01萬兆以太網規范

就目前來說，萬兆以太網標準和規范都比較繁多，在標準方面，有 2002 年的IEEE 802.3ae，2004 年的 IEEE 802.3ak，2006 年的 IEEE 802.3an、IEEE 802.3aq和 2007 年的IEEE 802.3ap；在規范方面，總共有 10多個（是一比較龐大的家族，比千兆以太網的 9 個又多了許多）。在這 10多個規范中，可以分為三類：一是基于光纖的局域網萬兆以太網規范，二是基于雙絞線（或銅線）的局域網萬兆以太網規范，三是基于光纖的廣域網萬兆以太網規范。下面分別予以介紹。

1基于光纖的局域網萬兆以太網規范

就目前來說，用于局域網的基于光纖的萬兆以太網規范有：10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-LRM、10GBase-ER、10GBase-ZR 和 10GBase-LX4 這六個規范。

10GBase-SR

10GBase-SR 中的"SR"代表"短距離"（short range）的意思，該規范支持編碼方式為64B/66B 的短波（波長為 850nm）多模光纖（MMF），有效傳輸距離為 2～300m，要支持 300m 傳輸需要采用經過優化的 50μm 線徑 OM3（Optimized Multimode 3，優化的多模 3）光纖（沒有優化的線徑 50μm 光纖稱為 OM2 光纖，而線徑為 62.5μm 的光纖稱為 OM1 光纖）。10GBase-SR 具有最低成本、最低電源消耗和最小的光纖模塊等優勢。

10GBase-LR

10GBase-LR 中的"LR"代表"長距離"（Long Range）的意思，該規范支持編碼方式為64B/66B 的長波（1310nm）單模光纖（SMF），有效傳輸距離為 2m 到 10km，事實上最高可達到 25km。10GBase-LR 的光纖模塊比下面將要介紹的 10GBase-LX4 光纖模塊更便宜。

10GBase-LRM

10GBase-LRM 中的"LRM"代表"長度延伸多點模式"（Long Reach Multimode），對應的標準為 2006 年發布的 IEEE 802.3aq。在 1990年以前安裝的 FDDI 62.5?m 多模光纖的 FDDI網絡和 100Base-FX 網絡中的有效傳輸距離為 220m，而在 OM3 光纖中可達 260m，在連接長度方面，不如以前的 10GBase-LX4 規范，但是它的光纖模塊比 10GBase-LX4 規范光纖模塊具有更低的成本和更低的電源消耗。

10GBase-ER

10GBase-ER 中的"ER"代表"超長距離"（Extended Range）的意思，該規范支持超長波（1550nm）單模光纖（SMF），有效傳輸距離為 2m 到 40km。

10GBase-ZR

幾個廠商提出了傳輸距離可達到 80km 超長距離的模塊接口，這就是 10GBase-ZR 規范。它使用的也是超長波（1550nm）單模光纖（SMF）。但 80km 的物理層不在 EEE 802.3ae 標準之內，是廠商自己在 OC-192/STM-64 SDH/SONET 規范中的描述，也不會被 IEEE 802.3 工作組接受。

10GBase-LX4

10GBase-LX4 采用波分復用技術，通過使用 4 路波長統一為 1300 nm，工作在 3.125Gb/s的分離光源來實現 10Gb/s 傳輸。該規范在多模光纖中的有效傳輸距離為 2～300m，在單模光纖下的有效傳輸距離最高可達 10km。它主要適用于需要在一個光纖模塊中同時支持多模和單模光纖的環境。因為 10GBase-LX4 規范采用了 4 路激光光源，所以在成本、光纖線徑和電源成本方面較前面介紹的 10GBase-LRM 規范有不足之處。

2基于雙絞線（或銅線）的局域網萬兆以太網規范

在 2002 年發布的幾個萬兆以太網規范中并沒有支持銅線這種廉價傳輸介質的，但事實上，像雙絞線這類銅線在局域網中的應用是最普遍的，不僅成本低，而且容易維護，所以在近幾年就相繼推出了多個基于雙絞線（6 類以上）的萬兆以太網規范包括 10GBase-CX4、 10GBase-KX4、10GBase-KR、10GBase-T。下面分別予以簡單介紹。

10GBase-CX4

10GBase-CX4 對應的就是 2004 年發布的 IEEE 802.3ak 萬兆以太網標準。10GBase-CX4使用 802.3ae 中定義的 XAUI（萬兆附加單元接口）和用于 InfiniBand 中的 4X 連接器，傳輸介質稱之為"CX4 銅纜"（其實就是一種屏蔽雙絞線）。它的有效傳輸距離僅 15m。

