万兆以太网规范解读

01万兆以太网规范

就目前来说，万兆以太网标准和规范都比较繁多，在标准方面，有 2002 年的IEEE 802.3ae，2004 年的 IEEE 802.3ak，2006 年的 IEEE 802.3an、IEEE 802.3aq和 2007 年的IEEE 802.3ap；在规范方面，总共有 10多个（是一比较庞大的家族，比千兆以太网的 9 个又多了许多）。在这 10多个规范中，可以分为三类：一是基于光纤的局域网万兆以太网规范，二是基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范，三是基于光纤的广域网万兆以太网规范。下面分别予以介绍。

1基于光纤的局域网万兆以太网规范

就目前来说，用于局域网的基于光纤的万兆以太网规范有：10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-LRM、10GBase-ER、10GBase-ZR 和 10GBase-LX4 这六个规范。

10GBase-SR

10GBase-SR 中的"SR"代表"短距离"（short range）的意思，该规范支持编码方式为64B/66B 的短波（波长为 850nm）多模光纤（MMF），有效传输距离为 2～300m，要支持 300m 传输需要采用经过优化的 50μm 线径 OM3（Optimized Multimode 3，优化的多模 3）光纤（没有优化的线径 50μm 光纤称为 OM2 光纤，而线径为 62.5μm 的光纤称为 OM1 光纤）。10GBase-SR 具有最低成本、最低电源消耗和最小的光纤模块等优势。

10GBase-LR

10GBase-LR 中的"LR"代表"长距离"（Long Range）的意思，该规范支持编码方式为64B/66B 的长波（1310nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为 2m 到 10km，事实上最高可达到 25km。10GBase-LR 的光纤模块比下面将要介绍的 10GBase-LX4 光纤模块更便宜。

10GBase-LRM

10GBase-LRM 中的"LRM"代表"长度延伸多点模式"（Long Reach Multimode），对应的标准为 2006 年发布的 IEEE 802.3aq。在 1990年以前安装的 FDDI 62.5?m 多模光纤的 FDDI网络和 100Base-FX 网络中的有效传输距离为 220m，而在 OM3 光纤中可达 260m，在连接长度方面，不如以前的 10GBase-LX4 规范，但是它的光纤模块比 10GBase-LX4 规范光纤模块具有更低的成本和更低的电源消耗。

10GBase-ER

10GBase-ER 中的"ER"代表"超长距离"（Extended Range）的意思，该规范支持超长波（1550nm）单模光纤（SMF），有效传输距离为 2m 到 40km。

10GBase-ZR

几个厂商提出了传输距离可达到 80km 超长距离的模块接口，这就是 10GBase-ZR 规范。它使用的也是超长波（1550nm）单模光纤（SMF）。但 80km 的物理层不在 EEE 802.3ae 标准之内，是厂商自己在 OC-192/STM-64 SDH/SONET 规范中的描述，也不会被 IEEE 802.3 工作组接受。

10GBase-LX4

10GBase-LX4 采用波分复用技术，通过使用 4 路波长统一为 1300 nm，工作在 3.125Gb/s的分离光源来实现 10Gb/s 传输。该规范在多模光纤中的有效传输距离为 2～300m，在单模光纤下的有效传输距离最高可达 10km。它主要适用于需要在一个光纤模块中同时支持多模和单模光纤的环境。因为 10GBase-LX4 规范采用了 4 路激光光源，所以在成本、光纤线径和电源成本方面较前面介绍的 10GBase-LRM 规范有不足之处。

2基于双绞线（或铜线）的局域网万兆以太网规范

在 2002 年发布的几个万兆以太网规范中并没有支持铜线这种廉价传输介质的，但事实上，像双绞线这类铜线在局域网中的应用是最普遍的，不仅成本低，而且容易维护，所以在近几年就相继推出了多个基于双绞线（6 类以上）的万兆以太网规范包括 10GBase-CX4、 10GBase-KX4、10GBase-KR、10GBase-T。下面分别予以简单介绍。

