Технология Ethernet 10 ГБит/с (base -r, -w, -x, -r/w)

By | 23.12.2015

Технология Ethernet 10 ГБТехнология Ethernet получила наиболее широкое распро­странение из всех существующих технологий ЛС. Она монстрировала быстрый рост скорости передачи: 10 и 100 Мбит/с, затем 1 и 10 Гбит/с, а теперь осваивает 100 Гбит/с. Важным в ее развитии был переход на дуплексный вариант работы и выход на среду ОВ благодаря взаимо­действию с глобальными сетями (ГлС) WDM и SDH новой генерации. Для читателей ТСС автор представил две ста­тьи, где кратко рассмотрены особенности 10- и 100-гигабитного Ethernet. В декабре 2008 г. IEEE представил новую версию стандарта IEEE 802.3, которая включала версию 2005 г., а значит и 2002 г. и всех после­дующих дополнений. Это ги­гантский документ, состоящий из 5 секций, одно оглавление которого занимает 72 стра­ницы. Он содержит оконча­тельную редакцию 10-гигабитной версии Ethernet (XGE или 10GE).

10СЕ (или 10GbE, l0GigE) -это развитие гигабитного Ethernet (GE), скорость которо­го увеличена еще в 10 раз при полном отказе (в отличие от GE) от поддержки полудуп­лексного режима Ethernet. При этом была сделана попытка сохранить ряд особенностей базовой технологии Ethernet.

Так, в разделе 4.4.2 приведе­на сравнительная таблица до­пустимых реализаций техноло­гии Ethernet (см.табл. 1). При­веденные в ней параметры да­ют ответы на вопросы об осо­бенностях реализации 10GE.

Основные особенности Ethernet 10 ГБит/с

В стандарте (раздел 4.4.2) сделан ряд замечаний. Из них для нас важны следующие:

  • термин LAN используется как синоним любых сетей (а не только LAN и MAN), ра­ботающих с протоколом Eth­ernet 802.3 для передачи дан­ных (то есть поддерживаются и сети WAN);
  • для 10GE минимальное зна­чение интервала между паке­тами может быть уменьшено до 40 ВТ (при измерении на интерфейсе XGMII, DTE) или 47 ВТ (на интерфейсе AUI, DTE) при наличии перемен­ной сетевой задержки;
  • при адаптации номинальной скорости 10GE к скорости

SONET/SDH   для WAN-совместимых приложений может быть использовано большее межкадровое рас­стояние   (IFS   — Inter-frame)

Таблица 1. Сравнительные параметры различных реализаций Ethernet

Параметры E/FE GE 10GE
Скорость, Мбит/с 10/100 1000 10 000
Тайм-слот обработки коллизии, ВТ (БИ)» 512 4096 н.П.
IFG (межкадровый интервал. МКИ). бит 96 96 96
IF6 (МКИ). не 9600/960 96 9.6
Число попыток захвата среды 16 16 Н.П.
Число откатов (применений алгоритма Backoff) 10 10 Н.П.
Длина сообщения о коллизии, бит 32 32 Н.П.
Максимальная длина кадра, байт 1518 1518 1518
Минимальный размер кадра, бит/байт 512/64 4096/512 512/64
Длина пакета монопольного режима передачи, бит н.л. 65 536 Н.П.
Относительное расширение пробела IFS. бит Н.П. Н.П. 104

‘ВI (БИ) — битовый интервал; н.п. — неприменимо Spacing), при этом относи­тельное расширение пробела (104 бит) позволяет адапти­ровать среднюю скорость МАС-подуровня к скорости SONET/SDH STS-192/STM-64 (то есть допустима инкап­суляция пакетов Ethernet в виртуальные контейнеры 10-гигабитного конкатениро­ванного уровня указанных иерархий).

Новые интерфейсы и мо­дель физического уровняТехнология Ethernet 10 ГБит/с (base -r, -w, -x, -r/w)

В стандарте, кроме извест­ных интерфейсов, используе­мых ранее в архитектуре физи­ческого уровня, таких как AUI, MDI, МП, GMII и TBI, описа­ны и три новых 10-гигабитных интерфейса:

