В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

10-гигабитный Ethernet
Часть 1

Николай Слепов
К.т.н., с.н.с. РАН

В декабре 2008 г. IEEE представил новую версию стандарта IEEE 802.3 [1], которая включала версию 2005 г., а значит и 2002 г. [2] и всех последующих дополнений. Это гигантский документ, состоящий из 5 секций, одно оглавление которого занимает 72 страницы. Он содержит окончательную редакцию 10-гигабитной версии Ethernet (XGE или 10GE).

10GE (или 10GbE, 10GigE) – это развитие гигабитного Ethernet (GE), скорость которого увеличена еще в 10 раз при полном отказе (в отличие от GE) от поддержки полудуплексного режима Ethernet. При этом была сделана попытка сохранить ряд особенностей базовой технологии Ethernet.

Так, в разделе 4.4.2 [1] приведена сравнительная таблица допустимых реализаций технологии Ethernet (см. табл. 1).

Приведенные в ней параметры дают ответы на вопросы об особенностях реализации 10GE.

Основные особенности

В стандарте (раздел 4.4.2) сделан ряд замечаний. Из них для нас важны следующие:

• термин LAN используется как синоним любых сетей (а не только LAN и MAN), работающих с протоколом Ethernet 802.3 для передачи данных (то есть поддерживаются и сети WAN);
• для 10GE минимальное значение интервала между пакетами может быть уменьшено до 40 BT (при измерении на интерфейсе XGMII, DTE) или 47 ВТ (на интерфейсе AUI, DTE) при наличии переменной сетевой задержки;
• при адаптации номинальной скорости 10GE к скорости SONET/SDH для WAN-совместимых приложений может быть использовано большее межкадровое расстояние (IFS – Inter-frame Spacing), при этом относительное расширение пробела (104 бит) позволяет адаптировать среднюю скорость MAC-подуровня к скорости SONET/SDH STS-192/STM-64 (то есть допустима инкапсуляция пакетов Ethernet в виртуальные контейнеры 10-гигабитного конкатенированного уровня указанных иерархий [3]).

Новые интерфейсы и модель физического уровня

В стандарте [1], кроме известных интерфейсов, используемых ранее в архитектуре физического уровня, таких как AUI, MDI, MII, GMII и TBI, описаны и три новых 10-гигабитных интерфейса:

• XGMII – 10-гигабитный интерфейс, не зависящий от среды передачи, c подуровнем его расширения XGXS. Интерфейс не обязательный, но рекомендуемый, так как допускает максимальную гибкость в использовании физических подуровней и интерфейса со стороны DTE на скорости 10 Гбит/с; интерфейс рассчитан для работы на уровне ИС-ИС и не требует физического разъема;
• XAUI – 10-гигабитный интерфейс блоков подключения для увеличения длины соединения между 10 Гбит/с МАС-подуровнем и 10 Гбит/с физическим уровнем; как и XGMII, он не обязателен, но рекомендуем, используется на уровне ИС-ИС и также не требует физического разъема;
• XSBI – 10-гигабитный 16-разрядный интерфейс; представляет собой физическую реализацию сервисного интерфейса PMA для физического уровня спецификаций 10GBase-R и 10GBase-W.

Схема использования 10-гигабитных интерфейсов и структура модели физического уровня для трех основных версий 10GE: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W – приведена на рис. 1. Первая версия (Х) использует формат кодирования 8В/10В, как и GE, тогда как две другие (R и W) – формат 64В/66В.

Новый стандарт 802.3 определяет интерфейсы для побитной, побайтной и покадровой передачи, однако в его рамках можно выбрать и другие форматы передаваемых данных с учетом следующих ограничений:

• интерфейс XGMII использует формат с шириной потока данных (на прием и передачу) 4 байта (раздел 46 [1]);
• интерфейс   управляющих   данных (MDIO/MDC) использует одноразрядный формат передачи (раздел 45);
• сервисный интерфейс PMA использует 16-разрядный формат передачи (раздел 51);
• интерфейс MDI использует побитную последовательную передачу с волновым  мультиплексированием (WDM) четырех несущих длин волн для 10GBase-LX4 (раздел 53) или передачу, описанную в разделе 52 для других типов PMD.