10GBase-CX4

10GBase-CX4 对应的就是 2004 年发布的 IEEE 802.3ak 万兆以太网标准。10GBase-CX4使用 802.3ae 中定义的 XAUI（万兆附加单元接口）和用于 InfiniBand 中的 4X 连接器，传输介质称之为"CX4 铜缆"（其实就是一种屏蔽双绞线）。它的有效传输距离仅 15m。

10GBase-CX4 规范不是利用单个铜线链路传送万兆数据，而是使用 4 台发送器和 4 台接收器来传送万兆数据，并以差分方式运行在同轴电缆上，每台设备利用 8B/10B 编码，以每信道 3.125GHz 的波特率传送 2.5Gb/s 的数据。这需要在每条电缆组的总共 8 条双同轴信道的每个方向上有 4 组差分线缆对。另外，与可在现场端接的 5 类、超 5 类双绞线不同， CX4 线缆需要在工厂端接，因此客户必须指定线缆长度。线缆越长一般直径就越大。10GBase-CX4 的主要优势就是低电源消耗、低成本、低响应延时，但是接口模块比 SPF+的大。

10GBase-KX4和10GBase-KR

10GBase-KX4 和 10GBase-KR 所对应的是 2007 年发布的 IEEE 802.3ap 标准。它们主要用于背板应用，如刀片服务器、路由器和交换机的集群线路卡，所以又称之为"背板以太网"。

万兆背板目前已经存在并行和串行两种版本。并行版（10GBase-KX4 规范）是背板的通用设计，它将万兆信号拆分为 4 条通道（类似 XAUI），每条通道的带宽都是 3.125Gb/s。而在串行版（10GBase-KR 规范）中只定义了一条通道，采用 64/66B 编码方式实现 10Gb/s高速传输。在 10GBase-KR 规范中，为了防止信号在较高的频率水平下发生衰减，背板本身的性能需要更高，而且可以在更大的频率范围内保持信号的质量。IEEE 802.3ap 标准采用的是并行设计，包括两个连接器的 1m 长铜布线印刷电路板。10GBase-KX4 使用与10GBase-CX4 规范一样的物理层编码，10GBase-KR 使用与 10GBase-LR/ER/SR 三个规范一样的物理层编码。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。

10GBase-T

10GBase-T 对应的是 2006 年发布的 IEEE 802.3an 标准，可工作在屏蔽或非屏蔽双绞线上，最长传输距离为 100m。这可以算是万兆以太网一项革命性的进步，因为在此之前，一直认为在双绞线上不可能实现这么高的传输速率，原因就是运行在这么高工作频率（至少为 500MHz）基础上的损耗太大。但标准制定者依靠 4 项技术构件使 10GBase-T 变为现实：损耗消除、模拟到数字转换、线缆增强和编码改进。10GBase-T 的电缆结构也可用于 1000Base-T 规范，以便使用自动协商协议顺利从1000Base-T 升级到 10GBase-T 网络。10GBase-T 相比其他 10G 规范而言，具有更高的响应延时和消耗。在 2008 年，有多个厂商推出一种硅元素可以实现低于 6W 的电源消耗，响应延时小于百万分之一秒（也就是 1μs）。在编码方面，不是采用原来 1000Base-T 的 PAM-5，而是采用了 PAM-8 编码方式，支持 833Mb/s 和 400MHz 带宽，对布线系统的带宽要求也相应地修改为 500MHz，如果仍采用 PAM-5 的 10GBase-T 对布线带宽的需求是 625MHz。在连接器方面，10GBase-T 使用已广泛应用于以太网的 650MHz 版本 RJ-45 连接器。在6 类线上最长有效传输距离为 55m，而在 6a 类类双线上可以达到 100m。