  • XGMII — 10-гигабитный ин­терфейс, не зависящий от среды передачи, с подуров­нем его расширения XGXS. Интерфейс не обязательный, но рекомендуемый, так как допускает максимальную гибкость в использовании физических подуровней и интерфейса со стороны DTEна скорости 10 Гбит/с; ин­терфейс рассчитан для рабо­ты на уровне ИС-ИС и не требует физического разъема;
  • ХAUI — 10-гигабитный ин­терфейс блоков подключения для увеличения длины со­единения между 10 Гбттт/с МАС-подуровнем и 10 Гбит/с физическим уровнем; как и XGMII, он не обязателен, но рекомендуем, используется на уровне ИС-ИС и также не требует физического разъема;
  • XSBI — 10-гигабитный 16-разрядный интерфейс; пред­ставляет собой физическую реализацию сервисного ин­терфейса РМА для физиче­ского уровня спецификаций 10GBase-R и 10GBase-W. Схема использования 10-гигабитных интерфейсов и структура модели физического уровня для трех основных вер­сий 10GE: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W — при­ведена на рис. 1. Первая версия (X) использует формат коди­рования 8В/10В, как и GE, то­гда как две другие (R и W) — формат 64В/66В.

Новый стандарт 802.3 опре­деляет интерфейсы для побит­ной, побайтной и покадровой передачи, однако в его рамках можно выбрать и другие фор­маты передаваемых данных с учетом следующих ограниче­ний:

  • интерфейс XGMII использует формат с шириной потока данных (на прием н переда­чу) 4 байта (раздел 46 [1]);
  • интерфейс управляющих данных (MDIO/MDC) ис­пользует одноразрядный формат передачи (раздел 45);
  • сервисный интерфейс РМА использует 16-разрядный формат передачи (раздел 5.1);
  • интерфейс MDI использует побитную последовательную передачу с волновым муль­типлексированием (WDM) четырех несущих длин волн для 10GBase-LX4 (раздел 53) или передачу, описанную в разделе 52 для других типов PMD.

Для увеличения рабочей длины интерфейса XGMII можно использовать расширитель, представляющий собой связку   интерфейсов XGXS-XAUI-XGXS. Он имеет от­дельные маршруты приема и передачи потоков данных ши­риной 32 бита каждый (4 пото­ка шириной по 8 бит), приме­няет дифференциальный метод передачи с пониженным на­пряжением и использует дво­ичное интерфейсное кодирова­ние в потоке типа 8В/10В.

Типы   спецификаций 10-гигабитного Ethernet

В зависимости от версии 10GE в стандарте [ 1 ] кодиро­вание на физическом уровне осуществляется кодом 64В/66В (требуемая полоса — 10,3125 Гбнт/с) или кодом 8В/10В (по­лоса -12,5 Гбит/с). Стандарт описывает три семейства вер­сий lOGE.

Спецификация 10GBase-X Данная спецификация опи­сывает семейство 10GE, ис­пользующее четы-рехпотоковую передачу (в формате 4×8 бит) с кодирова­нием каждого потока кодом 8В/10В. Эта спецификация поддерживается практически всеми уровнями и интерфей­сами: MAC, RS, XGMII, X GXS, X AUI, PCS.

PMA, PMD и может переда­ваться по медным шинам, мед­ным парам и оптическому ка-

0SI для технологии 10GE белю (ВОК). К этому семейст­ву принадлежит версия 10GBase-LX4 — стандарт 10GE для среды передачи на базе ВОК, использующий 4 длины волны с шагом 13,4 нм во вто­ром окне прозрачности (1300 нм). Каждая длина волны пе­редает один из четырех пото­ков данных (Lane). Потоки объединяются мультиплексо­ром WDM на передающей сто­роне перед подачей в ВОК и демультиплексируются на при­емной стороне.

Формирование 4 потоков (рассмотрена только пере­дающая сторона) осуществля­ется по схеме на рисунке (пра­вая часть):

{MAC}->{RS}-XGMII-{PCS (Кодер   8B/10B)}-> {PM A}->{PMD}-MDI-{Среда переда­чи}.

Последовательный поток данных MAC-поду ровня де­лится на подуровне согласова­ния RS на 4 потока (Lane 0-3) группами по одному байту. К каждому байту на XGMII при­соединяется 1 бит управляю­щего заголовка (ТхС). В подуровне PCS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя в РМА 4 группы 10-битовых последовательностей (Teg), передаваемых в PMD, а затем через MDI, на модулято­ры четырех несущих (под­робнее см. раздел 48 и Annex

Спецификация Ethernet 10 G Base-R

Эта спецификация — целое семейство, которое включает: 10GBase-SR. 10G Base-LR и 10GBase-ER, работающие на ВОК в трех разных окнах про­зрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (Е), соответст­венно. Эти спецификации мо­гут быть как самостоя­тельными (после кодирования данных на подуровне PCS по схеме 64В/66В) или могут пре­вращаться в спецификации 10GBase-W (если потоки дан­ных после PCS передаются WAN-интерфейсу WIS).

