10Gb以太網(wǎng)物理層接口展望

隨著多家供應(yīng)商可以提供具有卸載（offload）能力和高密度、低延遲交換能力的網(wǎng)絡(luò)接口適配器，10Gb以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈正在迅速成熟。對(duì)于許多要求高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域，10Gb以太網(wǎng)正在逐漸引入許多比傳統(tǒng)光纖通道和InfiniBand互連更具有吸引力的特點(diǎn)。隨著市場的成熟，物理層連接方案也有了多種選擇，這正如當(dāng)年千兆位時(shí)代，人們可以在光互連和銅互連之間進(jìn)行選擇一樣。每種物理層連接方案都在傳輸距離、成本、延遲和物理媒質(zhì)方面具有各自的優(yōu)勢，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，必須仔細(xì)權(quán)衡這些因素。

主板和背板接口形式的差異

在板級(jí)，由于引腳數(shù)的降低和允許更長的走線長度，XAUI（10Gb附屬單元接口）接口正逐漸替代XGMII（10Gb媒質(zhì)獨(dú)立接口）接口。在背板領(lǐng)域，XAUI已經(jīng)成為了10Gb以太網(wǎng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，它可以實(shí)現(xiàn)一種低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、高效率和低成本的機(jī)箱與插件板之間的互連。XAUI的信號(hào)通過預(yù)加重和補(bǔ)償，其走線長度可以擴(kuò)展到超過20英寸。XAUI也提供對(duì)多路連接器的支持，且只需要很少的幾層，并有通道反轉(zhuǎn)功能。
IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)最近針對(duì)以太網(wǎng)背板提出了802.3ap標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了在標(biāo)準(zhǔn)FR4 PCB上高達(dá)40英寸走線長度下10Gb以太網(wǎng)的工作規(guī)范。10GbASE-KX標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式：10GbASE-KX4和10GbASE-KR。10GbASE-KX4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4個(gè)通道（類似XAUI），而10GbASE-KR則是在一個(gè)通道上采用64/66B編碼方式實(shí)現(xiàn)的。目前，對(duì)于具有總體帶寬需求或需要解決走線密集過高問題的背板，有許多家供應(yīng)商提供的SerDes芯片均采用10GbASE-KR解決方案，如表1所示。

機(jī)箱外的互連

銅互連幾乎壟斷了數(shù)據(jù)中心1Gb速率或更低速率的互連應(yīng)用，這是由于在服務(wù)器之間短距離互連方面，銅互連是最具有成本效率優(yōu)勢的。使用非屏蔽雙絞線電纜（10GbASE-T）的銅互連技術(shù)預(yù)計(jì)也將統(tǒng)治數(shù)據(jù)中心10Gb以太網(wǎng)的互連，而且第一代解決方案已經(jīng)面世了。

早期在UTP電纜上將10Gb數(shù)據(jù)傳輸100m遠(yuǎn)的可行性已經(jīng)得到驗(yàn)證了，但是它被廣泛采用的潛在優(yōu)勢將需要下一代或再下一代的方案才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，其他互連技術(shù)，包括光互聯(lián)和銅互連也應(yīng)該考慮進(jìn)來。

銅互連物理層接口

1 10GbASE-CX4

10GbASE-CX4是高性能數(shù)據(jù)中心的理想選擇，CX4在短距離互連中具有低成本和零附加延時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。屏蔽雙絞線電纜的使用與InfiniBand互連類似，XAUI信號(hào)的傳輸距離可以遠(yuǎn)至15m，如果增加信號(hào)補(bǔ)償，可以使成本范圍之內(nèi)的每端口成本降到最低。CX4連接器的引腳定義中也提供了電源引腳。市場上也有CX4連接器的光纜，而且電纜本身具有電-光和光-電轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)傳輸距離可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過15m。

2 10GbASE-T

10GbASE-T是最近剛剛發(fā)布的千兆位數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它使用人們熟悉的緊湊型RJ-45連接器和廉價(jià)的6類電纜，信號(hào)傳輸距離可以遠(yuǎn)至55m，并且在千兆位和10Gb傳輸速率之間支持自動(dòng)協(xié)商。新劃分的6類電纜的延伸版本，或稱為Cat6a電纜規(guī)范可以降低UTP電纜對(duì)兒之間的串?dāng)_，10GbASE-T的信號(hào)傳輸距離可以遠(yuǎn)至100m，目前該規(guī)范仍然處于草案階段。已經(jīng)有多家供應(yīng)商進(jìn)行了10GbASE-T的傳輸試驗(yàn)，然而10GbASE-T的不足也是明顯的，功耗比較大而且信號(hào)有幾微秒的延時(shí)，這種情況可能在器件成熟后會(huì)得到改善。對(duì)于企業(yè)千兆位匯聚產(chǎn)品而言，10GbASE-T可能是一種比較好的選擇。

