10 Gigabit Ethernet (сокращенно 10GE , 10GbE или 10 GigE ) — это группа технологий компьютерных сетей 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 соединения точка-точка, которые обычно подключаются сетевыми коммутаторами ; работа CSMA/CD с общей средой не была перенесена из предыдущих поколений стандартов Ethernet [1], поэтому полудуплексная работа и повторители-концентраторы не существуют в 10GbE. [2] Первый стандарт для более быстрых соединений 100 Gigabit Ethernet был утвержден в 2010 году. [3]
Стандарт 10GbE охватывает ряд различных стандартов физического уровня (PHY). Сетевое устройство, такое как коммутатор или контроллер сетевого интерфейса, может иметь различные типы PHY через подключаемые модули PHY, например, основанные на SFP+ . [4] Как и предыдущие версии Ethernet, 10GbE может использовать как медные, так и оптоволоконные кабели. Максимальное расстояние по медному кабелю составляет 100 метров, но из-за требований к пропускной способности требуются кабели более высокого класса. [a]
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 предполагаемым количеством девяти миллионов портов в 2011 году. [7] По состоянию на 2012 год [обновлять], хотя цена за гигабит пропускной способности для 10GbE составляла около одной трети по сравнению с Gigabit Ethernet , цена за порт 10GbE все еще препятствовала более широкому внедрению. [8] [9]
К 2022 году цена за порт 10GBase-T снизилась до 50–100 долларов США 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 802.3 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) опубликовала несколько стандартов, касающихся 10GbE.
Для реализации различных стандартов физического уровня 10GbE многие интерфейсы состоят из стандартного разъема, в который могут быть подключены различные модули физического уровня (PHY). Модули PHY не указаны в официальном органе стандартизации, но указаны в соглашениях с несколькими источниками (MSA), которые можно согласовать быстрее. Соответствующие MSA для 10GbE включают XENPAK [12] [13] [14] (и связанные с ними X2 и XPAK), XFP и SFP+ . [15] [16] При выборе модуля PHY проектировщик учитывает стоимость, охват, тип носителя, энергопотребление и размер (форм-фактор). Одно соединение точка-точка может иметь различные подключаемые форматы MSA на обоих концах (например, XPAK и SFP+), пока 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. X2 и XPAK позже стали конкурирующими стандартами с меньшими форм-факторами. X2 и XPAK не были столь же успешны на рынке, как XENPAK. XFP появился после X2 и XPAK и также имеет меньший размер.
Новейший стандарт модуля — это усовершенствованный подключаемый трансивер малого форм-фактора , обычно называемый SFP+. Основанный на подключаемом трансивере малого форм-фактора (SFP) и разработанный группой ANSI T11 Fibre Channel , он еще меньше и имеет меньшую мощность, чем XFP. SFP+ стал самым популярным сокетом в системах 10GE. [17] [15] Модули SFP+ выполняют только оптоэлектрическое преобразование, не выполняют восстановление синхронизации и данных, что увеличивает нагрузку на выравнивание канала хоста. Модули SFP+ имеют общий физический форм-фактор с устаревшими модулями SFP, что позволяет увеличить плотность портов по сравнению с XFP и повторно использовать существующие конструкции для 24 или 48 портов в 19-дюймовой стойке .
Оптические модули подключаются к хосту с помощью интерфейса 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 IEEE 802.3. Модули XFP используют интерфейс XFI, а модули SFP+ используют интерфейс SFI. XFI и SFI используют однополосный канал передачи данных и кодировку 64b/66b, указанную в пункте 49 IEEE 802.3.