Для   увеличения   рабочей   длины интерфейса XGMII можно использовать расширитель, представляющий собой   связку   интерфейсов   XGXS-XAUI-XGXS.  Он  имеет  отдельные маршруты приема и передачи потоков данных   шириной  32  бита  каждый (4 потока шириной по 8 бит), применяет дифференциальный метод передачи с пониженным напряжением и использует двоичное интерфейсное кодирование в потоке типа 8В/10В.

Типы спецификаций 10-гигабитного Ethernet

В зависимости от версии 10GE в стандарте [1] кодирование на физическом уровне осуществляется кодом 64B/66B (требуемая полоса – 10,3125 Гбит/с) или кодом 8В/10В (полоса – 12,5 Гбит/с). Стандарт описывает три семейства версий 10GE.

Спецификация 10GBase-X
Данная спецификация описывает семейство 10GE, использующее четырехпотоковую передачу (в формате 4х8 бит) с кодированием каждого потока кодом 8В/10В. Эта спецификация поддерживается практически всеми уровнями   и   интерфейсами:   MAC,   RS, XGMII, XGXS, XAUI, PCS, PMA, PMD и может передаваться по медным шинам, медным парам и оптическому кабелю (ВОК). К этому семейству принадлежит версия 10GBase-LX4 - стандарт 10GE для среды передачи на базе ВОК, использующий 4 длины волны с шагом 13,4 нм во втором окне прозрачности (1300 нм). Каждая длина волны передает один из четырех потоков данных (Lane). Потоки объединяются мультиплексором WDM на передающей стороне перед подачей в ВОК и демультиплексируются на приемной стороне.

Формирование 4 потоков (рассмотрена только передающая сторона) осуществляется по схеме на рисунке (правая часть): {MAC}->{RS}-XGMII-{PCS (Кодер 8B/10B)}-> {PMA}->{PMD}-MDI-{Среда передачи}.

Последовательный поток данных МАС-подуровня делится на подуровне согласования RS на 4 потока (Lane 0-3) группами по одному байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего      заголовка (TxC). В подуровне PCS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя в PMA 4 группы 10-битовых последовательностей (Tcg), передаваемых в PMD, а затем через MDI, на модуляторы четырех несущих (подробнее см. раздел 48 и Annex 44A [1]). На приемной стороне реализован обратный процесс.

Спецификация 10GBase-R
Эта спецификация - целое семейство, которое включает: 10GBase-SR, 10GBase-LR и 10GBase-ER работающие на ВОК в трех разных окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E), соответственно. Эти спецификации могут быть как самостоятельными (после кодирования данных на подуровне PCS по схеме 64В/66В) или могут превращаться в спецификации 10GBase-W (если потоки данных после PCS передаются WAN-интерфейсу WIS).

Если спецификации 10GBase-R используются самостоятельно, то данные передаются на физический уровень и среду передачи по схеме, представленной на рис. 1 (средняя часть): {MAC}->{RS}-XGMII-{DTE XGXS (Кодер 8B/10B)}-XAUI-{PHY XGXS (Декодер 8B/10B)}-XGMII-{PCS (Кодер 64B/66B + Скремблер + Делитель 64/16)}-XSBI-{PMA}->{LAN PMD}-MDI-{Среда передачи}.

Здесь поток данных МАС-подуровня (рассмотрена только передающая сторона), как и для 10GBase-X, делится на RS-подуровне на 4 потока (Lane 0-3) группами по 1 байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). На верхнем подуровне XGXS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя 4 кодовые группы 10-битовых последовательностей (Cg), передаваемых через интерфейс XAUI. Группы Cg в нижнем подуровне XGXS декодируются и объединяются подуровнем PCS в 66-битную группу (2 бита синхронизации (01) + 64 бита данных), то есть кодируются по схеме 64В/66В. Этот код поддерживает биты данных и управления, позволяющие обнаруживать ошибки. Затем данные скремблируются и разбиваются (при переходе через интерфейс XSBI в PMA) на 16-битные блоки данных, передаваемые в подуровень LAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей (раздел 49, Annex 44A). На приемной стороне осуществляется обратный процесс.

Спецификация 10GBase-W
Это семейство из трех версий: 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW, также работающих через ВОК в трех окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E). Согласно спецификации, потоки указанных версий после кодирования в подуровне PCS кодом 64В/66В подключаются к WAN-интерфейсу WIS, чтобы далее инкапсулироваться в фреймы технологий SONET и SDH для транспорта потоков 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW через физический уровень. Осуществляется это по схеме на рис. 1, левая часть (рассмотрен только режим передачи): {MAC}->{RS}-XGMII-{DTE XGXS (Кодер 8B/10B)}-XAUI-{PHY XGXS (Декодер 8B/10B)}-XGMII-{PCS (Кодер 64B/66B + Скремблер + Делитель 64/16)}-WIS-SVC-I/F-{WIS (Генератор фрейма)}-XSBI-{PMA}->{WAN PMD}-MDI-{Среда передачи}.

Здесь поток данных обрабатывается, как для спецификации 10GBase-R, вплоть до интерфейса WIS-SVC-I/F, пройдя через который, формируются 16-битные группы данных (Tdu). Далее в подуровне WIS (с помощью генератора) формируется заголовок фрейма SONET STS-192c//SDH STM-64c и осуществляется        дополнительное скремблирование. В результате поток данных Ethernet адаптируется к скорости передачи данных SONET/SDH. После перехода через интерфейс XSBI в PMA 16-битные блоки данных передаются на подуровень WA N PMD, а затем через интерфейс MDI – на модулятор оптической несущей (см. [1] раздел 49 и Annex 44A). На приемной стороне осуществляется обратный процесс.

Итак, три базовые технологии – 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W – позволили реализовать 7 версий (см. табл. 2):

• 10GBase-LX4 – стандарт 10GE для медного кабеля (4 пары STP/шины) и среды передачи на базе ММ ВОК, работающего на четырех длинах волн в диапазоне 1260–1355 нм;
• 10GBase-SR, 10GBase-SW – стандарты 10GE для среды передачи ММ ВОК, работающего на длине волны 850 нм;
• 10GBase-LR, 10GBase-LW – стандарты 10GE для среды передачи ММ ВОК, работающего на длине волны 1300 нм;
• 10GBase-ER, 10GBase-EW – стандарты 10GE для среды передачи ММ ВОК, работающего на длине волны 1300 нм, и ОМ ВОК, работающего на длине волны 1550 нм.

Все    версии    реализуют    только дуплексный режим работы и поддерживают топологию "точка-точка".

Литература

1. IEEE 802.3-2008 – Standard for Information technology – Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications.
2. Слепов Н. 10-гигабитный Ethernet: сегодня и завтра // Первая миля. – 2007. – № 1. – С. 10–18.
3. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи: 2-е изд., исправ. – М.: Радио и связь, 2003.

Вторую часть статьи читайте в журнале "Технологии и средства связи" №5 – 2011.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2011
Посещений: 31641

Статьи по теме

• Особенности сетей нового поколения (NGN). Часть 3
• Современные тренды радиорелейной связи
• Особенности сетей нового поколения (NGN). Часть 1. Next Generation Network (NGN) peculiarities. Part 1
• Главная задача банка – стать персональным финансовым советником
• Развитие современных мультисервисных сетей ШПД. Development of modern broadband multiservice networks

Автор Николай Слепов Независимый эксперт Всего статей:  23

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций