［魏良財(cái) 彭 端］

基于非屏蔽雙絞線的萬兆以太網(wǎng)*

［魏良財(cái) 彭 端］

萬兆以太網(wǎng)是在千兆以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。主要對(duì)基于非屏蔽雙絞線傳輸?shù)娜f兆以太網(wǎng)（10GBASE-T）技術(shù)進(jìn)行分析介紹，并對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行預(yù)期。

萬兆以太網(wǎng) 802.3an 10GBASE-T 全雙工 低密度奇偶校驗(yàn)碼

魏良財(cái)

廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷拵б苿?dòng)通信系統(tǒng)。

彭端

廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，博士，教授，主要研究方向?yàn)閷拵б苿?dòng)通信系統(tǒng)。

1 引言

隨著以IP為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的爆炸性增長，并且諸如移動(dòng)視頻、在線影音等流媒體的快速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的信息交換能力提出了新的挑戰(zhàn)，這促使以太網(wǎng)技術(shù)不斷向前發(fā)展。自1983年發(fā)布的采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問技術(shù)（CSMA/CD）的第一代以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)802.3至今，以太網(wǎng)技術(shù)已到了而立之年。其傳輸模式由共享傳輸媒介總線式構(gòu)架的半雙工模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂媒粨Q機(jī)星型拓?fù)錁?gòu)架的全雙工模式。傳輸速度經(jīng)歷第一代的10Mbit/s，后來的快速以太網(wǎng)（100M）、千兆以太網(wǎng)（1000M）以及萬兆以太網(wǎng)（10GE），傳輸速率每代以10倍的速度增長［1］。

2002年6月，IEEE發(fā)布第一個(gè)基于光纖傳輸?shù)?0G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3ae，其傳輸距離在300m到40km之間，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布使得萬兆以太網(wǎng)技術(shù)可以從局域網(wǎng)發(fā)展到廣域網(wǎng)，極大地拓展了以太網(wǎng)技術(shù)的使用范圍。2002年11月，成立了兩個(gè)研究在銅纜上傳輸10Gbit/s數(shù)據(jù)的組織：一個(gè)是10GBASE-CX4研究在4對(duì)同軸銅纜上實(shí)現(xiàn)10Gbit/s的方法，另一個(gè)是10GBASE-T研究在cat5e與cat6類雙絞線上實(shí)現(xiàn)10Gbit/s。2004年1月份，IEEE通過了在同軸銅纜上傳輸10Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.3ak，傳輸最大距離15m，適用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器背板的連接；2006年6月，基于4對(duì)非屏蔽雙絞線傳輸?shù)?0Gbit/s標(biāo)準(zhǔn)——IEEE802.3an正式通過，傳輸距離達(dá)100m，適用于網(wǎng)路主干網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心。2007年在光纖傳輸40G/100G以太網(wǎng)工作組成立，2010年6月新一代以太網(wǎng)技術(shù)802.3bg 40G/100G標(biāo)準(zhǔn)化完成。確立了可在主干網(wǎng)絡(luò)使用多模光纖和對(duì)稱銅纜連接的物理層通信規(guī)范，但是標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)UTP/STP 銅纜提出建議。

本文首先對(duì)萬兆以太網(wǎng)的發(fā)展做了簡要概述，接著就基于雙絞線的10GBASE-T的特點(diǎn)以及其所使用的技術(shù)方面進(jìn)行介紹。最后對(duì)文章做了總結(jié)，并對(duì)10G以太網(wǎng)可能應(yīng)用范圍進(jìn)行預(yù)期。

2 10GBASE-T的特點(diǎn)

2.1 10GBASE-T的繼承與進(jìn)步

10GBASE-T是在1000BASE-T的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的，其在前一代的基礎(chǔ)之上既有繼承也有進(jìn)步突破。10GBASE-T繼承了1000BASE-T的全雙工工作模式，仍舊保持使用IEEE802.3以太網(wǎng)幀格式，保留802.3標(biāo)準(zhǔn)最小與最大幀長度，但不再使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）機(jī)制。在傳輸介質(zhì)上，10GBASE-T同樣使用銅質(zhì)電纜并支持RJ-45連接器和接插版，不同的是10G采用的是帶寬更高以及對(duì)高頻信號(hào)更親和的6類與6A類雙絞線，而1000M采用的是5類與5E類（增強(qiáng)型）。

10GBASE-T有如下的進(jìn)步：

更高的性價(jià)比。在前一代的基礎(chǔ)之上，傳輸速率提升到了10倍，但是成本只增加了2到3倍，并且價(jià)格的降低趨勢符合摩爾價(jià)格曲線，在每18～24個(gè)月周期內(nèi)，價(jià)格會(huì)降低一倍［3］。如圖1所示，隨著10G以太網(wǎng)銅纜端口數(shù)的增加，10G以太網(wǎng)的平均售價(jià)呈現(xiàn)下降趨勢。

