Kamran Azadet
杰尔系统（台北）以太网 PHY 研究中心总监

 
摘要

　　早在6年以前，IEEE就通过了1000BASE-T铜缆千兆以太网规范。该规范由IEEE 802.3标准机构制定，作为官方标准。现在，大部分本地局域网已经迁移到千兆以太网。该标准源于少数以太网厂商相信的一个概念，但却取得了无可争议的广泛商业成功。当前很多PC的主板都带有千兆 LAN端口，但是提供千兆以太网铜缆PHY解决方案的公司寥寥无几，这充分说明1000BASE-T PHY的实施极具挑战性。在本文中，我们概述了1000BASE-T PHY。在介绍整个千兆以太网标准后，我们还将介绍非屏蔽双绞线缆（UTP）的信道障碍、1000BASE-T中的信令、自动电缆对交换和交叉连接纠正等功能，以及高级线缆诊断。随着网络边缘迁移到千兆以太网，我们必须使用现有的光纤或铜缆基础设施，以尽可能低的成本，将骨干网升级为万兆以太网。两种新兴802.3标准可以满足这种需求：10GBASE-LRM（多模10G标准，带有电子色散补偿）和10GBASE-T（铜缆10G）。

介绍

由于需要高速率数据传输的应用在企业局域网（LAN）中快速发展，网络边缘和核心都需要增加带宽。以太网是应用最广泛的局域网标准，其数据速率正在接近1Gbps。几乎每过5年，新一代以太网标准就能将位速率提高10倍。最初的以太网802.3标准于1985年获得通过，10BASE-T标准在1990年通过，100BASE-TX标准在1995年通过，1000BASE-T标准在1999通过，10GBASE-T 计划将于2006年制定。每个新一代标准都能将速度提高10倍，但成本只增加2—3倍。为确保在市场上取得成功，千兆以太网标准规范支持下列功能：

　　1-向后兼容以前的10/100以太网；
　　2-支持企业的现有布线基础设施。

　　与BASE-T和100BASE-TX的向后兼容性，也是1000BASE-T任务组选择基带信令方案的原因之一（在1000BASE-T中，1000表示1000Mb/s，Base代表基带信令，T是双绞线电缆的缩写）。图1显示了千兆以太网的体系结构。

10/100总线（半双工）
交换机（全双工）
交换机（全双工）

CSMA/CD：载波侦听多路访问/冲突检测
DTE：数据终端设备
T：10BASE-T、100BASE-TX或1000BASE-T

图1：在局域网中使用各种以太网PHY解决方案

　　由于骨干网链路的工作距离较长（通常超过200米），不同的楼层、数据中心、服务器群、建筑之间的连接可以采用不同类型的光纤链路（802.3z标准或802.3ae万兆光以太网），从几百米的多模光纤到几公里的单模光纤。短链路（短程铜缆）通常用于采用1000BASE-T铜缆PHY或10GE infiniband线缆的机房或接线室中的短程连接。最后，桌面终端的连接或水平链路可采用无屏蔽双绞线电缆，以便利用现有的UTP 五类基础设施。表1显示了千兆以太网在不同介质上的一般工作距离目标。

光纤PHY： 1000BASE-SX：         850nm            多模                    62.5um              275m                50um                  500m 1000BASE-LX：    1310 nm              单模                    (9um)                  5km

铜缆PHY 1000BASE-T：            UTP五类                                                           100m

                                                       

表1：不同介质上的工作距离——千兆以太网标准

　　1000BASE-T（802.3ab）标准对铜缆（不要将我们所说的长距离铜缆与1000BASE-CX混淆，后者也是一种铜缆标准，定义了1Gbps速率的Twinax线缆的30米距离传输）千兆以太网的物理层作出了规定。该标准的目标是支持100米五类（CAT-5）线缆上的全双工或半双工1Gpbs传输。尽管802.3千兆以太网标准机构的重点工作是制定支持半双工模式的规范（由于历史原因），但现在的大部分新型以太网是交换模式和全双工模式。以太网局域网不再使用共享的同轴线缆和CSMA-CD协议，而采用点到点的专用链路，以及分组交换/全双工运行。目标误码率（BER）低于10-10 。然而，在设计物理层时，人们通常会让工作距离和BER超出IEEE规范，从而提供设计余量（设计距离用
140米代替100米, 通过一周的无错运行是许多厂商需要的实践标准.）。铜缆PHY（物理层）支持以太网MAC层（媒体访问控制），通过千兆媒体独立接口（GMII）连接到MAC，并以125MHz的速率传输和接收数据。由于在无屏蔽线缆上进行高带宽数据传输，千兆收发器必须符合办公环境的辐射标准（例如FCC或CISPR）。由于不同线缆串扰、射频干扰、无屏蔽布线结构的其它固有缺陷，收发器还必须能够容忍噪声。它易受噪声影响，这也是使用前向纠错（Trellis码调制或TCM，结合使用Viterbi解码）的主要原因之一。

