10Gb以太網(wǎng)物理層接口展望

隨著(zhù)多家供應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。對于許多要求高速數據傳輸的應用領(lǐng)域，10Gb以太網(wǎng)正在逐漸引入許多比傳統光纖通道和InfiniBand互連更具有吸引力的特點(diǎn)。隨著(zhù)市場(chǎng)的成熟，物理層連接方案也有了多種選擇，這正如當年千兆位時(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，對于系統級應用，必須仔細權衡這些因素。

主板和背板接口形式的差異

在板級，由于引腳數的降低和允許更長(cháng)的走線(xiàn)長(cháng)度，XAUI（10Gb附屬單元接口）接口正逐漸替代XGMII（10Gb媒質(zhì)獨立接口）接口。在背板領(lǐng)域，XAUI已經(jīng)成為了10Gb以太網(wǎng)事實(shí)上的標準，它可以實(shí)現一種低設計風(fēng)險、高效率和低成本的機箱與插件板之間的互連。XAUI的信號通過(guò)預加重和補償，其走線(xiàn)長(cháng)度可以擴展到超過(guò)20英寸。XAUI也提供對多路連接器的支持，且只需要很少的幾層，并有通道反轉功能。
IEEE標準委員會(huì )最近針對以太網(wǎng)背板提出了802.3ap標準，規定了在標準FR4 PCB上高達40英寸走線(xiàn)長(cháng)度下10Gb以太網(wǎng)的工作規范。10GbASE-KX標準提供了兩種不同的實(shí)現方式：10GbASE-KX4和10GbASE-KR。10GbASE-KX4標準規定了4個(gè)通道（類(lèi)似XAUI），而10GbASE-KR則是在一個(gè)通道上采用64/66B編碼方式實(shí)現的。目前，對于具有總體帶寬需求或需要解決走線(xiàn)密集過(guò)高問(wèn)題的背板，有許多家供應商提供的SerDes芯片均采用10GbASE-KR解決方案，如表1所示。

機箱外的互連

銅互連幾乎壟斷了數據中心1Gb速率或更低速率的互連應用，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(xiàn)電纜（10GbASE-T）的銅互連技術(shù)預計也將統治數據中心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數據傳輸100m遠的可行性已經(jīng)得到驗證了，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。同時(shí)，其他互連技術(shù)，包括光互聯(lián)和銅互連也應該考慮進(jìn)來(lái)。

銅互連物理層接口

1 10GbASE-CX4

10GbASE-CX4是高性能數據中心的理想選擇，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(xiàn)電纜的使用與InfiniBand互連類(lèi)似，XAUI信號的傳輸距離可以遠至15m，如果增加信號補償，可以使成本范圍之內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(chǎng)上也有CX4連接器的光纜，而且電纜本身具有電-光和光-電轉換電路，信號傳輸距離可以遠遠超過(guò)15m。

2 10GbASE-T

10GbASE-T是最近剛剛發(fā)布的千兆位數據傳輸標準，它使用人們熟悉的緊湊型RJ-45連接器和廉價(jià)的6類(lèi)電纜，信號傳輸距離可以遠至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(lèi)電纜的延伸版本，或稱(chēng)為Cat6a電纜規范可以降低UTP電纜對兒之間的串擾，10GbASE-T的信號傳輸距離可以遠至100m，目前該規范仍然處于草案階段。已經(jīng)有多家供應商進(jìn)行了10GbASE-T的傳輸試驗，然而10GbASE-T的不足也是明顯的，功耗比較大而且信號有幾微秒的延時(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

對于數據中心的互連應用，光纖連接是一種比較簡(jiǎn)潔的方案，這是由于光纖尺寸小、重量輕、易于管理、信號傳輸距離長(cháng)、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，信號傳輸距離大約是100m。當使用850nm VCSEL光信號時(shí)，扁平光纜的成本相對較低，而且功耗也很低（但不是可以忽略），但信號的傳輸延遲基本上是可以忽略的。

2 10GbASE-SR

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

3 10GbASE-LRM

10GbASE-LRM是最近才得到批準公布的規范，它規定以1310nm的光信號在老式FDDI的多模式光纖上的傳輸距離可以高達200m。該規范要求在接收端進(jìn)行電色散補償（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)器規定了物理外形尺寸，而標準團體，如光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF）則已經(jīng)建立了10Gb收發(fā)器模塊的電接口標準。模塊的接插件已經(jīng)從最初300引腳的MSA過(guò)渡到了70引腳的XENPAK，XEBPAK是比XPAK和X2都要小的接口形式。通過(guò)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。
為了能夠便于擴展，這些模塊的結構是兼容。對于光接口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）、激光驅動(dòng)器，以及調制器、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+模塊在結構上有些差別，這主要是因為它們緊湊的安裝面。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信號作為電信號側的I/O信號，而不是采用4通道的XAUI信號。SFP+模塊則通過(guò)將CDR和電色散補償放在了模塊外面，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(guò)程。然而，有些芯片的SerDes功能是由模塊外部電路實(shí)現的，并為上游設備提供XAUI接口。

圖1 光模塊的功能和相對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FocalPoint

現今的10GbASE-T方案也大多采用XAUI接口，這可以使用戶(hù)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，成品設備如Fulcrum公司的FocalPoint系列10Gb以太網(wǎng)交換芯片等。

當前，X2模塊是應用最普遍的，在許多應用中被大量采購，但大多數最新的設計卻都采用XFP模塊，這是因為它物理尺寸的小型化可以達到很高的端口密度，可以預見(jiàn)，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，設備廠(chǎng)商也會(huì )很快轉而采用SPF+模塊。