详细解读万兆网（10G以太网）技术原理

一、概述

1.1释义

10 Giga bit Ethernet，缩写为10GE、10GbE，俗称万兆网，是一种以太网的传输标准，最初在2002年通过，成为IEEE Std 802.3ae-2002，它规范了以10Gbit/s的速率来传输的以太网。

1.2分类

10G以太网的物理层包括10GBASE-T、10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。

1.2.1 10GBASE-T

10GBASE-T（IEEE 802.3an）通过非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线电缆，CAT-6的传输距离可达55米（180英尺），而CAT-6A则可达到100米（330英尺）。10GBASE-T采用在各种以太网中广泛使用的RJ45接口。根据传输的特性，传输时频率需要达到500MHz，IEEE 802.3an标准规定了用于10GBASE-T的PAM-16编码。在IEEE Std802.3ae-2002的标准中并没有10GBASE-T，因为他是在2006的标准中发布的，其标准是IEEE 802.3an-2006。

1.2.2 10GBASE-X

10GBASE-X使用一种特紧凑包装，含有1个较简单的WDM器件、4个接收器和4个在1300nm波长附近以大约25nm为间隔工作的激光器，每一对发送器/接收器在3.125Gbit/s速度（数据流速度为2.5Gbit/s）下工作。

1.2.3 10GBASE-R

10GBASE-R是一种使用64B/66B编码（不是在千兆以太网中所用的8B/10B）的串行接口，支持在光介质上传输。数据流为10.000Gbit/s，因而产生的时钟速率为10.3Gbit/s。

1.2.4 10GBASE-W

10GBASE-W是广域网接口，与SONET OC-192兼容，其时钟为9.953Gbit/s，数据流为9.585Gbit/s。

1.3发展

以太网的技术演进主要是以速度不断提升为标志的，从最初的1M、10M提升到10G甚至上百G，下图给出了以双绞线为传输介质以太网的速度提升和线束变化。

二、原理

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沿用1000Base-T的传输方式，仍然采用四个差分对同时双向传输，全双工，但传输的总速率高达10Gbps，每对线的速率高达2.5Gbps。在编码方面，不是采用原来1000Base-T的PAM-5，而是采用了PAM-16编码方式。

在前面介绍的四种物理层技术里面，现在10GBASE-R和10GBASE-T是应用的比较多的，10GBASE-R用于光模块的接口，10GBASE-T则是电口，使用RJ45和双绞线进行信号传输。

2.1结构

下图是从IEEE 802.3an-2006截取的，可以看出不同的物理层标准之间的差异。

物理层即PHY，分层为多个子层，主要完成数据编码校验和转换成模拟信号的功能。

XGMII，10G媒体独立接口（这里的“X”在罗马数字中表示10）用来使10G以太网下面不同的几个物理层对上面的MAC子层透明。其实和百兆网里面的RMII接口是一样的性质，只是传输的数据高达10Gbps，但是现在多用XAUI来代替。

PCS，物理编码子层，用来对数据进行编码（在发送数据时）和解码（当接收数据时）。

PMA，物理媒体连接子层，向PCS子层提供与媒体无关的方法，以支持使用面向串行比特的物理媒体。

PMD，物理媒体相关子层，定义物理层信令和媒体相关接口（MDI），以及所支持的媒体类型。需要指出的是，PMD子层是光信号子层，其主要功能是进行光信号的发送和接收，而PMD以上的各层都是使用电信号。

WIS，广域网接口子层，仅在广域网物理层中使用，它处在PCS子层和PMA子层之间。广域网接口子层的作用就是进行SONET/SDH组帧。

AN，自动协商子层（AUTO-NEGOTIATIONSUBLAYER），允许两端的PHY通告其功能（速度，PHY类型，半双工或全双工）并自动选择操作模式以在链路上进行通信，仅在10GBASE-T中使用。

MDI，媒体相关接口，用来将PMD子层和物理层的线缆连接。

10GBASE-T的结构包含PCS、PMA和NA三层，有MII和MDI两个接口。其PCS层前多了一个LDPC，这个是低密度奇偶校验功能（low density parity check）。

2.2媒体独立接口

媒体独立接口是媒体访问控制（MAC）子层和物理层（PHY）之间的接口。XGMII是一种简单、廉价且易于实现的互连接口。我们也可以选择使用10千兆位连接单元接口（XAUI）来以减少的引脚数来扩展XGMII的操作距离。当然，由于XGMII的线数太多，并且距离较短，现在基本都是使用XAUI。

XAUI和XGMII之间既是替代关系，也可是扩展关系，这里先给出XGMII XAUI的图。

2.2.1 XGMII接口

XGMII接口的单端信号采用HSTL/SSTL_2逻辑，端口电压1.5V/2.5V，由于SSTL_2的端口电压高，功耗大，现在已很少使用。XGMII的通信线分为数据线、控制线和时钟线，收发对称，数据32根，控制线4根，时钟线一根。

TXD[31：0]，发送信号线。

RXD[31：0]，接收信号线。

TXC[3：0]，发送通道控制信号，TXC=0时，表示TXD上传输的是数据。TXC=1时，表示TXD上传输的是控制字符。

RXC[3：0]，接收通道控制信号，RXC=0时，表示RXD上传输的是数据。RXC=1时，表示RXD上传输的是控制字符。

TX_CLK，TXD和TXC的参考时钟，时钟频率156.25MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿都采样数据。

RX_CLK，RXD和RXC的参考时钟，时钟频率156.25MHz，在时钟信号的上升沿和下降沿都采样数据。

156.25MHz×2×32=10Gbps。

XGMII的收或者发的32根信号线被分成了4个lane，每个lane有一个控制信号，他们的对应关系如下图所示。

2.2.2 XAUI接口

XAUI借用了以太网“附加单元接口”的简称AUI（Attachment Unit Interface），首字母“X”代表罗马数字10，代表传输速率是每秒10G比特。和XGMII接口相比，XAUI接口大大简化。XAUI接口只有16条信号线，其中4对balanced差分线用于数据接收，4对balanced差分线用于数据发送，XAUI接口是自带时钟的串行总线。差分对使用CML逻辑，AC耦合方式，耦合电容在10nF~100nF之间。每对差分线上的数据速率为3.125Gbps，总数据带宽为12.5Gbps，有效带宽为12.5Gbps×0.8=10Gbps（因为XAUI总线数据在传输前进行了8b/10b变换）。

下面这张图是XAUI接口发送端的规格。

这里只规定了差分信号的幅度最大是1600mVpp，Marvell的88X3310里面使用的typical值是1000mVpp，最大值是1200mVpp，接收端允许的最大输入时1600mVpp，如下图所示。

差分对的阻抗要求是在2.5GHz测试条件下100欧姆±5%。相比于XGMII信号线数量大大减少，差分信号具备更强的抗干扰能力，从而简化了电路的走线设计。FR4 PCB板上，XAUI接口的走线长度可达50cm，而XGMII接口的走线长度只有7cm。XAUI接口的走线比较长，大大方便了PCB板的设计，背板走线成为可能。正如此原因，一般MAC芯片不提供XGMII接口给用户使用。但是，在芯片内部XGMII依旧作为标准接口使用。在MAC芯片内部，集成了XGXS（XGMII ExtenderSublayer）子层，用来实现XGMII接口和XAUI接口之间的双向映射，这就是前面那张图所展示的。

在XGAMII互转的过程是这样的，源端XGMII把收发32位宽度数据流分为4个独立的lane通道，每个lane通道对应一个字节，经XGXS（XGMII Extender Sublayer）完成8b/10b编码后，将4个lane分别对应XAUI的4个独立通道，XAUI端口速率为2.5Gbps×1.25×4＝12.5Gbps。在发送端的XGXS模块中，将TXD[31：0]/RXD[31：0]，TXC[3：0]/RXC[3：0]，TX_CLK/RX_CLK转换成串行数据从TXLane[3：0]/RXLane[3：0]中发出去，在接收端的XGXS模块中，串行数据被转换成并行，并且进行时钟恢复和补偿，完成时钟去抖，经过5b/4b解码后，重新聚合成XGMII。

XAUI接口有如下一系列的变种，RXAUI、XLAUI（40Gb）、CAUI（100Gb）等。

XAUI接口可以直接接光模块，如XENPAK/X2等。也可以转换成一路10G信号XFI，接XFP/SFP+等。

2.2.3 MDIO接口

补充说明一下MDIO需要使用一个电阻进行上拉。

2.3编码技术

PCS层是物理编码子层，用来对MAC层通过XGMII或者XAUI发送来的数据进行编码以便通过MDI传输，当然也同样承担着解码任务。编码完成的任务是保证高速的数据能正常通过线缆进行传输。10GBASE-T需要每对双绞线上传输速率高达2.5Gbps的数据，这是极其有挑战的，而编码技术在这里面就起到至关重要的作用。