3基于光纤的广域网万兆以太网规范

前面提到的 10GBase-SW、10GBase-LW、10GBase-EW 和 10GBase-ZW 规范都是应用于广域网的物理层规范，专为工作在 OC-192/STM-64 SDH/SONET 环境而设置，使用轻量的 SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）/SONET（Synchronous Optical Networking，同步光纤网络）帧，运行速率为 9.953Gb/s。它们所使用的光纤类型和有效传输距离分别对应于前面介绍的 10GBase-SR、10GBase-LR、10GBase-ER 和 10GBase-ZR 规范。在 10GBase-LX4 和 10GBase-CX4 规范中没有广域网物理层，因为以前的 SONET/SDH。

万兆以太网规范	使用的传输介质	有效距离	应用领域
10GBase-SR	850nm多模光纤，50μm的 OM3光纤	300m	局域网、城域网
10GBase-LR	1310nm 单模光纤	10km
10GBase-LRM	62.5 μm多模光纤，OM3光纤	260m
10GBase-ER	1550nm 单模光纤	40km
10GBase-ZR	1550nm 单模光纤	80km
10GBase-LX4	1300nm单模或者多模光纤	300m （多模时），10km （单模 时）
10GBase-CX4	屏蔽双 绞线	15米
10GBase-T	6类、6a类双绞线	55m （6类线时），100m （6a类线 时）
10GBase-KX4	铜线 （并行接口）	1m	背板以太网
10GBase-KR	铜线 （串行接口）	1m
10GBase-SW	850nm多模光纤，50μm的 OM3光纤	300m	SDH/SONET 广域网

10GBase-LW	1310nm 单模光纤	10km
10GBase-EW	1550nm 单模光纤	40km
10GBase-ZW	1550nm 单模光纤	80km

02万兆以太网的物理层结构

万兆以太网采用了 IEEE 802.3 以太网介质访问控制（MAC）协议、IEEE 802.3 以太网帧格式，以及 IEEE 802.3 帧的最大和最小尺寸。正如千兆以太网标准 1000Base-X 和 1000Base-T 保留了以太网模型的基本内容一样，万兆以太网在本质上仍然是以太网在速度和距离方面的自然进化。但因为万兆以太网是一种只采用全双工的传输技术，所以网络运营商不需要应用低速的、半双工的 CSMA/CD 协议。

在许多万兆以太网规范中，也对应了许多不同类型的万兆以太网物理层，但总体类型还是与最初于 2002 年发布的几类万兆以太网规范差不多。下面分基于光纤传输介质万兆以太网规范物理层和基于铜线传输介质万兆以太网规范物理层两种类型进行介绍。

在 2002 年发布的 7 个规范中，可以分为三大类，即 10GBase-X（仅包括 10GBase-X 规范）、10GBase-R（包括 10GBase-SR、10GBase-LR 和 10GBase-ER 三个规范）和 10GBase-W（包括 10GBase-SW、10GBase-LW 和 10GBase-EW 三个规范）。这三个子系列所对应的物理层体系结构分别对应图 5-19 中的左、中、右图（注意其中用颜色标注的部分）。

在万兆以太网技术中，其中比较突出的是一种称之为 XAUI 的接口。XAUI 借用了原来的以太网附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的简称，而 X 源于罗马数字中的 10，代表每秒传输 10千兆比特的意思。XAUI 被设计成既是一个接口扩展器，又是一个接口。其实在体系结构中就是将在下面提到的 10Gb/s 介质独立接口（10 Gigabit Media Independent Interface，XGMII），也可以看成是对 XGMII 接口的扩展。XGMII 是具有 74条信号线的接口，其中的 32 条数据线用于数据的收发。XGMII 也可以作为以太网的 MAC层对 PHY 的补充。XAUI 还可以在以太网的 MAC 层和 PHY 的互联方面代替或作为 XGMII的扩展，这是 XGMII 比较典型的应用。