圖1 10G以太網(wǎng)銅纜端口數(shù)與平均售價(jià)發(fā)展趨勢

更低的功耗。在早期130nm的制造技術(shù)中，10GBASE-T交換機(jī)每端口的功耗在10瓦左右，隨著集成電路技術(shù)工藝的提升，在40nm制造工藝下每端口功耗降低到4瓦，在28nm時(shí)，功耗可降到2.5瓦［4］，以1000M以太網(wǎng)功耗從早期9W降低到最終0.6W的發(fā)展趨勢預(yù)估，10GE的每端口功耗可降低到1W左右。

布線更加的靈活。10GE中采用的是6及6A類非屏蔽雙絞線，布線長度從最大55m的5類線纜延伸到100m，同時(shí)雙絞線本身具有良好的現(xiàn)場可操作性，可以任意的裁剪以及即插即用的特性使10GE擁有靈活的布線，同時(shí)雙絞線的廣泛部署有利于萬兆到桌面的實(shí)現(xiàn)。

良好的向下兼容性。由于10GBASE-T繼承了802.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)在802.3an的PHY層中添加了AN（自動(dòng)協(xié)商子層），其能夠自動(dòng)的協(xié)商切換10M/100M/1000M［5］等不同速率來匹配優(yōu)化接收雙方的傳輸性能，使得10GBASE-T能夠最大限度的兼容用戶早期的以太網(wǎng)布線，使得其擁有良好的向下兼容性。

2.2 10GBASE-T的分成模型

圖2 OSI7層參考模型與10GBASE-T分成模型對(duì)比

以太網(wǎng)的分成模型對(duì)應(yīng)的是OSI7參考模型最底下兩層：物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。如圖2所示，在10G以太網(wǎng)中，MAC子層與LLC子層相當(dāng)于OSI7層分層模型的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層［5］。LLC子層為高層服務(wù)，負(fù)責(zé)將高層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包分段與重組后封裝到以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)中，并負(fù)責(zé)通信鏈路的建立與維護(hù)以及對(duì)數(shù)據(jù)的安排、發(fā)送與接收之間進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。MAC子層處于LLC層與PHY之間，其屏蔽不同物理介質(zhì)之間的差異，向LLC提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與接口。正如前面所提的那樣，10GBE繼承了IEEE802.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)、最大最小幀長度以及MAC層的控制協(xié)議，因而與1000M以太網(wǎng)相比較，其數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)變化不大，變化較為明顯的是物理層。10GBE的物理層分為RS（協(xié)調(diào)子層），PCS（物理編碼子層），PMA（物理媒介接入），AN（協(xié)商子層）等子層。RS主要負(fù)責(zé)將XGMII通路上的數(shù)據(jù)映射到MAC/PLS接口之上，同時(shí)RS與XGMII可使MAC連接到不同類型的物理介質(zhì)。PCS子層處于XGMII與PMA之間，主要完成從MAC層數(shù)據(jù)流的編碼以及實(shí)現(xiàn)對(duì)PMA層數(shù)據(jù)的解碼。PMA提供從PCS服務(wù)接口到由MDI接口連接的平衡線纜物理媒介之間的連接信息。 AN子層負(fù)責(zé)檢測鏈路之間介質(zhì)或者線纜的傳輸能力，選擇接收雙方相互匹配的最優(yōu)傳輸技術(shù)，比如10M/100M/1000M或者10G，該子層的加入使得10GBASE-T擁有良好的向下兼容性能，其能確保用戶平穩(wěn)的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，而不至于由于網(wǎng)絡(luò)的不兼容而造成損失。MDI（媒介相關(guān)接口），其定義了媒介接口的物理屬性，統(tǒng)一連接標(biāo)準(zhǔn)。

3 10GBASE-T的技術(shù)

3.1 全雙工模式

10GBASE-T僅支持全雙工傳輸模式。在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中采用半雙工的總線模式，利用CSMA/CD的傳輸機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，同一時(shí)刻線路中只有一路信號(hào)進(jìn)行傳輸，當(dāng)遇到傳輸出現(xiàn)沖突時(shí)，傳輸就出現(xiàn)中斷。其具有原理簡單，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但是隨著網(wǎng)絡(luò)用戶以及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增多，該傳輸模式明顯不能滿足人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)高效與低延時(shí)的需求。在萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3ae中首次規(guī)定僅在全雙工模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在全雙工模式下收發(fā)相對(duì)獨(dú)立，兩者之間沒有明顯的阻礙，省去了由于載波的檢測而造成的延時(shí)，在一定程度上提升了傳輸?shù)臅r(shí)效性。