10GBase-CX4 規范不是利用單個銅線鏈路傳送萬兆數據，而是使用 4 臺發送器和 4 臺接收器來傳送萬兆數據，并以差分方式運行在同軸電纜上，每臺設備利用 8B/10B 編碼，以每信道 3.125GHz 的波特率傳送 2.5Gb/s 的數據。這需要在每條電纜組的總共 8 條雙同軸信道的每個方向上有 4 組差分線纜對。另外，與可在現場端接的 5 類、超 5 類雙絞線不同， CX4 線纜需要在工廠端接，因此客戶必須指定線纜長度。線纜越長一般直徑就越大。10GBase-CX4 的主要優勢就是低電源消耗、低成本、低響應延時，但是接口模塊比 SPF+的大。

10GBase-KX4和10GBase-KR

10GBase-KX4 和 10GBase-KR 所對應的是 2007 年發布的 IEEE 802.3ap 標準。它們主要用于背板應用，如刀片服務器、路由器和交換機的集群線路卡，所以又稱之為"背板以太網"。

萬兆背板目前已經存在并行和串行兩種版本。并行版（10GBase-KX4 規范）是背板的通用設計，它將萬兆信號拆分為 4 條通道（類似 XAUI），每條通道的帶寬都是 3.125Gb/s。而在串行版（10GBase-KR 規范）中只定義了一條通道，采用 64/66B 編碼方式實現 10Gb/s高速傳輸。在 10GBase-KR 規范中，為了防止信號在較高的頻率水平下發生衰減，背板本身的性能需要更高，而且可以在更大的頻率范圍內保持信號的質量。IEEE 802.3ap 標準采用的是并行設計，包括兩個連接器的 1m 長銅布線印刷電路板。10GBase-KX4 使用與10GBase-CX4 規范一樣的物理層編碼，10GBase-KR 使用與 10GBase-LR/ER/SR 三個規范一樣的物理層編碼。目前，對于具有總體帶寬需求或需要解決走線密集過高問題的背板，有許多家供應商提供的 SerDes 芯片均采用 10GBase-KR 解決方案。

10GBase-T

10GBase-T 對應的是 2006 年發布的 IEEE 802.3an 標準，可工作在屏蔽或非屏蔽雙絞線上，最長傳輸距離為 100m。這可以算是萬兆以太網一項革命性的進步，因為在此之前，一直認為在雙絞線上不可能實現這么高的傳輸速率，原因就是運行在這么高工作頻率（至少為 500MHz）基礎上的損耗太大。但標準制定者依靠 4 項技術構件使 10GBase-T 變為現實：損耗消除、模擬到數字轉換、線纜增強和編碼改進。10GBase-T 的電纜結構也可用于 1000Base-T 規范，以便使用自動協商協議順利從1000Base-T 升級到 10GBase-T 網絡。10GBase-T 相比其他 10G 規范而言，具有更高的響應延時和消耗。在 2008 年，有多個廠商推出一種硅元素可以實現低于 6W 的電源消耗，響應延時小于百萬分之一秒（也就是 1μs）。在編碼方面，不是采用原來 1000Base-T 的 PAM-5，而是采用了 PAM-8 編碼方式，支持 833Mb/s 和 400MHz 帶寬，對布線系統的帶寬要求也相應地修改為 500MHz，如果仍采用 PAM-5 的 10GBase-T 對布線帶寬的需求是 625MHz。在連接器方面，10GBase-T 使用已廣泛應用于以太網的 650MHz 版本 RJ-45 連接器。在6 類線上最長有效傳輸距離為 55m，而在 6a 類類雙線上可以達到 100m。

3基于光纖的廣域網萬兆以太網規范

前面提到的 10GBase-SW、10GBase-LW、10GBase-EW 和 10GBase-ZW 規范都是應用于廣域網的物理層規范，專為工作在 OC-192/STM-64 SDH/SONET 環境而設置，使用輕量的 SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系）/SONET（Synchronous Optical Networking，同步光纖網絡）幀，運行速率為 9.953Gb/s。它們所使用的光纖類型和有效傳輸距離分別對應于前面介紹的 10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-ER 和 10GBase-ZR 規范。在 10GBase-LX4 和 10GBase-CX4 規范中沒有廣域網物理層，因為以前的 SONET/SDH。

