10Gb以太網(wǎng)切實可行且萬事俱備

　　自從2002年批準(zhǔn)10Gb以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)以來，業(yè)界總是預(yù)測“明年”將會最終推出10Gb以太網(wǎng)。然而，自誕生以來，10Gb以太網(wǎng)的發(fā)展就因為其無法利用各種低速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)成熟的傳輸方式而受到阻礙。到目前為止，10Gb以太網(wǎng)仍然缺乏一種基于非屏蔽雙絞線(UTP)銅質(zhì)電纜和RJ-45接頭的解決方案。

　　最初，業(yè)界曾認(rèn)為10GBASE-T，即現(xiàn)在所謂的基于銅質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)，在設(shè)計、研發(fā)和實現(xiàn)上難度太大，因此他們希望改變原有的基本結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)、成本結(jié)構(gòu)和操作方式，使用光纖網(wǎng)絡(luò)重新組建數(shù)據(jù)中心和組織機(jī)構(gòu)。直到2005年，10Gb以太網(wǎng)光纖方案的成本仍然高達(dá)每端口1000美元以上。原本預(yù)計光學(xué)模塊的價格將會下降，密度將會提高，但是這些預(yù)測都沒有實現(xiàn)。2002年末，IEEE 802.3工作組意識到需要展開進(jìn)一步的研究工作，并啟動了兩項研究計劃。第一個計劃是稱為10GBASE-CX4的短期計劃，它基于屏蔽雙絞線和Infiniband電纜互連技術(shù)，在短期內(nèi)支持短距離的機(jī)架內(nèi)互連。第二個計劃是長期的10GBASE-T發(fā)展計劃。

　　10GBASE-T解決方案采用了由集成式CMOS器件構(gòu)成的成本結(jié)構(gòu)、成熟的結(jié)構(gòu)線纜和RJ-45連接技術(shù)，并同時具有之前以太網(wǎng)實現(xiàn)方案的密度優(yōu)勢。當(dāng)前，10Gb以太網(wǎng)光學(xué)收發(fā)器鏈路已經(jīng)在大型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)充當(dāng)了IT設(shè)備的主機(jī)，如交換機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲平臺。但是，它們的數(shù)量規(guī)模還沒有達(dá)到三年前人們的預(yù)期。光纖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的普及程度還不如銅質(zhì)電纜，除了這一妨礙因素之外，光學(xué)收發(fā)器相對較慢的普及過程也是一個原因。根據(jù)第三方市場調(diào)查機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計結(jié)果，帶有10Gb光開關(guān)端口的收發(fā)器價格仍然相對比較昂貴，超過了2600美元。

　　10GBASE-T面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)，本文將針對某些解決方案展開分析。10GBASE-T的市場前景依然看好?；阢~質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)將具備10G鏈路所有的性能，而成本只有它的一半，支持更高的端口密度，收發(fā)器的成本趨勢也符合成本降低的摩爾定律曲線。

　　2006年6月，基于非屏蔽雙絞線銅質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)IEEE 802.3an 10GBASE-T規(guī)范得以批準(zhǔn)通過，該規(guī)范為網(wǎng)絡(luò)管理員和IT專業(yè)人員構(gòu)建數(shù)據(jù)中心和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了兩個重要的特性。首先，它支持傳統(tǒng)的銅質(zhì)電纜，新裝用戶能夠沿用原有的銅質(zhì)電纜結(jié)構(gòu)并支持RJ-45連接器和接插板。其次，10GBASE-T通過支持高密度的10G開關(guān)，實現(xiàn)了有史以來成本最低的10G互連解決方案。由于Solarflare和其他一些公司曾經(jīng)支持、參與和關(guān)注過該互連標(biāo)準(zhǔn)，因此PHY層芯片組在2007年初就問世了——為系統(tǒng)設(shè)計公司提供了構(gòu)建具有10GBASE-T接口的以太網(wǎng)開關(guān)和NIC的相關(guān)技術(shù)，并將從2007年末開始面向最終用戶推出相關(guān)產(chǎn)品。

　　由于具有較低的成本和方便的即插即用特性，UTP銅質(zhì)電纜仍然可以作為建筑物內(nèi)橫向布線和數(shù)據(jù)中心布線的備選介質(zhì)。盡管沒有在標(biāo)準(zhǔn)中特別說明，但是5e類信道仍然可以支持10GBASE-T的操作。在6類鏈路中，該標(biāo)準(zhǔn)支持的傳輸距離從55米增加到了100米。此外，電纜行業(yè)已經(jīng)定義了一種新的傳輸介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，推出了增強型6類的 6a類標(biāo)準(zhǔn)，在這一標(biāo)準(zhǔn)下，10GBASE-T最長能夠支持100 米的傳輸距離。

