10G以太网光接口及其实现

    2002年6月，IEEE通过了10 Gb/s速率的以太网标准——IEEE 802.3ae[1]。至此为止，以太网的发展已经历了4个阶段，即以太网、快速以太网、千兆以太网和10G以太网(10GE)阶段。10G以太网作为传统以太网技术的一次较大的升级，在原有的千兆以太网的基础上将传输速率提高了10倍，传输距离也大大增加，摆脱了传统以太网只能应用于局域网范围的限制，使以太网延伸到了城域网和广域网。10G以太网的优点在于保留了IEEE 802.3以太网媒体访问控制(MAC)协议，保持以太网的帧格式不变。10G以太网主要有以下特点：只工作在全双工模式；增加了广域网接口子层(WIS)，可实现与SDH的无缝连接。10G以太网技术适用于各种网络结构，可以降低网络的复杂性，能够简单、经济地构建各种速率的网络，满足骨干网大容量传输的需求，解决了城域传输的“瓶颈”问题。由于局域网、城域网、广域网采用同一种核心技术，避免了协议转换，实现了无缝连接，因此10G以太网是实现未来端到端光以太网的基础。

1 10G以太网光接口     10G以太网标准中关于物理接口有3种类型：     (1)IEEE 802.3ae，定义了在光纤上传输10G以太网的标准，传输距离从300 m到40 km。     (2)IEEE 802.3ak，定义了在对称铜缆上运行10G以太网的标准，传输距离小于15 m，适用于数据中心内部服务器之间的连接应用。     (3)IEEE 802.3an，定义了基于双绞线作为媒质的10G以太网标准，希望传输距离至少达到100 m，目前该标准正在制订中。

    3种类型中，基于IEEE 802.3ae标准定义的10G以太网光接口，可以根据光纤类型、传输距离等进一步细分为7种类型，如表1所示。

    在表1所示接口类型中，10GBASE-LX4使用了粗波分复用(CWDM)技术，把12.5 Gb/s的数据流分成4路3.125 Gb/s的数据流在光纤中传播，由于采用了8B/10B编码，因此有效数据流量是10 Gb/s。这种接口类型的优点是应用场合比较灵活，既可以使用多模光纤，应用于传输距离短对价格敏感的场合，也可以使用单模光纤，支持较长传输距离的应用。

    10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理编码子层(PCS)使用了效率较高的64B/66B编码，在线路上传输的速率是10.3 Gb/s。

    10GBASE-SR使用850 nm的激光器，在多模光纤上的传输距离是300 m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分别使用1 310 nm和1 550 nm的激光器，在单模光纤上的传输距离分别是10 km和40 km，适用于城域范围内的传输，是目前的主流应用。

    10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是应用于广域网的接口类型，其传输速率和OC-192 SDH相同，物理层使用了64B/66B的编码，通过WIS把以太网帧封装到SDH的帧结构中去，并做了速率匹配，以便实现和SDH的无缝连接。

2 10G光模块     由于光收发模块集成化程度越来越高，因此10G以太网光接口的功能完全可以由一个光模块来实现。10G光模块主要包括光/电转换、时钟提取和同步、复用/解复用、64B/66B编解码、WIS、8B/10B编解码等子功能 模块。

    据LIGHT READING杂志的研究报告[2]显示，10G光模块将是未来几年最具市场潜力的光器件。现在应用比较广泛的10G光模块有以下几种：300pin、Xenpak[3]、Xpak、X2和XFP[4]。其中300pin属于第一代模块，主要应用于SDH，把电接口改成10G以太网16位接口(XSBI)后也可应用于10G以太网；Xenpak是针对10G 以太网推出的第一代光模块，采用IEEE 802.3ae标准中的10G附加单元接口(XAUI)作为数据通路；Xpak和X2是Xenpak光模块的直接改进版，体积缩小了40%左右；XFP是一种外形紧凑、价格低廉的光模块，有点类似于千兆以太网的小型化可拔插光模块(SFP)。由于300pin光模块在10G以太网中应用较少，因此下面重点介绍Xenpak、Xpak、X2和XFP这4种光模块。

2.1 Xenpak光模块     Xenpak光模块的功能框图如图1所示，分别对应IEEE 802.3ae标准中的10G媒体无关接口扩展子层(XGXS)、PCS、物理媒体附加子层(PMA)和物理媒体相关子层(PMD)的功能。

    Xenpak光模块通过70pin的SFP连接器与电路板连接，其数据通道是XAUI接口；Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定义的光接口，在线路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。