光互連物理層接口

對(duì)于數(shù)據(jù)中心的互連應(yīng)用，光纖連接是一種比較簡潔的方案，這是由于光纖尺寸小、重量輕、易于管理、信號(hào)傳輸距離長、EMI敏感性低，以及比較低的延遲。與銅互連相比，光纖互連成本的降低將使其更具有競爭力，如表2所示。

1 帶狀光纜

帶狀光纜是由多條光纖組成的扁平光纖，它有4條發(fā)送光纖和4條接收光纖，具有重量輕、柔韌性好的特點(diǎn)，帶有CX4連接器，信號(hào)傳輸距離大約是100m。當(dāng)使用850nm VCSEL光信號(hào)時(shí)，扁平光纜的成本相對(duì)較低，而且功耗也很低（但不是可以忽略），但信號(hào)的傳輸延遲基本上是可以忽略的。

2 10GbASE-SR

10GbASE-SR規(guī)范中的“SR”是短距離（short rang）的意思。該規(guī)范定義的信號(hào)傳輸距離從26m（采用老式62.5μm多模式光纖）到86m（采用標(biāo)準(zhǔn)50μm多模式光纖），以及到300m（采用850nm VCSEL技術(shù)的高質(zhì)量優(yōu)化激光器OM3多模式光纖）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)傳輸功耗很低，而且信號(hào)傳輸延時(shí)低于1μs。

3 10GbASE-LRM

10GbASE-LRM是最近才得到批準(zhǔn)公布的規(guī)范，它規(guī)定以1310nm的光信號(hào)在老式FDDI的多模式光纖上的傳輸距離可以高達(dá)200m。該規(guī)范要求在接收端進(jìn)行電色散補(bǔ)償（Electronic Dispersion Compensation，EDC），而且傳輸器件也非常昂貴。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用已經(jīng)安裝好的FDDI光纖，信號(hào)的傳輸延時(shí)也是很低的，只有650ns。

收發(fā)模塊

由業(yè)界參與者建立的多源協(xié)議（Multi-Source Agreement，MSA）組已經(jīng)為光和銅收發(fā)器規(guī)定了物理外形尺寸，而標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體，如光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF）則已經(jīng)建立了10Gb收發(fā)器模塊的電接口標(biāo)準(zhǔn)。模塊的接插件已經(jīng)從最初300引腳的MSA過渡到了70引腳的XENPAK，XEBPAK是比XPAK和X2都要小的接口形式。通過將某些部件放在模塊外部，30引腳的XFP甚至是更緊湊的，而SFP+則是尺寸最小的，雖然它不支持銅連接。
為了能夠便于擴(kuò)展，這些模塊的結(jié)構(gòu)是兼容。對(duì)于光接口I/O，它們采用相同的發(fā)送和接收光組件（TOSA或ROSA），而在電接口方面，它們也采用相同的部件，例如，共用互阻抗放大器（Transimpedance Amplifiers，TIA）、激光驅(qū)動(dòng)器，以及調(diào)制器、CDR電路和SerDes器件。在這些模塊中，很大一部分都支持光接口，絕大部分模塊采用CX4連接器，如XENPAK、XPAK和X2，如表3所示。

尺寸比較小的XFP和SFP+模塊在結(jié)構(gòu)上有些差別，這主要是因?yàn)樗鼈兙o湊的安裝面。除了把SerDes功能放在模塊外部之外，XFP模塊是比較小的，由于它采用串行10Gb信號(hào)作為電信號(hào)側(cè)的I/O信號(hào)，而不是采用4通道的XAUI信號(hào)。SFP+模塊則通過將CDR和電色散補(bǔ)償放在了模塊外面，而更加壓縮了尺寸和功耗。

圖1列舉了接口模塊從XAUI向10Gb串行接口發(fā)展的過程。然而，有些芯片的SerDes功能是由模塊外部電路實(shí)現(xiàn)的，并為上游設(shè)備提供XAUI接口。

圖1 光模塊的功能和相對(duì)尺寸促使電路板一代一代地發(fā)展

圖2 Fulcrum公司的10Gb以太網(wǎng)交換芯片F(xiàn)ocalPoint

現(xiàn)今的10GbASE-T方案也大多采用XAUI接口，這可以使用戶更加靈活地選擇光模塊。例如，許多2層器件或組件，如MAC、NIC和交換芯片均是XAUI接口，成品設(shè)備如Fulcrum公司的FocalPoint系列10Gb以太網(wǎng)交換芯片等。

當(dāng)前，X2模塊是應(yīng)用最普遍的，在許多應(yīng)用中被大量采購，但大多數(shù)最新的設(shè)計(jì)卻都采用XFP模塊，這是因?yàn)樗锢沓叽绲男⌒突梢赃_(dá)到很高的端口密度，可以預(yù)見，使用XFP模塊的產(chǎn)品很快會(huì)大量發(fā)貨。然而，SPF+模塊的一些特點(diǎn)使它更具有優(yōu)勢，如更高的端口密度、更低的成本、更低的功耗，因此，一旦SPF+模塊的產(chǎn)量得到提高，設(shè)備廠商也會(huì)很快轉(zhuǎn)而采用SPF+模塊。