万兆以太网

**10 吉位元乙太網路**（英語：10 Gigabit Ethernet，縮寫為 10GE、10GbE、10 GigE 或 10GE），也譯為 **10 吉位乙太網路**、**百億乙太網路**，一種乙太網路的傳輸標準，最初在 2002 年通過，成為 IEEE Std 802.3ae-2002。它規範了以 10 Gbit/s 的速率來傳輸的乙太網路，因為速率是十億位元乙太網路的十倍，因此得名。

10 Gigabit 乙太網路，以全雙工方式連接到網路交換器等網路裝置，並不支援半雙工模式與 CSMA/CD。

## 標準

多年來，美國電氣和電子工程師協會（IEEE）802.3 工作群組已經發布數個涉及到 10GbE 的標準。這些標準包括：802.3ae-2002 (光纖 -SR, -LR, -ER 和 -LX4 PMDs)，802.3ak-2004（-CX4 銅纜雙軸型 InfiniBand 電纜），802.3an-2006（10GBASE-T 銅纜雙絞線），802.3ap-2007（銅纜背板 -KR 和 -KX4 PMD）和 802.3aq-2006（增強負載均衡的光纖 -LRM PMD）。802.3ae-2002 和 802.3ak-2004 修訂被合併為 IEEE 802.3-2005。 IEEE802.3-2005 和其它修訂被合併為 IEEE Std 802.3-2008。

## 實體層模組

為了支援不同的百億乙太網路實體層標準，很多介面包含一個標準的物理插座，可插入不同的 PHY 模組。實體層模組沒有正式的標準規範，而是由多源協定（MSAs）進行快速協商。百億乙太網路的多源協定包括 XENPAK（及其相關的 X2 和 XPAK），XFP 和 SFP+。選擇 PHY 模組時，設計人員需要考慮成本、跨越的距離、媒介類型、功耗和尺寸（外形）。只要插入物理模組的百億乙太網路光纖或銅線的埠類型是相同的（例如 10GBASE-SR），一個單一點到點連結的兩端就可以有不同多源協定的可插拔物理模組（例如 XPAK 和 SFP+）。

XENPAK 是第一個符合多源協定的百億乙太網路小型裝置標準規範，是獨立於收發光訊號的大型封裝電路和光學元器件，具有較大的體積。 X2 和 XPAK 後來競爭的標準與更小的外形尺寸。在市場上，X2 和 XPAK 沒有像 XENPAK 一樣成功。XFP 是 X2 和 XPAK 的後繼者，擁有更小的封裝規模。

最新的模組標準是增強小封裝可插拔收發器，一般稱為 SFP+，其基於小封裝可插拔收發器（SFP），由 ANSI T11 光纖通道小組開發的。比起 XFP，SPF+ 的體積更小、功耗更低，SFP+ 已經成為百億乙太網路系統中最流行的可熱插拔光學收發器。SFP+ 模組只負責光訊號到電訊號的轉換，並沒有時鐘、資料恢復和主機信道均衡的功能。SFP+ 模組相容傳統的 SFP 模組，其外形完全一致，比 XFP 允許更高的埠密度，還能重複利用於現有 24 個或 48 個埠的 19" 刀片機架。

光模組通過一個 XAUI，XFI 或 SFI 介面連接到主機。XENPAK、X2 和 XPAK 模組使用 XAUI 連接到主機，XAUI（XGXS）採用四條資料通道，其定義在 IEEE 802.3 Clause 48 中；XFP 模組使用 XFI 介面、SFP+ 模組使用 SFI 介面，XFI 和 SFI 使用單條資料通道和 64B/66B 編碼傳輸，其定義在 IEEE 802.3 Clause 49 中。

SFP+ 模組可進一步分為兩種類型的主機介面：Linear 線性放大介面和 Limiting 包含限幅放大器介面。除非需要使用 10GBASE-LRM 提供的 Linear 介面，舊的光纖基礎設施應首選使用 Limiting 介面。

## 光纖

光纖有兩種：單模光纖（SMF）和多模光纖（MMF）。單模光纖是一種設計用來傳送單一光束 (模) 的光纖，通常此光束內有多種波長的光；而在多模光纖中，光線有多個傳輸路徑產生差模延遲（DMD）。單模光纖用於長距離通信，多模光纖則用於傳輸距離小於 300 米的通訊。單模光纖的芯比較窄（8.3μm），所以需要更精密的終端和連接，其優點是可傳輸的距離更遠。多模光纖的芯則比較寬（50μm 到 62.5μm），其優點是在較短的距離下可以由一個成本比較低的垂直腔面發射雷射器（VCSEL）驅動，同時多模光纖的連接器更為便宜，在現場能更容易和更可靠地安裝。