02萬兆以太網的物理層結構

萬兆以太網采用了 IEEE 802.3 以太網介質訪問控制（MAC）協議、IEEE 802.3 以太網幀格式，以及 IEEE 802.3 幀的最大和最小尺寸。正如千兆以太網標準 1000Base-X 和 1000Base-T 保留了以太網模型的基本內容一樣，萬兆以太網在本質上仍然是以太網在速度和距離方面的自然進化。但因為萬兆以太網是一種只采用全雙工的傳輸技術，所以網絡運營商不需要應用低速的、半雙工的 CSMA/CD 協議。

在許多萬兆以太網規范中，也對應了許多不同類型的萬兆以太網物理層，但總體類型還是與最初于 2002 年發布的幾類萬兆以太網規范差不多。下面分基于光纖傳輸介質萬兆以太網規范物理層和基于銅線傳輸介質萬兆以太網規范物理層兩種類型進行介紹。

在 2002 年發布的 7 個規范中，可以分為三大類，即 10GBase-X（僅包括 10GBase-X 規范）、10GBase-R（包括 10GBase-SR、10GBase-LR 和 10GBase-ER 三個規范）和 10GBase-W（包括 10GBase-SW、10GBase-LW 和 10GBase-EW 三個規范）。這三個子系列所對應的物理層體系結構分別對應圖 5-19 中的左、中、右圖（注意其中用顏色標注的部分）。

在萬兆以太網技術中，其中比較突出的是一種稱之為 XAUI 的接口。XAUI 借用了原來的以太網附加單元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的簡稱，而 X 源于羅馬數字中的 10，代表每秒傳輸 10千兆比特的意思。XAUI 被設計成既是一個接口擴展器，又是一個接口。其實在體系結構中就是將在下面提到的 10Gb/s 介質獨立接口（10 Gigabit Media Independent Interface，XGMII），也可以看成是對 XGMII 接口的擴展。XGMII 是具有 74條信號線的接口，其中的 32 條數據線用于數據的收發。XGMII 也可以作為以太網的 MAC層對 PHY 的補充。XAUI 還可以在以太網的 MAC 層和 PHY 的互聯方面代替或作為 XGMII的擴展，這是 XGMII 比較典型的應用。

XAUI 直接從千兆以太網標準中 1000Base-X 的 PHY 發展而來，它具有自帶時鐘的串行總線。XAUI 接口的速率是 1000Base-X 的 2.5 倍。通過 4 條串行通道，保證萬兆以太網的 XAUI 接口所支持的數據吞吐量是千兆以太網的 10倍。

對比一下圖 5-16 中右圖所示的千兆以太網標準中的物理層可以看出，在 10GBase-X 子系列的體系結構中，物理層結構與千兆以太網的基本類似，只是 PCS 子層與 RS 子層之間的接口由原來的 GMII 變成了 XGMII，也就是前面說的 XAUI。而在 10GBase-R 子系列的三個規范中的物理層，除了上述接口換成為 XGMII 外，還有一個區別就是 PCS 子層的編碼方式由原來的 8B/10B 改變成了 64B/66B。在 10GBase-W 子系列的三個規范中相對千兆以太網物理層的改變更大，除了在 10GBase-R 子系列中的兩處改變外，還在 PCS 子層與 PMA 子層之間增加了一個新的子層--WIS（WAN 接口）子層。通過 WAN 接口子層（WAN Interface Sublayer，WIS），萬兆以太網也能被調整為較低的傳輸速率，如 9.584640Gb/s（OC-192），這就允許萬兆以太網設備與同步光纖網絡（SONET）STS-192c 傳輸格式相兼容。

下面對萬兆以太網物理層的這幾個子層和接口進行具體介紹。

PMD（物理介質相關）子層

PMD 子層的功能是支持在 PMA 子層和介質之間交換串行化的符號代碼位。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。

PMA（物理介質連接）子層

PMA 子層提供了 PCS 和 PMD 層之間的串行化服務接口。它與 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分離出用于對接收到的數據進行正確的符號對齊（定界）的符號定時時鐘。

WIS（廣域網接口）子層

WIS 子層是可選的物理子層（只在 10GBase-W 子系列三個規范中采用），位于 PMA子層與 PCS 子層之間，用于廣域網中產生適配 ANSI 定義的 SONET STS-192c 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。

PCS（物理編碼）子層

PCS 子層位于協調子層（通過 GMII）和物理介質接入層（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 子層的接口由 XGMII 提供，與下層 PMA 接口使用 PMA 服務接口。

RS（協調子層）和XGMII（10Gb/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 10Gb/s 的 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。