3.2多級(jí)脈沖調(diào)幅

在信源的編碼調(diào)制中，10GE采用了PAM（脈沖幅度調(diào)制），即脈沖載波的幅值隨著基帶信號(hào)而變化。在1000BASE-T中采用PAM5編碼調(diào)制技術(shù)，將基帶的連續(xù)3個(gè)碼元編譯成一個(gè)PAM碼，如表1所示，其傳輸?shù)拇a元不是單一的離散0與1，而是分為5個(gè)級(jí)別（-2、-1、0、1、2），每個(gè)碼元攜帶2.32bit的信息量，但在實(shí)際的應(yīng)用中考慮到編碼的效率、糾錯(cuò)以及同步碼的因素，實(shí)際傳輸只有2bit/碼，因需在一對(duì)雙絞線間傳輸250Mbit/s數(shù)據(jù)，因而碼元速率為125M/S。在10GBASE-T中如若采用同樣的編碼方式，碼元速率至少為1250M/S，由奈奎斯特準(zhǔn)則得，在帶寬受限的無噪聲信道中，系統(tǒng)可靠傳輸帶寬至少為碼元速率的一半，即625M，但是6A類雙絞線的最大傳輸帶寬僅為500M。在成本與性能的平衡取舍之下，萬兆以太網(wǎng)采用了更高的16級(jí)脈沖調(diào)幅——PAM16，如表2所示，將連續(xù)的4個(gè)基帶碼元編譯成一個(gè)PAM16碼，其擁有16個(gè)碼元（-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15），讓每個(gè)碼元可以攜帶更多的信息量——4bit/碼元（實(shí)際信息量為3.125bit/碼元），因而在總的傳輸速率不變的前提下，可降低碼元速率到800M/S，從而降低系統(tǒng)所需最小帶寬。在16PAM中，系統(tǒng)所需最小帶寬僅為400M。但是多級(jí)脈沖調(diào)制所付出的代價(jià)是需要更加強(qiáng)大的處理器進(jìn)行編解碼處理。

3.3 128DSQ+LDPC

為了讓PAM16進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸，需要對(duì)PAM16碼元進(jìn)行信道編碼。在10GBASE-T中采用的是128DSQ（128點(diǎn)雙矩陣）編碼技術(shù)，在兩個(gè)連續(xù)的PAM16碼元構(gòu)成16x16的二維矩陣中，分別選取其中的128個(gè)點(diǎn)構(gòu)成兩個(gè)矩陣進(jìn)行信號(hào)編碼，這樣可以擴(kuò)大相鄰碼元之間的距離達(dá)1.414倍，相鄰碼元距離的擴(kuò)大有利于降低碼元之間的串?dāng)_，該編碼方式可提高大約3dB的信噪比［5］。為了進(jìn)一步降低傳輸數(shù)據(jù)的差錯(cuò)率，在128DSQ信道編碼的基礎(chǔ)之上加上LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)碼）。LDPC種具有優(yōu)良的糾錯(cuò)性能與實(shí)用價(jià)值的線性分組碼，其擁有逼近香農(nóng)限以及軟硬件易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。LDPC的加入讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)率降低到10-12［1］，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

3.4噪聲消除

數(shù)據(jù)在傳輸中，干擾可分為內(nèi)部與外部干擾，其中內(nèi)部干擾大致可分為：近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、回波干擾以及相鄰信號(hào)間干擾。其中近端串?dāng)_與回波干擾由于是發(fā)射機(jī)在某一時(shí)刻發(fā)射的信號(hào)造成的干擾，因而可以在接收端根據(jù)噪聲的特征而予以消除，兩種噪聲消除的平均增益在45dB［1］。遠(yuǎn)端串?dāng)_可由傳輸信號(hào)的時(shí)延與接收信號(hào)強(qiáng)度不同予以消除，消除增益在20dB左右［1］。在傳輸端采用THP預(yù)編碼可消除相鄰信號(hào)間干擾。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)部干擾不再是干擾信息傳輸?shù)闹饕蛩?，其干擾可通過處理達(dá)到可忽略不計(jì)。外部干擾主要是線纜之間干擾與背景噪聲，由于不知干擾噪聲具體特征，DSP無法處理，因而外部干擾是限制以太網(wǎng)速度提升的主要因素。

表1 PAM5編碼方式

表2 PAM16 編碼方式

4 結(jié)語

以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷30多年的快速發(fā)展，傳輸速率從10Mbit/s到10Gbit/s的飛躍提升，應(yīng)用范圍從局域網(wǎng)擴(kuò)展到廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)。隨著100M、1000M以太網(wǎng)的大規(guī)模部署，網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)的帶寬已不能滿足人們對(duì)高速率、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)預(yù)期相，這也為萬兆以太網(wǎng)從其應(yīng)用的熱門領(lǐng)域——DC（數(shù)據(jù)中心）轉(zhuǎn)移到用戶桌面提前準(zhǔn)備，同時(shí)伴隨著802.11ac（2.4G/5G）時(shí)代的到來，更高帶寬與更高速率的WLAN對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)也提出來更高的要求。接下來，我們的主要工作是讓10G以太網(wǎng)技術(shù)從數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到個(gè)人電腦桌面，以及與下一代無線局域網(wǎng)技術(shù)802.11ax相結(jié)合，為用戶提供更高質(zhì)量、更高速率的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

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