信道损害

 
　　图2显示了快速以太网（100Mb/s）100BASE-TX中使用的传输方案。一对线缆用于一个方向上的125Mb/s数据传输，第二对线缆则用于另一个方向的传输，从而实现五类线缆上的全双工传输。在100BASE-TX中，主要障碍是近端串扰（NEXT）。

 
图2：100BASE-TX传输方案

　　图3显示了1000BASE-1中使用的传输方案。它基于四对五类（或更高级别）线缆上的全双工传输。通过采用一个“混合”设备，实现相同物理线缆上的全双工传输。它还可以作为转换器或活动设备实施。在该体系中，存在着3个近端串扰（NEXT）源和3个远端串扰（FEXT）源，另外同一对线缆的传输信号也会产生回声，破坏了接收信号。回声是由混合设备和接头（近端和远端）的返回信号、线缆自身的阻抗不连续性导致的。

 

图3：1000BASE-T传输方案

　　图4显示了测量出的“最坏情况”五类线缆的信道响应。要满足1000BASE-T 系统的SNR要求，必须在接收器上消除近端串扰信号。回声远比近端串扰（NEXT）严重。回声信号可能比信号本身（100 MHZ）高出15分贝。因而，我们必须消除回声。回声脉冲响应的最大时间跨度大致与100m线缆上的回路时延（接近1100ns）相对应。对于125MHz的 1000BASE-T波特速率，消除近端和远端回声所需的节拍数量为120个。这就意味着要部署所有4个收发器，必须消除480节拍的回声。其复杂性远高于不存在回声问题的100BASE-TX。
 

回声、信道衰减、NEXT

图4：测量的五类信道响应

1000BASE-T标准并未要求使用六类线缆。然而，由于它的带宽更高、串扰更少，我们现在强烈推荐在新体系结构中使用六类线缆，特别是当我们考虑到未来的10G网络升级时。图5显示了五类和六类信道的带宽增长情况。

五类衰减、六类衰减

图5：六类与五类信道响应

调制和编码方案

　　为了在100MHz的宽带五类线缆上达到250Mb/s的位速率，我们选择采用PAM-5调制（基带信号）。在125MHz的波特率下，每信号传输2.25位（log25=2.32位），速率与GMII接口相同（即流入和流出字节）。将4对线缆上传输的4个PAM-5信号集中在一起，形成一个四维（4D）信号。每个4D信号占据5x5x5x5点=625点> 512点（9位）的代码空间。由于只需传输8位，可将多余的位用作冗余校验位，用于纠错。尽管使用了1位冗余，仍然剩余625 –512 = 113点，用于传输以太网协议的开销信息。1000BASE-T 收发器必须符合FCC和CISPR法规的EMI要求。与10/100应用相比，它的线缆对数量有所增加，而与100BASE-TX使用的MLT-3调制相比，125M波特的PAM-5调制的光谱形状又不相同，因而该标准采用了局部响应传输过滤器[0.75 x当前信号 + 0.25 x原有信号]。这样就可以产生一个17层信号，如图6所示：

图6：局部响应传输过滤后的PAM-5调制和1000BASE-T传输信号

1000BASE-T收发器的有用功能

　　为了保证1G速率基础设施的正常运行，IT部门必须确保在企业环境中安装的线缆基础设施符合CAT-5e 或 CAT-6布线标准。尽管标准机构在制定布线要求方面尽了最大努力（在安装线路时，技术人员必须使用手持设备来测量线缆响应，以确保每个新链路都符合《ANSI/TIA/EIA-568-A标准：1995》和《ISO/IEC 11801: 1995》 ，这也是1000BASE-T 标准第 40条的要求），但链路仍然经常无法正常安装，或者通过完全测试。特别是在比较陈旧的布线基础设施中，许多链路不能通过D类规范的测试（CAT-e）。