03萬兆以太網MAC子層

應用于局域網的萬兆以太網的 MAC 子層與千兆以太網的 MAC 子層的幀格式基本一樣（參見圖 5-17），但不再支持 CSMA/CD 介質控制方式，只允許進行全雙工傳輸。這就意味著萬兆以太網的傳輸將不受 CSMA/CD 沖突字段的限制，從而突破了局域網的概念，進入到了城域網和廣域網范疇。

又由于 10G 以太網可以在廣域網上使用，所以為了與傳統的以太網兼容，必須采用標準以太網的幀格式承載業務。為了達到 10Gb/s 的高速率可以采用 SONET/SDH 網絡中的 OC-192c 幀格式傳輸，這就需要在物理子層實現從以太網幀到 OC-192c 幀格式的映射功能。同時，由于以太網的原設計是面向局域網的，網絡管理功能較弱，傳輸距離短并且其物理線路沒有任何保護措施。當以太網作為廣域網進行長距離、高速率傳輸時必然會導致線路信號頻率和相位產生較大的抖動，而且以太網的傳輸是異步的，在接收端實現信號同步比較困難。因此，如果以太網幀要在廣域網中傳輸，需要對以太網幀格式進行修改。

以太網一般利用物理層中特殊的 10B（Byte）代碼實現幀定界。當 MAC 層有數據需要發送時，PCS 子層對這些數據進行 8B/10B 編碼，當發現幀頭和幀尾時，自動添加特殊的碼組 SFD（幀起始定界符）和 EFD（幀結束定界符）；當 PCS 子層收到來自底層的 10B 編碼數據時，可以很容易地根據 SFD（幀起始字界符）和 EFD（幀結尾定界符）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幀定界，因為復用的數據已經恢復成 8B 編碼的碼組，去掉了 SFD 和 EFD。如果只利用千兆以太網的前導碼（Preamble）和 SFD 進行幀定界，由于信息數據中出現與前導和幀起始定界符相同碼組的概率較大，采用這樣的幀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。為了避免上述情況，10G 以太網采用了 HEC（Header-Error-Check，頭部錯誤檢測）策略。在以太網幀中添加了"長度"字段和"HEC"字段。為了在定幀過程中方便查找下一個幀位置，同時又確保最大幀長為 1518 字節，所以把原來"前導碼"字段的兩個字節改用為"長度"字段，然后對前面的 8 字節進行 CRC-16 校驗，將最后得到的兩個字節作為"HEC"字段插入 SFD 之后，DA 字段之前。

【注意】10G WAN 物理層并不是簡單地將以太網 MAC 幀用 OC-192c 承載。雖然借鑒了 OC-192c 的塊狀幀結構、指針、映射以及分層的開銷，但是在 SDH 幀結構的基礎上做了大量的簡化，使得修改后的以太網對抖動不敏感，對時鐘的要求不高。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，可在物理線路上實現保護倒換。其次，避免了煩瑣的同步復用，信號不是從低速率復用成高速率流，而是直接映射到 OC-192c 凈負荷中。

10G 以太局域網和 10G 以太廣域網（采用 OC-192C）物理層的速率不同，10G 以太局域網的數據率為 10Gb/s，而 10G 以太廣域網的數據率為 9.58464Gb/s（SDH OC-192c，是 PCS層未編碼前的速率），但是兩種速率的物理層共用一個 MAC 層，MAC 層的工作速率為 10Gb/s。采用什么樣的調整策略將 10G MII 接口的 10Gb/s 傳輸速率降低，使之與物理層的傳輸速率 9.58464Gb/s 相匹配，是 10G 以太廣域網需要解決的問題。

04萬兆以太網的主要特性和優勢

萬兆以太網定義在 IEEE 802.3ae 協議中，其數據傳輸速率達到百億比特每秒。基于當今廣泛應用的以太網技術，萬兆以太網提供了與各種以太網標準相似的有利特點。但同時它又具有相對以前幾種以太網技術鮮明的特點和優勢，主要體現在以下幾個方面：

1物理層結構不同

萬兆以太網是一種只采用全雙工數據傳輸技術，其物理層（PHY）和 OSI 參考模型的第一層（物理層）一致，負責建立傳輸介質（光纖或銅線）和 MAC 層的連接，MAC 層相當于 OSI 參考模型的第二層（數據鏈路層）。萬兆以太網標準的物理層分為兩部分，分別為 LAN 物理層和 WAN 物理層。LAN 物理層提供了現在正廣泛應用的以太網接口，傳輸速率為 10Gb/s；WAN 物理層則提供了與 OC-192c 和 SDH VC-6-64c 相兼容的接口，傳輸速率為 9.58Gb/s。與 SONET 不同的是，運行在 SONET 上的萬兆以太網依然以異步方式工作。WIS（WAN 接口子層）將萬兆以太網流量映射到 SONET 的 STS-192c 幀中，通過調整數據包間的間距，使 OC-192c 略低的數據傳輸率與萬兆以太網相匹配。

2提供多種物理接口

千兆以太網的物理層每發送 8 比特的數據要用 10比特組成編碼數據段，網絡帶寬的利用率只有 80%；萬兆以太網則每發送 64 比特只用 66 比特組成編碼數據段，比特利用率達 97%。雖然這是犧牲了糾錯位和恢復位換取的，但萬兆以太網采用了更先進的糾錯和恢復技術，確保數據傳輸的可靠性。

基于光纖的萬兆以太網標準的物理層可進一步細分為 5 種具體的接口，分別為 1550nm LAN 接口、1310nm 寬頻波分復用（WWDM）LAN 接口、850nm LAN 接口、1550nm WAN接口和 1310nm WAN 接口。

以上每種接口都有其對應的最適宜的傳輸介質：850nm LAN 接口適用于 50/125μm 多模光纖上，最大傳輸距離為 65m；50/125μm 多模光纖現在已用得不多，但由于這種光纖制造容易，價格便宜，所以用來連接服務器比較劃算；1310nm 寬頻波分復用（WWDM）LAN接口適用于 66.5/125μm 多模光纖上，傳輸距離為 300m；66.5/125μm 的多模光纖又叫 FDDI光纖，是目前企業使用得最廣泛的多模光纖，從 20世紀 80年代末 90年代初開始在網絡界大行其道；1550nm WAN 接口和 1310nm WAN 接口適合在單模光纖上進行長距離的城域網和廣域網數據傳輸；1310nm WAN 接口支持的傳輸距離為 10km；1550nm WAN 接口支持的傳輸距離為 40km。

另外，在 10GBase-T 規范中，還支持最常見的雙絞線 RJ-45 接口。

3帶寬更寬，傳輸距離更長

萬兆以太網標準意味著以太網將具有更高的帶寬（10Gb/s）和更遠的傳輸距離（最長傳輸距離可達 80km）。另外，過去有時需采用數個千兆捆綁以滿足交換機互連所需的高帶寬，因而浪費了更多的光纖資源，現在可以采用萬兆互連，甚至 4 個萬兆捆綁互連，達到 40Gb/s的寬帶水平。

4結構簡單、管理方便、價格低廉

由于萬兆以太網只工作于光纖模式（屏蔽雙絞線也可以工作于該模式），沒有采用載波偵聽多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）協議和訪問優先控制技術，簡化了訪問控制的算法，從而簡化了網絡的管理，并降低了部署的成本，也因而得到了廣泛的應用。

5便于管理

采用萬兆以太網，網絡管理者可以用實時方式，也可以用歷史累積方式輕松地看到第 2層到第 7 層的網絡流量。允許"永遠在線"監視，能夠鑒別干擾或入侵監測，發現網絡性能瓶頸，獲取計費信息或呼叫數據記錄，從網絡中獲取商業智能。

6應用更廣

萬兆以太網主要工作在光纖模式上，所以它不僅在局域網中可以得到應用，更在城域網和廣域網中有著非常廣闊的用途，把原來僅用于局域網的以太網帶到了廣闊的城域網和廣域網中。

另外，隨著網絡應用的深入，WAN/MAN 與 LAN 融合已經成為大勢所趨，各自的應用領域也將獲得新的突破，而萬兆以太網技術讓工業界找到了一條能夠同時提高以太網的速度、可操作距離和連通性的途徑，萬兆以太網技術的應用必將為三網發展與融合提供新的動力。

7具有更高多功能，服務質量更好

萬兆以太網技術提供了更多的更新功能，大大提升 QoS，具有相當的革命性，因此，能更好地滿足網絡安全、服務質量、鏈路保護等多個方面的需求。

當然，最重要的特性就是，萬兆以太網技術基本承襲了以太網、快速以太網及千兆以太網技術，因此在用戶普及率、使用方便性、網絡互操作性及簡易性上都占有極大的優勢。在升級到萬兆以太網解決方案時，用戶不必擔心既有的程序或服務是否會受到影響，升級的風險非常低，可實現平滑升級，保護了用戶的投資；同時在未來升級到 40Gb/s 甚至 100Gb/s都將是很明顯的優勢。

來源：汽車以太網技術研究實驗室

審核編輯：湯梓紅