以太網(wǎng) —10GbE和它的X模塊

作者：Alessandro Barbieri

思科路由器和交換機的萬兆以太網(wǎng)端口類型和可插拔模塊揭密

您可能已經(jīng)閱讀了大量關于萬兆以太網(wǎng)（以下簡稱10GbE）的文章，進而確信它將是您的數(shù)據(jù)中心下一項需要采用的技術�，F(xiàn)在，您需要做的是深入了解這項技術的具體細節(jié)。或者，您可能在尋找您的下一個配線間升級方案，或者考慮用10GbE滿足下一代城域網(wǎng)（MAN）的需要�；蛘�，您可能只是一個喜歡站在技術前沿的技術愛好者。

如果您符合上面這幾種情況中的任何一種，本文就可以幫助您全面地了解10GbE技術和標準的端口類型，以及理解思科交換機、路由器上的多種10GbE可插拔模塊的區(qū)別、共性和應用。

IEEE 802.3ae任務小組于2002年將10GbE確立為標準。雖然它已存在三年，這在互聯(lián)網(wǎng)時代足以讓一項標準成為過時的技術，但是10GbE技術仍然處于旺盛發(fā)展的時期，而10GbE市場也還處于起步階段。

在深入可插拔光接口的細節(jié)之前，首先讓我們了解一下10GbE標準，以及各種10GbE標準端口類型的主要應用。

基于光纖的10GbE：802.3ae概覽
首先要指出的是，10GbE仍然屬于以太網(wǎng)，只是速度快得多。除了將速度水平提高到了10000Gb/s以外，IEEE 802.3ae 10GbE標準的主要目標是保留以太網(wǎng)的幀格式，保持802.3標準的最大和最小幀尺寸，以及只支持全雙工操作（因而不符合CSMA/CD協(xié)議的要求）。IEEE 802.3ae標準的很大一部分都是用于定義10GbE物理層。

隨著標準化工作的深入，人們定義了四種主要的光接口類型，它們可以在不同的距離上支持單模和多模光纖。按照IEEE的術語，這些接口被稱為依賴于物理介質的子層，簡稱PMD。除了這四種PMD以外，該標準還制定了兩個用以支持LAN和WAN應用的物理層規(guī)范（PHY）系列。一般而言，PHY的屬性是在負責編碼和解碼功能的物理編碼子層（PCS）定義的。目前，總共有七種10GbE端口類型（如圖1所示）。

IEEE 802.3ae PMD子層
10GbE標準所規(guī)定的PMD子層看起來似乎容易混淆。每個PMD都具有不同的技術特性，可以支持不同的光纖介質和操作距離。在定義PMD子層時，IEEE傾向于為每種特定的應用提供成本最低廉的光傳輸技術：

只用于單模光纖的PMD
10GBASE-L?D?D工作在1300nm頻段，最長距離為10公里（6.2英里）。
10GBASE-E?D?D工作在1550nm頻段，最長距離為40公里（24.8英里）。

IEEE 802.3ae 萬兆以太網(wǎng)端口類型

只用于多模光纖的PMD
10GBASE-S?D?D采用低成本的850nm激光技術，在傳統(tǒng)多模光纖上覆蓋26到82米的距離。利用針對激光優(yōu)化的多模光纖（也被稱為OM3光纖），10GBASE-S的覆蓋距離可以擴展到300米。

適用于多模和單模光纖的PMD
10GBASE-LX4采用了一個由四束激光組成的陣列，每個以3.125Gb/s發(fā)射，并且四個接收器以波分復用（WDM）的方式排列。該PMD工作在1300nm頻段，可以在傳統(tǒng)的FDDI級多模光纖上支持300米的連接距離，在單模光纖上支持10公里的連接距離。
如需詳細了解PMD所支持的各種光纖類型和連接距離，請參閱思科產(chǎn)品簡介，網(wǎng)址是：cisco.com/packet/173_5b1。

IEEE 802.3ae PHY系列
10GbE標準框架包含兩個新的物理層規(guī)范：LAN PHY和WAN PHY。另外還有三種PCS子層：10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。前兩個屬于LAN PHY系列，最后一個屬于WAN PHY。

