思科路由器和交换机的万兆以太网端口类型和可插拔模块揭密

　　您可能已经阅读了大量关于万兆以太网（以下简称10GbE）的文章，进而确信它将是您的数据中心下一项需要采用的技术。现在，您需要做的是深入了解这项技术的具体细节。或者，您可能在寻找您的下一个配线间升级方案，或者考虑用10GbE满足下一代城域网（MAN）的需要。

　　或者，您可能只是一个喜欢站在技术前沿的技术爱好者。

　　如果您符合上面这几种情况中的任何一种，本文就可以帮助您全面地了解10GbE技术和标准的端口类型，以及理解思科交换机、路由器上的多种10GbE可插拔模块的区别、共性和应用。

　　IEEE 802.3ae任务小组于2002年将10GbE确立为标准。虽然它已存在三年，这在互联网时代足以让一项标准成为过时的技术，但是10GbE技术仍然处于旺盛发展的时期，而10GbE市场也还处于起步阶段。

　　在深入可插拔光接口的细节之前，首先让我们了解一下10GbE标准，以及各种10GbE标准端口类型的主要应用。

　　基于光纤的10GbE：802.3ae概览

　　首先要指出的是，10GbE仍然属于以太网，只是速度快得多。除了将速度水平提高到了10000Gb/s以外，IEEE 802.3ae 10GbE标准的主要目标是保留以太网的帧格式，保持802.3标准的最大和最小帧尺寸，以及只支持全双工操作（因而不符合CSMA/CD协议的要求）。IEEE 802.3ae标准的很大一部分都是用于定义10GbE物理层。

　　随着标准化工作的深入，人们定义了四种主要的光接口类型，它们可以在不同的距离上支持单模和多模光纤。按照IEEE的术语，这些接口被称为依赖于物理介质的子层，简称PMD。除了这四种PMD以外，该标准还制定了两个用以支持LAN和WAN应用的物理层规范（PHY）系列。一般而言，PHY的属性是在负责编码和解码功能的物理编码子层（PCS）定义的。目前，总共有七种10GbE端口类型（如图1所示）。

　　IEEE 802.3ae PMD子层

　　10GbE标准所规定的PMD子层看起来似乎容易混淆。每个PMD都具有不同的技术特性，可以支持不同的光纤介质和操作距离。在定义PMD子层时，IEEE倾向于为每种特定的应用提供成本最低廉的光传输技术：

　　只用于单模光纤的PMD

　　10GBASE-L?D?D工作在1300nm频段，最长距离为10公里（6.2英里）。

　　10GBASE-E?D?D工作在1550nm频段，最长距离为40公里（24.8英里）。

　　图1IEEE 802.3ae标准为LAN或者WAN应用定义了四种PMD和三个PCS层，以及七种可选的10GbE端口类型。

　　IEEE 802.3ae 万兆以太网端口类型

　　只用于多模光纤的PMD

　　10GBASE-S?D?D采用低成本的850nm激光技术，在传统多模光纤上覆盖26到82米的距离。利用针对激光优化的多模光纤（也被称为OM3光纤），10GBASE-S的覆盖距离可以扩展到300米。

　　适用于多模和单模光纤的PMD

　　10GBASE-LX4采用了一个由四束激光组成的阵列，每个以3.125Gb/s发射，并且四个接收器以波分复用（WDM）的方式排列。该PMD工作在1300nm频段，可以在传统的FDDI级多模光纤上支持300米的连接距离，在单模光纤上支持10公里的连接距离。

　　如需详细了解PMD所支持的各种光纤类型和连接距离，请参阅思科产品简介，网址是：cisco.com/packet/173_5b1。

　　IEEE 802.3ae PHY系列

　　10GbE标准框架包含两个新的物理层规范：LAN PHY和WAN PHY。另外还有三种PCS子层：10GBASE-X、10GBASE-R和10GBASE-W。前两个属于LAN PHY系列，最后一个属于WAN PHY。

　　LAN PHY和WAN PHY的区别在于帧类型和接口速度。串行LAN PHY（10GBASE-R）采用的是以太网帧，数据速率为10.3125Gb/s（MAC的运行速度为10.000Gb/s；加上64B/66B的编码开销，实际的线路速率为10.000* 66/64=10.3125Gb/s）。而WAN PHY则可以将64B/66B编码负荷包装到一个通过SONET连接的STS-192c帧中，数据速率为9.953Gb/s。

　　我们为什么需要WAN PHY？

　　SONET/SDH是光传输网络上采用的主要技术，因而传统的光传输基础设施都建立在工作速率为9.953Gb/s的SONET/SDH协议的基础上。但是，线路速率为10.3125Gb/s的LAN PHY与SONET/SDH的速率不匹配，因而不能在基于SONET/SDH的WAN上传输。WAN PHY是IEEE为让10GbE数据速率适应SONET/SDH速度而提供的方法。