    Xenpak光模块封装在一个4.8×1.4×0.7立方英寸的空间内，内置1 310 nm的半导体分布反馈(DFB)激光器，采用直接调制方式，无内嵌温度控制装置。Xenpak在G.652的单模光纤上传输距离可以达到10 km，适合于城域范围的应用，是目前10G以太网端口的主流产品。除光电部分外，复用/解复用模块(MUX/DEMUX)是Xenpak内部的另一个重要的功能部件，Xenpak 50%以上的功耗是由复用/解复用模块消耗的，因此Xenpak光模块体积较大，功耗也较大。

    Xenpak光模块的应用比较简单，只用一个光模块即可实现10G以太网光接口的功能。其电路设计的难点在于高速数据接口XAUI的设计，XAUI接口包括8对速率为3.125 Gb/s，串行，内含时钟的差分线。XAUI接口的性能直接影响到系统的转发性能。

2.2 Xpak和X2光模块     Xpak和X2光模块都是从Xenpak标准演进而来的，其内部功能模块与Xenpak基本相同，在电路板上的应用也相同，都是使用一个模块即可实现10G以太网光接口的功能。由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上开槽，实现较复杂，无法实现高密度应用。而Xpak和X2光模块经过改进后体积只有Xenpak的一半左右，可以直接放到电路板上，因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用。

    Xpak和X2光模块可以提供两种电路接口：XAUI和串行成帧器接口(SFI-4)，即可以用于10G以太网，也可用于OC-192 SDH和10GFC。可以说Xpak和X2是非常相近的标准，X2相比Xpak的改动主要反映在导轨系统上，业界人士普遍认为两种规格会最终融合到一起。

2.3 XFP光模块     与Xenpak阵营分庭抗礼的领衔厂商是美国Finisar公司，它联合了大约10个公司，包括系统集成商Brocade、Emulex、ONCiena，光模块提供商Finisar、JDSU、Sumitomo Electric、Tyco Electronics和芯片制造商Broadcom、Maxim、Velio等，在2002年3月成立了XFP多源协议组织(MSA)。与其他几种光模块相比，XFP是外形最紧凑成本是最低廉的光模块，因此具有很大的优势。XFP已被认为是继Xpak或X2后的新一代产品，目前已经有很多厂商都发布了自己的XFP光模块产品。

    XFP的功能框图如图2所示，与其他几种光模块相比，XFP是光收发器(Transceiver)不是光收发模块(Transponder)。光收发器实际上只是一个光电转换器件，只负责完成光/电信号的转换，其他功能如复用/解复用、64B/66B编解码等由电路板上的芯片实现。XFP光模块可轻松实现高端口密度的应用，由于XFP占用印刷电路板(PCB)的面积只有Xenpak的20%，功耗只有1.5～2 W，因此可用于实现最多16端口的线卡。

    XFP与电路板的接口采用10G串行电路接口(XFI)。现在已经有厂家提供XSBI-to-XFI和XAUI-to-XFI的芯片，XGMII-to-XFI的芯片也有厂家在开发中。图3所示是分别使用Xenpak和XFP实现10G以太网接口的对比，从图中可以看出，与Xenpak相比，XFP虽然要和物理层(PHY)芯片配合使用，但仍然节省了中间的XGXS和XAUI接口部分(图3中深色阴影部分)，使得费用降低。

    因为XFP只是一个光收发器，所以与协议实现无关，可以普遍适用于10G以太网、10GFC和OC-192 SDH，应用的普遍性有利于设备制造商提高采购量，从而达到降低成本的目的。此外，XFP提供一个两线的串行接口，可以实现数据诊断功能，实时地监控光模块的各种参数，如温度、激光器偏置电流、发送光功率、接收光功率、工作电压等。

3 4种光模块优缺点对比     光模块可按其内部结构和功能分成两类：Xenpak、Xpak和X2是光收发模块类，XFP是光收发器类。这两类光模块体现了两种不同的设计思路，两者各有优缺点：光收发模块的优点是集成度高，电路设计实现简单，电路设计工程师可以将主要精力放在系统设计上，不必为器件在电路上的实现花费太多的精力；缺点是功耗大、体积大，限制了在PCB板上安装光模块的数目，不能满足现在数据产品对端口密度的要求。光收发器的优点是体积小、价格便宜，易于实现高端口密度的应用；缺点是对电路设计要求较高，要在普通电路板上实现10 Gb/s速率、12英寸传输距离的XFI接口。此外，XFP光模块要求能够同时支持低价位短距离和高性能长距离的应用(从600 m到40 km)。