　　1000BASE-T PHY提供了有趣的功能，如果从10/100升级到1G时发现问题，它能帮助运行1G模式和诊断功能。这些功能可以简化IT支持团队的工作。这些功能包括：
　　- 自动交换纠正每对电缆中的极性；
　　- 自动交换纠正电缆对；
　　- 自动交叉连接纠正（现在甚至应用于10/100模式）；
　　- 自动的对间偏移纠正（50ns）；
　　- 先进的线缆诊断（频率响应或时域反射仪）。

　　尽管1000BASE-T线缆诊断功能仍然只是厂商的专门功能，但在最近的以太网标准制定中，我们正在试图实现线缆诊断功能的标准化，作为1000BASE-T标准的一部分。

 

新兴的万兆以太网PHY标准

　　由于企业和电信市场的需求和网络体系结构各不相同，802.3ae标准也可以支持不同应用中的不同码块 ：8B/10B编码、64B/66B、SONET系统中使用的帧封装。这些码块分别用X、R、W作前缀标识。除了各种编码方案外，802.3ae标准（万兆以太网）还对不同的PHY技术作出了规定，以满足各个市场领域的需求，从企业LAN到城域网接入。不同的万兆以太网PHY针对不同的运行范围，从企业中的300米多模光纤，到距离达到10km或40km的城域网接入光纤（Dark光纤）。不同的物理媒体相关（PMD）技术是根据光波长来区别的：S代表短波长（850nm），L代表长波长（1310nm），E代表超长波长（1550nm）。

　　您可能会注意到，结合使用多种编码和PMD，可以提供许多物理层选择，使用户很容易产生混淆，在某种程度上，还会妨碍市场上的万兆以太网标准。除了大量的收发器选择外，没有任何一种经过批准的万兆以太网标准可以同时支持光纤或铜缆（使用粗波分复用系统的10GBASE-LR4除外）。尽管LR4可以支持多模光基础设施，但它使用了4个光收发器和接收器，成本高于使用1个激光的10GBASE-LR产品。因此，还需要专门制定光收发器的新标准，使它能够以接近甚至低于10GBASE-LR的成本，支持局域网中的现有多模光纤基础设施。802.3aq标准小组制定了这个规范，对应的PMD已被确认为10GBASE-LRM。它使用成本接近（或低于）10GBASE-LR的光纤，利用FDDI级别多模光纤上的电子色散补偿，将工作距离提高了3倍。

　　表2显示了万兆以太网标准的各种PMD选择（没有显示WAN应用的组合，即10GBASE-SW、LW和 EW）。

光PHY： 10GBASE-SR：          850nm             串行“光优化”多模                                300m 10GBASE-LX4：       1310 nm          4个波长，已安装基本多模                      300m 10GBASE-LR：         1310nm           串行，单模                                                 10km 10GBASE-ER：         1550nm           串行，单模                                                 40km 新产品 10GBASE-LRM：     1310nm           串行，多模FDDI级别                             300m

铜缆PHY： 10GBASE-CX4 ：     INFINIBAND线缆（屏蔽，x4线缆）                             15m   新产品： 10GBASE-T：       六类                                                                                     55m 七类                                                                                    100m

表2：不同介质的工作距离标准——万兆以太网介质

　　在铜缆方面，802.3标准小组还在开发双绞线10G规范。802.3an的初衷是支持100m传统五类线缆上的运行，因为人们非常希望支持现有的水平布线基础设施。但是，即使100m六类线缆链路（研究小组最初定义的）的信道容量不到10G，该目标也很难实现。这也是我们将目标重新定义为支持七类线缆的100m传输或六类线缆55m（甚至更长）传输的原因。虽然我们非常希望进行100m传输，但是七类线缆相当粗（屏蔽线缆），因而吸引力并不很是大，目前在美国部署不多（在欧洲较为普遍）。六类线缆市场增长迅猛，电缆厂商已经不再提供五类线缆（市场上只出售CAT-5e）。然而，六类线缆是否会象ISO class E技术定义的那样，能够支持100m运行，目前尚不清楚。所以，布线行业力争提供增强级别的六类线缆，其串扰率更低，更加适合于10GBASE-T应用。

　　10GBASE-T标准定义了比1000BASE-T更先进的信号处理方案，提供了高出6倍的波特率（800MS/s下的 PAM-12调制）。它定义了Thomlinson-Harashima预编码（THP）用法，帮助实现250MHz以上的信道均衡，改进外部噪声（特别是外部串扰）冗余。此外，它还提议引入（2048、1723）低密度奇偶校验（LDPC）代码，实现可靠的传输。10GBASE-T的目标误码率为BER<10-12。