IEEE802.3ae

2002年6月，IEEE通過了10 Gb/s速率的乙太網標準——IEEE 802.3ae。至此為止，乙太網的發展已經歷了4個階段，即以太網、快速乙太網、千兆乙太網和10G乙太網(10GE)階段。10G乙太網的優點在於保留了IEEE 802.3乙太網媒體訪問控制(MAC)協議，保持乙太網的幀格式不變。10G乙太網主要有以下特點：只工作在全雙工模式；增加了廣域網介面子層(WIS)，可實現與SDH的無縫連接。由於區域網、城域網、廣域網採用同一種核心技術，避免了協議轉換，實現了無縫連接，因此10G乙太網是實現未來端到端光乙太網的基礎。

1 10G乙太網光介面

10G乙太網標準中關於物理介面有3種類型：

(1)IEEE 802.3ae，定義了在光纖上傳輸10G乙太網的標準，傳輸距離從300 m到40 km。

(2)IEEE 802.3ak，定義了在對稱銅纜上運行10G乙太網的標準，傳輸距離小於15 m，適用於數據中心內部伺服器之間的連接應用。

(3)IEEE 802.3an，定義了基於雙絞線作為媒質的10G乙太網標準，希望傳輸距離至少達到100 m，目前該標準正在制訂中。

3種類型中，基於IEEE 802.3ae標準定義的10G乙太網光介面，可以根據光纖類型、傳輸距離等進一步細分為7種類型。

在介面類型中，10GBASE-LX4使用了粗波分復用(CWDM)技術，把12.5 Gb/s的數據流分成4路3.125 Gb/s的數據流在光纖中傳播，由於採用了8B/10B編碼，因此有效數據流量是10 Gb/s。這種介面類型的優點是應用場合比較靈活，既可以使用多模光纖，應用於傳輸距離短對價格敏感的場合，也可以使用單模光纖，支持較長傳輸距離的應用。

10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理編碼子層(PCS)使用了效率較高的64B/66B編碼，在線路上傳輸的速率是10.3 Gb/s。

10GBASE-SR使用850 nm的激光器，在多模光纖上的傳輸距離是300 m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分別使用1 310 nm和1 550 nm的激光器，在單模光纖上的傳輸距離分別是10 km和40 km，適用於城域範圍內的傳輸，是目前的主流應用。

10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是應用於廣域網的介面類型，其傳輸速率和OC-192 SDH相同，物理層使用了64B/66B的編碼，通過WIS把乙太網幀封裝到SDH的幀結構中去，並做了速率匹配，以便實現和SDH的無縫連接。

2 10G光模塊

由於光收發模塊集成化程度越來越高，因此10G乙太網光介面的功能完全可以由一個光模塊來實現。10G光模塊主要包括光/電轉換、時鐘提取和同步、復用/解復用、64B/66B編解碼、WIS、8B/10B編解碼等子功能模塊。

據LIGHT READING雜誌的研究報告顯示，10G光模塊將是未來幾年最具市場潛力的光器件。現在應用比較廣泛的10G光模塊有以下幾種：300pin、Xenpak、Xpak、X2和XFP。其中300pin屬於第一代模塊，主要應用於SDH，把電介面改成10G乙太網16位介面(XSBI)后也可應用於10G乙太網；Xenpak是針對10G 乙太網推出的第一代光模塊，採用IEEE 802.3ae標準中的10G附加單元介面(XAUI)作為數據通路；Xpak和X2是Xenpak光模塊的直接改進版，體積縮小了40%左右；XFP是一種外形緊湊、價格低廉的光模塊，有點類似於千兆乙太網的小型化可拔插光模塊(SFP)。由於300pin光模塊在10G乙太網中應用較少，因此下面重點介紹Xenpak、Xpak、X2和XFP這4種光模塊。

2.1 Xenpak光模塊

Xenpak光模塊的功能框圖如圖1所示，分別對應IEEE 802.3ae標準中的10G媒體無關介面擴展子層(XGXS)、PCS、物理媒體附加子層(PMA)和物理媒體相關子層(PMD)的功能。

