基于非屏蔽雙絞線的萬兆以太網(wǎng)*

［魏良財 彭 端］

基于非屏蔽雙絞線的萬兆以太網(wǎng)*

［魏良財 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。主要對基于非屏蔽雙絞線傳輸?shù)娜f兆以太網(wǎng)（10GBASE-T）技術(shù)進行分析介紹，并對該技術(shù)的應(yīng)用前景進行預(yù)期。

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

魏良財

廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向為寬帶移動通信系統(tǒng)。

彭端

廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部，博士，教授，主要研究方向為寬帶移動通信系統(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，并且諸如移動視頻、在線影音等流媒體的快速發(fā)展，人們對網(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)議標準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機星型拓撲構(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)布第一個基于光纖傳輸?shù)?0G以太網(wǎng)標準802.3ae，其傳輸距離在300m到40km之間，該標準的發(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，成立了兩個研究在銅纜上傳輸10Gbit/s數(shù)據(jù)的組織：一個是10GBASE-CX4研究在4對同軸銅纜上實現(xiàn)10Gbit/s的方法，另一個是10GBASE-T研究在cat5e與cat6類雙絞線上實現(xiàn)10Gbit/s。2004年1月份，IEEE通過了在同軸銅纜上傳輸10Gbit/s標準——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對非屏蔽雙絞線傳輸?shù)?0Gbit/s標準——IEEE802.3an正式通過，傳輸距離達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標準化完成。確立了可在主干網(wǎng)絡(luò)使用多模光纖和對稱銅纜連接的物理層通信規(guī)范，但是標準沒有對UTP/STP 銅纜提出建議。

本文首先對萬兆以太網(wǎng)的發(fā)展做了簡要概述，接著就基于雙絞線的10GBASE-T的特點以及其所使用的技術(shù)方面進行介紹。最后對文章做了總結(jié)，并對10G以太網(wǎng)可能應(yīng)用范圍進行預(yù)期。

2 10GBASE-T的特點

2.1 10GBASE-T的繼承與進步

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標準最小與最大幀長度，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高頻信號更親和的6類與6A類雙絞線，而1000M采用的是5類與5E類（增強型）。

10GBASE-T有如下的進步：

更高的性價比。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，并且價格的降低趨勢符合摩爾價格曲線，在每18～24個月周期內(nèi)，價格會降低一倍［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，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，同時雙絞線的廣泛部署有利于萬兆到桌面的實現(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)，同時在802.3an的PHY層中添加了AN（自動協(xié)商子層），其能夠自動的協(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分成模型對比

以太網(wǎng)的分成模型對應(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)，負責將高層傳輸?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，并負責通信鏈路的建立與維護以及對數(shù)據(jù)的安排、發(fā)送與接收之間進行協(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)鏈路層標準變化不大，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主要負責將XGMII通路上的數(shù)據(jù)映射到MAC/PLS接口之上，同時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)流的編碼以及實現(xiàn)對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子層負責檢測鏈路之間介質(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，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)一連接標準。

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標準中采用半雙工的總線模式，利用CSMA/CD的傳輸機制進行數(shù)據(jù)的傳輸，同一時刻線路中只有一路信號進行傳輸，當遇到傳輸出現(xiàn)沖突時，傳輸就出現(xiàn)中斷。其具有原理簡單，技術(shù)上易于實現(xiàn)的特點。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網(wǎng)絡(luò)高效與低延時的需求。在萬兆以太網(wǎng)標準802.3ae中首次規(guī)定僅在全雙工模式下進行數(shù)據(jù)傳輸，在全雙工模式下收發(fā)相對獨立，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，在一定程度上提升了傳輸?shù)臅r效性。

3.2多級脈沖調(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個碼元編譯成一個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個級別（-2、-1、0、1、2），每個碼元攜帶2.32bit的信息量，但在實際的應(yīng)用中考慮到編碼的效率、糾錯以及同步碼的因素，實際傳輸只有2bit/碼，因需在一對雙絞線間傳輸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級脈沖調(diào)幅——PAM16，如表2所示，將連續(xù)的4個基帶碼元編譯成一個PAM16碼，其擁有16個碼元（-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15），讓每個碼元可以攜帶更多的信息量——4bit/碼元（實際信息量為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。但是多級脈沖調(diào)制所付出的代價是需要更加強大的處理器進行編解碼處理。

3.3 128DSQ+LDPC

為了讓PAM16進行有效的數(shù)據(jù)傳輸，需要對PAM16碼元進行信道編碼。在10GBASE-T中采用的是128DSQ（128點雙矩陣）編碼技術(shù)，在兩個連續(xù)的PAM16碼元構(gòu)成16x16的二維矩陣中，分別選取其中的128個點構(gòu)成兩個矩陣進行信號編碼，這樣可以擴大相鄰碼元之間的距離達1.414倍，相鄰碼元距離的擴大有利于降低碼元之間的串擾，該編碼方式可提高大約3dB的信噪比［5］。為了進一步降低傳輸數(shù)據(jù)的差錯率，在128DSQ信道編碼的基礎(chǔ)之上加上LDPC（低密度奇偶校驗碼）。LDPC種具有優(yōu)良的糾錯性能與實用價值的線性分組碼，其擁有逼近香農(nóng)限以及軟硬件易實現(xiàn)的特點。LDPC的加入讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e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：近端串擾、遠端串擾、回波干擾以及相鄰信號間干擾。其中近端串擾與回波干擾由于是發(fā)射機在某一時刻發(fā)射的信號造成的干擾，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］。遠端串擾可由傳輸信號的時延與接收信號強度不同予以消除，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到可忽略不計。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高速率、低時延的網(wǎng)絡(luò)體驗預(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備，同時伴隨著802.11ac（2.4G/5G）時代的到來，更高帶寬與更高速率的WLAN對以太網(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。

1 Farjad R，Gerfers F，Brown M，et al.A 48-Port FCCCompliant 10GBASE-T Transmitter With Mixed-Mode Adaptive Echo Canceller ［J］.Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2012，47（12）：3261-3272

2 Gupta T，Yang F，Wang D，et al.A sub-2W 10GBase-T analog front-end in 40nm CMOS process［C］ IEEE International Solid-state Circuits Conference Digest of Technical Papers 2012：410-412

3 George，Zimmerman，Bruce，等.10GBASE-T：基于銅質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)指南［J］.電子設(shè)計應(yīng)用，2007（12）：32-34

4 葛曉東.萬兆銅纜布線的前景與應(yīng)用［J］.智能建筑與城市信息，2013（3）：50-52

5 10GBASE-T，IEEE standard 802.3an for Ethernet［Z］.2006 IEEE standard，2006：21-23

6 敖志剛，解文彬，胡琨，等.新一代以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型和并行傳輸設(shè)計［J］.電子科技大學(xué)報，2013（5）：773-777

7 曾理，唐勇.萬兆以太網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用前景［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009（6）：97-99

8 Mulder J，Vecchi D，Ke Y，et al.26.3 An 800MS/S 10b/13b receiver for 10GBASE-T Ethernet in 28nm CMOS［C］.Solid-State Circuits Conference.IEEE，2015：462-463

9 Fan T Y，Chou T Y，Chang W H.A 0.11mm^2 150mW 10GBase-T transmitter in 28nm CMOS process［C］.Solid-State Circuits Conference.IEEE，2015

10 Hwang S I，Lee H，Lim S I.A novel method of constructing Quasi-Cyclic RS-LDPC codes for 10GBASE-T Ethernet［C］.IEEE International Symposium on Circuits & Systems.IEEE，2012：1771-1774

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.08.014

2016-07-20）

廣東省科技計劃項目（2014A010103025）