10 Gigabit Ethernet - 10 Gigabit Ethernet

Enrutador con puertos Ethernet de 10 Gigabit y tres tipos de módulos de capa física

10 Gigabit Ethernet ( 10GE , 10GbE o 10 GigE ) es un grupo de tecnologías de redes informáticas para transmitir tramas Ethernet a una velocidad de 10  gigabits por segundo . Primero fue definido por el estándar IEEE 802.3ae-2002 . A diferencia de los estándares anteriores de Ethernet, 10 Gigabit Ethernet define solo enlaces punto a punto de dúplex completo que generalmente están conectados por conmutadores de red ; La operación CSMA / CD de medio compartido no se ha transferido de los estándares Ethernet de generaciones anteriores, por lo que la operación semidúplex y los concentradores repetidores no existen en 10GbE.

El estándar de 10 Gigabit Ethernet abarca varios estándares de capa física (PHY) diferentes. Un dispositivo de red, como un conmutador o un controlador de interfaz de red, puede tener diferentes tipos de PHY a través de módulos PHY enchufables, como los basados ​​en SFP + . Al igual que las versiones anteriores de Ethernet, 10GbE puede utilizar cableado de cobre o fibra. La distancia máxima sobre el cable de cobre es de 100 metros, pero debido a sus requisitos de ancho de banda, se requieren cables de mayor calidad.

La adopción de 10 Gigabit Ethernet ha sido más gradual que las revisiones anteriores de Ethernet : en 2007, se enviaron un millón de puertos de 10 GbE, en 2009 se enviaron dos millones de puertos y en 2010 se enviaron más de tres millones de puertos, con un estimado de nueve millones de puertos. en 2011. A partir de 2012, aunque el precio por gigabit de ancho de banda para 10 Gigabit Ethernet era aproximadamente un tercio en comparación con Gigabit Ethernet , el precio por puerto de 10 Gigabit Ethernet todavía obstaculizaba una adopción más generalizada.

Estándares

A lo largo de los años, el grupo de trabajo 802.3 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) ha publicado varios estándares relacionados con 10GbE.

Módulos de capa física

Primer plano de un transceptor XFP de 10 Gigabit Ethernet

Para implementar diferentes estándares de capa física de 10GbE, muchas interfaces constan de un zócalo estándar en el que se pueden conectar diferentes módulos de capa física (PHY). Los módulos PHY no se especifican en un organismo de normalización oficial, sino mediante acuerdos de fuentes múltiples (MSA) que se pueden negociar más rápidamente. Los MSA relevantes para 10GbE incluyen XENPAK (y X2 y XPAK relacionados), XFP y SFP + . Al elegir un módulo PHY, un diseñador considera el costo, el alcance, el tipo de medio, el consumo de energía y el tamaño (factor de forma). Un solo enlace punto a punto puede tener diferentes formatos conectables MSA en cualquier extremo (por ejemplo, XPAK y SFP +) siempre que el tipo de puerto óptico o de cobre de 10 GbE (por ejemplo, 10GBASE-SR) admitido por el conectable sea idéntico.

XENPAK fue el primer MSA para 10GE y tenía el factor de forma más grande. X2 y XPAK fueron más tarde estándares competidores con factores de forma más pequeños. X2 y XPAK no han tenido tanto éxito en el mercado como XENPAK. XFP vino después de X2 y XPAK y también es más pequeño.

El módulo estándar más nuevo es el transceptor enchufable de factor de forma pequeño mejorado , generalmente llamado SFP +. Basado en el transceptor conectable de factor de forma pequeño (SFP) y desarrollado por el grupo de canal de fibra ANSI T11 , es aún más pequeño y de menor potencia que XFP. SFP + se ha convertido en el zócalo más popular en los sistemas 10GE. Los módulos SFP + solo realizan conversión óptica a eléctrica, sin reloj ni recuperación de datos, lo que supone una mayor carga para la ecualización del canal del host. Los módulos SFP + comparten un factor de forma física común con los módulos SFP heredados, lo que permite una mayor densidad de puertos que XFP y la reutilización de diseños existentes para 24 o 48 puertos en un blade de ancho de rack de 19 pulgadas .

Los módulos ópticos se conectan a un host mediante una interfaz XAUI , XFI o SerDes Framer Interface (SFI). Los módulos XENPAK, X2 y XPAK utilizan XAUI para conectarse a sus hosts. XAUI (XGXS) usa un canal de datos de cuatro carriles y se especifica en IEEE 802.3 Cláusula 47. Los módulos XFP usan una interfaz XFI y los módulos SFP + usan una interfaz SFI. XFI y SFI utilizan un canal de datos de un solo carril y la codificación 64b / 66b especificada en IEEE 802.3 Cláusula 49.

