10 Gigabitový ethernet - 10 Gigabit Ethernet

Směrovač s 10 porty Gigabit Ethernet a třemi typy modulů fyzické vrstvy

10 Gigabit Ethernet ( 10GE , 10GbE nebo 10 GigE ) je skupina počítačových síťových technologií pro přenos ethernetových rámců rychlostí 10  gigabitů za sekundu . Poprvé byl definován standardem IEEE 802.3ae-2002 . Na rozdíl od předchozích standardů ethernetu definuje 10 Gigabitový ethernet pouze plně duplexní spoje point-to-point, které jsou obecně propojeny síťovými přepínači ; operace CSMA/CD na sdíleném médiu nebyla z ethernetových standardů předchozích generací přenesena, takže v 10GbE neexistují poloduplexní provoz a rozbočovače opakovačů .

Standard 10 Gigabit Ethernet zahrnuje řadu různých standardů fyzické vrstvy (PHY). Síťové zařízení, jako je přepínač nebo řadič síťového rozhraní, může mít různé typy PHY prostřednictvím připojitelných modulů PHY, jako jsou ty založené na SFP+ . Stejně jako předchozí verze ethernetu může 10GbE používat měděnou nebo vláknovou kabeláž. Maximální vzdálenost přes měděný kabel je 100 metrů, ale kvůli požadavkům na šířku pásma jsou vyžadovány kabely vyšší třídy.

Přijetí 10 gigabitového ethernetu bylo postupnější než předchozí revize ethernetu : v roce 2007 byl dodán jeden milion portů 10 GbE, v roce 2009 byly dodány dva miliony portů a v roce 2010 bylo dodáno více než tři miliony portů, přičemž odhadem bylo devět milionů portů v roce 2011. Přestože v roce 2012 byla cena za gigabitovou šířku pásma pro 10 Gigabit Ethernet zhruba třetinová ve srovnání s Gigabitovým ethernetem , cena za 10 Gigabitový ethernet stále bránila širšímu přijetí.

Standardy

Pracovní skupina Institutu elektrických a elektronických inženýrů (IEEE) 802.3 v průběhu let zveřejnila několik standardů týkajících se 10GbE.

Moduly fyzické vrstvy

Detailní záběr na 10 Gigabitový ethernetový XFP transceiver

K implementaci různých standardů fyzické vrstvy 10GbE se mnoho rozhraní skládá ze standardního soketu, do kterého lze zapojit různé moduly fyzické (PHY) vrstvy. Moduly PHY nejsou specifikovány v oficiálním normalizačním orgánu, ale v dohodách o více zdrojích (MSA), které lze vyjednat rychleji. Mezi relevantní MSA pro 10GbE patří XENPAK (a související X2 a XPAK), XFP a SFP+ . Při výběru modulu PHY projektant zohledňuje náklady, dosah, typ média, spotřebu energie a velikost (tvarový faktor). Jedno propojení point-to-point může mít na obou koncích různé připojitelné formáty MSA (např. XPAK a SFP+), pokud je optický nebo měděný port typu 10GbE (např. 10GBASE-SR) podporovaný zásuvným modulem identický.

XENPAK byl první MSA pro 10GE a měl největší formát. X2 a XPAK byly později konkurenčními standardy s menšími tvarovými faktory. X2 a XPAK nebyly na trhu tak úspěšné jako XENPAK. XFP přišel po X2 a XPAK a je také menší.

Nejnovějším standardem modulu je vylepšený zapojitelný transceiver s malým tvarovým faktorem , obecně nazývaný SFP+. Na základě připojitelného transceiveru s malým tvarovým faktorem (SFP) a vyvinutého skupinou vláken ANSI T11 je menší a má nižší výkon než XFP. SFP+ se stal nejoblíbenější zásuvkou v systémech 10GE. Moduly SFP+ provádějí pouze opticko -elektrickou konverzi, bez hodin a obnovy dat, což přináší vyšší zátěž pro ekvalizaci kanálu hostitele. Moduly SFP+ sdílejí společný fyzický tvar se staršími moduly SFP, což umožňuje vyšší hustotu portů než XFP a opětovné použití stávajících návrhů pro 24 nebo 48 portů v 19palcové šířce racku .

Optické moduly jsou připojeny k hostiteli buď XAUI , XFI nebo Serdes Framer rozhraní (SFI) rozhraní. Moduly XENPAK, X2 a XPAK používají k připojení k hostitelům XAUI. XAUI (XGXS) používá čtyřproudový datový kanál a je specifikován v článku 47 IEEE 802.3. Moduly XFP používají rozhraní XFI a moduly SFP+ používají rozhraní SFI. XFI a SFI používají datový kanál s jedním pruhem a kódování 64b/66b uvedené v článku 49 IEEE 802.3.