XAUI 直接从千兆以太网标准中 1000Base-X 的 PHY 发展而来，它具有自带时钟的串行总线。XAUI 接口的速率是 1000Base-X 的 2.5 倍。通过 4 条串行通道，保证万兆以太网的 XAUI 接口所支持的数据吞吐量是千兆以太网的 10倍。

对比一下图 5-16 中右图所示的千兆以太网标准中的物理层可以看出，在 10GBase-X 子系列的体系结构中，物理层结构与千兆以太网的基本类似，只是 PCS 子层与 RS 子层之间的接口由原来的 GMII 变成了 XGMII，也就是前面说的 XAUI。而在 10GBase-R 子系列的三个规范中的物理层，除了上述接口换成为 XGMII 外，还有一个区别就是 PCS 子层的编码方式由原来的 8B/10B 改变成了 64B/66B。在 10GBase-W 子系列的三个规范中相对千兆以太网物理层的改变更大，除了在 10GBase-R 子系列中的两处改变外，还在 PCS 子层与 PMA 子层之间增加了一个新的子层--WIS（WAN 接口）子层。通过 WAN 接口子层（WAN Interface Sublayer，WIS），万兆以太网也能被调整为较低的传输速率，如 9.584640Gb/s（OC-192），这就允许万兆以太网设备与同步光纤网络（SONET）STS-192c 传输格式相兼容。

下面对万兆以太网物理层的这几个子层和接口进行具体介绍。

PMD（物理介质相关）子层

PMD 子层的功能是支持在 PMA 子层和介质之间交换串行化的符号代码位。PMD 子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式。PMD 是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质上发送和接收信号。

PMA（物理介质连接）子层

PMA 子层提供了 PCS 和 PMD 层之间的串行化服务接口。它与 PCS 子层的连接称为 PMA 服务接口。另外 PMA 子层还从接收位流中分离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐（定界）的符号定时时钟。

WIS（广域网接口）子层

WIS 子层是可选的物理子层（只在 10GBase-W 子系列三个规范中采用），位于 PMA子层与 PCS 子层之间，用于广域网中产生适配 ANSI 定义的 SONET STS-192c 传输格式，或 ITU 定义 SDH VC-4-64c 容器速率的以太网数据流。该速率数据流可以直接映射到传输层而不需要高层处理。

PCS（物理编码）子层

PCS 子层位于协调子层（通过 GMII）和物理介质接入层（PMA）子层之间。PCS 子层完成将经过完善定义的以太网 MAC 功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。PCS 子层和上层 RS 子层的接口由 XGMII 提供，与下层 PMA 接口使用 PMA 服务接口。

RS（协调子层）和XGMII（10Gb/s介质无关接口）

协调子层的功能是将 XGMII 的通路数据和相关控制信号映射到原始 PLS 服务接口定义（MAC/PLS）接口上。XGMII 接口提供了 10Gb/s 的 MAC 和物理层间的逻辑接口。XGMII和协调子层使 MAC 可以连接到不同类型的物理介质上。

03万兆以太网MAC子层

应用于局域网的万兆以太网的 MAC 子层与千兆以太网的 MAC 子层的帧格式基本一样（参见图 5-17），但不再支持 CSMA/CD 介质控制方式，只允许进行全双工传输。这就意味着万兆以太网的传输将不受 CSMA/CD 冲突字段的限制，从而突破了局域网的概念，进入到了城域网和广域网范畴。

又由于 10G 以太网可以在广域网上使用，所以为了与传统的以太网兼容，必须采用标准以太网的帧格式承载业务。为了达到 10Gb/s 的高速率可以采用 SONET/SDH 网络中的 OC-192c 帧格式传输，这就需要在物理子层实现从以太网帧到 OC-192c 帧格式的映射功能。同时，由于以太网的原设计是面向局域网的，网络管理功能较弱，传输距离短并且其物理线路没有任何保护措施。当以太网作为广域网进行长距离、高速率传输时必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。因此，如果以太网帧要在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。

