10GBASE-T

自從2002年批準10Gb以太網(wǎng)通信標準以來，業(yè)界總是預測“明年”將會最終推出10Gb以太網(wǎng)。然而，自誕生以來，10Gb以太網(wǎng)的發(fā)展就因為其無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。最初，業(yè)界曾認為10GBASE-T，即現(xiàn)在所謂的基于銅質電纜的10Gb以太網(wǎng)，在設計、研發(fā)和實現(xiàn)上難度太大，因此他們希望改變原有的基本結構、傳輸介質、成本結構和操作方式，使用光纖網(wǎng)絡重新組建數(shù)據(jù)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。原本預計光學模塊的價格將會下降，密度將會提高，但是這些預測都沒有實現(xiàn)。2002年末，IEEE 802.3工作組意識到需要展開進一步的研究工作，并啟動了兩項研究計劃。第一個計劃是稱為10GBASE-CX4的短期計劃，它基于屏蔽雙絞線和Infiniband電纜互連技術，在短期內(nèi)支持短距離的機架內(nèi)互連。第二個計劃是長期的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、成熟的結構線纜和RJ-45連接技術，并同時具有之前以太網(wǎng)實現(xiàn)方案的密度優(yōu)勢。當前，10Gb以太網(wǎng)光學收發(fā)器鏈路已經(jīng)在大型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)充當了IT設備的主機，如交換機、服務器和數(shù)據(jù)存儲平臺。但是，它們的數(shù)量規(guī)模還沒有達到之前人們的預期。光纖基礎結構的普及程度還不如銅質電纜，除了這一妨礙因素之外，光學收發(fā)器相對較慢的普及過程也是一個原因。根據(jù)第三方市場調(diào)查機構的統(tǒng)計結果，帶有10Gb光開關端口的收發(fā)器價格仍然相對比較昂貴，超過了2600美元。

10GBASE-T面臨著很多技術挑戰(zhàn)，本文將針對某些解決方案展開分析。10GBASE-T的市場前景依然看好?；阢~質電纜的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。

2006年6月，基于雙絞線銅質電纜的10Gb以太網(wǎng)IEEE 802.3an 10GBASE-T規(guī)范得以批準通過，該規(guī)范為網(wǎng)絡管理員和IT專業(yè)人員構建數(shù)據(jù)中心和企業(yè)網(wǎng)絡提供了兩個重要的特性。首先，它支持傳統(tǒng)的銅質電纜，新裝用戶能夠沿用原有的銅質電纜結構并支持RJ-45連接器和接插板。其次，10GBASE-T通過支持高密度的10G開關，實現(xiàn)了有史以來成本最低的10G互連解決方案。由于Solarflare和其他一些公司曾經(jīng)支持、參與和關注過該互連標準，因此PHY層芯片組在2007年初就問世了——為系統(tǒng)設計公司提供了構建具有10GBASE-T接口的以太網(wǎng)開關和NIC的相關技術，并將從2007年末開始面向最終用戶推出相關產(chǎn)品。

由于具有較低的成本和方便的即插即用特性，六類UTP銅質電纜仍然可以作為建筑物內(nèi)橫向布線和數(shù)據(jù)中心布線的備選介質。在6類鏈路中，該標準支持的傳輸距離為55米 。因10GBASE-T工作頻率在400MHz，超出標準六類雙絞線的250MHz設置，所以當用戶希望采用已安裝的六類線纜支持10GBase-T時，需用現(xiàn)場線纜測試儀選取TSB-155或ISO/IEC/TR24750進行信道測試和外部串擾測試，認證合格的信道就可以支持10GBase-T 。此外，綜合布線標準ISO/IEC 11801已推出超六類、七類、超七類等可以支持10GBASE-T到100 米的銅纜雙絞線傳輸介質 。

由于10GBASE-T的運行可以基于原來已安裝的或者新布設的UTP銅質電纜，因此它保持了即插即用的方便性以及UTP布線的低成本特點。10GBASE-T標準使得網(wǎng)絡管理員在將網(wǎng)絡擴展到10Gb的同時能夠沿用原來已布設的銅質電纜基礎結構，新裝用戶也可以利用銅質結構電纜的高性價比特點。

對于上述第二點，就像1G標準1000BASE-T一樣，隨著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廠商將會為廣大用戶提供具有更小外觀尺寸和更低功耗的產(chǎn)品。這兩個趨勢將有助于以太網(wǎng)開關廠商進一步提高端口密度，降低10Gb以太網(wǎng)的成本。而且，隨著10GBASE-T市場規(guī)模的增長，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)絡設備廠商大幅降低10Gb以太網(wǎng)互連的成本。