Moduly SFP+ lze dále seskupit do dvou typů hostitelských rozhraní: lineární nebo omezující. Omezovací moduly jsou upřednostňovány s výjimkou případů, kdy pro aplikace s dlouhým dosahem používají moduly 10GBASE-LRM.

Optické vlákno

A Foundry Networks router s 10 Gigabit Ethernet optické rozhraní (XFP transceiverů). Žluté kabely jsou jednovidové duplexní připojení z optických vláken.

Pro 10 Gigabit Ethernet se používají dva základní typy optických vláken : single-mode (SMF) a multi-mode (MMF). V SMF světlo sleduje jedinou cestu přes vlákno, zatímco v MMF to trvá více cest, což má za následek zpoždění v diferenciálním režimu (DMD). SMF se používá pro dálkovou komunikaci a MMF se používá pro vzdálenosti menší než 300 m. SMF má užší jádro (8,3 μm), které vyžaduje přesnější způsob ukončení a připojení. MMF má širší jádro (50 nebo 62,5 μm). Výhodou MMF je, že může být poháněn levným laserem s povrchovým vyzařováním s vertikální dutinou (VCSEL) na krátké vzdálenosti a vícerežimové konektory jsou levnější a jejich spolehlivé ukončení v terénu je snazší. Výhodou SMF je, že může pracovat na delší vzdálenosti.

Ve standardu 802.3 se odkazuje na vlákno MMF třídy FDDI. Toto má jádro 62,5 μm a minimální modální šířku pásma 160 MHz · km při 850 nm. Původně byl nainstalován počátkem 90. let pro sítě FDDI a 100BASE-FX . Norma 802.3 také odkazuje na ISO/IEC 11801, která specifikuje typy optických MMF vláken OM1, OM2, OM3 a OM4. OM1 má jádro 62,5 μm, zatímco ostatní mají jádro 50 μm. Při 850 nm je minimální modální šířka pásma OM1 200 MHz · km, OM2 500 MHz · km, OM3 2000 MHz · km a OM4 4700 MHz · km. Kabel třídy FDDI je nyní zastaralý a nové instalace strukturované kabeláže používají kabeláž OM3 nebo OM4. Kabel OM3 může přenášet 10 Gigabit Ethernet 300 metrů pomocí levné optiky 10GBASE-SR. OM4 zvládne 400 metrů.

Pro odlišení SMF od MMF kabelů jsou SMF kabely obvykle žluté, zatímco MMF kabely jsou oranžové (OM1 a OM2) nebo aqua (OM3 a OM4). Ve vláknové optice však neexistuje jednotná barva pro žádnou konkrétní optickou rychlost nebo technologii s výjimkou úhlového fyzického konektoru (APC), což je dohodnutá barva zelené.

Existují také aktivní optické kabely (AOC). Ty mají již připojenou optickou elektroniku, což eliminuje konektory mezi kabelem a optickým modulem. Připojují se do standardních zásuvek SFP+. Jsou levnější než jiná optická řešení, protože výrobce dokáže přizpůsobit elektroniku požadované délce a typu kabelu.

10 GBASE-SR

Transceiver 10GBASE-SR SFP+

10GBASE-SR („krátký dosah“) je typ portu pro multimódové vlákno a používá 850 nm lasery. Jeho podvrstva pro fyzické kódování (PCS) je 64b/66b a je definována v článku 49 IEEE 802.3 a v podvrstvě Physical Medium Dependent (PMD) v článku 52. Poskytuje serializovaná data při linkové rychlosti 10,3125 Gbd.

Dosah závisí na typu použitého vícerežimového vlákna.

MMF má oproti SMF tu výhodu, že má levnější konektory; jeho širší jádro vyžaduje menší mechanickou přesnost.

Vysílač 10GBASE-SR je implementován s VCSEL, který má nízké náklady a nízkou spotřebu. Optická kabeláž OM3 a OM4 je někdy popisována jako optimalizovaná pro laser, protože byla navržena pro práci s VCSEL. 10GBASE-SR přináší nejnižší náklady, nejnižší výkon a nejmenší optické moduly.

Existuje varianta s nižší cenou a nižším výkonem, někdy označovaná jako 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite). Toto je interoperabilní s 10GBASE-SR, ale má dosah pouze 100 metrů.

