应用标准

1.1    802.3an标准简介

1.1.1    10Gbps以太网概述

IEEE802.3™的第3部分全称为：《带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)的访问方法及物理层指标》，其中的第4节是对10Gbps以太网运行及其大多数物理层指标的一般规定，分别在标准中第44条至第55条，以及附录44A至附录55B予以描述。

10Gbps以太网使用IEEE802.3定义的MAC子层，通过10Gb介质独立界面（XGMII）连接至诸如：10GBASE-SR、10GBASE-LX4、10GBASE-CX4、10GBASE-LRM、10GBASE-LR、10GBASE-ER、10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW以及10GBASE-T各类物理层实体。10Gbps以太网需达到以下要求：

1）    支持全双工以太网MAC；

2）    在10Gb介质独立界面（XGMII）上提供10Gbps数据传输速率；

3）    支持LAN PMD运行于10Gbps之上，支持WAN PMD运行于SONET STS-192c/SDH VC-4-64c速率之上；

4）    支持线缆厂商使用满足ISO/IEC 11801:1995的光纤；

5）    允许网络扩展至40km；

6）    支持在配线间和数据中心应用的双芯线缆（twinaxial cable）布线上运行；

1）    支持在选取于ISO/IEC 11801:2002铜缆上的运行；

2）    误码率小于10^-12。

1.1.1    10GBASE-T概述

10GBASE-T需达到以下要求：

1）    仅支持全双工；

2）    支持星形结构局域网应用的点对点链路与结构化布线拓扑；

3）    支持10Gbps  MAC/PLS 业务界面；

4）    支持ISO11801:2002中的铜缆介质（55.7条款详细规定）；

5）    支持在含有4个连接器的4对铜对绞线所能支持的全部传输距离与等级上运行；

6）    定义能支持100米四对平衡铜缆布线链路的单一10Gbps物理层；

7）    在MAC客户业务界面保持IEEE 802.3以太网数据帧格式；

8）    保持当前IEEE 802.3标准规定的最小与最大帧长；

9）    支持自动协商；

10）  满足CISPR/FCC A级电磁兼容要求；

11） 在全部传输距离与等级上误码率小于或等于10^-12。

1.1.2    10GBASE-T的运行方式

运行时，10GBASE-T在平衡电缆的4对线芯上同时传输2500Mb/s数据，以达到10Gbps传输速率（如图）。每个线对上的信号采用800M /s符号调制率的基带16电平PAM信号。建立链路后，数据与控制符共构同成512个DSQ128符号的物理层数据帧，并在4个线对上以4×256 PAM16编码方式连续传送。800M /s符号调制率决定了符号周期为1.25ns。

图： 10GBASE-T全双工传输模式（IEEE802.3an Figure 55-2）

1.1.1    干扰源问题

干扰10GBASE-T造成误码的噪声主要是串扰、链路段回声干扰以及链路段之间的耦合噪声，即外部串扰噪声（如图）。

图： 链路段间的外部串扰耦合（IEEE802.3an Figure 55B–1）

此外10GBASE-T还会受以下噪声源影响：

1）在相同全双工信道（线对）上，来自本地传送器的回声。此类回声是由混合器在建立数据同时双向传输，以及链路段阻抗不匹配造成的。必须使用回声消除方法对其进行抑制才能降低误码率。

2）在双工信道（线对）上，来自本地传送器近端串扰。每个接收器受到来自其他3个邻近传送器的干扰。近端串扰可通过近端串扰消除处理器予以降低。

3）接收器受到双工信道（线对）的3个远端传送器的远端串扰。远端串扰可通过交叉耦合均衡器予以降低。

4）符号间干扰（ISI）。符号间干扰是来自同一信道中，符号的发送信号与另一符号的接受信号之间的干扰。10GBASE-T支持采用Tomlinson-Harashima预编码机制降低符号间干扰。

5）来自非理想状态的双工信道、传送器、接收器的噪声，例如：DAC/ADC的非线性、电气噪声、非线性信道特性。10GBASE-T通过改变PMA电气指标限制这些噪声的影响。

6）期望10GBASE-T的背景噪声不超过-150dBm/Hz，以便确定最小信噪比。

1.1.2    外部串扰的缓解办法（IEEE802.3an Annex55B）

外部串扰水平与相邻线缆和连接器的数量及距离相关，外部串扰链路段指标：PS ANEXT与PS AELFEXT，是基于“6包1”模型进行计量的。外部串扰耦合是布线元件间距离的函数，移动或放松线线缆，分散设备或跳线，使用低密度连接器等措施，都对降低外部串扰有明显作用。在很多实际布线拓扑结构中，线缆仅在相对较短的距离上进行绑扎或放置在线缆托盘中，星形拓扑布线的线缆是由中心设备间随机分配至各工作区的，这就减小了彼此靠近的链路段的距离，有利于降低外部串扰。

当外部串扰指标不满足要求时，可通过以下方法加以改善：

1）条件允许时，分散设备间中配线架位置，邻近位置可用于其他应用；

2）通过内部连接将附属设备连接至水平布线，而不采用交叉连接，以减少Co-located连接器数量。在工作区的连接器与跳线不属于Co-located连接器。

3）通过分散跳线和解捆水平布线，降低头5－20m水平布线的外部串扰耦合。外部串扰耦合明显部分一般发生在布线的20m以内。（IEEE802.3an 55.5.4.5将带2个连接器10m跳线和20m水平布线构成30m链路，定义为短链路。）

4）分散设备跳线使其充分缓解外部串扰耦合；

5）更换更高类型或等级的连接器。

1.2    数据中心应用

1.2.1    IT应用发展

 数据中心是企业信息化的中枢系统，随着云计算、数据中心整合，虚拟化等新技术的出现，数据中心网络基础设施面临着越来越多的技术挑战。以数据中心虚拟化为例，通过虚拟化技术将一台服务器虚拟成2台甚至更多台服务器，从而实现资源的最大化利用。虚拟化技术对于传统的网络基础设施提出了更高的要求。

  传统的数据中心局域网和存储网采用不同的网络技术，局域网一般采用以太网，而存储网一般采用光纤通道（FC），这两种网络技术互不兼容，因而造成了实施和维护成本高昂。下一代的数据中心的发展趋势是局域网（LAN）和存储网（SAN）的融合即FCoE技术，FCoE将传统的光纤通道(FC)协议数据包封装到以太网帧中传输，由于以太网部署和维护的成本较低，因此FCoE能够大大降低未来数据中心的实施和维护成本。局域网（LAN）和存储网（SAN）的融合促使数据中心采用更高性能的网络技术如万兆（10Gbps）或10万兆(100Gbps)网络技术。

1.2.2    接口发展

从目前IT设备发展来看， 10GBASE-T是一种性价比最好的技术。

基于光纤的10G以太网的技术标准早在2002年就已经发布了，经过近几年的市场的考验和产品发展演变，10G光纤以太网成为成熟可用的技术。基于光纤万兆以太网的传输距离高达40Km，采用高密度、低功耗的小型可插拔连接器 (SFP/SFP+) ，功耗只有1W，但是光纤设备成本相对最贵，因此光纤万兆以太网主要用于远距离的城域网（MAN）或局域网（LAN）园区网络主干。

为了在铜缆上传输万兆以太网，IEEE 802.3ak任务小组于2004年发布了10GBase-CX4，10GBase-CX4主要用于解决数据中心机房设备背板的高速互联，价格最便宜，但传输距离只有15m, 由于采用8条双同轴屏蔽电缆，线缆尺寸较大，此外CX4连接器非常昂贵而且无法现场端接，因此10GBase-CX4已经逐渐淡出市场。

鉴于目前以太网传输介质中双绞线占据了80%以上的市场份额，IEEE802.3an工作小组于2006年发布了在双绞线上传输万兆以太网的技术标准10GBase-T，10GBase-T兼容传统的百兆和千兆以太网，在Cat.6A布线系统上传输距离可以达到100米，因此Cat.6A双绞线能够满足万兆到桌面及数据中心高性能运算的需求，10GBase-T能够提供10倍于千兆以太网1000Base-T的速度，价格却只有原来1000Base-T的三倍，此外10GBase-T采用传统的RJ45连接器，易于安装和维护，因此10GBase-T是未来市场上最有可能大规模采用的万兆技术。

目前阻碍10GBase-T普及的主要因素是价格和功耗，10GBase-T由于10GBase-T采用复杂的物理编码技术, 价格和功耗相对较高，随着芯片制造技术的不断提高，10G以太网每端口的成本从最初的2000 美元左右降到大约500美元。

10GBase-T目前主要应用于数据中心，功耗是限制10GBase-T大规模普及的一个重要因素，10GBase-T的网络设备功耗主要取决于物理接口电路(PHY)的功耗， Broadcom公司在2010年2月份向市场推出了一款采用新型40nm处理技术的网络物理接口(PHY)芯片，每端口的功耗低于4W,比第一代10GBase-T网络设备10W的功耗已经大幅度降低，未来随着网络芯片制造技术的进步，这一数值还会进一步降低。

　　　根据第三方的市场调查报告全球60%的数据中心链路长度在30m以内，为了降低数据中心内10GBase-T网络设备的的功耗，IEEE802.3an工作组开发了一种30m短距离的低功耗工作模式，在这种模式下，不需要较大的信号发射功率及串扰性能，另外，如果使用Cat.6A,Cat.7或Cat.7A双绞线，因为Cat.6A/Cat.7/Cat.7A双绞线比cat.6双绞线具有更好的插入损耗（衰减），因此能够节约大约20%-30%的能耗。

另外，为了解决数据中心以太网设备的能耗问题，IEEE802.3az正在开发节能的以太网标准，将允许设备之间自动协商，如果设备处于待机状态，节能大约85%，因此未来10GBase-T网络设备的功耗将不再是万兆以太网普及的瓶颈。第一代1000Base-T网络设备刚刚推出的时候，平均每端口的功耗大约6w, 目前已经降低到0.4W。相信1000Base-T的故事将会在10GBase-T身上重演。

10GBase-T标准仍旧使用IEEE802.3以太网祯(Frame)格式，保留了IEEE802.3标准最小和最大祯(Frame)长度，以及 CSMA/CD（载波监听/冲突检测） 机制，向前兼容10M/100M/1000M以太网，并且兼容局域网现行的星型拓朴结构。

同1000Base-T一样，10GBase-T也是采用4对双绞线进行传输，不同的是10GBase-T平均每对线传输2.5Gbps；另外10GBase-T对于布线系统提出了更高的要求，要求布线系统带宽至少为500MHZ 。

为了在一个信号周期需要传输更多的数据位 (bit);10GBase-T采用更复杂的2维双矩阵(Double Square)16级的 (PAM16) 编码方式，这种PAM16编码方式信号电平只有0.13V远低于1000Base-T 5级编码方式 (PAM5)0.5V的信号电平，如此低的信号电平意味着10GBase-T设备比1000Base-T设备更敏感，更容易受到背景噪音的干扰。

10GBase-T除了复杂的信号编码技术之外，另外为了保证网络传输误码率，必须采用一种低密度奇偶校验（Low Density Parity Check, 简写为LDPC）机制，这意味着10GBBase-T设备电路更复杂，因此10GBase-T的设备的功耗远高于1000Base-T设备的功耗。因此10GBase-T网络设备更加容易向外辐射信号。