10 Gigabit Ethernet (сокращенно 10GE , 10GbE или 10 GigE ) — это группа компьютерных сетевых технологий, предназначенных для передачи кадров Ethernet со скоростью 10 гигабит в секунду . Впервые он был определен стандартом IEEE 802.3ae-2002 . В отличие от предыдущих стандартов Ethernet, 10GbE определяет только полнодуплексные каналы «точка-точка», которые обычно подключаются через сетевые коммутаторы ; Работа CSMA/CD с общей средой не была перенесена из предыдущих поколений стандартов Ethernet [1] , поэтому полудуплексный режим и концентраторы-ретрансляторы не существуют в 10GbE. [2] Первый стандарт для более быстрых каналов 100 Gigabit Ethernet был утвержден в 2010 году. [3]
Стандарт 10GbE включает в себя ряд различных стандартов физического уровня (PHY). Сетевое устройство, такое как коммутатор или контроллер сетевого интерфейса, может иметь разные типы PHY через подключаемые модули PHY, например, основанные на SFP+ . [4] Как и в предыдущих версиях Ethernet, в 10GbE можно использовать медные или оптоволоконные кабели. Максимальное расстояние по медному кабелю составляет 100 метров, но из-за требований к пропускной способности требуются кабели более высокого качества. [а]
Внедрение 10GbE было более постепенным, чем предыдущие версии Ethernet : в 2007 году был поставлен один миллион портов 10GbE, в 2009 году было поставлено два миллиона портов, а в 2010 году было поставлено более трех миллионов портов, [5] [6] с оценивается в девять миллионов портов в 2011 году. [7] По состоянию на 2012 год [update], хотя цена за гигабит полосы пропускания для 10GbE составляла примерно одну треть по сравнению с Gigabit Ethernet , цена за порт 10GbE все еще препятствовала более широкому распространению. [8] [9]
К 2022 году цена за порт 10GBase-T упала до 50–100 долларов в зависимости от масштаба. [10] В 2023 году начали появляться маршрутизаторы Wi-Fi 7 с портами WAN 10GbE в стандартной комплектации.
За прошедшие годы рабочая группа Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 802.3 опубликовала несколько стандартов, касающихся 10GbE.
Для реализации различных стандартов физического уровня 10GbE многие интерфейсы состоят из стандартного разъема, к которому можно подключать различные модули физического (PHY) уровня. Модули PHY определяются не официальным органом по стандартизации, а соглашениями с несколькими источниками (MSA), которые можно согласовать быстрее. Соответствующие MSA для 10GbE включают XENPAK [12] [13] [14] (и связанные с ним X2 и XPAK), XFP и SFP+ . [15] [16] При выборе модуля PHY разработчик учитывает стоимость, охват, тип носителя, энергопотребление и размер (форм-фактор). Один канал «точка-точка» может иметь разные форматы подключаемых модулей MSA на обоих концах (например, XPAK и SFP+), при условии, что тип оптического или медного порта 10GbE (например, 10GBASE-SR), поддерживаемый подключаемым модулем, идентичен.
XENPAK был первым MSA для 10GE и имел самый большой форм-фактор. Позже X2 и XPAK стали конкурирующими стандартами меньшего форм-фактора. X2 и XPAK не имели такого успеха на рынке, как XENPAK. XFP появился после X2 и XPAK и тоже меньше.
Новейшим стандартом модулей является усовершенствованный подключаемый трансивер малого форм-фактора , обычно называемый SFP+. Основанный на подключаемом приемопередатчике малого форм-фактора (SFP) и разработанном группой волоконно-оптических каналов ANSI T11 , он еще меньше по размеру и потребляет меньше энергии, чем XFP. SFP+ стал самым популярным разъемом в системах 10GE. [17] [15] Модули SFP+ выполняют только оптическое преобразование в электрическое, без тактового сигнала и восстановления данных, что увеличивает нагрузку на выравнивание каналов хоста. Модули SFP+ имеют общий физический форм-фактор с устаревшими модулями SFP, что обеспечивает более высокую плотность портов, чем XFP, и повторное использование существующих конструкций для 24 или 48 портов в блейд-стойке шириной 19 дюймов .