Если спецификации 10GBase-R используются са­мостоятельно, то данные пере­даются на физический уровень и среду передачи по схеме, представленной на рис. 1 (средняя часть):

{MAC }->{RS} -XGMII- {DTE XGXS (Кодер 8B/10B)}-XAUI-{PHY XGXS (Декодер 8B/10B)}-XGMII-{PCS (Кодер 64B/66B + Скремблер + Дели­тель 64/16)}-XSBI-{PMA}-

>{LAN P MD}-MDI-{Среда передачи}.

Здесь поток данных М АС-подуров-ня (рассмотрена толь­ко передающая сторона), как и для 10GBase-X, делится на RS-подуровне на 4 потока (Lane 0­3) группами по 1 байту. К каж­дому байту на XGMII присое­диняется 1 бит управляющего заголовка (ТхС). На верхнем подуровне XGXS кодер 8В/10В перекодирует данные, фор­мируя 4 кодовые группы 10-битовых последовательностей (Cg), передаваемых через ин­терфейс XAUI. Группы Cg в нижнем подуровне XGXS де­кодируются и объединяются подуровнем PCS в 66-битную группу (2 бита синхронизации (01) + 64 бита данных), то есть кодируются по схеме 64В/66В.

 

Этот код поддерживает биты данных и управления, позво­ляющие обнаруживать ошиб­ки. Затем данные скремблиру-ются и разбиваются (при пере­ходе через интерфейс XSBI в РМА) на 16-битные блоки дан­ных, передаваемые в подуро­вень LAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей (раздел 49, Annex 44А). На приемной стороне осуществляется обрат­ный процесс.

Спецификация Ethernet 10 G Base-W

Это семейство из трех вер­сий: 10GBase-SW, 10G Base-LW и lOGBase-EW, также ра­ботающих через ВОК в трех окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (Е). Согласно спецификации, пото­ки указанных версий после ко­дирования в подуровне PCS кодом 64В/66В подключаются к WAN-интерфейсу WIS, что­бы далее инкапсулироваться в фреймы технологий SONET и SDH для транспорта потоков 10GBASE-SW, 10G BASE-LW и 10GBASE-EW через физиче­ский уровень {MAC}->{RS} -XGMII- {DTE X GXS (Кодер 8B/10B)}-XAUI-{PHY XGXS (Декодер 8B/10B)}-XGMII-{PCS (Кодер 64B/66B + Скремблер + Делитель 64/16)}-WIS-SVC-I/F-{WIS (Генератор фрейма)}-XSBI-{PMA}->{WAN PMD}-MDI-{Среда передачи}.

Здесь поток данных обрабаты­вается, как для спецификации 10GBase-R вплоть до интер­фейса WIS-SVC-I/F, пройдя через который, формируются 16-битные группы данных (Tdu). Далее в подуровне WIS (с помощью генератора) фор­мируется заголовок фрейма SONET S TS-192c//SDH STM -64c и осуществляется до­полнительное скремблирова-ние. В результате поток дан­ных Ethernet адаптируется к скорости передачи данных SONET/SDH. После перехода через интерфейс XSBI в PMA 16-битные блоки данных пере­даются на подуровень WA N PMD, а затем через интерфейс MDI — на модулятор оптиче­ской несущей (см. раздел 49 и Annex 44A). На приемной сто­роне осуществляется обратный процесс.

Итак, три базовые технологии

  1. 10GBase-X,
  2. 10G Base-R
  3. 10GBase-W

позволили реали­зовать 7 версий:

  1. 10GBase-LX4 — стандарт 10GE для медного кабеля (4 пары STP/шины) и сре­ды передачи на базе ММ ВОК, работающего на че­тырех длинах волн в диа­пазоне 1260-1355 нм
  2. 10GBase-SR, 10G Base-SW
  3. стандарты 10GE для сре­ды передачи ММ ВОК, ра­ботающего на длине волны 850 нм — 10GBase-LR, 10G Base-LW
  4. стандарты 10GE для сре­ды передачи ММ ВОК, ра­ботающего на длине волны 1300 нм — 10GBase-ER, 10G Base-EW
  5. стандарты 10GE для сре­ды передачи ММ ВОК, ра­ботающего на длине волны 1300 нм, и ОМ ВОК, рабо­тающего на длине волны 1550 нм. Все версии реализуют только дуплексный режим ра­боты и поддерживают тополо­гию «точка-точка».