    目前来看，由于Xenpak光模块推向市场最早，技术成熟度较高，提供XAUI接口的芯片也较多，因此应用比较广泛。而Xpak、X2虽然在体积上仅有Xenpak的一半，但成本也比Xenpak光模块高，只能作为一种过渡性的产品出现。由于XFP光模块的出现和技术的飞速发展，很多厂商都已放弃Xpak、X2光模块的开发，直接转向XFP光模块。从目前各光模块厂商的出货情况来看，Xenpak的出货量仍然很大，Xpak、X2应用较少，而XFP的增长则非常迅速。

4 10G以太网交换机的实现     2002年9月，中兴通讯独家承担了国家十五“863”计划项目“基于10 Gb/s城域以太网试验系统的开发”，并在国内首家推出了符合IEEE 802.3ae标准的10G以太网交换机ZXR10-6610。ZXR10-6610基于10G平台实现，转发容量达到120 Mp/s，提供10G以太网、1 000/100M以太网、10G RPR、OC-192/OC48 POS等多种业务类型接入，具备高可靠性、平滑的升级能力和良好的QoS性能，支持多协议标签交换(MPLS)、虚拟专用网(VPN)、网络地址转换(NAT)、策略路由等多种应用。

    在ZXR10-6610中，10G以太网转发板是整个系统的关键部件。为保证10G端口的线速性能，转发板采用10G网络处理器实现，功能框图如图4所示。

    图4中，10G网络处理器和10G以太网光接口是完成高速数据转发的核心部件。系统采用了第二代10G网络处理器，单芯片具备全双工10 Gb/s的数据处理能力，既可以提供像专用集成电路芯片(ASIC)一样的处理速度，又具有通用处理器的智能性和灵活性。考虑到技术成熟度，10GE光接口采用了符合10GBASE-LR标准的Xenpak光模块来实现。Xenpak光模块的应用比较简单，其外围接口包括：用户光纤连接器(SC)、XAUI接口、管理数据输入输出接口、电源等。10GE光接口部分的设计难点在于XAUI接口的设计，由于其性能直接影响到系统的转发性能，因此是设计中必须要解决的关键技术。

    ZXR10 6610在XAUI接口设计上采取了以下措施：     (1)为降低线路噪声干扰，在本系统中发送方向(网络处理器到光接口)的串行线采用电源作为参考平面，接收方向(光接口到网络处理器)的串行线采用地作为参考平面，有效地提高了接口性能。     (2)严格控制高速差分线的传输阻抗，要求单端阻抗控制为50 Ω，差分阻抗为100 Ω。     (3)保证差分对内的信号线布线长度一致，要求控制在2 mil以内；各差分线对之间的距离要尽可能远，尤其是不同端口的差分对之间的距离要求大于200 mil。     (4)避免高速信号线在不连续的平面上布线，这样会导致阻抗不匹配，引起信号反射，造成电磁干扰(EMI)。

    对10G以太网端口的转发性能的测试表明：中兴通讯10G以太网交换机ZXR10-6610对最短包(64字节)的转发吞吐率达到了100%，线速情况下的延迟与延迟抖动非常小，系统实现了板间的10 Gb/s线速转发，标志着ZXR10-6610的性能指标处于国际同类产品领先水平。

5 参考文献 [1] IEEE 802.3ae. Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation [S]. [2] 10 Gbit/s Transponder Technologies [EB/OL]. http://www.lightreading.com/document.asp?site=lightreading&doc_id=43536&page_number=2. [3] A cooperation Agreement for 10 Gigabit Ethernet Transceiver Package, Issue 3.0 [EB/OL]. http://www.xenpak.org/MSA/XENPAK_MSA_R3.0.pdf. [4] XFP Rev. 4.0 with Addition of Nomenclature for 10G BASE-LRM and G.959.1 P1L1-2D2 [EB/OL]. http://www.xfpmsa.org/XFP_SFF_INF_8077i_Rev4_0.pdf.

收稿日期：2004-09-12

[摘要] 文章从应用的角度探讨了10G以太网(10GE)光接口的特性，着重介绍了4种不同的10 Gb/s速率的光模块：Xenpak、Xpak、X2、XFP；在对比4种光模块优缺点的基础上，给出了几种光模块各自的最佳应用场合；最后介绍了一个10G以太网交换机的设计实例。

[关键词] 10G以太网；Xenpak光模块；XFP光模块

[Abstract] This paper outlines the characteristics of 10 Gigabit Ethernet optical interfaces from the point of view of application. Four types of 10 Gigabit optical modules are introduced. Based on the comparison between them, the best situation for the deployment of each type of module is analyzed. Finally, the implementation of ZTE’s 10 Gigabit Ethernet Switch is introduced.

[Keywords] 10GE; Xenpak transponder; XFP transponder