IEEE 802.3 標準參考了 FDDI 級別的多模光導纖維，其具有 62.5μm 的內芯，850nm 的波長最小的頻寬是 160MHz / 公里，最初被安裝在上世紀 90 年代初的 FDDI 和 100Base-FX 網路中。IEEE 802.3 標準還參照了 ISO/IEC 11801 定義了多模光纖的纖維類型有 OM1、OM2、OM3 和 OM4。OM1 具有 62.5μm 的內芯，而其它類型則具有 50μm 的內芯。在 850nm 波長下，OM1 的最小頻寬為 200MHz / 千米，OM2 為 500MHz / 千米，OM3 為 2000MHz / 千米，OM4 為 4700MHz / 千米。FDDI 級別的光纜現在已經過時，新的結構化布線安裝必須使用 OM3 或 OM4，OM3 光纜可以使用低成本的 10GBASE-SR 標準，其最大可以傳輸 300 米，OM4 則可以傳輸 400 米。

多模光纖和單模光纖的區別是，單模光纖外皮通常是黃色的，而多模光纖的外皮則是橙色（OM1 和 OM2）或藍色（OM3 和 OM4）。然而不論是多模光纖還是單模光纖，除了物理連接器（APC）是統一的綠色外，光纖並沒有統一的外皮顏色標準用於區分光纖的最大速率。現在比較流行的是使用有源光纜（AOC），有源光纜模組消除了電纜和光學模組之間的相容問題，其可被插入到標準的光模組插槽中。有源光纜模組的成本比其它光學解決方案低，是因為廠商可以一次性生產配對的電纜的類型和所需的長度。

### 10GBase-SR

10GBASE-SR（短跨距）使用多模光纖和 850nm 波長的雷射。它的實體層編碼使用 IEEE 802.3 Clause 49 定義的 64b/66b PCS ，物理媒介（PMD）則被定義在 Clause 52，其線路速率可達 10.3125 Gbit/s，可提供串行資料。

與已經過時的 FDDI 級別 62.5μm 多模光纖內芯布線最大傳輸局裡 26 米相比，62.5μm 內芯的 OM1 可達 33 米，50μm 內芯的 OM2 可達 82 米，OM3 可達 300 米，OM4 可達 400 米。OM3 和 OM4 是建築物內結構化光纖的首選，比起單模光纖系統，使用多模光纖系統的 10GBASE-SR 標準不論雷射發生器還是連接器都具有較低的成本和功耗。OM3 和 OM4 光纖布線有時被稱為最佳化雷射，因為它們設計為 VCSEL 工作。10GBASE-SR 可以提供最低成本、最低功耗和最小尺寸的光模組。在 2011 年，10GBASE-SR 一季度的出貨量穩居 10GbE 配接器埠第一。

有一個非標準低成本和低功耗的變體被稱為 10GBASE-SRL （精簡版 10GBASE-SR），其完全相容於 10GBASE-SR 但最大可傳輸距離只有 100 米。

### 10GBase-LR

10GBASE-LR（長跨距）使用單模光纖和 1310nm 波長的雷射。它的實體層編碼使用 IEEE 802.3 Clause 49 定義的 64b/66b PCS ，物理媒介（PMD）則被定義在 Clause 52，其線路速率也可達 10.3125 Gbit/s，可提供串行資料。10GBASE-LR 的最大傳輸距離可達 10 千米（6.2 英里），但 10GBASE-LR 光模組其實通常可以在長達 25 千米（16 英里）的距離內傳輸而不會遺失資料。

10GBASE-LR 的雷射是通過法布里 - 珀羅分布回饋雷射器（DFB）產生的，DFB 雷射器比 VCSEL 昂貴，但是更高的功率和更長的波長使其可以實現高效的耦合，通過內芯較小的單模光纖能傳輸更遠的距離。

### 10GBASE-LRM

10GBASE-LRM（多模長跨距）使用多模光纖和 1310nm 波長的雷射。它的實體層編碼使用 IEEE 802.3 Clause 49 定義的 64b/66b PCS ，物理媒介（PMD）則被定義在 Clause 68，其線路速率亦可達 10.3125 Gbit/s，可提供串行資料。10GBASE-LRM 最大傳輸距離可達 220 米（720 英尺），與舊的 FDDI 級別多模光纖相同，220 米也已經達到 OM1、OM2 和 OM3 的水平。10GBASE-LRM 是受到老標準 10GBASE-LX4 的影響而研發。為確保符合規格能達到 FDDI 級別的要求，OM1 和 OM2 傳輸發射器應通過調整模式接插線進行耦合，如果不能使用調節模式跳線則需要使用 OM3 或 OM4。10GBASE-LRM 使用電子色散補償（EDC）作為接收均衡器。