　　WAN PHY可以让10GbE兼容ANSI定义的SONET STS-192c格式和数据速率，以及ITU规定的SDH VC-4-64c容器。WAN PHY并不是严格兼容SONET。它更适于被形容为10GbE的一种适应SONET的变体。它的光传输规格和延时、抖动要求仍然与SONET/SDH网络截然不同。

　　基于铜线的10GbE：802.3ak概览

　　在2004年，10GbE标准端口类型迎来了一个新的成员：10GBASE-CX4。这项经过IEEE 802.3ak任务小组审批的标准是第一个基于铜线接口的10GbE规范。CX4可以满足市场对于在无需光纤介质的传输距离的应用中使用成本极低的10GbE连接的需求。10GBASE-CX4运行在15米长的四对双轴铜线上，采用由Infiniband贸易协会制定的IBX4连接器标准。

　　图2 不同的10GbE端口类型可以满足各种企业和电信运营商应用的需要，提供最经济有效的技术解决方案。

　　IEEE 802.3ae万兆以太网端口类型的对应情况

　　最适合的应用 主要传输介质 典型使用范围 10GBASE

　　-CX4

　　10GBASE

　　-SR

　　10GBASE

　　-LX4

　　10GBASE

　　-LR

　　10GBASE

　　-ER

　　10GBASE

　　-xW

　　室内水平 铜缆－结构化布线 <=100m

　　室内垂直（楼宇骨干网） 多模光纤 <=300m 最佳匹配

　　园区骨干网（楼宇之间） 多模单模 <=2km 最佳匹配 最佳匹配 最佳匹配

　　数据中心/服务器群 多模/IBX4铜质软线 <=50m 最佳匹配 最佳匹配

　　城域 单模 <=80km 最佳匹配 最佳匹配 最佳匹配

　　在传统SONET/SDH基础设施上传输 单模 <=10km（到传输设备） 最佳匹配 最佳匹配

　　不久之后，10GBASE-CX4将不会再是唯一可以在铜缆上支持10GbE的标准；事实上，IEEE任务小组802.3an目前正在制定10GBASE-T标准，它将可以在六类UTP线缆上支持55到100米的距离，在七类线和“增强六类线”（即Cat6e线缆）上支持100米的距离。这项标准将于2006年7月被核准。

　　IEEE 10GbE的应用

　　如前所述，10GbE标准中的端口类型数量旨在经济有效地满足各种应用的需要。每种物理层技术都可以满足特定的市场需求，并提供成本最低廉的技术解决方案。图2显示了最常见的10GbE应用与特定的10GbE端口类型的对应情况（按照传输介质的距离和可用性分类）。事实上，端口类型并不一定仅限于表中所显示的应用。

　　10GBASE-SR和10GBASE-CX4主要用于数据中心或者服务器群应用。有限的距离要求和灵活的传输介质选项（铜线/光纤）让机架内/机架间服务器－交换机和交换机－交换机互联成为了这些技术的理想目标。请注意，CX4需要IBX4软线，不支持结构化布线。

　　10GBASE-LX4在支持的光纤介质和传输距离方面的灵活性使它成为了最适用于企业园区网络的技术。尽管并没有针对数据中心进行成本优化，但是LX4也可以用于这种采用了大量多模光纤的环境。因此，LX4被视为是企业网络中的“瑞士军刀”式10GbE技术。

　　利用10GBASE-LR和10GBASE-ER，我们可以支持那些需要延长的传输距离和只支持单模光纤的应用：园区骨干网和城域应用。这两种端口类型最适用于电信运营商的部署应用，例如城域以太网服务汇聚，DSL回程线路，以及POP间连接等。

　　在需要使用一个基于长途SONET/SDH的光传输基础设施时，电信运营商应当考虑将WAN PHY用于POP间或者办公室间应用。

　　对于那些希望从一个运营商那里租用一条OC-192 TDM线路或者一条OC-192光纤，用于跨越多个国家甚至大陆的WAN应用的企业来说，10BASE-W常常是唯一的选择。

　　下面让我们了解一下三种思科10GbE光收发器。它们代表了此前所介绍的端口类型的实际应用。

　　“X”模块所支持的特性

　　支持的特性 XENPAK X2 XFP

　　所有IEEE端口类型 支持 支持 除LX4以外

　　非IEEE端口类型 支持（80km/DWDM） 不支持 不支持

　　尺寸（mm） 126×36×17 100×36×12 78×18×10

　　连接器类型 SC SC LC

　　除万兆以太网以外的协议 不支持 不支持 支持（OC-192 9.95Gb/s，G.709 10.709Gb/s）

　　图3 “X”模块（Xenpak、X2和XFP）之间的主要区别在于它们的尺寸和支持的端口类型、协议。

　　思科10GbE可插拔接口

　　目前，思科交换机和路由器上的几乎每个10GbE端口都是独立于光纤或者铜线物理接口销售的。这让最终用户可以根据应用要求选择不同的热插拔收发器，从而定制10GbE端口。

