陶智勇
(武汉邮电科学研究院，湖北 武汉430074)
摘 要：2002年6月12日，10 Gbit/s以太网(10 GbE)标准被IEEE正式通 过.文章介绍了10 GbE标准的体系结构,着重讨论了其物理层结构，最后给出了它的应用 前景.
关键词：10Gbit/s以太网；802.3ae标准；局域网；广域网
自1999年以来，IEEE802.3 HSSG（High Speed Study Group）小组一直在专门研究10Gbit/ s以太网(简称10 GbE)标准802.3ae.其目的是完善802.3协议，将以太网应用扩展到广域网， 提高带宽，兼容现有的802.3接口，并与原有的网络操作和网络管理保持一致.10GbE是传 统以太网技术的升级，它不仅在原有千兆以太网基础上将传输速率提高10倍，同时通过采 用新技术大大增加了传输距离，加强了链路管理功能，将以太网扩展到广域网的范围.10Gb E标准草案IEEE 802.3ae于2000年9月形成，10GbE联盟(1999年成立)成员单位相继推出10G bE相关产品，如三层交换机、光模块以及10GbE LAN/WAN测试仪等，并提出了直接采用 10 GbE组成二层城域以太网(Foundry公司提出)和10GbE/DWDM城域网(Riverstone 公司提出)的组网方案.2002年6月12日，10 GbE标准被IEEE正式通过.据IDC预测，到200 4年10GbE的市场将达到10亿美元.本文从10 GbE标准的体系结构、10 GbE的物 理层和应用前景几方面对10 GbE进行分析.
1 10 GbE以太网标准的体系结构
IEEE802.3ae任务组在制订标准时，主要考虑以下几点：
· 有广阔的市场前景；
· 与802.3标准兼容；
· 有明显的特点；
· 技术上可行；
· 经济上可行.
10GbE标准内容包括10GBaseX、10GBaseR和10GBase-W3种类型，10 GBaseX、10 GBase-R常用于局域网.10 GBase-X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个 接收器和4个在1300 nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器/接 收器以3.125 Gbit/s速率（数据流速度为2.5 Gbit/s）工作.10 GBase-R是一种使用64B /66B编码（不是在千兆以太网中所用的8 B/10 B）的串行接口，数据流为10 Gbit/s ，因而产生的时钟速率为10.3 Gbit/s.10 GBase-W是广域 网接口，与SONET OC192兼容，其 时钟为9.953 Gbit/s,数据流为9.585 Gbit/s.10 GbE标准 接口如图1 所示.具体介绍如下：
(1) 10 GbE物理媒体层：包括如图1所示的10 GBase-R、10 GBase-RW等.光纤媒体的 型号具体表示方法为：10 GBase-［媒体类型］［编码方案］［波长数］，或更加具体些表 示为： 10 GBase-［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传送数据 ；L为长波长(1310nm)，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10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为300m；E为特长 波长(1550 nm)，用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550 nm波长的单模光纤时， 传输距离可达40km
(2) 物理介质相关(PMD）子层：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.
(3) 物理介质接入(PMA）子层：PMA子层提供了PCS和PMD层之间的串行化服务接口.和PCS 子层的连接称为PMA服务接口.另外PMA子层还从接收位流中恢复出用于对接收到的数据进行 正确的定时的时钟.
(4) 广域网接口(WIS）子层：WIS子层是可选的物理子层，可用在PMA与PCS之间，产生适配 ANSI定义的SONET STS192c传输格式或ITU定义SDH VC-4-64c容器速率的以太网数据流.该 速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理.
(5) 物理编码(PCS）子层：PCS子层位于协调子层（通过GMII）和物理介质接入（PMA）子 层之间.PCS子层完成将经过完善定义的以太网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/MAC的接口由XGMII提供，与下层PMA接口使用PMA服务接口. 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8 B/10 B编码；R为局域网物理 层中的64 B/66 B编码；W为广域网物理层中的64 B/66 B编码(简化的SONET/SDH封装).
(6) 协调子层(RS)和XGMII(10 Gbit/s介质无关接口)：协调子层的功能是将XGMII的通路数 据和相关控制信号映射到原始PLS服务接口定义(MAC/PLS)接口上.XGMII接口提供了10 Gbit/ s MAC和物理层间的逻辑接口.XGMII和协调子层使MAC可以连接到不同类型的物理介质上.在 10 GbE特别工作组的诸多创新中，有一个被称做XAUI的接口.其中的“AUI”部分指的是 以太网连接单元接口（Ethernet Attachment Unit Interface）.“X”代表罗马数字10，它 意味着每秒万兆(10 Gbit/s).XAUI被设计成一个接口扩展器，它扩展的接口就是XGMII （与介质无关的10 Gbit/s接口）.XGMII是一个74位信号宽度的接口（发送与接收用的数据 信号各占32位，控制信号各占4位，时钟信号各占1位），可用于把以太网介质访问控制(MAC )层 与物理层（PHY）相连.在大多数典型的以太网MAC和PHY相连的 、芯片对芯片的应用中，XAUI可用来代替或者扩展XGMII.XAUI使用与1000 Base-X同样的8B/10B传输编码，并通过印刷电路板上的铜线等常用介 质提供高质量的完整数据.XAUI还包括其他一些优势：由于采用自发时钟，所以产生的电磁 干扰（EMI）极小；具有强大的多位总线变形补偿能力；可实现更远距离的芯片对芯片的传 输；具备较强的错误检测和故障隔离功能；功耗低，能够将XAUI输入/输出集成到CMOS中等 .
2 10 GbE的物理层
尽管10 GbE是在以太网技术的基础上发展起来的，但由于工作速率大大提高，适用范围 有了很大的变化，与原来的以太网技术相比有很大的差异，主要表现在：(1） 物理层实现 方式；(2） 帧格式.