有些 10GBASE-LRM 的傳輸模組在使用標準單模光纖（G.652）的情況下支援超過 300 米（980 英尺）的傳輸距離 ，但它不是 IEEE 或 MSA 的規範。

### 10GBASE-ER

10GBASE-ER（擴充跨距）使用單模光纖和 1550nm 波長的雷射。它的實體層編碼使用 IEEE 802.3 Clause 49 定義的 64b/66b PCS ，物理媒介（PMD）則被定義在 Clause 52，其線路速率均可達 10.3125 Gbit/s，可提供串行資料。10GBASE-ER 使用外調製雷射器（EML）產生雷射。

10GBASE-ER 可以在長達 40 千米（25 英里）的範圍內傳輸資料，超過了標準鏈路設計的 30 公里範圍。

### 10GBASE-ZR

一些廠商已經推出了傳輸距離可達 80 千米（50 英里）的 10GBASE-ER 標準，稱為 10GBASE-ZR。在 IEEE 802.3ae 標準中並沒有定義這個標準，10GBASE-ZR 是廠商基於 OC-192/STM-64 SDH/SONET 規範創造自己的規格。

10GBASE-ZR 將不會被納入到 802.3 標準中。

### 10GBASE-LX4

10GBASE-LX4 是一個可被用在多模光纖或單模光纖上，使用 1310nm 波長的雷射的標準。它使用 4 個獨立的雷射源，通過波分復用使用 1310nm 附近的 4 個獨特的波長，使線路速率可達到 3.125 Gbit/s。它的實體層編碼使用 IEEE 802.3 Clause 48 定義的 8b/10b PCS，物理媒介（PMD）則被定義在 Clause 53。10GBASE-LX4 在 FDDI 級別、OM1、OM2 或 OM3 多模光纖下支援的最大傳輸距離為 300 米（980 英尺），所有的光纖類型使用 1310nm 波長雷射事所能提供的頻寬必須超過 500MHz / 千米。10GBASE-LX4 還支援最大傳輸距離為 10 公千米（6.2 英里）的單模光纖。

對於多模光纖連結的 WDM 輸出，需要調節單模光纖雷射間接發射模式跳線進行耦合，這定義在 IEEE 802.3 規範 53.6 和 38.11.4 章節中。

在 2005 年，10GBASE-LX4 的光模組比 10GBASE-LR 光模組便宜。使用 10GBASE-LX4 的人多數是想在同一個光模組下同時使用多模光纖和單模光纖。不過 10GBASE-LX4 現在是過時的技術，已經沒有多少市場占有率。

### 10GBASE-PR

10GBASE-PR（PON）最初是在 IEEE 802.3av 標準中被指定為 10G 乙太網路 P 實體層的無源光網路，下行使用波長為 1577nm 的雷射，上行使用波長為 1270nm 的雷射傳輸資料。物理媒介（PMD）則被定義在 Clause 52，在點對多組態的線路速率都可達 10.3125 Gbit/s

10GBASE-PR 可以選擇 10GBASE-PR10、10GBASE-PR20 和 10GBASE-PR30 三種光功率的分配模式。

## 銅纜

10Gbps 乙太網路也可以執行在雙軸電纜，雙絞線和背板上。

### 10GBASE-CX4

10GBASE-CX4 是由 802.3 小組公布的首個 10Gbps 銅纜標準（也就是 802.3ak-2004）。它採用 4 通道的 XAUI PCS（Clause 48），銅纜布線方式類似於使用 InfiniBand 技術，最大傳輸距離達 15 米（49 英尺），每個通道的頻寬為 3.125 Gbps。10GBASE-CX4 具有低功耗、低成本和低延時的優點，但它的物理外形較大、電纜更加笨重，可傳輸的距離較新的單連結 SFP + 標準光纖和 10GBASE-T 更短。該種電纜製造工藝要求當嚴格，其價格大大高於 CAT-5 或 CAT-6 的 UTP。

現在 10GBASE-CX4 的出貨量非常低。雖然有些網路供應商有提供的此介面，可用於任何的 10GBase 乙太網路交換機進行堆疊。堆疊乙太網路的一個例子是戴爾的 PowerConnect PCT6200、PCT7000 和 1G 的 PowerConnect 交換機刀片和 PCM6220、PCM6348。