Los módulos SFP + se pueden agrupar además en dos tipos de interfaces de host: lineales o limitantes. Se prefieren los módulos limitadores, excepto cuando se trata de aplicaciones de largo alcance que utilizan módulos 10GBASE-LRM.

Fibra óptica

Un enrutador Foundry Networks con interfaces ópticas de 10 Gigabit Ethernet (transceptor XFP). Los cables amarillos son conexiones de fibra óptica dúplex monomodo.

Hay dos tipos básicos de fibra óptica que se utilizan para 10 Gigabit Ethernet: monomodo (SMF) y multimodo (MMF). En SMF, la luz sigue una sola ruta a través de la fibra, mientras que en MMF toma múltiples rutas, lo que resulta en un retardo de modo diferencial (DMD). SMF se utiliza para comunicaciones de larga distancia y MMF se utiliza para distancias inferiores a 300 m. SMF tiene un núcleo más estrecho (8,3 μm) que requiere un método de conexión y terminación más preciso. MMF tiene un núcleo más ancho (50 o 62,5 μm). La ventaja de MMF es que puede ser accionado por un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) de bajo costo para distancias cortas, y los conectores multimodo son más baratos y fáciles de terminar de manera confiable en el campo. La ventaja de SMF es que puede trabajar en distancias más largas.

En el estándar 802.3, se hace referencia a la fibra MMF de grado FDDI. Tiene un núcleo de 62,5 μm y un ancho de banda modal mínimo de 160 MHz · km a 850 nm. Se instaló originalmente a principios de la década de 1990 para redes FDDI y 100BASE-FX . El estándar 802.3 también hace referencia a ISO / IEC 11801 que especifica los tipos de fibra óptica MMF OM1, OM2, OM3 y OM4. OM1 tiene un núcleo de 62,5 μm, mientras que los demás tienen un núcleo de 50 μm. A 850 nm el ancho de banda modal mínimo de OM1 es de 200 MHz · km, de OM2 500 MHz · km, de OM3 2000 MHz · km y de OM4 4700 MHz · km. El cable de grado FDDI ahora está obsoleto y las nuevas instalaciones de cableado estructurado utilizan cableado OM3 u OM4. El cable OM3 puede transportar 10 Gigabit Ethernet a 300 metros utilizando ópticas 10GBASE-SR de bajo costo. OM4 puede gestionar 400 metros.

Para distinguir los cables SMF de MMF, los cables SMF suelen ser amarillos, mientras que los cables MMF son naranjas (OM1 y OM2) o aguamarina (OM3 y OM4). Sin embargo, en fibra óptica no existe un color uniforme para ninguna tecnología o velocidad óptica específica, con la excepción del conector físico angular (APC), que es un color acordado de verde.

También hay cables ópticos activos (AOC). Estos tienen la electrónica óptica ya conectada eliminando los conectores entre el cable y el módulo óptico. Se conectan a enchufes SFP + estándar. Son de menor costo que otras soluciones ópticas porque el fabricante puede hacer coincidir los componentes electrónicos con la longitud y el tipo de cable requeridos.

10GBASE-SR

Un transceptor 10GBASE-SR SFP +

10GBASE-SR ("corto alcance") es un tipo de puerto para fibra multimodo y utiliza láseres de 850 nm. Su subcapa de codificación física (PCS) es 64b / 66b y se define en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa dependiente del medio físico (PMD) en la cláusula 52. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 Gbd.

El rango depende del tipo de fibra multimodo utilizada.

MMF tiene la ventaja sobre SMF de tener conectores de menor costo; su núcleo más ancho requiere menos precisión mecánica.

El transmisor 10GBASE-SR se implementa con un VCSEL que es de bajo costo y baja potencia. El cableado óptico OM3 y OM4 a veces se describe como optimizado para láser porque han sido diseñados para funcionar con VCSEL. 10GBASE-SR ofrece los módulos ópticos de menor costo, menor consumo y factor de forma más pequeño.

Existe una variante de menor costo y menor potencia a la que a veces se hace referencia como 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite). Es interoperable con 10GBASE-SR pero solo tiene un alcance de 100 metros.

10GBASE-LR

10GBASE-LR (largo alcance) es un tipo de puerto para fibra monomodo y utiliza láseres de 1310 nm. Su PCS 64b / 66b se define en IEEE 802.3 Cláusula 49 y su subcapa PMD en Cláusula 52. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 GBd.

El transmisor 10GBASE-LR se implementa con un láser de retroalimentación distribuida o Fabry-Pérot (DFB). Los láseres DFB son más caros que los VCSEL, pero su alta potencia y longitud de onda más larga permiten un acoplamiento eficiente en el pequeño núcleo de fibra monomodo a mayores distancias.