以太网一般利用物理层中特殊的 10B（Byte）代码实现帧定界。当 MAC 层有数据需要发送时，PCS 子层对这些数据进行 8B/10B 编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组 SFD（帧起始定界符）和 EFD（帧结束定界符）；当 PCS 子层收到来自底层的 10B 编码数据时，可以很容易地根据 SFD（帧起始字界符）和 EFD（帧结尾定界符）找到帧的起始和结束，从而完成帧定界。但是 SDH 中承载的千兆以太网帧定界不同于标准的千兆以太网帧定界，因为复用的数据已经恢复成 8B 编码的码组，去掉了 SFD 和 EFD。如果只利用千兆以太网的前导码（Preamble）和 SFD 进行帧定界，由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，采用这样的帧定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界。为了避免上述情况，10G 以太网采用了 HEC（Header-Error-Check，头部错误检测）策略。在以太网帧中添加了"长度"字段和"HEC"字段。为了在定帧过程中方便查找下一个帧位置，同时又确保最大帧长为 1518 字节，所以把原来"前导码"字段的两个字节改用为"长度"字段，然后对前面的 8 字节进行 CRC-16 校验，将最后得到的两个字节作为"HEC"字段插入 SFD 之后，DA 字段之前。

【注意】10G WAN 物理层并不是简单地将以太网 MAC 帧用 OC-192c 承载。虽然借鉴了 OC-192c 的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销，但是在 SDH 帧结构的基础上做了大量的简化，使得修改后的以太网对抖动不敏感，对时钟的要求不高。减少了许多不必要的开销，简化了 SDH 帧结构，与千兆以太网相比，增强了物理层的网络管理和维护，可在物理线路上实现保护倒换。其次，避免了烦琐的同步复用，信号不是从低速率复用成高速率流，而是直接映射到 OC-192c 净负荷中。

10G 以太局域网和 10G 以太广域网（采用 OC-192C）物理层的速率不同，10G 以太局域网的数据率为 10Gb/s，而 10G 以太广域网的数据率为 9.58464Gb/s（SDH OC-192c，是 PCS层未编码前的速率），但是两种速率的物理层共用一个 MAC 层，MAC 层的工作速率为 10Gb/s。采用什么样的调整策略将 10G MII 接口的 10Gb/s 传输速率降低，使之与物理层的传输速率 9.58464Gb/s 相匹配，是 10G 以太广域网需要解决的问题。

04万兆以太网的主要特性和优势

万兆以太网定义在 IEEE 802.3ae 协议中，其数据传输速率达到百亿比特每秒。基于当今广泛应用的以太网技术，万兆以太网提供了与各种以太网标准相似的有利特点。但同时它又具有相对以前几种以太网技术鲜明的特点和优势，主要体现在以下几个方面：

1物理层结构不同

万兆以太网是一种只采用全双工数据传输技术，其物理层（PHY）和 OSI 参考模型的第一层（物理层）一致，负责建立传输介质（光纤或铜线）和 MAC 层的连接，MAC 层相当于 OSI 参考模型的第二层（数据链路层）。万兆以太网标准的物理层分为两部分，分别为 LAN 物理层和 WAN 物理层。LAN 物理层提供了现在正广泛应用的以太网接口，传输速率为 10Gb/s；WAN 物理层则提供了与 OC-192c 和 SDH VC-6-64c 相兼容的接口，传输速率为 9.58Gb/s。与 SONET 不同的是，运行在 SONET 上的万兆以太网依然以异步方式工作。WIS（WAN 接口子层）将万兆以太网流量映射到 SONET 的 STS-192c 帧中，通过调整数据包间的间距，使 OC-192c 略低的数据传输率与万兆以太网相匹配。