Оптические модули подключаются к хосту через интерфейс XAUI , XFI или SerDes Framer Interface (SFI). Модули XENPAK, X2 и XPAK используют XAUI для подключения к своим хостам. XAUI (XGXS) использует четырехполосный канал передачи данных и указан в пункте 47 стандарта IEEE 802.3. Модули XFP используют интерфейс XFI, а модули SFP+ используют интерфейс SFI. XFI и SFI используют однополосный канал данных и кодировку 64b/66b , указанную в пункте 49 IEEE 802.3.
Модули SFP+ можно дополнительно разделить на два типа хост-интерфейсов: линейные или ограничивающие. Ограничительные модули являются предпочтительными, за исключением случаев, когда для приложений с большой досягаемостью используются модули 10GBASE-LRM. [16]
Для 10 Gigabit Ethernet используется два основных типа оптического волокна : одномодовый (SMF) и многомодовый (MMF). [22] В SMF свет проходит по одному пути через волокно, тогда как в MMF он проходит по нескольким путям, что приводит к дифференциальной модовой задержке (DMD). SMF используется для связи на больших расстояниях, а MMF — на расстояниях менее 300 м. SMF имеет более узкую жилу (8,3 мкм), что требует более точного метода заделки и подключения. ММФ имеет более широкое ядро (50 или 62,5 мкм). Преимущество MMF заключается в том, что он может управляться недорогим лазером поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) на коротких расстояниях, а многомодовые разъемы дешевле и их легче надежно подключить в полевых условиях. Преимущество SMF в том, что он может работать на больших расстояниях. [23]
В стандарте 802.3 упоминается волокно MMF класса FDDI. Он имеет ядро 62,5 мкм и минимальную модальную полосу пропускания 160 МГц·км на длине волны 850 нм. Первоначально он был установлен в начале 1990-х годов для сетей FDDI и 100BASE-FX . Стандарт 802.3 также ссылается на ISO/IEC 11801 , который определяет типы оптических волокон MMF OM1, OM2, OM3 и OM4. OM1 имеет ядро толщиной 62,5 мкм, тогда как остальные имеют ядро толщиной 50 мкм. На длине волны 850 нм минимальная модальная полоса пропускания OM1 составляет 200 МГц·км, OM2 500 МГц·км, OM3 2000 МГц·км и OM4 4700 МГц·км. Кабель класса FDDI уже устарел, и в новых структурированных кабельных системах используются кабели OM3 или OM4. Кабель OM3 может передавать 10 Gigabit Ethernet на расстояние 300 метров с использованием недорогой оптики 10GBASE-SR. [24] [25] OM4 может преодолевать расстояние 400 метров. [26]
Чтобы отличить кабели SMF от кабелей MMF, кабели SMF обычно имеют желтый цвет, а кабели MMF — оранжевый (OM1 и OM2) или голубой (OM3 и OM4). Однако в оптоволокне не существует единого цвета для какой-либо конкретной оптической скорости или технологии, за исключением углового разъема с физическим контактом (APC), который является согласованным зеленым цветом. [27]
Существуют также активные оптические кабели (АОС). В них уже подключена оптическая электроника, что исключает необходимость использования разъемов между кабелем и оптическим модулем. Они подключаются к стандартным разъемам SFP+. Они дешевле, чем другие оптические решения, поскольку производитель может подобрать электронику в соответствии с необходимой длиной и типом кабеля. [ нужна цитата ]
10GBASE-SR («короткого радиуса действия») — это тип порта для многомодового оптоволокна , в котором используются лазеры с длиной волны 850 нм. [28] Его подуровень физического кодирования (PCS) — 64b/66b, он определен в пункте 49 стандарта IEEE 802.3, а его подуровень , зависящий от физической среды (PMD), — в пункте 52. Он доставляет сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 Гбит/с. [29]
Диапазон зависит от типа используемого многомодового волокна. [24] [30]
Преимущество MMF перед SMF заключается в более низкой стоимости разъемов; его более широкое ядро требует меньшей механической точности.
Передатчик 10GBASE-SR оснащен VCSEL, который имеет низкую стоимость и малое энергопотребление. Оптические кабели OM3 и OM4 иногда называют лазерно-оптимизированными , поскольку они предназначены для работы с VCSEL. 10GBASE-SR обеспечивает самую низкую стоимость, минимальное энергопотребление и оптические модули наименьшего форм-фактора.