　　如需查看Alessandro Barbieri撰写的《万兆以太网和它的“X”模块》全文，请访问cisco.com/packet/173_5b2。

　　思科10GbE收发器建立在行业标准（被称为多来源协议或者MSA）的基础上。思科采用了三种具有不同的电气和机械特性的10GbE收发器：

　　Xenpak（www.xenpak.org）

　　X2（www.x2msa.org）

　　XFP（www.xfpmsa.org）

　　从最终用户的角度来说，Xenpak、X2和XFP之间最主要的区别在于机械尺寸，以及它们所支持的端口类型和10G协议（除了10GbE以外）。（请参阅图3；注意，从技术上说所有三种X模块都可以支持光纤通道，但是目前没有出现这样的商业应用）。

　　Xenpak是这三种模块中尺寸最大的。但是尺寸的增大也使它具有了多功能优势：更多的空间有助于集成光网和电子组件，具有更高的热能效率，从而降低对散热的需求。因此，Xenpak可以支持范围最广泛的端口类型，满足大功率的DWDM接口和80公里PMD的需要。随着技术的进一步成熟，现有的在所支持的端口类型方面的不足将会消失。

　　图4 通过将WDM光纤集成到一台交换机或者路由器中，可以避免在网络中使用收发器。

　　DWDM Xenpak集成的好处

　　相关成本

　　在每个通道上使用六个激光/收发器和两个OEO转换

　　基于收发器的WDM

　　交换机/路由器收发器WDM过滤器

　　WDM过滤器收发器交换机/路由器

　　在每个通道上使用两个激光/收发器，没有OEO转换 集成的WDM可插拔收发器

　　交换机/路由器WDM过滤器

　　WDM过滤器交换机/路由器

　　X2在电气上与Xenpak兼容，因而可以与Xenpak共用主板设计和组件。同时，它可以让具有尺寸和热量限制的小型交换机支持10GbE。

　　XFP是尺寸最小的X模块，这在一定程度上是因为它取出了很多电子器件，将成本转移到主机线卡上。有趣的是，按照设计，XFP可以支持电信协议的数据速率，这使它成为了使用以太网的路由平台和SONET/SDH分组或者永续分组环（RPR）接口的理想模块。

　　超越10GbE端口类型：Xenpak

　　思科的10GbE产品线支持两种非IEEE Xenpak端口类型：DWDM（从2004年7月开始供货）和ZR（预计于2005年第四季度发布）。DWDM采用了一个PMD来发送32个不同的通道，从而可以在单股光纤上达到惊人的320Gb/s速率。在光大器的帮助下，DWDM信号可以在200公里的范围内传输。ZR能够达到80公里的范围，比802.3ae 10GBASE-E标准规定的距离大一倍。

　　DWDM Xenpak：寻求无限的带宽

　　DWDM Xenpak让企业不需要利用专门的DWDM收发器进行波长转换，从而大幅度减少网络中的传输设备的数量（如图4所示）。但是，DWDM Xenpak真正的独特之处在于它可以实现光传输层与交换、路由的无缝集成。利用DWM Xenpak，10GbE路由器和交换机可以在同一个平台和架构中综合第一层到第三层（甚至以上层次）的OSI功能。

　　这样，DWDM Xenpak可以在高端交换机和路由器的传输和以太网/IP功能之间提供新的集成水平。

　　对于那些正在建设下一代三网合一网络的电信运营商而言，在同一个平台上整合DWDM功能和第二层、第三层转发可以大幅度节约资本开支（例如，不需要使用转发器，减少网络中的光纤数量）和运营开支（避免收发器系统的管理和运营成本）。

　　对于企业而言，这种10GbE DWDM技术可以在很大程度上消除对于专用传输设备的需求。这些设备往往非常复杂，而且会给企业带来昂贵的运营开支。利用DWDM Xenpak，传输层可以只限于那些不需要任何管理的、简单的无源多路复用设备。

　　在只需要一个通道时，企业甚至可以为前期部署使用DWM Xenpak：DWDM Xenpak的价值在于它能够通过将新的DWDM Xenpak插入到核心交换机中，平稳地在同一个光纤基础设施上升级带宽。企业可以方便地从熟悉的IOS命令行界面（CLI）管理光传输层，完成这个流程。DWDM Xenpak目前是?D?D而且在将来相当长一段时间内都将是?D?D市场上技术水平最高的可插拔模块。思科致力于在它的10GbE产品线中支持所有三种10GbE可插拔模块（Xenpak、X2和XFP），以及提供IEEE 802.3标准中定义的所有端口类型。而且，思科将继续在标准之外，为客户提供最广泛的技术和不断扩大10GbE应用的范围。