### 直連 SFP+

也被稱為 DA、10GSFP+Cu、10GBASE-CR、10GBASE-CX1、SFP+ 或者 10GbE Cu SFP。直連 SFP + 採用的是被動式雙軸線纜組件，可直接插入 SFP + 外殼。直連 SFP + 是固定長度的電纜，一般為 1 米到 7 米（無源電纜）或 15 米（主動式傳輸線）。並且直連 SFP + 像 10GBASE-CX4 一樣具有低功耗、低成本和低延時的特點，同時使用不太笨重的電纜和物理外形小巧的附件等優勢。在多埠連接中，直連 SFP + 比 10GBASE-SR 更流行。

### 背板

又被稱為 802.3ap 是用在主機背板中的 10Gbps 傳輸標準，例如刀鋒伺服器、模組化的路由器 / 交換機和升級線路卡。802.3ap 標準的實現中需要在超過 1 米的銅印刷電路板（39 針）與兩個連接器的環境中進行操作。該標準定義了兩種類型的 10 Gbit/s 埠（10GBASE-KX4 和 10GBASE-KR）和 1Gbit/s 埠（1000BASE-KX），此外還定義了一個可選層的 FEC、背板自動協商協定和 10GBASE-KR，其中接收器可以設定多達 3 個埠的負載均衡鏈路。自動協商協定可以自動選擇 1000BASE-KX、10GBASE-KX4、10GBASE-KR 和 40GBASE-KR4，40GBASE-KR4 定義在 802.3ba。較新的背板設計均應採用 10GBASE-KR 而不是 10GBASE-KX4。

### 10GBASE-KX4

工作在 4 個背板通道中，使用相同的實體層編碼（定義在 IEEE 802.3 Clause 48），和 10GBASE-CX4 一樣。

### 10GBASE-KR

工作在單一的背板通道中，使用相同的實體層編碼（定義在 IEEE 802.3 Clause 49），和 10GBASE-LR/ER/SR 一樣。

### 10GBASE-T

又被稱為 IEEE 802.3an 標準 - 是在 2006 年發布，能提供 10 Gbit/s 的連接速率。通過非封鎖雙絞線或封鎖雙絞線電纜，其傳輸距離可達 100 米（330 英尺）。CAT-6 的傳輸距離可達 55 米（180 英尺），而 CAT-6A 是必需的達到 100 米（330 英尺），最終的可用距離需要使用 500MHz 的訊號進行實際測試。10GBASE-T 的電纜也可用於 1000BASE-T，它們都允許使用自動協商來選擇要使用的速度。與 1000BASE-T 的 1 微秒至 12 微秒延遲相比，10GBASE-T 僅有 2 微秒至 4 微秒的延遲。

10GBASE-T 採用了 IEC 60603-7 8P8C（俗稱 RJ45）介面，其已廣泛使用在各種乙太網路中。根據傳輸的特性，傳輸時頻率需要達到 500MHz，為了達到這個頻率 CAT-6A 或者在 ISO/IEC 11801 的修訂 2 或 ANSI/TIA-568-C.2 要求更好的雙絞線電纜來進行 10GBASE-T 長達 100 米的距離。按照 ISO TR 24750 或 TIA-155-A 的指引合格的 CAT-6 電纜也可進行 10GBASE-T 傳輸，只是可傳輸的距離較短。

802.3an 標準規定了用於 10GBASE-T 的 湯姆林森原島預編碼（THP）PAM-16 編碼，預編碼使用被稱為 DSQ128 的編碼，正向錯誤校正（FEC）編碼使用了 (2048,1723) 低密度奇偶校驗碼，其根據 GF (26) 生成一個廣義的 里德 - 所羅門碼 奇偶校驗矩陣結構 (32,2,31)。而 PAM-5 則是在 1000BASE-T 十億乙太網路中使用的調製技術。

## WAN PHY (10GBASE-W)

WAN PHY 使用和 10GBASE-S、10GBASE-L、10GBASE-E 光纖 PMD 作為 LAN PHY，與 10GBASE-SW、10GBASE-LW 或 10GBASE-EW 相同。
它所使用的實體層編碼 64B/66B PCS 被定義在 IEEE 802.3 Clause 49，而物理媒介則在 Clause 52 中定義，它也採用了 廣域網路介面子層（WIS），其被定義在 Clause 50 中，並增加了額外封裝格式的影格資料以相容 SONET STS-192c。

WAN PHY 能夠相容使用在 9.953 Gbit/s 的輕量級 SDH/SONET OC-192/STM-64 裝置上。可支援的最大連接距離達 80 千米，實際取決於所使用的光纖標準。

## 10GbE 網卡

多個廠家都有生產 10GbE 網卡，這些網卡使用 PCI Express 介面，提供一個或多個 PHY 模組、LC 或 8P8C 連接器。

## 參考文獻

## 參看

* 乙太網路
* 1G 乙太網路
* 100G 乙太網路
* 1000G 乙太網路

## 外部連結

* IEEE 802.3 標準全文（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）