10G以太网光接口及其实现

2002年6月，IEEE通过了10 Gb/s速率的以太网标准——IEEE 802.3ae[1]。至此为止，以太网的发展已经历了4个阶段，即以太网、快速以太网、千兆以太网和10G以太网(10GE)阶段。10G以太网作为传统以太网技术的一次较大的升级，在原有的千兆以太网的基础上将传输速率提高了10倍，传输距离也大大增加，摆脱了传统以太网只能应用于局域网范围的限制，使以太网延伸到了城域网和广域网。10G以太网的优点在于保留了IEEE 802.3以太网媒体访问控制(MAC)协议，保持以太网的帧格式不变。10G以太网主要有以下特点：只工作在全双工模式；增加了广域网接口子层(WIS)，可实现与SDH的无缝连接。10G以太网技术适用于各种网络结构，可以降低网络的复杂性，能够简单、经济地构建各种速率的网络，满足骨干网大容量传输的需求，解决了城域传输的“瓶颈”问题。由于局域网、城域网、广域网采用同一种核心技术，避免了协议转换，实现了无缝连接，因此10G以太网是实现未来端到端光以太网的基础。

1 10G以太网光接口
　　10G以太网标准中关于物理接口有3种类型：
　　(1)IEEE 802.3ae，定义了在光纤上传输10G以太网的标准，传输距离从300 m到40 km。
　　(2)IEEE 802.3ak，定义了在对称铜缆上运行10G以太网的标准，传输距离小于15 m，适用于数据中心内部服务器之间的连接应用。
　　(3)IEEE 802.3an，定义了基于双绞线作为媒质的10G以太网标准，希望传输距离至少达到100 m，目前该标准正在制订中。

　　3种类型中，基于IEEE 802.3ae标准定义的10G以太网光接口，可以根据光纤类型、传输距离等进一步细分为7种类型，如表1所示。

　　在表1所示接口类型中，10GBASE-LX4使用了粗波分复用(CWDM)技术，把12.5 Gb/s的数据流分成4路3.125 Gb/s的数据流在光纤中传播，由于采用了8B/10B编码，因此有效数据流量是10 Gb/s。这种接口类型的优点是应用场合比较灵活，既可以使用多模光纤，应用于传输距离短对价格敏感的场合，也可以使用单模光纤，支持较长传输距离的应用。

　　10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理编码子层(PCS)使用了效率较高的64B/66B编码，在线路上传输的速率是10.3 Gb/s。

　　10GBASE-SR使用850 nm的激光器，在多模光纤上的传输距离是300 m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分别使用1 310 nm和1 550 nm的激光器，在单模光纤上的传输距离分别是10 km和40 km，适用于城域范围内的传输，是目前的主流应用。

　　10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是应用于广域网的接口类型，其传输速率和OC-192 SDH相同，物理层使用了64B/66B的编码，通过WIS把以太网帧封装到SDH的帧结构中去，并做了速率匹配，以便实现和SDH的无缝连接。

2 10G光模块

　　由于光收发模块集成化程度越来越高，因此10G以太网光接口的功能完全可以由一个光模块来实现。10G光模块主要包括光/电转换、时钟提取和同步、复用/解复用、64B/66B编解码、WIS、8B/10B编解码等子功能模块。

　　据LIGHT READING杂志的研究报告[2]显示，10G光模块将是未来几年最具市场潜力的光器件。现在应用比较广泛的10G光模块有以下几种：300pin、Xenpak[3]、Xpak、X2和XFP[4]。其中300pin属于第一代模块，主要应用于SDH，把电接口改成10G以太网16位接口(XSBI)后也可应用于10G以太网；Xenpak是针对10G 以太网推出的第一代光模块，采用IEEE 802.3ae标准中的10G附加单元接口(XAUI)作为数据通路；Xpak和X2是Xenpak光模块的直接改进版，体积缩小了40%左右；XFP是一种外形紧凑、价格低廉的光模块，有点类似于千兆以太网的小型化可拔插光模块(SFP)。由于300pin光模块在10G以太网中应用较少，因此下面重点介绍Xenpak、Xpak、X2和XFP这4种光模块。