 

 

Тракты передачи данных

Тракты передачи 1OGE отра­жают характер используемой топологии «точка-точка» и де­лятся на категории многопото­ковой передачи (10GBase-X) и однопотоковоп передачи (lOGBase-R/W). Многопотоко­вый тракт использует волновое мультиплексирование WDM [3] для формирования агрегат­ного потока из четырех пото­ков входных данных. В одно-потоковом тракте мультиплек­сирование WDM не при­меняется.

Тракт передачи для специ­фикации 10GBase-X

Спецификация 10GBase-X представлена реализованной версией 10GBase-LX4. Блок-схема тракта передачи приве­дена на рис. 2. Тракт осущест­вляет функции передачи и приема между сервисными PMD-п MDI-интерфейсами и включает различные функции управления, которые можно реализовать при наличии уст­ройства ввода-вывода управ­ляющих данных MDIO.

Четыре входных электриче­ских потока данных со скоро­стью 3,125 Гбит/с каждый по­даются на интерфейс PMD. Здесь они выравниваются и ресинхронизируются с помо­щью функции ретайминга для согласования уровней точно­сти поддержания син­хронизации на выходе генера­тора потока данных и входе системы WDM (контрольные точки ТР1, см. рис. 2). Затем электрические потоки данных преобразуются в оптические с помощью модуляторов опти­ческих несущих выходного транспондера. Несущие распо­лагаются в 4 поддиапазонах: 1269,0-1282,4; 1293, 5-1306,9; 1318,0-1331,4; 1 342,5-1355,9 нм шириной 13,4 нм каждый с зазором 11,1 нм.

Модулированные оптические несущие мультиплексируются (4:1) мультиплексором WDM, формируя агрегированный по­ток 4 х 3,125 = 12,5 Гбит/с на выходе интерфейса MDI. Фор­мально контрольной точкой ТР2 (см. рис. 2) считают выход соединительного шнура (патч-корда) длиной 2-5 м. В этой точке (если не оговорено иное) проводят необходимые измере­ния на стороне передатчика. Оптический сигнал общего приемника определяется на выходе ВОК перед MDI (кон­трольная точка ТРЗ). В этой точке проводятся все необхо­димые измерения на стороне приемника.

На приемной стороне агреги­рованный сигнал демультип­лексируется, и четыре потока (Lanes) оптических сигналов выделяются на выходе опти­ческих приемников (контроль­ная точка ТР4). Эти потоки вновь ресинхронизируются и поступают на приемный ин­терфейс PMD.

Тракт передачи специфика­ций 10GBase-R/W

Спецификации 10GBase-R/W представлены шестью реализо­ванными версиями: 10GBase-SR/SW, l OGBase-LR/LW и 10GBase-ER/EW. Тракт пере­дачи также осуществляет функции передачи и приема между PMD/MDI-интерфейсами и включает раз­личные функции управления, которые могут быть реализо­ваны при наличии устройства MDIO. Однако схема тракта значительно проще предыду­щего.

 

ТАБЛИЦА 3. Характеристики ОВ-канала для 10GBase-X

Характеристики ММ ОВ 62,5 мкм ММ ОВ 50 мкм ОМ ОВ (G.652)
Рабочее окно прозрачности, нм 1300 1300   1310
Широкополосность ОВ’. МГц км 500 400 500 Н.П.
Максимальная длина передачи, м 300 240 300 10 000
Максимальные вносимые потери-‘. дБ 2.5 2.0   6.6
Ширина гауссовой несущей, нм 0,62 0.62   0,62
Средняя вводимая мощность (4 потока), дБм 5,5 5.5   5,5
Бюджет мощности, дБ 7.5 7.5   8,2
Максимальное затухание ВОК. дБ/км 1.5 1.5   0.4
Минимальные возвратные потери. дБ 12 12   12
Возвратные потери оптического соединения. дБ >20 >20   >26

 

Оптоволоконная среда пере­дачи

Модель оптоволоконной сре­ды передачи стандартна и представлена в [1, 2]. Среда передачи соединяет интерфей­сы MDI. Модель симметрична, ее центральной частью являет­ся звено передачи — канал ВОК. Он слева и справа через опти­ческое соединение (например, оптический разъем) и соедини­тельный шнур связан с MDI.

