［魏良财 彭 端］

基于非屏蔽双绞线的万兆以太网*

［魏良财 彭 端］

万兆以太网是在千兆以太网的基础上发展而来的。主要对基于非屏蔽双绞线传输的万兆以太网（10GBASE-T）技术进行分析介绍，并对该技术的应用前景进行预期。

万兆以太网 802.3an 10GBASE-T 全双工 低密度奇偶校验码

魏良财

广东工业大学信息工程学院，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信系统。

彭端

广东工业大学实验教学部，博士，教授，主要研究方向为宽带移动通信系统。

1 引言

随着以IP为主的数据业务量的爆炸性增长，并且诸如移动视频、在线影音等流媒体的快速发展，人们对网络通信的信息交换能力提出了新的挑战，这促使以太网技术不断向前发展。自1983年发布的采用带冲突检测的载波监听多路访问技术（CSMA/CD）的第一代以太网协议标准802.3至今，以太网技术已到了而立之年。其传输模式由共享传输媒介总线式构架的半双工模式转变为使用交换机星型拓扑构架的全双工模式。传输速度经历第一代的10Mbit/s，后来的快速以太网（100M）、千兆以太网（1000M）以及万兆以太网（10GE），传输速率每代以10倍的速度增长［1］。

2002年6月，IEEE发布第一个基于光纤传输的10G以太网标准802.3ae，其传输距离在300m到40km之间，该标准的发布使得万兆以太网技术可以从局域网发展到广域网，极大地拓展了以太网技术的使用范围。2002年11月，成立了两个研究在铜缆上传输10Gbit/s数据的组织：一个是10GBASE-CX4研究在4对同轴铜缆上实现10Gbit/s的方法，另一个是10GBASE-T研究在cat5e与cat6类双绞线上实现10Gbit/s。2004年1月份，IEEE通过了在同轴铜缆上传输10Gbit/s标准——IEEE 802.3ak，传输最大距离15m，适用于数据中心内部服务器背板的连接；2006年6月，基于4对非屏蔽双绞线传输的10Gbit/s标准——IEEE802.3an正式通过，传输距离达100m，适用于网路主干网与数据中心。2007年在光纤传输40G/100G以太网工作组成立，2010年6月新一代以太网技术802.3bg 40G/100G标准化完成。确立了可在主干网络使用多模光纤和对称铜缆连接的物理层通信规范，但是标准没有对UTP/STP 铜缆提出建议。

本文首先对万兆以太网的发展做了简要概述，接着就基于双绞线的10GBASE-T的特点以及其所使用的技术方面进行介绍。最后对文章做了总结，并对10G以太网可能应用范围进行预期。

2 10GBASE-T的特点

2.1 10GBASE-T的继承与进步

10GBASE-T是在1000BASE-T的基础之上发展而来的，其在前一代的基础之上既有继承也有进步突破。10GBASE-T继承了1000BASE-T的全双工工作模式，仍旧保持使用IEEE802.3以太网帧格式，保留802.3标准最小与最大帧长度，但不再使用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制。在传输介质上，10GBASE-T同样使用铜质电缆并支持RJ-45连接器和接插版，不同的是10G采用的是带宽更高以及对高频信号更亲和的6类与6A类双绞线，而1000M采用的是5类与5E类（增强型）。

10GBASE-T有如下的进步：

更高的性价比。在前一代的基础之上，传输速率提升到了10倍，但是成本只增加了2到3倍，并且价格的降低趋势符合摩尔价格曲线，在每18～24个月周期内，价格会降低一倍［3］。如图1所示，随着10G以太网铜缆端口数的增加，10G以太网的平均售价呈现下降趋势。

图1 10G以太网铜缆端口数与平均售价发展趋势

更低的功耗。在早期130nm的制造技术中，10GBASE-T交换机每端口的功耗在10瓦左右，随着集成电路技术工艺的提升，在40nm制造工艺下每端口功耗降低到4瓦，在28nm时，功耗可降到2.5瓦［4］，以1000M以太网功耗从早期9W降低到最终0.6W的发展趋势预估，10GE的每端口功耗可降低到1W左右。

布线更加的灵活。10GE中采用的是6及6A类非屏蔽双绞线，布线长度从最大55m的5类线缆延伸到100m，同时双绞线本身具有良好的现场可操作性，可以任意的裁剪以及即插即用的特性使10GE拥有灵活的布线，同时双绞线的广泛部署有利于万兆到桌面的实现。

良好的向下兼容性。由于10GBASE-T继承了802.3以太网帧结构，同时在802.3an的PHY层中添加了AN（自动协商子层），其能够自动的协商切换10M/100M/1000M［5］等不同速率来匹配优化接收双方的传输性能，使得10GBASE-T能够最大限度的兼容用户早期的以太网布线，使得其拥有良好的向下兼容性。