Существует более дешевый вариант с меньшим энергопотреблением, который иногда называют 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite). Он совместим с 10GBASE-SR, но имеет радиус действия только 100 метров. [31]
10GBASE-LR (большая дальность действия) — это тип порта для одномодового волокна, в котором используются лазеры с длиной волны 1310 нм. Его PCS 64b/66b определен в IEEE 802.3, пункт 49, а его подуровень PMD - в разделе 52. Он доставляет сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 ГБд. [29]
Передатчик 10GBASE-LR реализован на основе лазера Фабри-Перо или лазера с распределенной обратной связью (DFB). Лазеры DFB дороже, чем VCSEL, но их высокая мощность и большая длина волны позволяют эффективно подключаться к небольшой сердцевине одномодового волокна на больших расстояниях. [ нужна цитата ]
Максимальная длина волокна 10GBASE-LR составляет 10 километров, хотя она может варьироваться в зависимости от типа используемого одномодового волокна.
10GBASE-LRM (многомодовый с большой досягаемостью), первоначально указанный в IEEE 802.3aq, представляет собой тип порта для многомодового оптоволокна и использует лазеры с длиной волны 1310 нм. Его PCS 64b/66b определен в IEEE 802.3, пункт 49, а его подуровень PMD - в разделе 68. Он доставляет сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 ГБод. [32] 10GBASE-LRM использует электронную компенсацию дисперсии (EDC) для выравнивания приема. [33]
10GBASE-LRM обеспечивает расстояние до 220 метров (720 футов) по многомодовому волокну класса FDDI и ту же максимальную дальность действия 220 м для типов волокон OM1, OM2 и OM3. [24] Охват 10GBASE-LRM не так широк, как у старого стандарта 10GBASE-LX4. Некоторые трансиверы 10GBASE-LRM также позволяют работать на расстоянии до 300 метров (980 футов) по стандартному одномодовому оптоволокну (SMF, G.652), однако это не является частью спецификации IEEE или MSA. [34] Чтобы обеспечить соответствие спецификациям волокон класса FDDI, OM1 и OM2, передатчик следует подключать через патч-корд для формирования режима. Для приложений через OM3 или OM4 патч-корд для согласования режима не требуется. [35]
10GBASE-ER (расширенная зона действия) — это тип порта для одномодового волокна, в котором используются лазеры с длиной волны 1550 нм. Его PCS 64b/66b определен в IEEE 802.3, пункт 49, а его подуровень PMD - в разделе 52. Он доставляет сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 ГБод. [29]
Передатчик 10GBASE-ER оснащен лазером с внешней модуляцией (EML) .
10GBASE-ER имеет радиус действия 40 километров (25 миль) по инженерным каналам и 30 км по стандартным каналам. [24] [14]
Несколько производителей представили диапазон действия 80 км (50 миль) под названием 10GBASE-ZR. Этот PHY 80 км не указан в стандарте IEEE 802.3ae, и производители создали свои собственные спецификации на основе PHY 80 км, описанного в спецификациях OC-192 / STM-64 SDH / SONET . [36]
10GBASE-LX4 — это тип порта для многомодового и одномодового волокна. Он использует четыре отдельных лазерных источника, работающих со скоростью 3,125 Гбит/с, и грубое мультиплексирование по длине волны с четырьмя уникальными длинами волн около 1310 нм. Его PCS 8b/10b определен в IEEE 802.3, пункт 48, а его подуровень , зависящий от физической среды (PMD), - в пункте 53. [24]
10GBASE-LX4 имеет радиус действия 10 километров (6,2 мили) по SMF . Он может достигать 300 метров (980 футов) по многомодовым кабелям класса FDDI, OM1, OM2 и OM3. [b] В этом случае его необходимо подключить через патч-корд SMF для формирования режима смещения-запуска . [24] : подпункты 53.6 и 38.11.4.
10GBASE-PR, первоначально указанный в IEEE 802.3av , представляет собой PHY 10 Gigabit Ethernet для пассивных оптических сетей и использует лазеры с длиной волны 1577 нм в нисходящем направлении и лазеры 1270 нм в восходящем направлении. Его подуровень PMD указан в разделе 75. В нисходящем направлении доставляются последовательные данные со скоростью линии 10,3125 Гбит/с в конфигурации точка-многоточка. [24]
10GBASE-PR имеет три бюджета мощности: 10GBASE-PR10, 10GBASE-PR20 и 10GBASE-PR30. [24] : 75.1.4
Несколько поставщиков представили однонитевую двунаправленную оптику со скоростью 10 Гбит/с, обеспечивающую одномодовое оптоволоконное соединение, функционально эквивалентное 10GBASE-LR или -ER, но с использованием одножильного оптоволоконного кабеля. Аналогично 1000BASE-BX10 , это достигается с помощью пассивной призмы внутри каждого оптического трансивера и согласованной пары трансиверов, использующих две разные длины волн, например 1270 и 1330 нм. Доступны модули с различной мощностью передачи и дальностью действия от 10 до 80 км. [37] [38]
Эти достижения впоследствии были стандартизированы в IEEE 802.3cp-2021 с дальностью действия 10, 20 или 40 км.
10-гигабитный Ethernet также может работать по двухосному кабелю, кабелю витой пары и объединительным платам .
10GBASE-CX4 был первым 10-гигабитным медным стандартом, опубликованным 802.3 (как 802.3ak-2004). Он использует 4-полосный PCS XAUI (раздел 48) и медные кабели, аналогичные тем, которые используются в технологии InfiniBand , с теми же разъемами SFF-8470. Он предназначен для работы на расстоянии до 15 м (49 футов). Каждая линия имеет полосу пропускания сигнализации 3,125 ГБд.
10GBASE-CX4 использовался для стекирования коммутаторов. [39] Он предлагает преимущества низкой мощности, низкой стоимости и низкой задержки , но имеет больший форм-фактор и более громоздкие кабели, чем новый однополосный стандарт SFP+, и гораздо меньшую дальность действия, чем оптоволокно или 10GBASE-T. Этот кабель достаточно жесткий и значительно дороже, чем UTP или оптоволокно категории 5/6.
Приложения 10GBASE-CX4 сейчас обычно реализуются с использованием SFP+ Direct Attach, а по состоянию на 2011 год [update]поставки 10GBASE-CX4 были очень низкими. [40]
Также известен как прямое подключение (DA), медное подключение прямого подключения (DAC), 10GSFP+Cu, 10GBASE-CR [41] или 10GBASE-CX1. В коротких кабелях прямого подключения используется пассивная твинаксиальная кабельная сборка, а в более длинных кабелях, иногда называемых активным оптическим кабелем (AOC), используется коротковолновая оптика. [42] Оба типа подключаются непосредственно к корпусу SFP+. Прямое подключение SFP+ имеет кабель фиксированной длины: до 15 м для медных кабелей [43] или до 100 м для AOC. [42] Как и 10GBASE-CX4, DA отличается низким энергопотреблением, низкой стоимостью и низкой задержкой, а также дополнительными преимуществами использования менее громоздких кабелей и небольшого форм-фактора SFP+. Прямое подключение SFP+ сегодня чрезвычайно популярно, поскольку установлено больше портов, чем 10GBASE-SR. [40]
Объединительная плата Ethernet , также известная по названию разработавшей его целевой группы, 802.3ap , используется в приложениях объединительной платы , таких как блейд-серверы и модульное сетевое оборудование с обновляемыми линейными картами . Реализации 802.3ap должны работать на медной печатной плате длиной до 1 метра (39 дюймов) с двумя разъемами. Стандарт определяет два типа портов для 10 Гбит/с ( 10GBASE-KX4 и 10GBASE-KR ) и один тип порта 1 Гбит/с (1000BASE-KX). Он также определяет дополнительный уровень для прямого исправления ошибок , протокол автосогласования объединительной платы и обучение канала для 10GBASE-KR, где приемник настраивает трехточечный эквалайзер передачи. Протокол автосогласования выбирает режим работы 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR или 40GBASE-KR4. [с]
Он работает по четырем линиям объединительной платы и использует то же кодирование физического уровня (определенное в пункте 48 стандарта IEEE 802.3), что и 10GBASE-CX4.