Модули SFP+ могут быть дополнительно сгруппированы в два типа интерфейсов хоста: линейные или ограничивающие. Ограничивающие модули предпочтительны, за исключением случаев, когда для приложений с большой досягаемостью используются модули 10GBASE-LRM. [16]
Существует два основных типа оптического волокна, используемых для 10-гигабитного Ethernet: одномодовое (SMF) и многомодовое (MMF). [22] В SMF свет следует по одному пути через волокно, тогда как в MMF он проходит по нескольким путям, что приводит к дифференциальной задержке мод (DMD). SMF используется для дальней связи, а MMF используется на расстояниях менее 300 м. SMF имеет более узкую сердцевину (8,3 мкм), что требует более точного метода терминирования и соединения. MMF имеет более широкую сердцевину (50 или 62,5 мкм). Преимущество MMF заключается в том, что он может управляться недорогим вертикально-резонаторным поверхностно-излучающим лазером (VCSEL) на коротких расстояниях, а многомодовые разъемы дешевле и их легче надежно терминировать в полевых условиях. Преимущество SMF заключается в том, что он может работать на больших расстояниях. [23]
В стандарте 802.3 делается ссылка на волокно MMF класса FDDI. Оно имеет сердечник 62,5 мкм и минимальную модальную полосу пропускания 160 МГц·км при 850 нм. Первоначально оно было установлено 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 сердечник 62,5 мкм, в то время как другие имеют сердечник 50 мкм. При 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 теперь устарел, и в новых структурированных кабельных системах используются кабели OM3 или OM4. Кабель OM3 может передавать 10 Gigabit Ethernet на расстояние до 300 метров с использованием недорогой оптики 10GBASE-SR. [24] [25] OM4 может передавать данные на расстояние до 400 метров. [26]
Чтобы отличить кабели SMF от кабелей MMF, кабели SMF обычно желтые, а кабели MMF оранжевые (OM1 и OM2) или аквамариновые (OM3 и OM4). Однако в волоконной оптике нет единого цвета для какой-либо определенной оптической скорости или технологии, за исключением углового физического контактного разъема (APC), который является согласованным цветом зеленого цвета. [27]
Существуют также активные оптические кабели (AOC). Они имеют уже подключенную оптическую электронику, что исключает необходимость в разъемах между кабелем и оптическим модулем. Они подключаются к стандартным гнездам SFP+. Они дешевле других оптических решений, поскольку производитель может подобрать электронику под требуемую длину и тип кабеля. [ необходима цитата ]
10GBASE-SR («короткий диапазон») — это тип порта для многомодового волокна , использующий лазеры с длиной волны 850 нм. [28] Его физический подуровень кодирования (PCS) — 64b/66b, определенный в пункте 49 стандарта IEEE 802.3, а его подуровень , зависящий от физической среды (PMD), — в пункте 52. Он передает сериализованные данные со скоростью линии10.3125 ГБд . [29]
Диапазон зависит от типа используемого многомодового волокна. [24] [30]
Преимущество MMF перед SMF заключается в более низкой стоимости соединителей; его более широкое ядро требует меньшей механической точности.
Передатчик 10GBASE-SR реализован с VCSEL, который является недорогим и маломощным. Оптические кабели OM3 и OM4 иногда описываются как оптимизированные для лазера , поскольку они были разработаны для работы с VCSEL. 10GBASE-SR обеспечивает самую низкую стоимость, наименьшее энергопотребление и наименьший форм-фактор оптических модулей.
Существует более дешевый и энергосберегающий вариант, который иногда называют 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite). Он совместим с 10GBASE-SR, но имеет радиус действия только 100 метров. [31]
10GBASE-LR (большой радиус действия) — тип порта для одномодового волокна, использующий лазеры 1310 нм. Его 64b/66b PCS определен в IEEE 802.3, пункт 49, а его подуровень PMD — в пункте 52. Он доставляет сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 ГБод. [29]
Передатчик 10GBASE-LR реализован с помощью лазера Фабри–Перо или распределенной обратной связи (DFB). Лазеры DFB дороже, чем VCSEL, но их высокая мощность и большая длина волны позволяют эффективно подключаться к небольшому сердечнику одномодового волокна на больших расстояниях. [ необходима цитата ]
Максимальная длина волокна 10GBASE-LR составляет 10 километров, хотя это может зависеть от типа используемого одномодового волокна.