千兆以太网的物理层是使用已有的光纤通道(Fiber Channel)技术，而10 GbE的物理层则是 新开发的.由于10 GbE可作为LAN，也可作为WAN使用，而LAN和WAN之间由于工作环境不同， 对于各项指标的要求存在许多的差异，主要表现在时钟抖动、BER（比特差错率）、QoS等要 求不同，因此制定了两种不同的物理介质标准：局域网采用以太网帧格式，传输速率为10 Gbit／s；广域网采用STM-64帧格式.
我们知道，STM-64的数据速率并非精确的10 Gbit/s(只是为了简单化，称这种速率是 10 Gbit/s)，而是9.953 28 Gbit/s.在去掉帧首部开销后，其有效载荷的数据速率只有 9.584 64 Gbit/s.因此，为了使10 GbE的帧能够插入到STM64帧的有效载荷中，就要 使用可选的广域网物理层，其数据速率为9.584 64 Gbit/s.很显然，这种所谓的“10 Gbi t/s”速率不能支持10个千兆以太网端口，而只是能够与SDH相连接.这两种物理层规范共 用一个MAC层，仅支持全双工策略，采用光纤作为物理介质.全双工链路只受介质和收发器本 身的物理特性限制；以太网MAC层CSMA/CD半双工协议对其没有限制.因此全双工以太网可以 运用到城域网和广域网.原则上，如SDH网络一样，目前主要受光功率预算色散容限和非线性 的限制.
广域网PHY可以提供多种SONET/SDH管理信息，网络管理员能够像查看SONET/SDH链路一样， 查看以太广域网PHY的信息.网络管理员还可以利用SONET/SDH管理功能，在整个网络中进行 性能监测和错误隔离操作.10 Gbit/s WAN物理层并不是简单地将MAC帧用STM-64承载，虽然 借鉴了STM-64的块状帧结构、指针和映射以及分层的开销，但在SDH帧结构的基础上做了大 量的简化，使修改后的以太网对抖动不敏感，对时钟的要求不高.首先，减少了许多开销， 仅采用了帧定位字节A1和A2、段层误码监视B1、踪迹字节J0、同步状态字节S1、保护倒换字 节K1和K2以及备用字节Z0.对没有定义或没有使用的字节填充“00000000.”减少了许多不必 要的开销，简化了SDH帧结构.与千兆以太网相比，增强了物理层的网络管理和维护，在物 理线路上实现保护倒换，其次，避免了繁琐的同步复用.
10 GbE中，局域网PHY和广域网PHY将在共同的PMD上工作，因此，它们支持的距离也相同.这 些物理层的区别在于PCS子层各有不同.广域网PHY与局域网PHY的区别在于WIS包含一个简 化的SONET/SDH帧编制器.为了降低广域网物理层在实施过程中的成本，10 GbE模型中没有 实现物理层与SONET/SDH抖动、分层时钟，以及某些光纤规格兼容.在广域网传输主干网上， 这一特性使得以太网可以将SONET/SDH作为其第1传输层.
另一方面，以太网一般是利用物理层中特殊的10 B代码实现帧定界的.当MAC层有数据需要 发送时，PCS子层对这些数据进行8 B／10 B编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码 组帧起始定界符（SPD）和帧结束定界符（EPD）.当PCS子层收到来自于底层的10 B编码数 据时，可以轻易根据SPD和EPD找到帧的起始和结束从而完成帧定界.但是SDH中承载的千兆 以太网帧定界不同于标准的千兆以太网定界，因为复用的数据已经复原成8 B编码的码组， 去掉了SPD和EPD.如果只利用千兆以太网的前导码(Preamble)和帧起始（SFD）进行帧定界 ，由于信息数据中出现与前导码和帧起始相同码组的概率较大，采取这样的定界策略可能会 造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界，为了避免这种情况，采用了HEC策略.
为此，822.3ae建议中修改了千兆以太网的帧格式，添加长度域和HEC域.为了在定帧过程中 方便查找下一个帧位置，同时由于最大帧长为1518字节，最少需有11个比特，所以在 复接MAC帧的过程中用两个字节替换前导头，两个字节作为长度域.然后对这8个字节 进行CRC-16校验，将最后得到的两个字节作为HEC插入SFD之后.其中长度域的值表示修改 后的MAC帧长.
3 10 GbE的应用前景
总之，10 GbE缺少SONET的链路管理能力，无法排除链路故障.有人建议用数字封装法来传递 以太网帧，使之具备链路管理能力，但这将增加成本和复杂性.所以，在长距离传输下，SON ET有其优势，但以太网处理突发数据和网状网的能力比SONET强.10 GbE的价格仍是用户考虑 的重要因素.目前10 GbE的广域网端口的价格还偏高，大约在1～5万美元(但Packe t over SONET的端口价格约为30万美元).
采用10 GbE作为城域网骨干可以省略骨干网设备的POS或者ATM链路.首先可以节约成本 ,以太网端口价格远远低于相应的POS端口或者ATM端口.其次可以使端到端采用以太网帧成 为可能：一方面可以端到端使用链路层的VLAN信息以及优先级信息；另一方面可以省略在数 据设备上的多次链路层封装解封装以及可能存在的数据包分片，简化网络设备.
参考文献
［1］IEEE draft P802.3ae/D5.0Supplement to carrier sense multiple a ccess with collision detection(CSMA/CD) access method and physical layer specifi cationsmedia access control (MAC) parameters, physical layer, and management p arameters for 10 Gbit/s operation [S].
［2］John D Ambrosia. XAUI: An Overview(Version 1.0) [DB/OL]. http://www.10g ea.org,2002-03.