2提供多种物理接口

千兆以太网的物理层每发送 8 比特的数据要用 10比特组成编码数据段，网络带宽的利用率只有 80%；万兆以太网则每发送 64 比特只用 66 比特组成编码数据段，比特利用率达 97%。虽然这是牺牲了纠错位和恢复位换取的，但万兆以太网采用了更先进的纠错和恢复技术，确保数据传输的可靠性。

基于光纤的万兆以太网标准的物理层可进一步细分为 5 种具体的接口，分别为 1550nm LAN 接口、1310nm 宽频波分复用（WWDM）LAN 接口、850nm LAN 接口、1550nm WAN接口和 1310nm WAN 接口。

以上每种接口都有其对应的最适宜的传输介质：850nm LAN 接口适用于 50/125μm 多模光纤上，最大传输距离为 65m；50/125μm 多模光纤现在已用得不多，但由于这种光纤制造容易，价格便宜，所以用来连接服务器比较划算；1310nm 宽频波分复用（WWDM）LAN接口适用于 66.5/125μm 多模光纤上，传输距离为 300m；66.5/125μm 的多模光纤又叫 FDDI光纤，是目前企业使用得最广泛的多模光纤，从 20世纪 80年代末 90年代初开始在网络界大行其道；1550nm WAN 接口和 1310nm WAN 接口适合在单模光纤上进行长距离的城域网和广域网数据传输；1310nm WAN 接口支持的传输距离为 10km；1550nm WAN 接口支持的传输距离为 40km。

另外，在 10GBase-T 规范中，还支持最常见的双绞线 RJ-45 接口。

3带宽更宽，传输距离更长

万兆以太网标准意味着以太网将具有更高的带宽（10Gb/s）和更远的传输距离（最长传输距离可达 80km）。另外，过去有时需采用数个千兆捆绑以满足交换机互连所需的高带宽，因而浪费了更多的光纤资源，现在可以采用万兆互连，甚至 4 个万兆捆绑互连，达到 40Gb/s的宽带水平。

4结构简单、管理方便、价格低廉

由于万兆以太网只工作于光纤模式（屏蔽双绞线也可以工作于该模式），没有采用载波侦听多路访问和冲突检测（CSMA/CD）协议和访问优先控制技术，简化了访问控制的算法，从而简化了网络的管理，并降低了部署的成本，也因而得到了广泛的应用。

5便于管理

采用万兆以太网，网络管理者可以用实时方式，也可以用历史累积方式轻松地看到第 2层到第 7 层的网络流量。允许"永远在线"监视，能够鉴别干扰或入侵监测，发现网络性能瓶颈，获取计费信息或呼叫数据记录，从网络中获取商业智能。

6应用更广

万兆以太网主要工作在光纤模式上，所以它不仅在局域网中可以得到应用，更在城域网和广域网中有着非常广阔的用途，把原来仅用于局域网的以太网带到了广阔的城域网和广域网中。

另外，随着网络应用的深入，WAN/MAN 与 LAN 融合已经成为大势所趋，各自的应用领域也将获得新的突破，而万兆以太网技术让工业界找到了一条能够同时提高以太网的速度、可操作距离和连通性的途径，万兆以太网技术的应用必将为三网发展与融合提供新的动力。

7具有更高多功能，服务质量更好

万兆以太网技术提供了更多的更新功能，大大提升 QoS，具有相当的革命性，因此，能更好地满足网络安全、服务质量、链路保护等多个方面的需求。

当然，最重要的特性就是，万兆以太网技术基本承袭了以太网、快速以太网及千兆以太网技术，因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上都占有极大的优势。在升级到万兆以太网解决方案时，用户不必担心既有的程序或服务是否会受到影响，升级的风险非常低，可实现平滑升级，保护了用户的投资；同时在未来升级到 40Gb/s 甚至 100Gb/s都将是很明显的优势。

来源：汽车以太网技术研究实验室

审核编辑：汤梓红