10 GBASE-LR

10GBASE-LR (dlouhý dosah) je typ portu pro jednovidové vlákno a používá 1310 nm lasery. Jeho 64b/66b PCS je definován v IEEE 802.3 klauzule 49 a jeho podvrstva PMD v klauzuli 52. Poskytuje serializovaná data při linkové rychlosti 10,3125 GBd.

Vysílač 10GBASE-LR je implementován pomocí laseru Fabry – Pérot nebo distribuované zpětné vazby (DFB). Lasery DFB jsou dražší než VCSEL, ale jejich vysoký výkon a delší vlnová délka umožňují efektivní spojení s malým jádrem jednovidových vláken na větší vzdálenosti.

Maximální délka vlákna 10GBASE-LR je 10 kilometrů, i když se to bude lišit v závislosti na typu použitého jednovidového vlákna.

10 GBASE-LRM

10GBASE-LRM (multi-mode s dlouhým dosahem) původně specifikovaný v IEEE 802.3aq je typ portu pro vícerežimová vlákna a používá 1310 nm lasery. Jeho 64b/66b PCS je definován v IEEE 802.3 klauzule 49 a jeho podvrstva PMD v klauzuli 68. Poskytuje serializovaná data při linkové rychlosti 10,3125 GBd. 10GBASE-LRM používá pro příjem ekvalizace elektronickou kompenzaci disperze (EDC).

10GBASE-LRM umožňuje vzdálenosti až 220 metrů (720 stop) u vícerežimových vláken třídy FDDI a stejný maximální dosah 220 m u typů OM1, OM2 a OM3. Dosah 10GBASE-LRM není tak daleko jako starší standard 10GBASE-LX4. Některé 10GBASE-LRM transceivery také umožňují vzdálenost až 300 metrů (980 ft) na standardním jednovidovém vlákně (SMF, G.652), toto však není součástí specifikace IEEE nebo MSA. Aby bylo zajištěno splnění specifikací vláken FDDI, OM1 a OM2, vysílač by měl být spojen pomocí propojovacího propojovacího kabelu režimu. Pro aplikace přes OM3 nebo OM4 není vyžadován patchovací kabel pro úpravu režimu.

10GBASE-ER

10GBASE-ER (rozšířený dosah) je typ portu pro jednovidové vlákno a používá lasery 1550 nm. Jeho 64b/66b PCS je definován v IEEE 802.3 klauzule 49 a jeho podvrstva PMD v klauzuli 52. Poskytuje serializovaná data při linkové rychlosti 10,3125 GBd.

Vysílač 10GBASE-ER je implementován s externě modulovaným laserem (EML) .

10GBASE-ER má dosah 40 km (25 mi) přes konstruované odkazy a 30 km přes standardní odkazy.

10 GBASE-ZR

Několik výrobců zavedlo dojezd 80 km pod názvem 10GBASE-ZR. Tato 80 km PHY není specifikována ve standardu IEEE 802.3ae a výrobci vytvořili své vlastní specifikace na základě 80 km PHY popsaných ve specifikacích OC-192 / STM-64 SDH / SONET .

10GBASE-LX4

10GBASE-LX4 je typ portu pro vícerežimové a jednovidové vlákno. Využívá čtyři samostatné laserové zdroje pracující na rychlosti 3,125 Gbit/s a multiplexování s hrubým dělením vlnových délek se čtyřmi jedinečnými vlnovými délkami kolem 1310 nm. Jeho 8B10B PCS je definován v článku 48 IEEE 802.3 a jeho podvrstvě na fyzickém médiu závislém (PMD) v článku 53.

10GBASE-LX4 má dosah 10 km (6,2 mil) nad SMF . Dokáže dosáhnout 300 metrů (980 stop) přes vícerežimovou kabeláž třídy FDDI, OM1, OM2 a OM3. V tomto případě musí být propojen propojovacím kabelem pro úpravu režimu offsetového spouštění SMF .

10GBASE-PR

10GBASE-PR původně specifikovaný v IEEE 802.3av je 10 Gigabitový ethernetový PHY pro pasivní optické sítě a používá 1577 nm lasery v downstream směru a 1270 nm lasery v upstream směru. Jeho podvrstva PMD je specifikována v kapitole 75. Downstream dodává serializovaná data rychlostí linky 10,3125 Gbit/s v konfiguraci z bodu do více bodů.

10GBASE-PR má tři rozpočty napájení uvedené jako 10GBASE-PR10, 10GBASE-PR20 a 10GBASE-PR30.