10GBASE-LRM (многомодовый с большой длиной волны), изначально указанный в IEEE 802.3aq, является типом порта для многомодового волокна и использует лазеры 1310 нм. Его 64b/66b PCS определен в IEEE 802.3, пункт 49, а его подуровень PMD — в пункте 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 допускает расстояния до 220 метров (720 футов) по многомодовому волокну класса FDDI и ту же максимальную дальность 220 м по типам волокон OM1, OM2 и OM3. [24] Дальность 10GBASE-LRM не такая большая, как у старого стандарта 10GBASE-LX4. Некоторые трансиверы 10GBASE-LRM также допускают расстояния до 300 метров (980 футов) по стандартному одномодовому волокну (SMF, G.652), однако это не является частью спецификации IEEE или MSA. [34] Чтобы гарантировать соответствие спецификациям по волокнам класса FDDI, OM1 и OM2, передатчик должен быть подключен через коммутационный шнур для согласования мод. Для приложений по OM3 или OM4 коммутационный шнур для согласования мод не требуется. [35]
10GBASE-ER (расширенный радиус действия) — это тип порта для одномодового волокна, использующий лазеры 1550 нм. Его 64b/66b PCS определен в IEEE 802.3, пункт 49, а его подуровень PMD — в пункте 52. Он доставляет сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 ГБод. [29]
Передатчик 10GBASE-ER реализован на основе лазера с внешней модуляцией (EML) .
10GBASE-ER имеет радиус действия 40 километров (25 миль) по специально разработанным каналам и 30 км по стандартным каналам. [24] [14]
Несколько производителей представили диапазон 80 км (50 миль) под названием 10GBASE-ZR. Этот 80-километровый PHY не указан в стандарте IEEE 802.3ae, и производители создали свои собственные спецификации на основе 80-километрового PHY, описанного в спецификациях OC-192 / STM-64 SDH / SONET . [36]
10GBASE-LX4 — это тип порта для многомодового и одномодового оптоволокна. Он использует четыре отдельных лазерных источника, работающих на скорости 3,125 Гбит/с, и грубое мультиплексирование с разделением по длине волны с четырьмя уникальными длинами волн около 1310 нм. Его 8b/10b PCS определен в IEEE 802.3, пункт 48, а его подуровень Physical Medium Dependent (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 FDDI-класса, OM1, OM2 и OM3. [b] В этом случае его необходимо соединить через коммутационный шнур SMF offset-launch mode-conditioning . [24] : подпункты 53.6 и 38.11.4
10GBASE-PR, первоначально указанный в IEEE 802.3av, представляет собой 10-гигабитный Ethernet PHY для пассивных оптических сетей и использует лазеры 1577 нм в нисходящем направлении и лазеры 1270 нм в восходящем направлении. Его подуровень PMD указан в пункте 75. В нисходящем направлении поставляются сериализованные данные со скоростью линии 10,3125 Гбит/с в конфигурации точка-много точек. [24]
10GBASE-PR имеет три бюджета мощности, определенные как 10GBASE-PR10, 10GBASE-PR20 и 10GBASE-PR30. [24] : 75.1.4
Несколько поставщиков представили одножильные двунаправленные оптические кабели 10 Гбит/с, способные к одномодовому оптоволоконному соединению, функционально эквивалентному 10GBASE-LR или -ER, но с использованием одной нити оптоволоконного кабеля. Аналогично 1000BASE-BX10 , это достигается с помощью пассивной призмы внутри каждого оптического трансивера и согласованной пары трансиверов, использующих две разные длины волн, такие как 1270 и 1330 нм. Модули доступны с различной мощностью передачи и достигают расстояния 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 двухпроводным кабелям, витым парам и объединительным платам .
10GBASE-CX4 был первым 10-гигабитным медным стандартом, опубликованным 802.3 (как 802.3ak-2004). Он использует XAUI 4-полосный PCS (пункт 48) и медные кабели, аналогичные используемым в технологии InfiniBand с теми же разъемами SFF-8470. Он рассчитан на работу на расстоянии до 15 м (49 футов). Каждая полоса обеспечивает пропускную способность сигнализации 3,125 ГБод.
10GBASE-CX4 использовался для стекирования коммутаторов. [39] Он предлагает преимущества малой мощности, низкой стоимости и малой 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 довольно жесткий и значительно дороже, чем UTP категории 5/6 или оптоволокно.