Xenpak光模塊通過70pin的SFP連接器與電路板連接，其數據通道是XAUI介面；Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定義的光介面，在線路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。

Xenpak光模塊封裝在一個4.8×1.4×0.7立方英寸的空間內，內置1 310 nm的半導體分佈反饋(DFB)激光器，採用直接調製方式，無內嵌溫度控制裝置。Xenpak在G.652的單模光纖上傳輸距離可以達到10 km，適合於城域範圍的應用，是目前10G乙太網埠的主流產品。除光電部分外，復用/解復用模塊(MUX/DEMUX)是Xenpak內部的另一個重要的功能部件，Xenpak 50%以上的功耗是由復用/解復用模塊消耗的，因此Xenpak光模塊體積較大，功耗也較大。

Xenpak光模塊的應用比較簡單，只用一個光模塊即可實現10G乙太網光介面的功能。其電路設計的難點在於高速數據介面XAUI的設計，XAUI介面包括8對速率為3.125 Gb/s，串列，內含時鐘的差分線。XAUI介面的性能直接影響到系統的轉發性能。

2.2 Xpak和X2光模塊

Xpak和X2光模塊都是從Xenpak標準演進而來的，其內部功能模塊與Xenpak基本相同，在電路板上的應用也相同，都是使用一個模塊即可實現10G乙太網光介面的功能。由於Xenpak光模塊安裝到電路板上時需要在電路板上開槽，實現較複雜，無法實現高密度應用。而Xpak和X2光模塊經過改進后體積只有Xenpak的一半左右，可以直接放到電路板上，因此適用於高密度的機架系統和PCI網卡應用。

Xpak和X2光模塊可以提供兩種電路介面：XAUI和串列成幀器介面(SFI-4)，即可以用於10G乙太網，也可用於OC-192 SDH和10GFC。可以說Xpak和X2是非常相近的標準，X2相比Xpak的改動主要反映在導軌系統上，業界人士普遍認為兩種規格會最終融合到一起。

2.3 XFP光模塊

與Xenpak陣營分庭抗禮的領銜廠商是美國Finisar公司，它聯合了大約10個公司，包括系統集成商Brocade、Emulex、ONCiena，光模塊提供商Finisar、JDSU、Sumitomo Electric、Tyco Electronics和晶元製造商Broadcom、Maxim、Velio等，在2002年3月成立了XFP多源協議組織(MSA)。與其他幾種光模塊相比，XFP是外形最緊湊成本是最低廉的光模塊，因此具有很大的優勢。XFP已被認為是繼Xpak或X2后的新一代產品，目前已經有很多廠商都發布了自己的XFP光模塊產品。

XFP的功能框圖如圖2所示，與其他幾種光模塊相比，XFP是光收發器(Transceiver)不是光收發模塊(Transponder)。光收發器實際上只是一個光電轉換器件，只負責完成光/電信號的轉換，其他功能如復用/解復用、64B/66B編解碼等由電路板上的晶元實現。XFP光模塊可輕鬆實現高埠密度的應用，由於XFP佔用印刷電路板(PCB)的面積只有Xenpak的20%，功耗只有1.5～2 W，因此可用於實現最多16埠的線卡。

XFP與電路板的介面採用10G串列電路介面(XFI)。現在已經有廠家提供XSBI-to-XFI和XAUI-to-XFI的晶元，XGMII-to-XFI的晶元也有廠家在開發中。圖3所示是分別使用Xenpak和XFP實現10G乙太網介面的對比，從圖中可以看出，與Xenpak相比，XFP雖然要和物理層(PHY)晶元配合使用，但仍然節省了中間的XGXS和XAUI介面部分(圖3中深色陰影部分)，使得費用降低。

因為XFP只是一個光收發器，所以與協議實現無關，可以普遍適用於10G乙太網、10GFC和OC-192 SDH，應用的普遍性有利於設備製造商提高採購量，從而達到降低成本的目的。此外，XFP提供一個兩線的串列介面，可以實現數據診斷功能，實時地監控光模塊的各種參數，如溫度、激光器偏置電流、發送光功率、接收光功率、工作電壓等。

3 4種光模塊優缺點對比

光模塊可按其內部結構和功能分成兩類：Xenpak、Xpak和X2是光收發模塊類，XFP是光收發器類。這兩類光模塊體現了兩種不同的設計思路，兩者各有優缺點：光收發模塊的優點是集成度高，電路設計實現簡單，電路設計工程師可以將主要精力放在系統設計上，不必為器件在電路上的實現花費太多的精力；缺點是功耗大、體積大，限制了在PCB板上安裝光模塊的數目，不能滿足現在數據產品對埠密度的要求。光收發器的優點是體積小、價格便宜，易於實現高埠密度的應用；缺點是對電路設計要求較高，要在普通電路板上實現10 Gb/s速率、12英寸傳輸距離的XFI介面。此外，XFP光模塊要求能夠同時支持低價位短距離和高性能長距離的應用(從600 m到40 km)。

目前來看，由於Xenpak光模塊推向市場最早，技術成熟度較高，提供XAUI介面的晶元也較多，因此應用比較廣泛。而Xpak、X2雖然在體積上僅有Xenpak的一半，但成本也比Xenpak光模塊高，只能作為一種過渡性的產品出現。由於XFP光模塊的出現和技術的飛速發展，很多廠商都已放棄Xpak、X2光模塊的開發，直接轉向XFP光模塊。從目前各光模塊廠商的出貨情況來看，Xenpak的出貨量仍然很大，Xpak、X2應用較少，而XFP的增長則非常迅速。

4 10G乙太網交換機的實現

2002年9月，中興通訊獨家承擔了國家十五“863”計劃項目“基於10 Gb/s城域乙太網試驗系統的開發”，並在國內首家推出了符合IEEE 802.3ae標準的10G乙太網交換機ZXR10-6610。ZXR10-6610基於10G平台實現，轉發容量達到120 Mp/s，提供10G乙太網、1 000/100M乙太網、10G RPR、OC-192/OC48 POS等多種業務類型接入，具備高可靠性、平滑的升級能力和良好的QoS性能，支持多協議標籤交換(MPLS)、虛擬專用網(VPN)、網路地址轉換(NAT)、策略路由等多種應用。

在ZXR10-6610中，10G乙太網轉發板是整個系統的關鍵部件。為保證10G埠的線速性能，轉發板採用10G網路處理器實現。

圖4中，10G網路處理器和10G乙太網光介面是完成高速數據轉發的核心部件。系統採用了第二代10G網路處理器，單晶元具備全雙工10 Gb/s的數據處理能力，既可以提供像專用集成電路晶元(ASIC)一樣的處理速度，又具有通用處理器的智能性和靈活性。考慮到技術成熟度，10GE光介面採用了符合10GBASE-LR標準的Xenpak光模塊來實現。Xenpak光模塊的應用比較簡單，其外圍介面包括：用戶光纖連接器(SC)、XAUI介面、管理數據輸入輸出介面、電源等。10GE光介面部分的設計難點在於XAUI介面的設計，由於其性能直接影響到系統的轉發性能，因此是設計中必須要解決的關鍵技術。

ZXR10 6610在XAUI介面設計上採取了以下措施：

(1)為降低線路雜訊干擾，在本系統中發送方向(網路處理器到光介面)的串列線採用電源作為參考平面，接收方向(光介面到網路處理器)的串列線採用地作為參考平面，有效地提高了介面性能。

(2)嚴格控制高速差分線的傳輸阻抗，要求單端阻抗控制為50 Ω，差分阻抗為100 Ω。

(3)保證差分對內的信號線布線長度一致，要求控制在2 mil以內；各差分線對之間的距離要儘可能遠，尤其是不同埠的差分對之間的距離要求大於200 mil。

(4)避免高速信號線在不連續的平面上布線，這樣會導致阻抗不匹配，引起信號反射，造成電磁干擾(EMI)。

對10G乙太網埠的轉發性能的測試表明：中興通訊10G乙太網交換機ZXR10-6610對最短包(64位元組)的轉發吞吐率達到了100%，線速情況下的延遲與延遲抖動非常小，系統實現了板間的10 Gb/s線速轉發，標誌著ZXR10-6610的性能指標處於國際同類產品領先水平。