　　由于10GBASE-T的運行可以基于原來已安裝的或者新布設(shè)的UTP銅質(zhì)電纜，因此它保持了即插即用的方便性以及UTP布線的低成本特點。10GBASE-T標(biāo)準(zhǔn)使得網(wǎng)絡(luò)管理員在將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到10Gb的同時能夠沿用原來已布設(shè)的銅質(zhì)電纜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，新裝用戶也可以利用銅質(zhì)結(jié)構(gòu)電纜的高性價比特點。

　　對于上述第二點，就像1Gb 1000BASE-T一樣，隨著10GBASE-T PHY行業(yè)不斷提高硅器件的制造工藝并逐漸轉(zhuǎn)向下一代工藝，10Gb以太網(wǎng)的OEM廠商將會為廣大用戶提供具有更小外觀尺寸和更低功耗的產(chǎn)品。這兩個趨勢將有助于以太網(wǎng)開關(guān)廠商進(jìn)一步提高端口密度，降低10Gb以太網(wǎng)的成本。而且，隨著10GBASE-T市場規(guī)模的增長，10GBASE-T PHY將按照摩爾定律的趨勢而發(fā)展。因此，由于10GBASE-T具有較大的端口密度和相對較低的元件成本，因此它有助于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商大幅降低10Gb以太網(wǎng)互連的成本。

　　下一級網(wǎng)絡(luò)互連

　　由于有了已經(jīng)被認(rèn)可的IEEE 802.3an標(biāo)準(zhǔn)，目前的硅解決方案已經(jīng)成熟，相關(guān)的開關(guān)和NIC產(chǎn)品也即將問世，因此10GBASE-T已經(jīng)做好了大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)備。10GBASE-T非常適合于數(shù)據(jù)中心、企業(yè)機(jī)構(gòu)、1G開關(guān)集群和小型骨干網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它基于銅質(zhì)電纜的互連方式將在實現(xiàn)10Gb網(wǎng)絡(luò)互連性能的同時，為用戶節(jié)省成本和投資。

　　通過轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)劃算的下一級高性能以太網(wǎng)，具有更高帶寬需求的高級應(yīng)用將最終成為可能——從大量流媒體應(yīng)用到支持Web 2.0的全部功能;采用iSCSI協(xié)議的會聚網(wǎng)絡(luò)(converged fabrics)以及存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò);在同一個物理服務(wù)器上相互獨立運行，某些情況下采用異構(gòu)操作系統(tǒng)的多臺虛擬機(jī)器構(gòu)成的虛擬服務(wù)器。

　　從1Gbps到10Gbps

　　為了更清楚地說明10GBASE-T及其工作原理，本文將簡要回顧1000BASE-T并與10GBASE-T相對比。為了將以太網(wǎng)的傳輸速率提高到1Gbps，1000BASE-T以太網(wǎng)使用了4對5e類線，采用了基于網(wǎng)格編碼調(diào)制的多位雙向信號傳輸方式。收發(fā)器需要抵消掉每對線上的回波和近端串?dāng)_，以及抵消遠(yuǎn)端串?dāng)_(不作強制規(guī)定)。為了將比特率再提高一個數(shù)量級，10GBASE-T在這些方面做了進(jìn)一步改進(jìn)，增大了信號傳輸速率(從125M波特提高到800M波特)，并增加了傳輸信號的層數(shù)(從5層增加到16層)。

　　為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，人們采用了具有最新技術(shù)水平的低密度奇偶校驗(LDPC)碼，并進(jìn)一步改進(jìn)了接收器靈敏度、回波與串?dāng)_消除技術(shù)。表1總結(jié)了1000BASE-T和10GBASE-T所用的關(guān)鍵技術(shù)。盡管對信號傳輸、接收器靈敏度和干擾消除技術(shù)的改進(jìn)措施使得10GBASE-T的實現(xiàn)成為可能，但是要想在更高速度下有效運行，還必須要用到10GBASE-T的相關(guān)算法和電路技術(shù)。