Приложения 10GBASE-CX4 в настоящее время обычно реализуются с использованием SFP+ Direct Attach, и по состоянию на 2011 год [обновлять]поставки 10GBASE-CX4 были очень низкими. [40]
Также известен как прямое подключение (DA), прямое подключение медь (DAC), 10GSFP+Cu, [41] иногда также называется 10GBASE-CR [42] или 10GBASE-CX1, хотя нет стандартов IEEE с любым из двух последних названий. Короткие кабели прямого подключения используют пассивную твинаксиальную кабельную сборку, в то время как более длинные добавляют некоторый дополнительный диапазон с помощью электронных усилителей . Эти типы DAC подключаются напрямую в корпус SFP+. Прямое подключение SFP+ имеет кабель фиксированной длины, до 15 м для медных кабелей. [43] Как и 10GBASE-CX4, DA является маломощным, недорогим и имеет низкую задержку с дополнительными преимуществами использования менее громоздких кабелей и небольшого форм-фактора SFP+. Прямое подключение SFP+ сегодня чрезвычайно популярно, с большим количеством установленных портов, чем 10GBASE-SR. [40]
Ethernet задней панели , также известный по названию целевой группы, которая его разработала, 802.3ap , используется в приложениях задней панели , 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 прямой коррекции ошибок , протокол автосогласования задней панели и обучение связи для 10GBASE-KR, где приемник настраивает эквалайзер передачи с тремя отводами. Протокол автосогласования выбирает между операциями 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 IEEE 802.3), что и 10GBASE-CX4.
Это работает по одной линии объединительной платы и использует то же кодирование физического уровня (определенное в IEEE 802.3, пункт 49), что и 10GBASE-LR/ER/SR. Новые конструкции объединительной платы используют 10GBASE-KR вместо 10GBASE-KX4. [40]
10GBASE-T , или IEEE 802.3an-2006 , — это стандарт, выпущенный в 2006 году для обеспечения соединений 10 Гбит/с по неэкранированным или экранированным витым парам на расстоянии до 100 метров (330 футов). [45] Категория 6A требуется для достижения полного расстояния, а категории 5e или 6 могут достигать до 55 метров (180 футов) в зависимости от качества установки. [46] Инфраструктура кабеля 10GBASE-T также может использоваться для 1000BASE-T, позволяя постепенное обновление с 1000BASE-T с помощью автосогласования для выбора используемой скорости. Из-за дополнительных накладных расходов на кодирование линии 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]
10GBASE-T использует модульные разъемы IEC 60603-7 8P8C, которые уже широко используются с Ethernet. Характеристики передачи теперь указаны до 500 МГц . Для достижения этой частоты необходимы сбалансированные кабели витой пары категории 6A или лучше, указанные в поправке 2 ISO/IEC 11801 или ANSI/TIA-568-C.2, для передачи 10GBASE-T на расстояние до 100 м. Кабели категории 6 могут передавать 10GBASE-T на более короткие расстояния, если они квалифицированы в соответствии с рекомендациями ISO TR 24750 или TIA-155-A.
Стандарт 802.3an определяет модуляцию на уровне проводов для 10GBASE-T для использования предварительного кодирования Томлинсона-Харашимы (THP) и амплитудно-импульсной модуляции с 16 дискретными уровнями (PAM-16), закодированной в двумерном шахматном шаблоне, известном как DSQ128, отправляемом по линии со скоростью 800 Мсимволов/с. [49] [50] Перед предварительным кодированием выполняется кодирование с прямой коррекцией ошибок (FEC) с использованием кода с низкой плотностью проверки на четность [2048,1723] 2 на 1723 битах, с построением матрицы проверки на четность, основанной на обобщенном коде Рида-Соломона [32,2,31] по GF (2 6 ). [50] Еще 1536 бит не кодируются. В каждом блоке 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 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 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 к транспорту глобальной сети (WAN) привел к появлению WAN PHY для 10GbE. WAN PHY был разработан для взаимодействия с оборудованием OC-192/STM-64 SDH/SONET с использованием легкого кадра SDH/SONET, работающего на скорости 9,953 Гбит/с. WAN PHY работает с немного более низкой скоростью передачи данных, чем PHY локальной сети (LAN). WAN PHY может обеспечивать максимальную дальность связи до 80 км в зависимости от используемого стандарта волокна.
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 64b/66b PCS определен в IEEE 802.3, пункт 49, 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, чтобы быть совместимым с SONET STS-192c. [24]
Коммутаторы Arista 7100T поддерживают 10GBASE-T по кабелям категории 6a на расстоянии до 100 м, а также поддерживают категорию 5e (производительность 10GBASE-T по кабелям категории 5e не указана в стандарте и, следовательно, не может быть гарантирована. Перед развертыванием рекомендуется провести полевые испытания, чтобы установить возможность использования существующих кабелей категории 5e.) и кабели категории 6 на расстоянии до 55 м.