在车载以太网中也面临着高速传输抗干扰的问题，那里使用PMA3技术。在1000Base-T中使用的PAM5（5级脉冲调幅技术）调制技术。在PAM5模式下，介质中传输的信号不再是简单的0和1，而是分成了5个级别（-2、-1、0、1、2）。这个分为5个级别的电平信号称之为码元，1个码元所能携带的多少个bit的信息取决于码元的特性和编码的方式。比如PAM5，每个PAM5码元最多携带2.32个bit（2^2.32=5），考虑到编码的效率及需要纠错码和同步码，所以最终1000Base-T每个码元携带2个bit的信息。根据奈氏准则，理想低通信道下的最高码元传输速率＝2×带宽，我们知道1000Base-T的码元速率为125M/秒，所以要求至少有62.5MHz的传输带宽。

如果沿用1000Base-T的技术，那10GBase-T的码元传输速率为1250M/秒，系统最小传输带宽为625MHz。这对传输系统的性能提出了很高的要求。但如果提高码元的性能，让一个码元携带更多的Bit，降低系统最小带宽，就需要强大的处理器进行编解码处理，那意味着成本的增加，这是一对矛盾。最后经过性能和成本的平衡，10GBase-T使用了PAM16技术（16级脉冲调幅，采用-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15），PAM16调制下，脉冲电压幅度分为16级电平，这样每个电压幅度可以表示4个bit的信息，其中3.125bit是有效数据，另外的0.875位用于辅助和校验等。当然，3.125和0.875都是平均值，800M每秒的码元速率，最小带宽要求400Mhz。

为了让PAM16能够安全的传输10Gbps（BER=10^12），就需要设置一定的编码规则。为了能够提高BER，还要加入校验码进行前向纠错，10GBase-T采用的LDPC码（低密度奇偶校验码）是一种线性分组码，具有优越的纠错性能和巨大的实用价值，被认为是迄今为止性能最好的纠错码。LDPC码的性能能够逼近香农极限，同时这种逼近又是在不太高的译码复杂度下实现的，硬件实现简单，同样兼顾性能和成本。

在10GBase-T编码过程中。每64个bit信息，加上控制/数据的标志位组成一个65bit的块（block），50个块编成一个组（Group），每个组加上8bit CRC校验码。一共生成65×50+8=3258个bit，再附加上一个通道附加码一共是3259个bit。3259个bit分成2个部分，3×512bit（含通道附加码）通过无保护方式传输，另外1723bit再加上325个校验码，通过LDPC（1723、2048）保护方式传输，这样共需要512个128DSQ编码（3×512+4×512），也就是1024个PAM16符号。最终相当于每个PAM16携带3.125个bit信息（64×50/1024=3.125），传输速率=3.125×800M×4=10Gbps。10G以太网PHY芯片的内部框图如下所示。

2.4MDI接口

10GBASE-T使用的是RJ45和CAT-6以上规格的线缆进行传输，里面有四对双绞线线进行全双工通信。线序定义如下图所示。

下图为某款芯片MDI接口差分对的spec。

下图给出了不同规格的网线能达到的传输距离以及其对应的标准。

三、扩展

3.1命名规则

 

 

10G以太网采多种光纤媒介。光纤媒介的型号具体表示方法为10GBASE-[媒介类型][编码方案][波长数]，或更加具体10GBASE-[E/L/S][R/W/X][4]。在媒介类型中S为短波长（850nm），用于多模光纤在短距离（约为35m）传送数据。L为长波长（1310nm），用于在校园网的建筑物之间或大厦的楼层间进行数据传输，当使用单模光纤时可支持10km的传输距离，而在使用多模光纤时，传输距离为300m。E为特长波长（1550nm），用于广域网或城域网中的数据传送，当使用1550nm波长的单模光纤时，传输距离可达40km。

在编码方案中，X为局域网物理层中的8B/1OB编码，R为局域网物理层中的64B/66B编码，W为广域网物理层中的64B/66B编码（简化的SONET/SDH封装）。最后的波长数可以为4，使用的是宽波分复用（WWDM）。在进行短距离传输时，WWDM要比密集波分复用（DWDM）便宜得多。如果不使用波分复用，则波长数就是1，并且可将其省略。

3.2IEEE802.3ae端口类型

审核编辑：黄飞