下一級網(wǎng)絡互連

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，相關的開關和NIC產(chǎn)品也即將問世，因此10GBASE-T已經(jīng)做好了大規(guī)模應用于數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級網(wǎng)絡的準備。10GBASE-T非常適合于數(shù)據(jù)中心、企業(yè)機構、1G開關集群和小型骨干網(wǎng)絡環(huán)境，它基于銅質電纜的互連方式將在實現(xiàn)10Gb網(wǎng)絡互連性能的同時，為用戶節(jié)省成本和投資。

通過轉向穩(wěn)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)議的會聚網(wǎng)絡(converged fabrics)以及存儲區(qū)域網(wǎng)絡;在同一個物理服務器上相互獨立運行，某些情況下采用異構操作系統(tǒng)的多臺虛擬機器構成的虛擬服務器。

從1Gbps到10Gbps

為了更清楚地說明10GBASE-T及其工作原理，本文將簡要回顧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類線，采用了基于網(wǎng)格編碼調(diào)制的多位雙向信號傳輸方式。收發(fā)器需要抵消掉每對線上的回波和近端串擾，以及抵消遠端串擾(不作強制規(guī)定)。為了將比特率再提高一個數(shù)量級，10GBASE-T在這些方面做了進一步改進，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(shù)(從5層增加到16層)。

為了實現(xiàn)這一目標，人們采用了具有最新技術水平的低密度奇偶校驗(LDPC)碼，并進一步改進了接收器靈敏度、回波與串擾消除技術。盡管對信號傳輸、接收器靈敏度和干擾消除技術的改進措施使得10GBASE-T的實現(xiàn)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的相關算法和電路技術。

板級設計者面臨的問題

幸運的是，10GBASE-T中大部分復雜的技術問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(xiàn)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。這些均衡的自定時接口支持從MAC層到PHY層實現(xiàn)簡潔的板級轉換，不要求設備之間具有緊密的間隔。在設備的線路端，10GBASE-T產(chǎn)品將在混合電路與磁排列方案中采用廠商特有的PHY設計，這與1000BASE-T和之前基于雙絞線的以太網(wǎng)解決方案是類似的。

通過使用與基于雙絞線傳輸相同的信號傳輸與均衡技術，這些模擬接口所需的帶寬將保持在400MHz。但是，和1000BASE-T一樣，OEM廠商必須及時關注并指導其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(shù)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的類似接口。這種接口要求在10GBASE-T芯片組中各個芯片要相互靠近，為此廠商需要提供一些參考設計材料。

開發(fā)10GBASE-T的技術挑戰(zhàn)

在最初制訂10Gb以太網(wǎng)標準時，很多專業(yè)人士都認為基于非屏蔽雙絞線銅質電纜實現(xiàn)10Gb速率是不可能的，這是因為減少降低基于UTP布線的通信信道性能所涉及的大量元件面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這可能會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)，這些損害來源于線纜有限的帶寬和本身的實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，例如外來串擾(來源于其他線纜的串擾)，也會降低接收信號的信噪比(即SNR)。

各種有線以太網(wǎng)系統(tǒng)都面臨著信道損耗帶來的挑戰(zhàn)。介入損耗能夠衡量一定長度的線纜上信號損耗與信號頻率之間的關系。隨著頻率的增大，接收到的信號將會變得越來越弱，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個量級。除了需要對10Gbps的信號進行編碼，使其適合每對帶寬為400MHz的4對傳輸線之外，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——也迫切需要進行高效的信號均衡處理。

10GBASE-T系統(tǒng)通過采用Tomlinson-Harashima預編碼(簡稱THP)技術實現(xiàn)了這一目標，而且沒有傳輸誤差并且避免了性能損失。雖然與判定反饋均衡(DFE)技術類似，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?shù)姆柺且阎?。

盡管使用了THP技術，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(shù)據(jù)信道仍然出現(xiàn)大量的符號間干擾(ISI)現(xiàn)象。根據(jù)之前的1000BASE-T以太網(wǎng)和DSL技術，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影響系統(tǒng)的魯棒性，因此，在評估PHY時不僅要測試PHY能夠運行的最長鏈路，而且需要測試大量中等長度的鏈路和配置的轉接線路。要想實現(xiàn)符合10GBASE-T信號傳輸要求的穩(wěn)定均衡器，需要一定的實驗室測試經(jīng)驗。這種均衡器僅僅是10GBASE-T設計者面臨的諸多挑戰(zhàn)的開始。

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(zhàn)。由于近端串擾的傳播方式與回波是類似的，因此減少這兩種現(xiàn)象對于設計者而言也是類似的。之前，線纜廠商總是想方設法降級相鄰線纜對之間的NEXT，認為NEXT是限制線纜帶寬的一種不可消除的妨礙因素。從1000BASE-T開始直到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個數(shù)量級。

這實際上意味著，除了線纜連接器和接口之外，還必須消除掉傳輸信號在雙絞線內(nèi)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來回路徑上都布滿tap。這些tap必須不斷適應信道的變化，以滿足線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以及最新的自適應技術，從而將這些自適應濾波器的信號處理需求降低一個數(shù)量級。

消除回波和NEXT是實現(xiàn)10GBASE-T所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。在1000BASE-T方案中所使用的FIR技術如果直接在10GBASE-T中實現(xiàn)，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產(chǎn)生很高的功耗。

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單技術，例如連續(xù)時間模擬濾波器或者IIR數(shù)字濾波器，無法實現(xiàn)在各種布線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(shù)字方法需要10位以上的ADC。

為了同時發(fā)揮高精度DSP處理和高效模擬處理技術的優(yōu)勢，Solarflare的解決方案同時采用了模擬和數(shù)字信號處理技術。為了執(zhí)行必要的計算(對于直接實現(xiàn)方法，這一計算量將超過每秒10Tops)，必須采用大規(guī)模并行計算方法來實現(xiàn)這些濾波器，通過執(zhí)行大量的重用計算實現(xiàn)快速的算法逼近。Solarflare針對這一問題申請了專利技術，通過實現(xiàn)幾百個tap長的消除器，以及在所有16個回波和NEXT消除通路之間共享計算，實現(xiàn)了穩(wěn)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，有效實現(xiàn)了不到9個等效位(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(tǒng)響應線纜擾動的能力是非常重要的。誤碼可能出現(xiàn)在電纜彎曲的瞬間，但是系統(tǒng)應該在調(diào)整到新的回波與NEXT環(huán)境之后恢復過來。

最后一種線纜內(nèi)損傷是FEXT。FEXT是在10Gb以太網(wǎng)鏈路的遠端從相鄰發(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一樣被認為是無法消除的。1000BASE-T 本來不需要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，F(xiàn)EXT干擾會產(chǎn)生明顯的SNR損耗，這將會妨礙中等長度距離以及長距離下的10GBASE-T傳輸。

網(wǎng)絡控制器 集成雙千兆以太網(wǎng)控制器

可選添加式網(wǎng)卡： 雙端口10 GB增強型英特爾以太網(wǎng)服務器適配器X520-DA2（支持FcoE以供未來使用）

Intel PRO/1000 PT 雙端口服務器適配器，千兆，銅線，PCI-E x4

Intel PRO/1000 VT 四端口服務器適配器，千兆，銅線，PCI-E x8

Intel 10GBase-T 銅線單端口網(wǎng)卡，PCI-E x8

Intel 單端口服務器適配器，萬兆，SR Optical，PCI-E x8

英特爾? 千兆位ET雙端口服務器適配器

英特爾? 千兆位ET四端口服務器適配器

Broadcom 10 GbE NIC、Broadcom雙端口10 GbE SFP

Broadcom? BMC57710 10Base-T 銅線單端口網(wǎng)卡，PCI-E x8

Broadcom? BMC5709C IPV6 千兆銅線雙端口網(wǎng)卡，具有 TOE 和 iSCSI 卸載，PCI-E x4

Broadcom? BMC5709C IPV6 千兆銅線雙端口網(wǎng)卡，具有 TOE，PCI-E x4

Broadcom? NetXtreme II? 57711雙端口直接連接10 GB以太網(wǎng)PCI-Express網(wǎng)卡（支持TOE和iSCSI卸載）

可選添加式 HBA： Qlogic? QLE 2462 FC4 雙端口 4 Gbps 光纖通道 HBA

Qlogic? QLE 2460 FC4 單端口 4 Gbps 光纖通道 HBA

Qlogic? QLE2562 FC8 雙通道 HBA，PCI-E Gen 2 x4

Qlogic? QLE2560 FC8單通道HBA，PCI-E Gen 2 x4

Emulex? LPe-1150 FC4 單端口 4 Gbps 光纖通道 HBA，PCI-E x4

Emulex? LPe-11002 FC4 雙端口 4 Gbps 光纖通道 HBA，PCI-E x4

Emulex? LPe-12000 FC8 單端口 4 Gbps 光纖通道 HBA，PCI-E Gen 2 x4

Emulex? LPe-12002 FC8 雙端口 4 Gbps 光纖通道 HBA，PCI-E Gen 2 x4