Obousměrné jedno vlákno

Několik prodejců zavedlo jednovláknové, obousměrné 10 Gbit/s optiky schopné jednovidového optického připojení funkčně ekvivalentního 10GBASE-LR nebo -ER, ale s použitím jednoho vlákna optického kabelu. Analogicky k 1000BASE-BX10 je toho dosaženo pasivním hranolem uvnitř každého optického transceiveru a párem odpovídajících transceiverů využívajících dvě různé vlnové délky, jako je 1270 a 1330 nm. Moduly jsou k dispozici v různých vysílacích výkonech a dosahují vzdálenosti od 10 do 80 km.

Měď

10 Gigabitový ethernet lze provozovat také přes dvouosou kabeláž, kroucenou dvojlinku a propojovací desky .

10GBASE-CX4

Konektor SFF-8470

10GBASE-CX4 byl první 10 Gigabitový měděný standard publikovaný společností 802.3 (jako 802.3ak-2004). Používá XAUI 4-lane PCS (článek 48) a měděnou kabeláž podobnou té, kterou používá technologie InfiniBand se stejnými konektory SFF-8470. Je určen pro práci do vzdálenosti 15 m (49 ft). Každý pruh nese šířku signalizačního pásma 3,125 GBd.

Pro stohování přepínačů byl použit 10GBASE-CX4. Nabízí výhody nízkého výkonu, nízkých nákladů a nízké latence , ale má větší formát a objemnější kabely než novější jednopásmový standard SFP+ a mnohem kratší dosah než vlákno nebo 10GBASE-T. Tento kabel je poměrně tuhý a podstatně nákladnější než UTP nebo vlákno kategorie 5/6.

10GBASE-CX4 aplikací je nyní běžně dosahováno pomocí SFP+ Direct Attach a od roku 2011 byly dodávky 10GBASE-CX4 velmi nízké.

Přímé připojení SFP+

Qlogic QLE3442-CU SFP + duální portu NIC , které lze použít SFP + DAC kabely nebo SFP + optické vysílače

Také známé jako přímé připojení (DA), přímé připojení mědi (DAC), 10GSFP+Cu, 10GBASE-CR nebo 10GBASE-CX1. Krátké kabely pro přímé připojení používají sestavu pasivních twinaxiálních kabelů, zatímco delší, někdy nazývané aktivní optický kabel (AOC), používají optiku s krátkými vlnovými délkami. Oba typy se připojují přímo do pouzdra SFP+. Přímé připojení SFP+ má kabel s pevnou délkou, až 15 m pro měděné kabely nebo až 100 m pro AOC. Stejně jako 10GBASE-CX4 má DA nízkou spotřebu, nízké náklady a nízkou latenci s přidanými výhodami použití méně objemných kabelů a malého formátu SFP+. Přímé připojení SFP+ je dnes velmi populární, protože je nainstalováno více portů než 10 GBASE-SR.

Backplane

Backplane Ethernet , známý také pod názvem pracovní skupiny, která jej vyvinula, 802.3ap , se používá v aplikacích backplane, jako jsou blade servery a modulární síťová zařízení s upgradovatelnými linkovými kartami . K provozu na až 1 metr měděné desky s plošnými spoji se dvěma konektory jsou vyžadovány implementace 802.3ap. Standard definuje dva typy portů pro 10 Gbit/s ( 10GBASE-KX4 a 10GBASE-KR ) a jeden typ portu 1 Gbit/s (1000BASE-KX). Rovněž definuje volitelnou vrstvu pro dopřednou korekci chyb , protokol automatického vyjednávání základní desky a trénink propojení pro 10GBASE-KR, kde přijímač naladí ekvalizér vysílání se třemi klepnutími. Protokol automatického vyjednávání volí mezi provozem 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR nebo 40GBASE-KR4.

10GBASE-KX4

To funguje na čtyřech linkách propojovací linky a používá stejné kódování fyzické vrstvy (definované v IEEE 802.3 klauzule 48) jako 10GBASE-CX4.

10 GBASE-KR

Funguje to na jedné dráze propojovací linky a používá stejné kódování fyzické vrstvy (definované v IEEE 802.3 klauzule 49) jako 10GBASE-LR/ER/SR. Nové designy backplane používají spíše 10GBASE-KR než 10GBASE-KX4.

10 GBASE-T

Dvouportový NIC Intel X540-T2 10GBASE-T

10GBASE-T nebo IEEE 802.3an-2006 je standard vydaný v roce 2006, který poskytuje připojení 10 Gbit/s přes nestíněná nebo stíněná kroucená dvojlinka na vzdálenosti až 100 metrů (330 stop). K dosažení úplné vzdálenosti je vyžadována kategorie 6A a kategorie 6 může dosáhnout až 55 metrů (180 stop) v závislosti na kvalitě instalace. Pro 1000BASE-T lze také použít kabelovou infrastrukturu 10GBASE-T, což umožňuje postupný upgrade z 1000BASE-T pomocí automatického vyjednávání pro výběr rychlosti. Kvůli dodatečné režii kódování řádků má 10GBASE-T o něco vyšší latenci (2 až 4 mikrosekundy) ve srovnání s většinou ostatních variant 10 GBASE (1 mikrosekunda nebo méně). Pro srovnání, latence 1000BASE-T je 1 až 12 mikrosekund (v závislosti na velikosti paketu).

10GBASE-T používá modulární konektory IEC 60603-7 8P8C, které jsou již široce používány s ethernetem. Přenosové charakteristiky jsou nyní specifikovány na 500 MHz . K dosažení této frekvence jsou pro přenos 10GBASE-T až do vzdálenosti 100 m potřeba kabely kategorie 6A nebo lépe vyvážené kroucené dvoulinky uvedené v ISO/IEC 11801 dodatek 2 nebo ANSI/TIA-568-C.2. Kabely kategorie 6 mohou nést 10GBASE-T na kratší vzdálenosti, pokud jsou kvalifikovány podle pokynů v ISO TR 24750 nebo TIA-155-A.

Standard 802.3an specifikuje modulaci na úrovni drátu pro 10GBASE-T, aby používala předkódování Tomlinson-Harashima (THP) a pulzní amplitudovou modulaci se 16 diskrétními úrovněmi (PAM-16), kódovanými v dvourozměrném šachovnicovém vzoru známém jako DSQ128 na lince rychlostí 800 Msymbolů/s. Před předkódováním se kódování dopředné korekce chyb (FEC) provádí pomocí [2048,1723] ₂ kódu kontroly parity s nízkou hustotou na 1723 bitech, přičemž konstrukce matice kontroly parity je založena na zobecněném Reed – Solomonovi [32,2, 31] kód přes GF (2 ⁶ ). Dalších 1536 bitů je nekódovaných. V každém bloku 1723+1536 je 1+50+8+1 bitů signalizace a detekce chyb a 3200 datových bitů (a zabírají 320 ns na lince). Naproti tomu PAM-5 je modulační technika používaná v gigabitovém ethernetu 1000BASE-T .

Transceiver 10GBASE-T SFP+

Kódování řádků používané 10GBASE-T je základem pro novější a pomalejší standard 2,5GBASE-T a 5GBASE-T , implementující připojení 2,5 nebo 5,0 Gbit/s přes stávající kabeláž kategorie 5e nebo 6. Kabely, které nebudou spolehlivě fungovat s 10GBASE-T, mohou úspěšně fungovat s 2,5GBASE-T nebo 5GBASE-T, pokud jsou podporovány na obou koncích.

10GBASE-T1

10GBASE-T1 je pro automobilové aplikace a pracuje na jediném vyváženém páru vodičů o délce až 15 m a je standardizován v 802.3ch-2020.

WAN PHY (10 GBASE-W)

V té době, že norma 10 Gigabit Ethernet byl vyvinut, zájem o 10GbE jako rozsáhlé sítě (WAN), dopravy vedl k zavedení PHY WAN pro 10GbE. WAN PHY byl navržen tak, aby spolupracoval se zařízením OC-192/STM-64 SDH/SONET pomocí lehkého rámce SDH/SONET s rychlostí 9,953 Gbit/s. WAN PHY pracuje o něco pomaleji než datový tok v místní síti (LAN) PHY. WAN PHY dokáže ujet maximální vzdálenosti odkazů až 80 km v závislosti na použitém vláknovém standardu.

WAN PHY používá stejné optické PMD 10GBASE-S, 10GBASE-L a 10GBASE-E jako LAN PHY a je označen jako 10GBASE-SW, 10GBASE-LW nebo 10GBASE-EW. Jeho 64b/66b PCS je definován v článku 49 IEEE 802.3 a podvrstvy PMD v článku 52. Používá také podvrstvu rozhraní WAN (WIS) definovanou v článku 50, která přidává další zapouzdření pro formátování dat rámce tak, aby byly kompatibilní se SONET STS- 192c.

Poznámky

Viz také

Reference

externí odkazy

• Úplný text standardu IEEE 802.3
• Pracovní skupina pro IEEE 802.3 Ethernet
• Webové stránky ethernetové aliance
• Laboratoř interoperability University of New Hampshire 10 Gigabit Ethernet Consortium
• První nezávislá srovnávací testovací studie 10GBASE-T na světě
• Popis SFP+ Direct Attach server NIC v konceptu top-of-rack