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　　板級設(shè)計者面臨的問題

　　幸運的是，10GBASE-T中大部分復(fù)雜的技術(shù)問題都隱藏在硅器件一級，這對于板級設(shè)計者而言是透明的。與之前的1000BASE-T一樣，10GBASE-T與MAC層的接口沿用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)并行接口。

　　10GBASE-T設(shè)備有望像XENPAK、 X2和CX4設(shè)備那樣，提供XAUI(每通道3.125Gbps)接口。這些均衡的自定時接口支持從MAC層到PHY層實現(xiàn)簡潔的板級轉(zhuǎn)換，不要求設(shè)備之間具有緊密的間隔。在設(shè)備的線路端，10GBASE-T產(chǎn)品將在混合電路與磁排列方案中采用廠商特有的PHY設(shè)計，這與1000BASE-T和之前基于雙絞線的以太網(wǎng)解決方案是類似的。

　　通過使用與基于雙絞線傳輸相同的信號傳輸與均衡技術(shù)，這些模擬接口所需的帶寬將保持在400MHz。但是，和1000BASE-T一樣，OEM廠商必須及時關(guān)注并指導(dǎo)其PHY供貨商在DAC、磁模塊和接收器前端之間的設(shè)計，優(yōu)化回波消除的效果。此外，作為第一代10GBASE-T設(shè)備，功耗和成本效率問題將促使人們采用多芯片的解決方案，這需要在某些模擬器件和數(shù)字器件之間設(shè)置高速接口電路。通常，這需要使用標(biāo)準(zhǔn)的LVDS接口或其他速率達(dá)到幾百MHz的類似接口。這種接口要求在10GBASE-T芯片組中各個芯片要相互靠近，為此廠商需要提供一些參考設(shè)計材料。

　　開發(fā)10GBASE-T的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　在最初制訂10Gb以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時，很多專業(yè)人士都認(rèn)為基于非屏蔽雙絞線銅質(zhì)電纜實現(xiàn)10Gb速率是不可能的，這是因為減少降低基于UTP布線的通信信道性能所涉及的大量元件面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這可能會對信號本身的傳輸產(chǎn)生損害，例如介入損耗和符號間干擾(ISI)，這些損害來源于線纜有限的帶寬和本身的實際阻抗以及一些干擾因素導(dǎo)致的性能下降，例如回波(Echo)、近端串?dāng)_(NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)。此外，基底噪聲和其他輻射信號，例如Alien串?dāng)_(來源于其他線纜的串?dāng)_)，也會降低接收信號的信噪比(即SNR)。

　　各種有線以太網(wǎng)系統(tǒng)都面臨著信道損耗帶來的挑戰(zhàn)。介入損耗能夠衡量一定長度的線纜上信號損耗與信號頻率之間的關(guān)系。隨著頻率的增大，接收到的信號將會變得越來越弱，使其更容易受到噪聲的影響，最終的損耗將比400MHz頻率下的功率損耗高4個量級。除了需要對10Gbps的信號進(jìn)行編碼，使其適合每對帶寬為400MHz的4對傳輸線之外，信號衰減的斜率——從低頻下不到3dB到400MHz頻帶邊緣下的40dB損耗——也迫切需要進(jìn)行高效的信號均衡處理。

　　10GBASE-T系統(tǒng)通過采用Tomlinson-Harashima預(yù)編碼(簡稱THP)技術(shù)實現(xiàn)了這一目標(biāo)，而且沒有傳輸誤差并且避免了性能損失。雖然與判定反饋均衡(DFE)技術(shù)類似，但是THP是運行在鏈路發(fā)送端的，能夠避免判定誤差(由于傳輸?shù)姆柺且阎?。

　　盡管使用了THP技術(shù)，但是由于發(fā)射脈沖的傳輸幾乎覆蓋了近百位的間隔，因此數(shù)據(jù)信道仍然出現(xiàn)大量的符號間干擾(ISI)現(xiàn)象。根據(jù)之前的1000BASE-T以太網(wǎng)和DSL技術(shù)，10Gb以太網(wǎng)需要使用高性能的均衡器減輕ISI的影響，并恢復(fù)接收信號的脈沖波形。由于均衡器硬件的引入會影響系統(tǒng)的魯棒性，因此，在評估PHY時不僅要測試PHY能夠運行的最長鏈路，而且需要測試大量中等長度的鏈路和配置的轉(zhuǎn)接線路。要想實現(xiàn)符合10GBASE-T信號傳輸要求的穩(wěn)定均衡器，需要一定的實驗室測試經(jīng)驗。這種均衡器僅僅是10GBASE-T設(shè)計者面臨的諸多挑戰(zhàn)的開始。

　　10GBASE-T的設(shè)計者還必須應(yīng)對如何減少回波和近端串?dāng)_的巨大挑戰(zhàn)。由于近端串?dāng)_的傳播方式與回波是類似的，因此減少這兩種現(xiàn)象對于設(shè)計者而言也是類似的。之前，線纜廠商總是想方設(shè)法降級相鄰線纜對之間的NEXT，認(rèn)為NEXT是限制線纜帶寬的一種不可消除的妨礙因素。從1000BASE-T開始直到10GBASE-T，人們已經(jīng)在信號接收端大大消減了回波和NEXT。如前所述，在10GBASE-T中遠(yuǎn)端接收到的信號是被大幅度衰減過的，因此在10GBASE-T中消減回波和NEXT的程度應(yīng)該比在1000BASE-T中高3個數(shù)量級。

　　這實際上意味著，除了線纜連接器和接口之外，還必須消除掉傳輸信號在雙絞線內(nèi)的微小瑕疵上發(fā)生的反射而形成的回波。因此，為了設(shè)置回波消除器，可能需要在信道的整個來回路徑上都布滿tap。這些tap必須不斷適應(yīng)信道的變化，以滿足線纜機(jī)械特性的變化需求。對于10GBASE-T而言，人們已經(jīng)研究出了利用轉(zhuǎn)換域處理的強大并行處理和共享技術(shù)以及最新的自適應(yīng)技術(shù)，從而將這些自適應(yīng)濾波器的信號處理需求降低一個數(shù)量級。

　　消除回波和NEXT是實現(xiàn)10GBASE-T所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。在1000BASE-T方案中所使用的FIR技術(shù)如果直接在10GBASE-T中實現(xiàn)，其復(fù)雜性將比1000BASE-T增加45倍。在這些速度下所需的高度消除水平也使得全模擬消除方式很難湊效，需要高帶寬和高功率的自適應(yīng)模擬濾波器，這即便是可行的也會產(chǎn)生很高的功耗。

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　　由于脈沖響應(yīng)固有的可變性和隨機(jī)性，某些增強脈沖響應(yīng)消除能力的簡單技術(shù)，例如連續(xù)時間模擬濾波器或者IIR數(shù)字濾波器，無法實現(xiàn)在各種布線結(jié)構(gòu)下都能夠起作用的靈活解決方案。更糟糕的是，回波和NEXT信號在很弱的接收信號中占了主導(dǎo)地位，因此直接的全數(shù)字方法需要10位以上的ADC。

　　為了同時發(fā)揮高精度DSP處理和高效模擬處理技術(shù)的優(yōu)勢，Solarflare的解決方案同時采用了模擬和數(shù)字信號處理技術(shù)。為了執(zhí)行必要的計算(對于直接實現(xiàn)方法，這一計算量將超過每秒10Tops)，必須采用大規(guī)模并行計算方法來實現(xiàn)這些濾波器，通過執(zhí)行大量的重用計算實現(xiàn)快速的算法逼近。Solarflare針對這一問題申請了專利技術(shù)，通過實現(xiàn)幾百個tap長的消除器，以及在所有16個回波和NEXT消除通路之間共享計算，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的NEXT和回波消除性能。

　　這樣，10GBASE-T所需的計算量相比1000BASE-T方案增大了不到6倍，使得消除回波與NEXT變得可行。此外，該算法結(jié)合了模擬域中的處理，減少了ADC上的NEXT和回波，有效實現(xiàn)了不到9個等效位(ENOB)的ADC設(shè)計。由于在回波和近端串?dāng)_消除器的設(shè)計中采用了折衷處理，因此檢測系統(tǒng)響應(yīng)線纜擾動的能力是非常重要的。誤碼可能出現(xiàn)在電纜彎曲的瞬間，但是系統(tǒng)應(yīng)該在調(diào)整到新的回波與NEXT環(huán)境之后恢復(fù)過來。

　　最后一種線纜內(nèi)損傷是FEXT。FEXT是在10Gb以太網(wǎng)鏈路(如圖1所示)的遠(yuǎn)端從相鄰發(fā)射器發(fā)出的信號產(chǎn)生的干擾。由于這些信號位于鏈路的遠(yuǎn)端，它們曾與NEXT一樣被認(rèn)為是無法消除的。1000BASE-T 本來不需要FEXT消除器，但是當(dāng)前的某些1000BASE-T接收器仍然具有一定的FEXT消除能力。但是，對于10GBASE-T而言，F(xiàn)EXT干擾會產(chǎn)生明顯的SNR損耗，這將會妨礙中等長度距離以及長距離下的10GBASE-T傳輸。

　　圖1 對在4對5e類線上的信號傳輸?shù)膿p害

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　　由于FEXT的分散情況與所需的接收信號十分類似，因此消除FEXT需要大量的信號處理硬件。為此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商在這一方面采用了多種減輕FEXT影響的技術(shù)和折衷處理方法。一個較好的折衷辦法是將信道均衡與FEXT消除操作結(jié)合起來，這一方案已經(jīng)得以驗證并且申請了專利，這種方法能夠把FEXT消除器的復(fù)雜性降低4~6倍。由于FEXT的程度根據(jù)布線和連接器結(jié)構(gòu)的變化會有很大的不同，因此測試各種長度情況下收發(fā)器的性能是非常重要的。對于20米~50米之間中等長度的布線，具有2~4個連接器通道的鏈路，F(xiàn)EXT是一個不容忽視的問題。

　　Alien串?dāng)_和功率補償

　　由于10GBASE-T采用高級信號處理技術(shù)設(shè)法減少單個4對電纜護(hù)層內(nèi)的噪聲源和失真問題，這最終使得系統(tǒng)的性能受限于其他相鄰線纜的外部串?dāng)_，這被稱為Alien串?dāng)_。Alien串?dāng)_可能來源于傳輸鏈路的同一端(Alien NEXT)，或者來源于傳輸鏈路的另一端，或者沿著整條鏈路(Alien FEXT)。

　　通過布線設(shè)計、資格鑒定和安裝操作可以有效減輕Alien NEXT串?dāng)_。但是，Alien FEXT對于布線而言是一個特別棘手的問題。為了避免短距離鏈路“遠(yuǎn)端”串?dāng)_的問題進(jìn)入長線傳輸，P802.3an要求發(fā)射器將它們的發(fā)射功率降低到僅為鏈路所需的水平。因此，短鏈路發(fā)射器在信號發(fā)射過程中要根據(jù)最長的100m鏈路的額定功率進(jìn)行“功率補償”(即PBO)，如圖2所示，該圖表明短鏈路上的傳輸功率相對長鏈路被降低了(較高的PBO)。當(dāng)然這是允許的，因為短鏈路比長鏈路的信號衰減少得多，因此兩種鏈路都有較大的余量。

　　圖2 功率補償

　　所有符合10GBASE-T標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器都采用最小的功率補償范圍，這種補償需要經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計以確保網(wǎng)絡(luò)能夠保持穩(wěn)定可靠的性能。值得注意的是，在UTP網(wǎng)絡(luò)中引入寬頻譜信號，例如利用信號發(fā)送速率大于125MHz的專用PHY技術(shù)，可能會對這些信號和兼容標(biāo)準(zhǔn)的10GBASE-T產(chǎn)生干擾問題。因此，在兼容性上必須小心處理。已有的10GBASE-T設(shè)計兼容目前沒有功率補償?shù)牡退俾室蕴W(wǎng)系統(tǒng)(如1000BASE-T)。由于這些傳統(tǒng)系統(tǒng)的信號傳輸帶寬低于10GBASE-T的帶寬，因而可以實現(xiàn)。

　　布線與實現(xiàn)問題

　　表2列出了布線類型及所支持的距離。對于已經(jīng)安裝的布線，10GBASE-T支持短鏈路的5E類布線以及55米或更長的6類布線。對于新的布線安裝，用戶應(yīng)該考慮選擇6a類布線，對于喜歡屏蔽布線的用戶，可以選擇7類線或者6類FTP。

　　結(jié)語

　　總之，10GBASE-T解決了極難的技術(shù)問題，大大改善了信號傳輸性能，提高了接收器靈敏度和干擾消除能力，改進(jìn)了算法和電路。由于10GBASE-T采用了更高密度的10Gb解決方案，降低了10G帶寬下每端口的成本，支持已經(jīng)安裝的布線、即插即用的RJ-45接口和接插板。因此，隨著10GBASE-T硅方案的出臺，一旦相關(guān)的系統(tǒng)級產(chǎn)品問世，10GBASE-T將會大大降低10Gb網(wǎng)絡(luò)互連的成本。■