Характеристики среды зави­сят от типа используемого ОВ (ОМ или ММ) и шпрокополос-ностн ММ ОВ рабочего окна прозрачности. Для ММ ОВ па­раметры канала зависят также от типа используемого источ­ника излучения и степени за­полнения светом сердцевины (табл. 3 и 4).

Применение гигабитного Ethernet

С момента появления гигабит­ного Ethernet прошел большой срок — 12 лет. Это стало не только новой вехой в истории развития Ethernet, но и поз­волило этой технологии выйти за рамки традиционного при­менения (только в ЛС). Техно­логия Ethernet, будучи локаль­ной, не удовлетворяла трем основным признакам ГлС [5]. Гигабитный Ethernet, однако, заявил о себе, как о техноло­гии, которую можно (с помо­щью других глобальных тех­нологий) применять в транс­портных сетях. Это подтвер­ждают следующие приложе­ния:

  • разработка интерфейсов GE для его передачи по транс­портным сетям WDM и CWDM [5];
  • разработка на основе методов виртуальной конкатенации, развитых в сетях SDH нового поколения, нового метода GFP-инкапсуляции кадров GE в STM-N сетей SDH с це­лью его передачи по сетям SDH/WDM [6];
  • использование метода много­протокольной коммутации по меткам (MPLS) совместно с технологией GE для органи­зации (с помощью техно­логии IP) больших (подобных глобальным) сетей передачи данных [5|;
  • создание технологии EPON (пассивной гигабитной опти­ческой сети на базе техноло­гии GE), позволившей рас­ширить рамки сети до 20 км и сделать ее похожей на ГлС;

разработка и внедрение КСПТ (SSF) на основе GE для замены традиционной параллельной схемы передачи данных по шине PCI на последова­тельную схему многопотоко­вой передачи данных (PCI Express) [7]. Применение 10GE практически не отлича­ется от применения GE. Та же разработка интерфейсов l0GE для WDM и инкапсуляция в конкатенированные структуры SDH. То же использование MPLS-IP-сетей и желание про­двинуть технологию КСПТ на основе GE до уровня 10GE. Однако принципиальная раз­ница все же есть. Она в том, что 10GE был разработан с прицелом на использование в ГлС. Его версии 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW имеют средства и функции синхронизации потока кадров и рассчитаны на инкапсуляцию в   контейнеры    SDH STM-64/STM-256.

После разработки версии 10GE стандарта [ 1 ] была соз­дана рабочая группа 10GEPON для разработки стандарта IEEE 802.av. Ее цель — разработать 10-гигабитный вариант техно­логии EPON. используемой в сетях доступа — была достигну­та в октябре 2009 г. Новый стандарт предусматривает две конфигурации 10GEPON: сим­метричную (10 Гбит/с вверх и вниз) и несимметричную (10Гбит/с вниз (к пользователю) и 1 Гбит/с вверх) при использо­вании ОМ О В. При этом предполагается сохранить дальность доставки сервисного трафика 20 км и число раз­ветвлений до 32.

Примечания к табл. 4:

‘ Измеряется по методу OFL BW -полное заполнение светом серд­цевины ЕС 60793-1-41 или ANSI/TIA/EIA 455-204-2000.

2 Измеряется по методу TIA/EIA-492АААС-2002.

3 Потери определяются на соответ­ствующей длине волны от ТР2 до ТРЗ, используя соединительный шнур. Они включают: потери кабеля, разъемов и сростков.

J ДГЗ — разница во времени рас­пространения ортогонально поляризованных мод импульса, которые допускаются в системе.

ТАБЛИЦА 4. Характеристики ОВ-канала для 10GBase-R/W

Характеристики ММ ОВ 62.5 мкм ММ ОВ 50 мкм   ОМ ОВ (G.652)
Рабочее окно прозрачности, нм 850 850 1310     1550  
Широкополосность ОВ, МГц км 160′ 200′ 400′ 500′ 20002
Максимальная длина передачи, м 26 33 66 82 ЗОО 10 ооо 30 ооо
Максимальные вносимые потери-, дБ 2,6 2.5 2.2 2,3 2,6 6.0 11.0
Максимально допустимая дисперсия, пс/нм 546
Дифференциальная групповая задержка4, пс 10 19
Бюджет мощности. дБ 7.3   7,3     9,4 15
Максимальное затухание ВОК. дБ/км 3.5   3.5     0,4 0.20-0.25
Минимальные возвратные потери, дБ   Нет данных     12 21
Возвратные потери оптического соединения, дБ >20   >20     >26 >26

 

Ист. Тематическая подборка «Технология Ethernet. IP-сети.»

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *