10GBASE-T：基于銅質(zhì)電纜的 10Gb以太網(wǎng)指南

　　10Gb以太網(wǎng)切實(shí)可行且萬(wàn)事俱備

　　自從2002年批準10Gb以太網(wǎng)通信標準以來(lái)，業(yè)界總是預測“明年”將會(huì )最終推出10Gb以太網(wǎng)。然而，自誕生以來(lái)，10Gb以太網(wǎng)的發(fā)展就因為其無(wú)法利用各種低速以太網(wǎng)標準成熟的傳輸方式而受到阻礙。到目前為止，10Gb以太網(wǎng)仍然缺乏一種基于非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)銅質(zhì)電纜和RJ-45接頭的解決方案。

　　最初，業(yè)界曾認為10GBASE-T，即現在所謂的基于銅質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)，在設計、研發(fā)和實(shí)現上難度太大，因此他們希望改變原有的基本結構、傳輸介質(zhì)、成本結構和操作方式，使用光纖網(wǎng)絡(luò )重新組建數據中心和組織機構。直到2005年，10Gb以太網(wǎng)光纖方案的成本仍然高達每端口1000美元以上。原本預計光學(xué)模塊的價(jià)格將會(huì )下降，密度將會(huì )提高，但是這些預測都沒(méi)有實(shí)現。2002年末，IEEE 802.3工作組意識到需要展開(kāi)進(jìn)一步的研究工作，并啟動(dòng)了兩項研究計劃。第一個(gè)計劃是稱(chēng)為10GBASE-CX4的短期計劃，它基于屏蔽雙絞線(xiàn)和Infiniband電纜互連技術(shù)，在短期內支持短距離的機架內互連。第二個(gè)計劃是長(cháng)期的10GBASE-T發(fā)展計劃。

　　10GBASE-T解決方案采用了由集成式CMOS器件構成的成本結構、成熟的結構線(xiàn)纜和RJ-45連接技術(shù)，并同時(shí)具有之前以太網(wǎng)實(shí)現方案的密度優(yōu)勢。當前，10Gb以太網(wǎng)光學(xué)收發(fā)器鏈路已經(jīng)在大型企業(yè)的數據中心內充當了IT設備的主機，如交換機、服務(wù)器和數據存儲平臺。但是，它們的數量規模還沒(méi)有達到三年前人們的預期。光纖基礎結構的普及程度還不如銅質(zhì)電纜，除了這一妨礙因素之外，光學(xué)收發(fā)器相對較慢的普及過(guò)程也是一個(gè)原因。根據第三方市場(chǎng)調查機構的統計結果，帶有10Gb光開(kāi)關(guān)端口的收發(fā)器價(jià)格仍然相對比較昂貴，超過(guò)了2600美元。

　　10GBASE-T面臨著(zhù)很多技術(shù)挑戰，本文將針對某些解決方案展開(kāi)分析。10GBASE-T的市場(chǎng)前景依然看好?；阢~質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)將具備10G鏈路所有的性能，而成本只有它的一半，支持更高的端口密度，收發(fā)器的成本趨勢也符合成本降低的摩爾定律曲線(xiàn)。

　　2006年6月，基于非屏蔽雙絞線(xiàn)銅質(zhì)電纜的10Gb以太網(wǎng)IEEE 802.3an 10GBASE-T規范得以批準通過(guò)，該規范為網(wǎng)絡(luò )管理員和IT專(zhuān)業(yè)人員構建數據中心和企業(yè)網(wǎng)絡(luò )提供了兩個(gè)重要的特性。首先，它支持傳統的銅質(zhì)電纜，新裝用戶(hù)能夠沿用原有的銅質(zhì)電纜結構并支持RJ-45連接器和接插板。其次，10GBASE-T通過(guò)支持高密度的10G開(kāi)關(guān)，實(shí)現了有史以來(lái)成本最低的10G互連解決方案。由于Solarflare和其他一些公司曾經(jīng)支持、參與和關(guān)注過(guò)該互連標準，因此PHY層芯片組在2007年初就問(wèn)世了——為系統設計公司提供了構建具有10GBASE-T接口的以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)和NIC的相關(guān)技術(shù)，并將從2007年末開(kāi)始面向最終用戶(hù)推出相關(guān)產(chǎn)品。

　　由于具有較低的成本和方便的即插即用特性，UTP銅質(zhì)電纜仍然可以作為建筑物內橫向布線(xiàn)和數據中心布線(xiàn)的備選介質(zhì)。盡管沒(méi)有在標準中特別說(shuō)明，但是5e類(lèi)信道仍然可以支持10GBASE-T的操作。在6類(lèi)鏈路中，該標準支持的傳輸距離從55米增加到了100米。此外，電纜行業(yè)已經(jīng)定義了一種新的傳輸介質(zhì)標準，推出了增強型6類(lèi)的 6a類(lèi)標準，在這一標準下，10GBASE-T最長(cháng)能夠支持100 米的傳輸距離。

　　由于10GBASE-T的運行可以基于原來(lái)已安裝的或者新布設的UTP銅質(zhì)電纜，因此它保持了即插即用的方便性以及UTP布線(xiàn)的低成本特點(diǎn)。10GBASE-T標準使得網(wǎng)絡(luò )管理員在將網(wǎng)絡(luò )擴展到10Gb的同時(shí)能夠沿用原來(lái)已布設的銅質(zhì)電纜基礎結構，新裝用戶(hù)也可以利用銅質(zhì)結構電纜的高性?xún)r(jià)比特點(diǎn)。

　　對于上述第二點(diǎn)，就像1Gb 1000BASE-T一樣，隨著(zhù)10GBASE-T PHY行業(yè)不斷提高硅器件的制造工藝并逐漸轉向下一代工藝，10Gb以太網(wǎng)的OEM廠(chǎng)商將會(huì )為廣大用戶(hù)提供具有更小外觀(guān)尺寸和更低功耗的產(chǎn)品。這兩個(gè)趨勢將有助于以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)廠(chǎng)商進(jìn)一步提高端口密度，降低10Gb以太網(wǎng)的成本。而且，隨著(zhù)10GBASE-T市場(chǎng)規模的增長(cháng)，10GBASE-T PHY將按照摩爾定律的趨勢而發(fā)展。因此，由于10GBASE-T具有較大的端口密度和相對較低的元件成本，因此它有助于網(wǎng)絡(luò )設備廠(chǎng)商大幅降低10Gb以太網(wǎng)互連的成本。

　　下一級網(wǎng)絡(luò )互連

　　由于有了已經(jīng)被認可的IEEE 802.3an標準，目前的硅解決方案已經(jīng)成熟，相關(guān)的開(kāi)關(guān)和NIC產(chǎn)品也即將問(wèn)世，因此10GBASE-T已經(jīng)做好了大規模應用于數據中心和企業(yè)級網(wǎng)絡(luò )的準備。10GBASE-T非常適合于數據中心、企業(yè)機構、1G開(kāi)關(guān)集群和小型骨干網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，它基于銅質(zhì)電纜的互連方式將在實(shí)現10Gb網(wǎng)絡(luò )互連性能的同時(shí)，為用戶(hù)節省成本和投資。

　　通過(guò)轉向穩定可靠、經(jīng)濟劃算的下一級高性能以太網(wǎng)，具有更高帶寬需求的高級應用將最終成為可能——從大量流媒體應用到支持Web 2.0的全部功能;采用iSCSI協(xié)議的會(huì )聚網(wǎng)絡(luò )(converged fabrics)以及存儲區域網(wǎng)絡(luò );在同一個(gè)物理服務(wù)器上相互獨立運行，某些情況下采用異構操作系統的多臺虛擬機器構成的虛擬服務(wù)器。

　　從1Gbps到10Gbps

　　為了更清楚地說(shuō)明10GBASE-T及其工作原理，本文將簡(jiǎn)要回顧1000BASE-T并與10GBASE-T相對比。為了將以太網(wǎng)的傳輸速率提高到1Gbps，1000BASE-T以太網(wǎng)使用了4對5e類(lèi)線(xiàn)，采用了基于網(wǎng)格編碼調制的多位雙向信號傳輸方式。收發(fā)器需要抵消掉每對線(xiàn)上的回波和近端串擾，以及抵消遠端串擾(不作強制規定)。為了將比特率再提高一個(gè)數量級，10GBASE-T在這些方面做了進(jìn)一步改進(jìn)，增大了信號傳輸速率(從125M波特提高到800M波特)，并增加了傳輸信號的層數(從5層增加到16層)。

　　為了實(shí)現這一目標，人們采用了具有最新技術(shù)水平的低密度奇偶校驗(LDPC)碼，并進(jìn)一步改進(jìn)了接收器靈敏度、回波與串擾消除技術(shù)。表1總結了1000BASE-T和10GBASE-T所用的關(guān)鍵技術(shù)。盡管對信號傳輸、接收器靈敏度和干擾消除技術(shù)的改進(jìn)措施使得10GBASE-T的實(shí)現成為可能，但是要想在更高速度下有效運行，還必須要用到10GBASE-T的相關(guān)算法和電路技術(shù)。

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　　板級設計者面臨的問(wèn)題

　　幸運的是，10GBASE-T中大部分復雜的技術(shù)問(wèn)題都隱藏在硅器件一級，這對于板級設計者而言是透明的。與之前的1000BASE-T一樣，10GBASE-T與MAC層的接口沿用現有的標準并行接口。

　　10GBASE-T設備有望像XENPAK、 X2和CX4設備那樣，提供XAUI(每通道3.125Gbps)接口。這些均衡的自定時(shí)接口支持從MAC層到PHY層實(shí)現簡(jiǎn)潔的板級轉換，不要求設備之間具有緊密的間隔。在設備的線(xiàn)路端，10GBASE-T產(chǎn)品將在混合電路與磁排列方案中采用廠(chǎng)商特有的PHY設計，這與1000BASE-T和之前基于雙絞線(xiàn)的以太網(wǎng)解決方案是類(lèi)似的。

　　通過(guò)使用與基于雙絞線(xiàn)傳輸相同的信號傳輸與均衡技術(shù)，這些模擬接口所需的帶寬將保持在400MHz。但是，和1000BASE-T一樣，OEM廠(chǎng)商必須及時(shí)關(guān)注并指導其PHY供貨商在DAC、磁模塊和接收器前端之間的設計，優(yōu)化回波消除的效果。此外，作為第一代10GBASE-T設備，功耗和成本效率問(wèn)題將促使人們采用多芯片的解決方案，這需要在某些模擬器件和數字器件之間設置高速接口電路。通常，這需要使用標準的LVDS接口或其他速率達到幾百MHz的類(lèi)似接口。這種接口要求在10GBASE-T芯片組中各個(gè)芯片要相互靠近，為此廠(chǎng)商需要提供一些參考設計材料。

　　開(kāi)發(fā)10GBASE-T的技術(shù)挑戰

　　在最初制訂10Gb以太網(wǎng)標準時(shí)，很多專(zhuān)業(yè)人士都認為基于非屏蔽雙絞線(xiàn)銅質(zhì)電纜實(shí)現10Gb速率是不可能的，這是因為減少降低基于UTP布線(xiàn)的通信信道性能所涉及的大量元件面臨著(zhù)巨大的挑戰。這可能會(huì )對信號本身的傳輸產(chǎn)生損害，例如介入損耗和符號間干擾(ISI)，這些損害來(lái)源于線(xiàn)纜有限的帶寬和本身的實(shí)際阻抗以及一些干擾因素導致的性能下降，例如回波(Echo)、近端串擾(NEXT)和遠端串擾(FEXT)。此外，基底噪聲和其他輻射信號，例如Alien串擾(來(lái)源于其他線(xiàn)纜的串擾)，也會(huì )降低接收信號的信噪比(即SNR)。

　　各種有線(xiàn)以太網(wǎng)系統都面臨著(zhù)信道損耗帶來(lái)的挑戰。介入損耗能夠衡量一定長(cháng)度的線(xiàn)纜上信號損耗與信號頻率之間的關(guān)系。隨著(zhù)頻率的增大，接收到的信號將會(huì )變得越來(lái)越弱，使其更容易受到噪聲的影響，最終的損耗將比400MHz頻率下的功率損耗高4個(gè)量級。除了需要對10Gbps的信號進(jìn)行編碼，使其適合每對帶寬為400MHz的4對傳輸線(xiàn)之外，信號衰減的斜率——從低頻下不到3dB到400MHz頻帶邊緣下的40dB損耗——也迫切需要進(jìn)行高效的信號均衡處理。

　　10GBASE-T系統通過(guò)采用Tomlinson-Harashima預編碼(簡(jiǎn)稱(chēng)THP)技術(shù)實(shí)現了這一目標，而且沒(méi)有傳輸誤差并且避免了性能損失。雖然與判定反饋均衡(DFE)技術(shù)類(lèi)似，但是THP是運行在鏈路發(fā)送端的，能夠避免判定誤差(由于傳輸的符號是已知的)。

　　盡管使用了THP技術(shù)，但是由于發(fā)射脈沖的傳輸幾乎覆蓋了近百位的間隔，因此數據信道仍然出現大量的符號間干擾(ISI)現象。根據之前的1000BASE-T以太網(wǎng)和DSL技術(shù)，10Gb以太網(wǎng)需要使用高性能的均衡器減輕ISI的影響，并恢復接收信號的脈沖波形。由于均衡器硬件的引入會(huì )影響系統的魯棒性，因此，在評估PHY時(shí)不僅要測試PHY能夠運行的最長(cháng)鏈路，而且需要測試大量中等長(cháng)度的鏈路和配置的轉接線(xiàn)路。要想實(shí)現符合10GBASE-T信號傳輸要求的穩定均衡器，需要一定的實(shí)驗室測試經(jīng)驗。這種均衡器僅僅是10GBASE-T設計者面臨的諸多挑戰的開(kāi)始。

　　10GBASE-T的設計者還必須應對如何減少回波和近端串擾的巨大挑戰。由于近端串擾的傳播方式與回波是類(lèi)似的，因此減少這兩種現象對于設計者而言也是類(lèi)似的。之前，線(xiàn)纜廠(chǎng)商總是想方設法降級相鄰線(xiàn)纜對之間的NEXT，認為NEXT是限制線(xiàn)纜帶寬的一種不可消除的妨礙因素。從1000BASE-T開(kāi)始直到10GBASE-T，人們已經(jīng)在信號接收端大大消減了回波和NEXT。如前所述，在10GBASE-T中遠端接收到的信號是被大幅度衰減過(guò)的，因此在10GBASE-T中消減回波和NEXT的程度應該比在1000BASE-T中高3個(gè)數量級。

　　這實(shí)際上意味著(zhù)，除了線(xiàn)纜連接器和接口之外，還必須消除掉傳輸信號在雙絞線(xiàn)內的微小瑕疵上發(fā)生的反射而形成的回波。因此，為了設置回波消除器，可能需要在信道的整個(gè)來(lái)回路徑上都布滿(mǎn)tap。這些tap必須不斷適應信道的變化，以滿(mǎn)足線(xiàn)纜機械特性的變化需求。對于10GBASE-T而言，人們已經(jīng)研究出了利用轉換域處理的強大并行處理和共享技術(shù)以及最新的自適應技術(shù)，從而將這些自適應濾波器的信號處理需求降低一個(gè)數量級。

　　消除回波和NEXT是實(shí)現10GBASE-T所面臨的主要挑戰之一。在1000BASE-T方案中所使用的FIR技術(shù)如果直接在10GBASE-T中實(shí)現，其復雜性將比1000BASE-T增加45倍。在這些速度下所需的高度消除水平也使得全模擬消除方式很難湊效，需要高帶寬和高功率的自適應模擬濾波器，這即便是可行的也會(huì )產(chǎn)生很高的功耗。

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　　由于脈沖響應固有的可變性和隨機性，某些增強脈沖響應消除能力的簡(jiǎn)單技術(shù)，例如連續時(shí)間模擬濾波器或者IIR數字濾波器，無(wú)法實(shí)現在各種布線(xiàn)結構下都能夠起作用的靈活解決方案。更糟糕的是，回波和NEXT信號在很弱的接收信號中占了主導地位，因此直接的全數字方法需要10位以上的ADC。

　　為了同時(shí)發(fā)揮高精度DSP處理和高效模擬處理技術(shù)的優(yōu)勢，Solarflare的解決方案同時(shí)采用了模擬和數字信號處理技術(shù)。為了執行必要的計算(對于直接實(shí)現方法，這一計算量將超過(guò)每秒10Tops)，必須采用大規模并行計算方法來(lái)實(shí)現這些濾波器，通過(guò)執行大量的重用計算實(shí)現快速的算法逼近。Solarflare針對這一問(wèn)題申請了專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)實(shí)現幾百個(gè)tap長(cháng)的消除器，以及在所有16個(gè)回波和NEXT消除通路之間共享計算，實(shí)現了穩定可靠的NEXT和回波消除性能。

　　這樣，10GBASE-T所需的計算量相比1000BASE-T方案增大了不到6倍，使得消除回波與NEXT變得可行。此外，該算法結合了模擬域中的處理，減少了ADC上的NEXT和回波，有效實(shí)現了不到9個(gè)等效位(ENOB)的ADC設計。由于在回波和近端串擾消除器的設計中采用了折衷處理，因此檢測系統響應線(xiàn)纜擾動(dòng)的能力是非常重要的。誤碼可能出現在電纜彎曲的瞬間，但是系統應該在調整到新的回波與NEXT環(huán)境之后恢復過(guò)來(lái)。

　　最后一種線(xiàn)纜內損傷是FEXT。FEXT是在10Gb以太網(wǎng)鏈路(如圖1所示)的遠端從相鄰發(fā)射器發(fā)出的信號產(chǎn)生的干擾。由于這些信號位于鏈路的遠端，它們曾與NEXT一樣被認為是無(wú)法消除的。1000BASE-T 本來(lái)不需要FEXT消除器，但是當前的某些1000BASE-T接收器仍然具有一定的FEXT消除能力。但是，對于10GBASE-T而言，FEXT干擾會(huì )產(chǎn)生明顯的SNR損耗，這將會(huì )妨礙中等長(cháng)度距離以及長(cháng)距離下的10GBASE-T傳輸。

　　圖1 對在4對5e類(lèi)線(xiàn)上的信號傳輸的損害

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　　由于FEXT的分散情況與所需的接收信號十分類(lèi)似，因此消除FEXT需要大量的信號處理硬件。為此，網(wǎng)絡(luò )設備廠(chǎng)商在這一方面采用了多種減輕FEXT影響的技術(shù)和折衷處理方法。一個(gè)較好的折衷辦法是將信道均衡與FEXT消除操作結合起來(lái)，這一方案已經(jīng)得以驗證并且申請了專(zhuān)利，這種方法能夠把FEXT消除器的復雜性降低4~6倍。由于FEXT的程度根據布線(xiàn)和連接器結構的變化會(huì )有很大的不同，因此測試各種長(cháng)度情況下收發(fā)器的性能是非常重要的。對于20米~50米之間中等長(cháng)度的布線(xiàn)，具有2~4個(gè)連接器通道的鏈路，FEXT是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

　　Alien串擾和功率補償

　　由于10GBASE-T采用高級信號處理技術(shù)設法減少單個(gè)4對電纜護層內的噪聲源和失真問(wèn)題，這最終使得系統的性能受限于其他相鄰線(xiàn)纜的外部串擾，這被稱(chēng)為Alien串擾。Alien串擾可能來(lái)源于傳輸鏈路的同一端(Alien NEXT)，或者來(lái)源于傳輸鏈路的另一端，或者沿著(zhù)整條鏈路(Alien FEXT)。

　　通過(guò)布線(xiàn)設計、資格鑒定和安裝操作可以有效減輕Alien NEXT串擾。但是，Alien FEXT對于布線(xiàn)而言是一個(gè)特別棘手的問(wèn)題。為了避免短距離鏈路“遠端”串擾的問(wèn)題進(jìn)入長(cháng)線(xiàn)傳輸，P802.3an要求發(fā)射器將它們的發(fā)射功率降低到僅為鏈路所需的水平。因此，短鏈路發(fā)射器在信號發(fā)射過(guò)程中要根據最長(cháng)的100m鏈路的額定功率進(jìn)行“功率補償”(即PBO)，如圖2所示，該圖表明短鏈路上的傳輸功率相對長(cháng)鏈路被降低了(較高的PBO)。當然這是允許的，因為短鏈路比長(cháng)鏈路的信號衰減少得多，因此兩種鏈路都有較大的余量。

　　圖2 功率補償

　　所有符合10GBASE-T標準的收發(fā)器都采用最小的功率補償范圍，這種補償需要經(jīng)過(guò)仔細的設計以確保網(wǎng)絡(luò )能夠保持穩定可靠的性能。值得注意的是，在UTP網(wǎng)絡(luò )中引入寬頻譜信號，例如利用信號發(fā)送速率大于125MHz的專(zhuān)用PHY技術(shù)，可能會(huì )對這些信號和兼容標準的10GBASE-T產(chǎn)生干擾問(wèn)題。因此，在兼容性上必須小心處理。已有的10GBASE-T設計兼容目前沒(méi)有功率補償的低速率以太網(wǎng)系統(如1000BASE-T)。由于這些傳統系統的信號傳輸帶寬低于10GBASE-T的帶寬，因而可以實(shí)現。

　　布線(xiàn)與實(shí)現問(wèn)題

　　表2列出了布線(xiàn)類(lèi)型及所支持的距離。對于已經(jīng)安裝的布線(xiàn)，10GBASE-T支持短鏈路的5E類(lèi)布線(xiàn)以及55米或更長(cháng)的6類(lèi)布線(xiàn)。對于新的布線(xiàn)安裝，用戶(hù)應該考慮選擇6a類(lèi)布線(xiàn)，對于喜歡屏蔽布線(xiàn)的用戶(hù)，可以選擇7類(lèi)線(xiàn)或者6類(lèi)FTP。

　　結語(yǔ)

　　總之，10GBASE-T解決了極難的技術(shù)問(wèn)題，大大改善了信號傳輸性能，提高了接收器靈敏度和干擾消除能力，改進(jìn)了算法和電路。由于10GBASE-T采用了更高密度的10Gb解決方案，降低了10G帶寬下每端口的成本，支持已經(jīng)安裝的布線(xiàn)、即插即用的RJ-45接口和接插板。因此，隨著(zhù)10GBASE-T硅方案的出臺，一旦相關(guān)的系統級產(chǎn)品問(wèn)世，10GBASE-T將會(huì )大大降低10Gb網(wǎng)絡(luò )互連的成本?！?/P>