2.2 10GBASE-T的分成模型

图2 OSI7层参考模型与10GBASE-T分成模型对比

以太网的分成模型对应的是OSI7参考模型最底下两层：物理层与数据链路层。如图2所示，在10G以太网中，MAC子层与LLC子层相当于OSI7层分层模型的第二层——数据链路层［5］。LLC子层为高层服务，负责将高层传输的数据包分段与重组后封装到以太网的帧结构中，并负责通信链路的建立与维护以及对数据的安排、发送与接收之间进行协调处理。MAC子层处于LLC层与PHY之间，其屏蔽不同物理介质之间的差异，向LLC提供统一的数据格式与接口。正如前面所提的那样，10GBE继承了IEEE802.3以太网帧结构、最大最小帧长度以及MAC层的控制协议，因而与1000M以太网相比较，其数据链路层标准变化不大，变化较为明显的是物理层。10GBE的物理层分为RS（协调子层），PCS（物理编码子层），PMA（物理媒介接入），AN（协商子层）等子层。RS主要负责将XGMII通路上的数据映射到MAC/PLS接口之上，同时RS与XGMII可使MAC连接到不同类型的物理介质。PCS子层处于XGMII与PMA之间，主要完成从MAC层数据流的编码以及实现对PMA层数据的解码。PMA提供从PCS服务接口到由MDI接口连接的平衡线缆物理媒介之间的连接信息。 AN子层负责检测链路之间介质或者线缆的传输能力，选择接收双方相互匹配的最优传输技术，比如10M/100M/1000M或者10G，该子层的加入使得10GBASE-T拥有良好的向下兼容性能，其能确保用户平稳的网络升级，而不至于由于网络的不兼容而造成损失。MDI（媒介相关接口），其定义了媒介接口的物理属性，统一连接标准。

3 10GBASE-T的技术

3.1 全双工模式

10GBASE-T仅支持全双工传输模式。在IEEE802.3标准中采用半双工的总线模式，利用CSMA/CD的传输机制进行数据的传输，同一时刻线路中只有一路信号进行传输，当遇到传输出现冲突时，传输就出现中断。其具有原理简单，技术上易于实现的特点。但是随着网络用户以及网络业务量的增多，该传输模式明显不能满足人们对网络高效与低延时的需求。在万兆以太网标准802.3ae中首次规定仅在全双工模式下进行数据传输，在全双工模式下收发相对独立，两者之间没有明显的阻碍，省去了由于载波的检测而造成的延时，在一定程度上提升了传输的时效性。

3.2多级脉冲调幅

在信源的编码调制中，10GE采用了PAM（脉冲幅度调制），即脉冲载波的幅值随着基带信号而变化。在1000BASE-T中采用PAM5编码调制技术，将基带的连续3个码元编译成一个PAM码，如表1所示，其传输的码元不是单一的离散0与1，而是分为5个级别（-2、-1、0、1、2），每个码元携带2.32bit的信息量，但在实际的应用中考虑到编码的效率、纠错以及同步码的因素，实际传输只有2bit/码，因需在一对双绞线间传输250Mbit/s数据，因而码元速率为125M/S。在10GBASE-T中如若采用同样的编码方式，码元速率至少为1250M/S，由奈奎斯特准则得，在带宽受限的无噪声信道中，系统可靠传输带宽至少为码元速率的一半，即625M，但是6A类双绞线的最大传输带宽仅为500M。在成本与性能的平衡取舍之下，万兆以太网采用了更高的16级脉冲调幅——PAM16，如表2所示，将连续的4个基带码元编译成一个PAM16码，其拥有16个码元（-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15），让每个码元可以携带更多的信息量——4bit/码元（实际信息量为3.125bit/码元），因而在总的传输速率不变的前提下，可降低码元速率到800M/S，从而降低系统所需最小带宽。在16PAM中，系统所需最小带宽仅为400M。但是多级脉冲调制所付出的代价是需要更加强大的处理器进行编解码处理。

3.3 128DSQ+LDPC

为了让PAM16进行有效的数据传输，需要对PAM16码元进行信道编码。在10GBASE-T中采用的是128DSQ（128点双矩阵）编码技术，在两个连续的PAM16码元构成16x16的二维矩阵中，分别选取其中的128个点构成两个矩阵进行信号编码，这样可以扩大相邻码元之间的距离达1.414倍，相邻码元距离的扩大有利于降低码元之间的串扰，该编码方式可提高大约3dB的信噪比［5］。为了进一步降低传输数据的差错率，在128DSQ信道编码的基础之上加上LDPC（低密度奇偶校验码）。LDPC种具有优良的纠错性能与实用价值的线性分组码，其拥有逼近香农限以及软硬件易实现的特点。LDPC的加入让数据传输的差错率降低到10-12［1］，极大提高了数据传输的有效性。

3.4噪声消除

数据在传输中，干扰可分为内部与外部干扰，其中内部干扰大致可分为：近端串扰、远端串扰、回波干扰以及相邻信号间干扰。其中近端串扰与回波干扰由于是发射机在某一时刻发射的信号造成的干扰，因而可以在接收端根据噪声的特征而予以消除，两种噪声消除的平均增益在45dB［1］。远端串扰可由传输信号的时延与接收信号强度不同予以消除，消除增益在20dB左右［1］。在传输端采用THP预编码可消除相邻信号间干扰。随着DSP技术的发展，内部干扰不再是干扰信息传输的主要因素，其干扰可通过处理达到可忽略不计。外部干扰主要是线缆之间干扰与背景噪声，由于不知干扰噪声具体特征，DSP无法处理，因而外部干扰是限制以太网速度提升的主要因素。

表1 PAM5编码方式

表2 PAM16 编码方式

4 结语

以太网技术经历30多年的快速发展，传输速率从10Mbit/s到10Gbit/s的飞跃提升，应用范围从局域网扩展到广域网、城域网。随着100M、1000M以太网的大规模部署，网络主干网的带宽已不能满足人们对高速率、低时延的网络体验预期相，这也为万兆以太网从其应用的热门领域——DC（数据中心）转移到用户桌面提前准备，同时伴随着802.11ac（2.4G/5G）时代的到来，更高带宽与更高速率的WLAN对以太网技术也提出来更高的要求。接下来，我们的主要工作是让10G以太网技术从数据中心转移到个人电脑桌面，以及与下一代无线局域网技术802.11ax相结合，为用户提供更高质量、更高速率的网络体验。

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