10Gb以太网物理层接口展望

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随着多家供应商可以提供具有卸载（offload）能力和高密度、低延迟交换能力的网络接口适配器，10Gb以太网产业链正在迅速成熟。对于许多要求高速数据传输的应用领域，10Gb以太网正在逐渐引入许多比传统光纤通道和InfiniBand互连更具有吸引力的特点。随着市场的成熟，物理层连接方案也有了多种选择，这正如当年千兆位时代，人们可以在光互连和铜互连之间进行选择一样。每种物理层连接方案都在传输距离、成本、延迟和物理媒质方面具有各自的优势，对于系统级应用，必须仔细权衡这些因素。

        主板和背板接口形式的差异


        在板级，由于引脚数的降低和允许更长的走线长度，XAUI（10Gb附属单元接口）接口正逐渐替代XGMII（10Gb媒质独立接口）接口。在背板领域，XAUI已经成为了10Gb以太网事实上的标准，它可以实现一种低设计风险、高效率和低成本的机箱与插件板之间的互连。XAUI的信号通过预加重和补偿，其走线长度可以扩展到超过20英寸。XAUI也提供对多路连接器的支持，且只需要很少的几层，并有通道反转功能。

        IEEE标准委员会最近针对以太网背板提出了802.3ap标准，规定了在标准FR4PCB上高达40英寸走线长度下10Gb以太网的工作规范。10GbASE-KX标准提供了两种不同的实现方式：10GbASE-KX4和10GbASE-KR。10GbASE-KX4标准规定了4个通道（类似XAUI），而10GbASE-KR则是在一个通道上采用64/66B编码方式实现的。目前，对于具有总体带宽需求或需要解决走线密集过高问题的背板，有许多家供应商提供的SerDes芯片均采用10GbASE-KR解决方案，如表1所示。

        机箱外的互连

        铜互连几乎垄断了数据中心1Gb速率或更低速率的互连应用，这是由于在服务器之间短距离互连方面，铜互连是最具有成本效率优势的。使用非屏蔽双绞线电缆（10GbASE-T）的铜互连技术预计也将统治数据中心10Gb以太网的互连，而且第一代解决方案已经面世了。

        早期在UTP电缆上将10Gb数据传输100m远的可行性已经得到验证了，但是它被广泛采用的潜在优势将需要下一代或再下一代的方案才能实现。同时，其他互连技术，包括光互联和铜互连也应该考虑进来。

        铜互连物理层接口

        1、10GbASE-CX4

        10GbASE-CX4是高性能数据中心的理想选择，CX4在短距离互连中具有低成本和零附加延时的优点。屏蔽双绞线电缆的使用与InfiniBand互连类似，XAUI信号的传输距离可以远至15m，如果增加信号补偿，可以使成本范围之内的每端口成本降到最低。CX4连接器的引脚定义中也提供了电源引脚。市场上也有CX4连接器的光缆，而且电缆本身具有电-光和光-电转换电路，信号传输距离可以远远超过15m。

        2、10GbASE-T

        10GbASE-T是最近刚刚发布的千兆位数据传输标准，它使用人们熟悉的紧凑型RJ-45连接器和廉价的6类电缆，信号传输距离可以远至55m，并且在千兆位和10Gb传输速率之间支持自动协商。新划分的6类电缆的延伸版本，或称为Cat6a电缆规范可以降低UTP电缆对儿之间的串扰，10GbASE-T的信号传输距离可以远至100m，目前该规范仍然处于草案阶段。已经有多家供应商进行了10GbASE-T的传输试验，然而10GbASE-T的不足也是明显的，功耗比较大而且信号有几微秒的延时，这种情况可能在器件成熟后会得到改善。对于企业千兆位汇聚产品而言，10GbASE-T可能是一种比较好的选择。

        光互连物理层接口

        对于数据中心的互连应用，光纤连接是一种比较简洁的方案，这是由于光纤尺寸小、重量轻、易于管理、信号传输距离长、EMI敏感性低，以及比较低的延迟。与铜互连相比，光纤互连成本的降低将使其更具有竞争力，如表2所示。

        1、带状光缆

        带状光缆是由多条光纤组成的扁平光纤，它有4条发送光纤和4条接收光纤，具有重量轻、柔韧性好的特点，带有CX4连接器，信号传输距离大约是100m。当使用850nmVCSEL光信号时，扁平光缆的成本相对较低，而且功耗也很低（但不是可以忽略），但信号的传输延迟基本上是可以忽略的。

        2、10GbASE-SR

        10GbASE-SR规范中的“SR”是短距离（shortrang）的意思。该规范定义的信号传输距离从26m（采用老式62.5μm多模式光纤）到86m（采用标准50μm多模式光纤），以及到300m（采用850nmVCSEL技术的高质量优化激光器OM3多模式光纤）。该标准规定的信号传输功耗很低，而且信号传输延时低于1μs。

        3、10GbASE-LRM

        10GbASE-LRM是最近才得到批准公布的规范，它规定以1310nm的光信号在老式FDDI的多模式光纤上的传输距离可以高达200m。该规范要求在接收端进行电色散补偿（ElectronicDispersionCompensation，EDC），而且传输器件也非常昂贵。其主要优点是可以使用已经安装好的FDDI光纤，信号的传输延时也是很低的，只有650ns。

        收发模块

        由业界参与者建立的多源协议（Multi-SourceAgreement，MSA）组已经为光和铜收发器规定了物理外形尺寸，而标准团体，如光互联网论坛（OIF）则已经建立了10Gb收发器模块的电接口标准。模块的接插件已经从最初300引脚的MSA过渡到了70引脚的XENPAK，XEBPAK是比XPAK和X2都要小的接口形式。通过将某些部件放在模块外部，30引脚的XFP甚至是更紧凑的，而SFP+则是尺寸最小的，虽然它不支持铜连接。

        为了能够便于扩展，这些模块的结构是兼容。对于光接口I/O，它们采用相同的发送和接收光组件（TOSA或ROSA），而在电接口方面，它们也采用相同的部件，例如，共用互阻抗放大器（TransimpedanceAmplifiers，TIA）、激光驱动器，以及调制器、CDR电路和SerDes器件。在这些模块中，很大一部分都支持光接口，绝大部分模块采用CX4连接器，如XENPAK、XPAK和X2，如表3所示。

        尺寸比较小的XFP和SFP+模块在结构上有些差别，这主要是因为它们紧凑的安装面。除了把SerDes功能放在模块外部之外，XFP模块是比较小的，由于它采用串行10Gb信号作为电信号侧的I/O信号，而不是采用4通道的XAUI信号。SFP+模块则通过将CDR和电色散补偿放在了模块外面，而更加压缩了尺寸和功耗。

        图1列举了接口模块从XAUI向10Gb串行接口发展的过程。然而，有些芯片的SerDes功能是由模块外部电路实现的，并为上游设备提供XAUI接口。

图1光模块的功能和相对尺寸促使电路板一代一代地发展

图2Fulcrum公司的10Gb以太网交换芯片FocalPoint

        现今的10GbASE-T方案也大多采用XAUI接口，这可以使用户更加灵活地选择光模块。例如，许多2层器件或组件，如MAC、NIC和交换芯片均是XAUI接口，成品设备如Fulcrum公司的FocalPoint系列10Gb以太网交换芯片等。

        当前，X2模块是应用最普遍的，在许多应用中被大量采购，但大多数最新的设计却都采用XFP模块，这是因为它物理尺寸的小型化可以达到很高的端口密度，可以预见，使用XFP模块的产品很快会大量发货。然而，SPF+模块的一些特点使它更具有优势，如更高的端口密度、更低的成本、更低的功耗，因此，一旦SPF+模块的产量得到提高，设备厂商也会很快转而采用SPF+模块。