LAN PHY和WAN PHY的區(qū)別在于幀類型和接口速度。串行LAN PHY（10GBASE-R）采用的是以太網(wǎng)幀，數(shù)據(jù)速率為10.3125Gb/s（MAC的運行速度為10.000Gb/s；加上64B/66B的編碼開銷，實際的線路速率為10.000* 66/64=10.3125Gb/s）。而WAN PHY則可以將64B/66B編碼負荷包裝到一個通過SONET連接的STS-192c幀中，數(shù)據(jù)速率為9.953Gb/s。

我們?yōu)槭裁葱枰猈AN PHY？
SONET/SDH是光傳輸網(wǎng)絡上采用的主要技術，因而傳統(tǒng)的光傳輸基礎設施都建立在工作速率為9.953Gb/s的SONET/SDH協(xié)議的基礎上。但是，線路速率為10.3125Gb/s的LAN PHY與SONET/SDH的速率不匹配，因而不能在基于SONET/SDH的WAN上傳輸。WAN PHY是IEEE為讓10GbE數(shù)據(jù)速率適應SONET/SDH速度而提供的方法。

WAN PHY可以讓10GbE兼容ANSI定義的SONET STS-192c格式和數(shù)據(jù)速率，以及ITU規(guī)定的SDH VC-4-64c容器。WAN PHY并不是嚴格兼容SONET。它更適于被形容為10GbE的一種適應SONET的變體。它的光傳輸規(guī)格和延時、抖動要求仍然與SONET/SDH網(wǎng)絡截然不同。

基于銅線的10GbE：802.3ak概覽
在2004年，10GbE標準端口類型迎來了一個新的成員：10GBASE-CX4。這項經(jīng)過IEEE 802.3ak任務小組審批的標準是第一個基于銅線接口的10GbE規(guī)范。CX4可以滿足市場對于在無需光纖介質的傳輸距離的應用中使用成本極低的10GbE連接的需求。10GBASE-CX4運行在15米長的四對雙軸銅線上，采用由Infiniband貿(mào)易協(xié)會制定的IBX4連接器標準。

IEEE 802.3ae萬兆以太網(wǎng)端口類型的對應情況

IEEE 10GbE的應用
如前所述，10GbE標準中的端口類型數(shù)量旨在經(jīng)濟有效地滿足各種應用的需要。每種物理層技術都可以滿足特定的市場需求，并提供成本最低廉的技術解決方案。圖2顯示了最常見的10GbE應用與特定的10GbE端口類型的對應情況（按照傳輸介質的距離和可用性分類）。事實上，端口類型并不一定僅限于表中所顯示的應用。

10GBASE-SR和10GBASE-CX4主要用于數(shù)據(jù)中心或者服務器群應用。有限的距離要求和靈活的傳輸介質選項（銅線/光纖）讓機架內(nèi)/機架間服務器－交換機和交換機－交換機互聯(lián)成為了這些技術的理想目標。請注意，CX4需要IBX4軟線，不支持結構化布線。

10GBASE-LX4在支持的光纖介質和傳輸距離方面的靈活性使它成為了最適用于企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡的技術。盡管并沒有針對數(shù)據(jù)中心進行成本優(yōu)化，但是LX4也可以用于這種采用了大量多模光纖的環(huán)境。因此，LX4被視為是企業(yè)網(wǎng)絡中的“瑞士軍刀”式10GbE技術。

利用10GBASE-LR和10GBASE-ER，我們可以支持那些需要延長的傳輸距離和只支持單模光纖的應用：園區(qū)骨干網(wǎng)和城域應用。這兩種端口類型最適用于電信運營商的部署應用，例如城域以太網(wǎng)服務匯聚，DSL回程線路，以及POP間連接等。

在需要使用一個基于長途SONET/SDH的光傳輸基礎設施時，電信運營商應當考慮將WAN PHY用于POP間或者辦公室間應用。

對于那些希望從一個運營商那里租用一條OC-192 TDM線路或者一條OC-192光纖，用于跨越多個國家甚至大陸的WAN應用的企業(yè)來說，10BASE-W常常是唯一的選擇。

下面讓我們了解一下三種思科10GbE光收發(fā)器。它們代表了此前所介紹的端口類型的實際應用。

“X”模塊所支持的特性

思科10GbE可插拔接口
目前，思科交換機和路由器上的幾乎每個10GbE端口都是獨立于光纖或者銅線物理接口銷售的。這讓最終用戶可以根據(jù)應用要求選擇不同的熱插拔收發(fā)器，從而定制10GbE端口。

如需查看Alessandro Barbieri撰寫的《萬兆以太網(wǎng)和它的“X”模塊》全文，請訪問cisco.com/packet/173_5b2。
 
思科10GbE收發(fā)器建立在行業(yè)標準（被稱為多來源協(xié)議或者MSA）的基礎上。思科采用了三種具有不同的電氣和機械特性的10GbE收發(fā)器：
Xenpak（www.xenpak.org）
X2（www.x2msa.org）
XFP（www.xfpmsa.org）

從最終用戶的角度來說，Xenpak、X2和XFP之間最主要的區(qū)別在于機械尺寸，以及它們所支持的端口類型和10G協(xié)議（除了10GbE以外

Xenpak是這三種模塊中尺寸最大的。但是尺寸的增大也使它具有了多功能優(yōu)勢：更多的空間有助于集成光網(wǎng)和電子組件，具有更高的熱能效率，從而降低對散熱的需求。因此，Xenpak可以支持范圍最廣泛的端口類型，滿足大功率的DWDM接口和80公里PMD的需要。隨著技術的進一步成熟，現(xiàn)有的在所支持的端口類型方面的不足將會消失。

DWDM Xenpak集成的好處

XFP是尺寸最小的X模塊，這在一定程度上是因為它取出了很多電子器件，將成本轉移到主機線卡上。有趣的是，按照設計，XFP可以支持電信協(xié)議的數(shù)據(jù)速率，這使它成為了使用以太網(wǎng)的路由平臺和SONET/SDH分組或者永續(xù)分組環(huán)（RPR）接口的理想模塊。

超越10GbE端口類型：Xenpak
思科的10GbE產(chǎn)品線支持兩種非IEEE Xenpak端口類型：DWDM（從2004年7月開始供貨）和ZR（預計于2005年第四季度發(fā)布）。DWDM采用了一個PMD來發(fā)送32個不同的通道，從而可以在單股光纖上達到驚人的320Gb/s速率。在光大器的幫助下，DWDM信號可以在200公里的范圍內(nèi)傳輸。ZR能夠達到80公里的范圍，比802.3ae 10GBASE-E標準規(guī)定的距離大一倍。

DWDM Xenpak：尋求無限的帶寬
DWDM Xenpak讓企業(yè)不需要利用專門的DWDM收發(fā)器進行波長轉換，從而大幅度減少網(wǎng)絡中的傳輸設備的數(shù)量（如圖4所示）。但是，DWDM Xenpak真正的獨特之處在于它可以實現(xiàn)光傳輸層與交換、路由的無縫集成。利用DWM Xenpak，10GbE路由器和交換機可以在同一個平臺和架構中綜合第一層到第三層（甚至以上層次）的OSI功能。

這樣，DWDM Xenpak可以在高端交換機和路由器的傳輸和以太網(wǎng)/IP功能之間提供新的集成水平。

對于那些正在建設下一代三網(wǎng)合一網(wǎng)絡的電信運營商而言，在同一個平臺上整合DWDM功能和第二層、第三層轉發(fā)可以大幅度節(jié)約資本開支（例如，不需要使用轉發(fā)器，減少網(wǎng)絡中的光纖數(shù)量）和運營開支（避免收發(fā)器系統(tǒng)的管理和運營成本）。

對于企業(yè)而言，這種10GbE DWDM技術可以在很大程度上消除對于專用傳輸設備的需求。這些設備往往非常復雜，而且會給企業(yè)帶來昂貴的運營開支。利用DWDM Xenpak，傳輸層可以只限于那些不需要任何管理的、簡單的無源多路復用設備。

在只需要一個通道時，企業(yè)甚至可以為前期部署使用DWM Xenpak：DWDM Xenpak的價值在于它能夠通過將新的DWDM Xenpak插入到核心交換機中，平穩(wěn)地在同一個光纖基礎設施上升級帶寬。企業(yè)可以方便地從熟悉的IOS命令行界面（CLI）管理光傳輸層，完成這個流程。DWDM Xenpak目前是?D?D而且在將來相當長一段時間內(nèi)都將是?D?D市場上技術水平最高的可插拔模塊。思科致力于在它的10GbE產(chǎn)品線中支持所有三種10GbE可插拔模塊（Xenpak、X2和XFP），以及提供IEEE 802.3標準中定義的所有端口類型。而且，思科將繼續(xù)在標準之外，為客戶提供最廣泛的技術和不斷擴大10GbE應用的范圍。