Он работает по одной объединительной шине и использует то же кодирование физического уровня (определенное в пункте 49 стандарта IEEE 802.3), что и 10GBASE-LR/ER/SR. В новых конструкциях объединительных плат используется 10GBASE-KR, а не 10GBASE-KX4. [40]
10GBASE-T , или IEEE 802.3an-2006 , — это стандарт, выпущенный в 2006 году и обеспечивающий соединения со скоростью 10 Гбит/с по неэкранированным или экранированным кабелям витой пары на расстояниях до 100 метров (330 футов). [45] Для охвата всего расстояния требуется категория 6A, а категория 5e или 6 может достигать 55 метров (180 футов) в зависимости от качества установки. [46] Кабельная инфраструктура 10GBASE-T также может использоваться для 1000BASE-T, что позволяет постепенно переходить от 1000BASE-T с использованием автосогласования для выбора используемой скорости. Из-за дополнительных затрат на линейное кодирование 10GBASE-T имеет немного более высокую задержку (от 2 до 4 микросекунд) по сравнению с большинством других вариантов 10GBASE (1 микросекунда или меньше). Для сравнения, задержка 1000BASE-T составляет от 1 до 12 микросекунд (в зависимости от размера пакета [d] ). [47] [48]
В 10GBASE-T используются модульные разъемы IEC 60603-7 8P8C, которые уже широко используются в Ethernet. Характеристики передачи теперь указаны до 500 МГц . Для достижения этой частоты необходимы сбалансированные витые пары категории 6A или более высокого качества, указанные в ISO/IEC 11801, поправка 2 или ANSI/TIA-568-C.2, для передачи 10GBASE-T на расстояния до 100 м. Кабели категории 6 могут передавать 10GBASE-T на более короткие расстояния при условии аттестации в соответствии с рекомендациями ISO TR 24750 или TIA-155-A.
Стандарт 802.3an определяет модуляцию на проводном уровне для 10GBASE-T с использованием предварительного кодирования Томлинсона-Харашимы (THP) и амплитудно-импульсной модуляции с 16 дискретными уровнями (PAM-16), закодированной в виде двумерной шахматной схемы, известной как отправленный DSQ128. на линии со скоростью 800 Мсимволов/сек. [49] [50] Перед предварительным кодированием кодирование с прямой коррекцией ошибок (FEC) выполняется с использованием [2048,1723] 2 кода проверки четности низкой плотности на 1723 бита, при этом конструкция матрицы проверки четности основана на обобщенном алгоритме Рида- Код Соломона [32,2,31] над GF (2 6 ). [50] Еще 1536 бит не закодированы. Внутри каждого блока 1723+1536 имеется 1+50+8+1 бит сигнализации и обнаружения ошибок и 3200 бит данных (и занимают 320 нс на линии). Напротив, PAM-5 — это метод модуляции, используемый в 1000BASE-T Gigabit Ethernet .
Линейное кодирование, используемое 10GBASE-T, является основой для более новых и более медленных стандартов 2.5GBASE-T и 5GBASE-T , реализующих соединение со скоростью 2,5 или 5,0 Гбит/с по существующим кабелям категории 5e или 6. [51] Кабели, которые не будут надежно работать с 10GBASE-T, могут успешно работать с 2,5GBASE-T или 5GBASE-T, если они поддерживаются обоими концами.
10GBASE-T1 предназначен для автомобильных приложений и работает по одной сбалансированной паре проводников длиной до 15 м и стандартизирован в 802.3ch-2020. [52]
В то время, когда был разработан стандарт 10 Gigabit Ethernet, интерес к 10GbE как транспорту глобальной сети (WAN) привел к введению WAN PHY для 10GbE. WAN PHY был разработан для взаимодействия с оборудованием SDH/SONET OC-192/STM-64 с использованием облегченного кадра SDH/SONET, работающего со скоростью 9,953 Гбит/с. PHY WAN работает с немного более низкой скоростью передачи данных, чем PHY локальной сети (LAN). WAN PHY может обеспечивать максимальную дальность соединения до 80 км в зависимости от используемого стандарта оптоволокна.
WAN PHY использует те же оптические PMD 10GBASE-S, 10GBASE-L и 10GBASE-E, что и LAN PHY, и обозначается как 10GBASE-SW, 10GBASE-LW или 10GBASE-EW. Его PCS 64b/66b определен в пункте 49 IEEE 802.3, а его подуровни PMD - в пункте 52. Он также использует подуровень интерфейса WAN (WIS), определенный в пункте 50, который добавляет дополнительную инкапсуляцию для форматирования данных кадра для совместимости с SONET STS- 192с. [24]
Коммутаторы Arista 7100T поддерживают 10GBASE-T по кабелям категории 6a длиной до 100 м, а также поддерживают категорию 5e (Производительность 10GBASE-T по кабелям Cat-5e не указана в стандарте и, следовательно, не может быть гарантирована. Перед развертыванием рекомендуется провести полевые испытания. установить возможность использования существующих кабелей Cat-5e.) и кабелей категории 6 на расстояниях до 55 м.