10GBASE-T是什么

互联网 2017-07-19

10GBASE-T是什么

  自从2002年批准10Gb以太网通信标准以来,业界总是预测“明年”将会最终推出10Gb以太网。然而,自诞生以来,10Gb以太网的发展就因为其无法利用各种低速以太网标准成熟的传输方式而受到阻碍。最初,业界曾认为10GBASE-T,即现在所谓的基于铜质电缆的10Gb以太网,在设计、研发和实现上难度太大,因此他们希望改变原有的基本结构、传输介质、成本结构和操作方式,使用光纤网络重新组建数据中心和组织机构。直到2005年,10Gb以太网光纤方案的成本仍然高达每端口1000美元以上。原本预计光学模块的价格将会下降,密度将会提高,但是这些预测都没有实现。2002年末,IEEE 802.3工作组意识到需要展开进一步的研究工作,并启动了两项研究计划。第一个计划是称为10GBASE-CX4的短期计划,它基于屏蔽双绞线和Infiniband电缆互连技术,在短期内支持短距离的机架内互连。第二个计划是长期的10GBASE-T发展计划。

  10GBASE-T解决方案采用了由集成式CMOS器件构成的成本结构、成熟的结构线缆和RJ-45连接技术,并同时具有之前以太网实现方案的密度优势。当前,10Gb以太网光学收发器链路已经在大型企业的数据中心内充当了IT设备的主机,如交换机、服务器和数据存储平台。但是,它们的数量规模还没有达到三年前人们的预期。光纤基础结构的普及程度还不如铜质电缆,除了这一妨碍因素之外,光学收发器相对较慢的普及过程也是一个原因。根据第三方市场调查机构的统计结果,带有10Gb光开关端口的收发器价格仍然相对比较昂贵,超过了2600美元。

  10GBASE-T面临着很多技术挑战,本文将针对某些解决方案展开分析。10GBASE-T的市场前景依然看好。基于铜质电缆的10Gb以太网将具备10G链路所有的性能,而成本只有它的一半,支持更高的端口密度,收发器的成本趋势也符合成本降低的摩尔定律曲线。

10GBASE-T解决方案

  2006年6月,基于非屏蔽双绞线铜质电缆的10Gb以太网IEEE 802.3an 10GBASE-T规范得以批准通过,该规范为网络管理员和IT专业人员构建数据中心和企业网络提供了两个重要的特性。首先,它支持传统的铜质电缆,新装用户能够沿用原有的铜质电缆结构并支持RJ-45连接器和接插板。其次,10GBASE-T通过支持高密度的10G开关,实现了有史以来成本最低的10G互连解决方案。由于Solarflare和其他一些公司曾经支持、参与和关注过该互连标准,因此PHY层芯片组在2007年初就问世了——为系统设计公司提供了构建具有10GBASE-T接口的以太网开关和NIC的相关技术,并将从2007年末开始面向最终用户推出相关产品。

  由于具有较低的成本和方便的即插即用特性,UTP铜质电缆仍然可以作为建筑物内横向布线和数据中心布线的备选介质。尽管没有在标准中特别说明,但是5e类信道仍然可以支持10GBASE-T的操作。在6类链路中,该标准支持的传输距离从55米增加到了100米。此外,电缆行业已经定义了一种新的传输介质标准,推出了增强型6类的 6a类标准,在这一标准下,10GBASE-T最长能够支持100 米的传输距离。

  由于10GBASE-T的运行可以基于原来已安装的或者新布设的UTP铜质电缆,因此它保持了即插即用的方便性以及UTP布线的低成本特点。10GBASE-T标准使得网络管理员在将网络扩展到10Gb的同时能够沿用原来已布设的铜质电缆基础结构,新装用户也可以利用铜质结构电缆的高性价比特点。

  对于上述第二点,就像1Gb 1000BASE-T一样,随着10GBASE-T PHY行业不断提高硅器件的制造工艺并逐渐转向下一代工艺,10Gb以太网的OEM厂商将会为广大用户提供具有更小外观尺寸和更低功耗的产品。这两个趋势将有助于以太网开关厂商进一步提高端口密度,降低10Gb以太网的成本。而且,随着10GBASE-T市场规模的增长,10GBASE-T PHY将按照摩尔定律的趋势而发展。因此,由于10GBASE-T具有较大的端口密度和相对较低的元件成本,因此它有助于网络设备厂商大幅降低10Gb以太网互连的成本。

10GBASE-T的运行

下一级网络互连

  由于有了已经被认可的IEEE 802.3an标准,目前的硅解决方案已经成熟,相关的开关和NIC产品也即将问世,因此10GBASE-T已经做好了大规模应用于数据中心和企业级网络的准备。10GBASE-T非常适合于数据中心、企业机构、1G开关集群和小型骨干网络环境,它基于铜质电缆的互连方式将在实现10Gb网络互连性能的同时,为用户节省成本和投资。

  通过转向稳定可靠、经济划算的下一级高性能以太网,具有更高带宽需求的高级应用将最终成为可能——从大量流媒体应用到支持Web 2.0的全部功能;采用iSCSI协议的会聚网络(converged fabrics)以及存储区域网络;在同一个物理服务器上相互独立运行,某些情况下采用异构操作系统的多台虚拟机器构成的虚拟服务器。

下一级网络互连

从1Gbps到10Gbps

  为了更清楚地说明10GBASE-T及其工作原理,本文将简要回顾1000BASE-T并与10GBASE-T相对比。为了将以太网的传输速率提高到1Gbps,1000BASE-T以太网使用了4对5e类线,采用了基于网格编码调制的多位双向信号传输方式。收发器需要抵消掉每对线上的回波和近端串扰,以及抵消远端串扰(不作强制规定)。为了将比特率再提高一个数量级,10GBASE-T在这些方面做了进一步改进,增大了信号传输速率(从125M波特提高到800M波特),并增加了传输信号的层数(从5层增加到16层)。

  为了实现这一目标,人们采用了具有最新技术水平的低密度奇偶校验(LDPC)码,并进一步改进了接收器灵敏度、回波与串扰消除技术。表1总结了1000BASE-T和10GBASE-T所用的关键技术。尽管对信号传输、接收器灵敏度和干扰消除技术的改进措施使得10GBASE-T的实现成为可能,但是要想在更高速度下有效运行,还必须要用到10GBASE-T的相关算法和电路技术。

从1Gbps到10Gbps

板级设计者面临的问题

  幸运的是,10GBASE-T中大部分复杂的技术问题都隐藏在硅器件一级,这对于板级设计者而言是透明的。与之前的1000BASE-T一样,10GBASE-T与MAC层的接口沿用现有的标准并行接口。

  10GBASE-T设备有望像XENPAK、 X2和CX4设备那样,提供XAUI(每通道3.125Gbps)接口。这些均衡的自定时接口支持从MAC层到PHY层实现简洁的板级转换,不要求设备之间具有紧密的间隔。在设备的线路端,10GBASE-T产品将在混合电路与磁排列方案中采用厂商特有的PHY设计,这与1000BASE-T和之前基于双绞线的以太网解决方案是类似的。

  通过使用与基于双绞线传输相同的信号传输与均衡技术,这些模拟接口所需的带宽将保持在400MHz。但是,和1000BASE-T一样,OEM厂商必须及时关注并指导其PHY供货商在DAC、磁模块和接收器前端之间的设计,优化回波消除的效果。此外,作为第一代10GBASE-T设备,功耗和成本效率问题将促使人们采用多芯片的解决方案,这需要在某些模拟器件和数字器件之间设置高速接口电路。通常,这需要使用标准的LVDS接口或其他速率达到几百MHz的类似接口。这种接口要求在10GBASE-T芯片组中各个芯片要相互靠近,为此厂商需要提供一些参考设计材料。

板级设计者面临的问题

开发10GBASE-T的技术挑战

  在最初制订10Gb以太网标准时,很多专业人士都认为基于非屏蔽双绞线铜质电缆实现10Gb速率是不可能的,这是因为减少降低基于UTP布线的通信信道性能所涉及的大量元件面临着巨大的挑战。这可能会对信号本身的传输产生损害,例如介入损耗和符号间干扰(ISI),这些损害来源于线缆有限的带宽和本身的实际阻抗以及一些干扰因素导致的性能下降,例如回波(Echo)、近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)。此外,基底噪声和其他辐射信号,例如Alien串扰(来源于其他线缆的串扰),也会降低接收信号的信噪比(即SNR)。

  各种有线以太网系统都面临着信道损耗带来的挑战。介入损耗能够衡量一定长度的线缆上信号损耗与信号频率之间的关系。随着频率的增大,接收到的信号将会变得越来越弱,使其更容易受到噪声的影响,最终的损耗将比400MHz频率下的功率损耗高4个量级。除了需要对10Gbps的信号进行编码,使其适合每对带宽为400MHz的4对传输线之外,信号衰减的斜率——从低频下不到3dB到400MHz频带边缘下的40dB损耗——也迫切需要进行高效的信号均衡处理。

  10GBASE-T系统通过采用Tomlinson-Harashima预编码(简称THP)技术实现了这一目标,而且没有传输误差并且避免了性能损失。虽然与判定反馈均衡(DFE)技术类似,但是THP是运行在链路发送端的,能够避免判定误差(由于传输的符号是已知的)。

开发10GBASE-T的技术挑战

  尽管使用了THP技术,但是由于发射脉冲的传输几乎覆盖了近百位的间隔,因此数据信道仍然出现大量的符号间干扰(ISI)现象。根据之前的1000BASE-T以太网和DSL技术,10Gb以太网需要使用高性能的均衡器减轻ISI的影响,并恢复接收信号的脉冲波形。由于均衡器硬件的引入会影响系统的鲁棒性,因此,在评估PHY时不仅要测试PHY能够运行的最长链路,而且需要测试大量中等长度的链路和配置的转接线路。要想实现符合10GBASE-T信号传输要求的稳定均衡器,需要一定的实验室测试经验。这种均衡器仅仅是10GBASE-T设计者面临的诸多挑战的开始。

  10GBASE-T的设计者还必须应对如何减少回波和近端串扰的巨大挑战。由于近端串扰的传播方式与回波是类似的,因此减少这两种现象对于设计者而言也是类似的。之前,线缆厂商总是想方设法降级相邻线缆对之间的NEXT,认为NEXT是限制线缆带宽的一种不可消除的妨碍因素。从1000BASE-T开始直到10GBASE-T,人们已经在信号接收端大大消减了回波和NEXT。如前所述,在10GBASE-T中远端接收到的信号是被大幅度衰减过的,因此在10GBASE-T中消减回波和NEXT的程度应该比在1000BASE-T中高3个数量级。

  这实际上意味着,除了线缆连接器和接口之外,还必须消除掉传输信号在双绞线内的微小瑕疵上发生的反射而形成的回波。因此,为了设置回波消除器,可能需要在信道的整个来回路径上都布满tap。这些tap必须不断适应信道的变化,以满足线缆机械特性的变化需求。对于10GBASE-T而言,人们已经研究出了利用转换域处理的强大并行处理和共享技术以及最新的自适应技术,从而将这些自适应滤波器的信号处理需求降低一个数量级。

10GBASE-T系统

  消除回波和NEXT是实现10GBASE-T所面临的主要挑战之一。在1000BASE-T方案中所使用的FIR技术如果直接在10GBASE-T中实现,其复杂性将比1000BASE-T增加45倍。在这些速度下所需的高度消除水平也使得全模拟消除方式很难凑效,需要高带宽和高功率的自适应模拟滤波器,这即便是可行的也会产生很高的功耗。

  由于脉冲响应固有的可变性和随机性,某些增强脉冲响应消除能力的简单技术,例如连续时间模拟滤波器或者IIR数字滤波器,无法实现在各种布线结构下都能够起作用的灵活解决方案。更糟糕的是,回波和NEXT信号在很弱的接收信号中占了主导地位,因此直接的全数字方法需要10位以上的ADC。

  为了同时发挥高精度DSP处理和高效模拟处理技术的优势,Solarflare的解决方案同时采用了模拟和数字信号处理技术。为了执行必要的计算(对于直接实现方法,这一计算量将超过每秒10Tops),必须采用大规模并行计算方法来实现这些滤波器,通过执行大量的重用计算实现快速的算法逼近。Solarflare针对这一问题申请了专利技术,通过实现几百个tap长的消除器,以及在所有16个回波和NEXT消除通路之间共享计算,实现了稳定可靠的NEXT和回波消除性能。

消除回波和NEXT

  这样,10GBASE-T所需的计算量相比1000BASE-T方案增大了不到6倍,使得消除回波与NEXT变得可行。此外,该算法结合了模拟域中的处理,减少了ADC上的NEXT和回波,有效实现了不到9个等效位(ENOB)的ADC设计。由于在回波和近端串扰消除器的设计中采用了折衷处理,因此检测系统响应线缆扰动的能力是非常重要的。误码可能出现在电缆弯曲的瞬间,但是系统应该在调整到新的回波与NEXT环境之后恢复过来。

  最后一种线缆内损伤是FEXT。FEXT是在10Gb以太网链路的远端从相邻发射器发出的信号产生的干扰。由于这些信号位于链路的远端,它们曾与NEXT一样被认为是无法消除的。1000BASE-T 本来不需要FEXT消除器,但是当前的某些1000BASE-T接收器仍然具有一定的FEXT消除能力。但是,对于10GBASE-T而言,FEXT干扰会产生明显的SNR损耗,这将会妨碍中等长度距离以及长距离下的10GBASE-T传输。

最后一种线缆内损伤是FEXT