2.1 Xenpak光模块

　　Xenpak光模块的功能框图如图1所示，分别对应IEEE 802.3ae标准中的10G媒体无关接口扩展子层(XGXS)、PCS、物理媒体附加子层(PMA)和物理媒体相关子层(PMD)的功能。

　　Xenpak光模块通过70pin的SFP连接器与电路板连接，其数据通道是XAUI接口；Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定义的光接口，在线路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。

　　Xenpak光模块封装在一个4.8×1.4×0.7立方英寸的空间内，内置1 310 nm的半导体分布反馈(DFB)激光器，采用直接调制方式，无内嵌温度控制装置。Xenpak在G.652的单模光纤上传输距离可以达到10 km，适合于城域范围的应用，是目前10G以太网端口的主流产品。除光电部分外，复用/解复用模块(MUX/DEMUX)是Xenpak内部的另一个重要的功能部件，Xenpak 50%以上的功耗是由复用/解复用模块消耗的，因此Xenpak光模块体积较大，功耗也较大。

　　Xenpak光模块的应用比较简单，只用一个光模块即可实现10G以太网光接口的功能。其电路设计的难点在于高速数据接口XAUI的设计，XAUI接口包括8对速率为3.125 Gb/s，串行，内含时钟的差分线。XAUI接口的性能直接影响到系统的转发性能。

2.2 Xpak和X2光模块
　　Xpak和X2光模块都是从Xenpak标准演进而来的，其内部功能模块与Xenpak基本相同，在电路板上的应用也相同，都是使用一个模块即可实现10G以太网光接口的功能。由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上开槽，实现较复杂，无法实现高密度应用。而Xpak和X2光模块经过改进后体积只有Xenpak的一半左右，可以直接放到电路板上，因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用。

　　Xpak和X2光模块可以提供两种电路接口：XAUI和串行成帧器接口(SFI-4)，即可以用于10G以太网，也可用于OC-192 SDH和10GFC。可以说Xpak和X2是非常相近的标准，X2相比Xpak的改动主要反映在导轨系统上，业界人士普遍认为两种规格会最终融合到一起。

2.3 XFP光模块
　　与Xenpak阵营分庭抗礼的领衔厂商是美国Finisar公司，它联合了大约10个公司，包括系统集成商Brocade、Emulex、ONCiena，光模块提供商Finisar、JDSU、Sumitomo Electric、Tyco Electronics和芯片制造商Broadcom、Maxim、Velio等，在2002年3月成立了XFP多源协议组织(MSA)。与其他几种光模块相比，XFP是外形最紧凑成本是最低廉的光模块，因此具有很大的优势。XFP已被认为是继Xpak或X2后的新一代产品，目前已经有很多厂商都发布了自己的XFP光模块产品。

　　XFP的功能框图如图2所示，与其他几种光模块相比，XFP是光收发器(Transceiver)不是光收发模块(Transponder)。光收发器实际上只是一个光电转换器件，只负责完成光/电信号的转换，其他功能如复用/解复用、64B/66B编解码等由电路板上的芯片实现。XFP光模块可轻松实现高端口密度的应用，由于XFP占用印刷电路板(PCB)的面积只有Xenpak的20%，功耗只有1.5～2 W，因此可用于实现最多16端口的线卡。

 

　　XFP与电路板的接口采用10G串行电路接口(XFI)。现在已经有厂家提供XSBI-to-XFI和XAUI-to-XFI的芯片，XGMII-to-XFI的芯片也有厂家在开发中。图3所示是分别使用Xenpak和XFP实现10G以太网接口的对比，从图中可以看出，与Xenpak相比，XFP虽然要和物理层(PHY)芯片配合使用，但仍然节省了中间的XGXS和XAUI接口部分(图3中深色阴影部分)，使得费用降低。

 

　　因为XFP只是一个光收发器，所以与协议实现无关，可以普遍适用于10G以太网、10GFC和OC-192 SDH，应用的普遍性有利于设备制造商提高采购量，从而达到降低成本的目的。此外，XFP提供一个两线的串行接口，可以实现数据诊断功能，实时地监控光模块的各种参数，如温度、激光器偏置电流、发送光功率、接收光功率、工作电压等。

3 4种光模块优缺点对比

　　光模块可按其内部结构和功能分成两类：Xenpak、Xpak和X2是光收发模块类，XFP是光收发器类。这两类光模块体现了两种不同的设计思路，两者各有优缺点：光收发模块的优点是集成度高，电路设计实现简单，电路设计工程师可以将主要精力放在系统设计上，不必为器件在电路上的实现花费太多的精力；缺点是功耗大、体积大，限制了在PCB板上安装光模块的数目，不能满足现在数据产品对端口密度的要求。光收发器的优点是体积小、价格便宜，易于实现高端口密度的应用；缺点是对电路设计要求较高，要在普通电路板上实现10 Gb/s速率、12英寸传输距离的XFI接口。此外，XFP光模块要求能够同时支持低价位短距离和高性能长距离的应用(从600 m到40 km)。

　　目前来看，由于Xenpak光模块推向市场最早，技术成熟度较高，提供XAUI接口的芯片也较多，因此应用比较广泛。而Xpak、X2虽然在体积上仅有Xenpak的一半，但成本也比Xenpak光模块高，只能作为一种过渡性的产品出现。由于XFP光模块的出现和技术的飞速发展，很多厂商都已放弃Xpak、X2光模块的开发，直接转向XFP光模块。从目前各光模块厂商的出货情况来看，Xenpak的出货量仍然很大，Xpak、X2应用较少，而XFP的增长则非常迅速。

4 10G以太网交换机的实现

　　2002年9月，中兴通讯独家承担了国家十五“863”计划项目“基于10 Gb/s城域以太网试验系统的开发”，并在国内首家推出了符合IEEE 802.3ae标准的10G以太网交换机ZXR10-6610。ZXR10-6610基于10G平台实现，转发容量达到120 Mp/s，提供10G以太网、1 000/100M以太网、10G RPR、OC-192/OC48 POS等多种业务类型接入，具备高可靠性、平滑的升级能力和良好的QoS性能，支持多协议标签交换(MPLS)、虚拟专用网(VPN)、网络地址转换(NAT)、策略路由等多种应用。

　　 在ZXR10-6610中，10G以太网转发板是整个系统的关键部件。为保证10G端口的线速性能，转发板采用10G网络处理器实现，功能框图如图4所示。

 

图4中，10G网络处理器和10G以太网光接口是完成高速数据转发的核心部件。系统采用了第二代10G网络处理器，单芯片具备全双工10 Gb/s的数据处理能力，既可以提供像专用集成电路芯片(ASIC)一样的处理速度，又具有通用处理器的智能性和灵活性。考虑到技术成熟度，10GE光接口采用了符合10GBASE-LR标准的Xenpak光模块来实现。Xenpak光模块的应用比较简单，其外围接口包括：用户光纤连接器(SC)、XAUI接口、管理数据输入输出接口、电源等。10GE光接口部分的设计难点在于XAUI接口的设计，由于其性能直接影响到系统的转发性能，因此是设计中必须要解决的关键技术。

　　ZXR10 6610在XAUI接口设计上采取了以下措施：

　　(1)为降低线路噪声干扰，在本系统中发送方向(网络处理器到光接口)的串行线采用电源作为参考平面，接收方向(光接口到网络处理器)的串行线采用地作为参考平面，有效地提高了接口性能。

　　(2)严格控制高速差分线的传输阻抗，要求单端阻抗控制为50 Ω，差分阻抗为100 Ω。

　　(3)保证差分对内的信号线布线长度一致，要求控制在2 mil以内；各差分线对之间的距离要尽可能远，尤其是不同端口的差分对之间的距离要求大于200 mil。

　　(4)避免高速信号线在不连续的平面上布线，这样会导致阻抗不匹配，引起信号反射，造成电磁干扰(EMI)。

　　对10G以太网端口的转发性能的测试表明：中兴通讯10G以太网交换机ZXR10-6610对最短包(64字节)的转发吞吐率达到了100%，线速情况下的延迟与延迟抖动非常小，系统实现了板间的10 Gb/s线速转发，标志着ZXR10-6610的性能指标处于国际同类产品领先水平。