1518字节，因此把原先"前导码"字段的两个字节改用为"长度"字段，然后对前面的8字节进行CRC-16校验，将最后取得的两个字节作为"HEC"字段插入SFD以后，DA字段之前。

【注意】10GWAN物理层并非是简单地将以太网MAC帧用OC-192c承载。

尽管借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射和分层的开销，可是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化，使得修改后的以太网对抖动不灵敏，对时钟的要求不高。

减少了许多没必要要的开销，简化了SDH帧结构，与千兆以太网相较，增强了物理层的网络治理和保护，可在物理线路上实现爱惜倒换。

第二，幸免了烦琐的同步复用，信号不是从低速度复用成高速度流，而是直接映射到OC-192c净负荷中。

10G以太局域网和10G以太广域网（采纳OC-192C）物理层的速度不同，10G以太局域网的数据率为10Gb/s，而10G以太广域网的数据率为s（SDHOC-192c，是PCS层未编码前的速度），可是两种速度的物理层共用一个MAC层，MAC层的工作速度为10Gb/s。

采纳什么样的调整策略将10GMII接口的10Gb/s传输速度降低，使之与物理层的传输速度s相匹配，是10G以太广域网需要解决的问题。

5.5.4万兆以太网的要紧特性和优势

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5.5.4 万兆以太网的要紧特性和优势

万兆以太网概念在IEEE协议中，其数据传输速度达到百亿比特每秒。

基于现今普遍应用的以太网技术，万兆以太网提供了与各类以太网标准相似的有利特点。

但同时它又具有相对以前几种以太网技术鲜明的特点和优势，要紧体此刻以下几个方面：

物理层结构不同

万兆以太网是一种只采纳全双工数据传输技术，其物理层（PHY）和OSI参考模型的第一层（物理层）一致，负责成立传输介质（光纤或铜线）和MAC层的连接，MAC层相当于OSI参考模型的第二层（数据链路层）。

万兆以太网标准的物理层分为两部份，别离为LAN物理层和WAN物理层。

LAN物理层提供了此刻正普遍应用的以太网接口，传输速度为10Gb/s；WAN物理层那么提供了与OC-192c和SDHVC-6-64c相兼容的接口，传输速度为s。

与SONET不同的是，运行在SONET上的万兆以太网仍然以异步方式工作。

WIS（WAN接口子层）将万兆以太网流量映射到SONET的STS-192c帧中，通过调整数据包间的间距，使OC-192c略低的数据传输率与万兆以太网相匹配。

提供多种物理接口

千兆以太网的物理层每发送8比特的数据要用10比特组成编码数据段，网络带宽的利用率只有80%；万兆以太网那么每发送64比特只用66比特组成编码数据段，比特利用率达97%。

尽管这是捐躯了纠错位和恢复位换取的，但万兆以太网采纳了更先进的纠错和恢复技术，确保数据传输的靠得住性。

基于光纤的万兆以太网标准的物理层可进一步细分为5种具体的接口，别离为1550nmLAN接口、1310nm宽频波分复用（WWDM）LAN接口、850nmLAN接口、1550nmWAN接口和1310nmWAN接口。

以上每种接口都有其对应的最适宜的传输介质：

850nmLAN接口适用于50/125μm多模光纤上，最大传输距离为65m；50/125μm多模光纤此刻已用得不多，但由于这种光纤制造容易，价钱廉价，因此用来连接效劳器比较划算；1310nm宽频波分复用（WWDM）LAN接口适用于125μm多模光纤上，传输距离为300m；125μm的多模光纤又叫FDDI光纤，是目前企业利用得最普遍的多模光纤，从20世纪80年代末90年代初开始在网络界大行其道；1550nmWAN接口和1310nmWAN接口适合在单模光纤上进行长距离的城域网和广域网数据传输；1310nmWAN接口支持的传输距离为10km；1550nmWAN接口支持的传输距离为40km。

另外，在10GBase-T标准中，还支持最多见的双绞线RJ-45接口。

带宽更宽，传输距离更长

万兆以太网标准意味着以太网将具有更高的带宽（10Gb/s）和更远的传输距离（最长传输距离可达80km）。

另外，过去有时需采纳数个千兆捆绑以知足互换机互连所需的高带宽，因此浪费了更多的光纤资源，此刻能够采纳万兆互连，乃至4个万兆捆绑互连，达到40Gb/s的宽带水平。

结构简单、治理方便、价钱低廉

由于万兆以太网只工作于光纤模式（屏蔽双绞线也能够工作于该模式），没有采纳载波侦听多路访问和冲突检测（CSMA/CD）协议和访问优先操纵技术，简化了访问操纵的算法，从而简化了网络的治理，并降低了部署的本钱，也因此取得了普遍的应用。

便于治理

采纳万兆以太网，网络治理者能够用实时方式，也能够用历史积存方式轻松地看到第2层到第7层的网络流量。

许诺"永久在线"监视，能够辨别干扰或入侵监测，发觉网络性能瓶颈，获取计费信息或呼唤数据记录，从网络中获取商业智能。

应用更广

万兆以太网要紧工作在光纤模式上，因此它不仅在局域网中能够取得应用，更在城域网和广域网中有着超级广漠的用途，把原先仅用于局域网的以太网带到了广漠的城域网和广域网中。

另外，随着网络应用的深切，WAN/MAN与LAN融合已经成为大势所趋，各自的应用领域也将取得新的冲破，而万兆以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的速度、可操作距离和连通性的途径，万兆以太网技术的应用必将为三网进展与融合提供新的动力。

具有更高多功能，效劳质量更好

万兆以太网技术提供了更多的更新功能，大大提升QoS，具有相当的革命性，因此，能更好地知足网络平安、效劳质量、链路爱惜等多个方面的需求。

固然，最重要的特性确实是，万兆以太网技术大体承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及率、利用方便性、网络互操作性及简易性上都占有极大的优势。

在升级到万兆以太网解决方案时，用户没必要担忧既有的程序或效劳是不是会受到阻碍，升级的风险超级低，可实现滑腻升级，爱惜了用户的投资；同时在以后升级到40Gb/s乃至100Gb/s都将是很明显的优势。