La longitud máxima de la fibra 10GBASE-LR es de 10 kilómetros, aunque variará según el tipo de fibra monomodo utilizada.

10GBASE-LRM

10GBASE-LRM, (multimodo de largo alcance) originalmente especificado en IEEE 802.3aq es un tipo de puerto para fibra multimodo y utiliza láseres de 1310 nm. Su PCS 64b / 66b se define en IEEE 802.3 Cláusula 49 y su subcapa PMD en Cláusula 68. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 GBd. 10GBASE-LRM utiliza compensación de dispersión electrónica (EDC) para la ecualización de recepción.

10GBASE-LRM permite distancias de hasta 220 metros (720 pies) en fibra multimodo de grado FDDI y el mismo alcance máximo de 220 m en los tipos de fibra OM1, OM2 y OM3. El alcance de 10GBASE-LRM no está tan lejos como el estándar anterior 10GBASE-LX4. Algunos transceptores 10GBASE-LRM también permiten distancias de hasta 300 metros (980 pies) en fibra monomodo estándar (SMF, G.652), sin embargo, esto no forma parte de la especificación IEEE o MSA. Para garantizar que se cumplan las especificaciones sobre las fibras de grado FDDI, OM1 y OM2, el transmisor debe acoplarse a través de un cable de conexión de acondicionamiento de modo. No se requiere un cable de conexión de acondicionamiento de modo para aplicaciones sobre OM3 u OM4.

10GBASE-ER

10GBASE-ER (alcance extendido) es un tipo de puerto para fibra monomodo y utiliza láseres de 1550 nm. Su PCS 64b / 66b se define en IEEE 802.3 Cláusula 49 y su subcapa PMD en Cláusula 52. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 GBd.

El transmisor 10GBASE-ER se implementa con un láser modulado externamente (EML) .

10GBASE-ER tiene un alcance de 40 kilómetros (25 millas) sobre enlaces diseñados y 30 km sobre enlaces estándar.

10GBASE-ZR

Varios fabricantes han introducido un rango de 80 km (50 millas) con el nombre de 10GBASE-ZR. Esta PHY de 80 km no está especificada dentro del estándar IEEE 802.3ae y los fabricantes han creado sus propias especificaciones basadas en la PHY de 80 km descrita en las especificaciones OC-192 / STM-64 SDH / SONET .

10GBASE-LX4

10GBASE-LX4 es un tipo de puerto para fibra multimodo y fibra monomodo. Utiliza cuatro fuentes de láser independientes que operan a 3,125 Gbit / sy multiplexación por división de longitud de onda gruesa con cuatro longitudes de onda únicas alrededor de 1310 nm. Su PCS 8B10B se define en la Cláusula 48 de IEEE 802.3 y su subcapa dependiente del medio físico (PMD) en la Cláusula 53.

10GBASE-LX4 tiene un alcance de 10 kilómetros (6.2 mi) sobre SMF . Puede alcanzar 300 metros (980 pies) sobre cableado multimodo de grado FDDI, OM1, OM2 y OM3. En este caso, debe acoplarse a través de un cable de conexión de acondicionamiento de modo de inicio de compensación SMF .

10GBASE-PR

10GBASE-PR especificado originalmente en IEEE 802.3av es un PHY Ethernet de 10 Gigabit para redes ópticas pasivas y utiliza láseres de 1577 nm en la dirección de aguas abajo y láseres de 1270 nm en la dirección de aguas arriba. Su subcapa PMD se especifica en la Cláusula 75. El flujo descendente entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 Gbit / s en una configuración de punto a multipunto.

10GBASE-PR tiene tres presupuestos de energía especificados como 10GBASE-PR10, 10GBASE-PR20 y 10GBASE-PR30.

Hebra simple bidireccional

Varios proveedores han introducido ópticas de 10 Gbit / s bidireccionales de hebra única capaces de una conexión de fibra monomodo funcionalmente equivalente a 10GBASE-LR o -ER, pero utilizando una hebra única de cable de fibra óptica. De manera análoga a 1000BASE-BX10 , esto se logra usando un prisma pasivo dentro de cada transceptor óptico y un par de transceptores emparejados que usan dos longitudes de onda diferentes, como 1270 y 1330 nm. Los módulos están disponibles en distintas potencias de transmisión y alcanzan distancias de entre 10 y 80 km.

Cobre

10 Gigabit Ethernet también se puede ejecutar sobre cableado de doble eje, cableado de par trenzado y placas posteriores .

10GBASE-CX4

Conector SFF-8470

10GBASE-CX4 fue el primer estándar de cobre de 10 Gigabit publicado por 802.3 (como 802.3ak-2004). Utiliza el PCS XAUI de 4 carriles (Cláusula 48) y cableado de cobre similar al utilizado por la tecnología InfiniBand con los mismos conectores SFF-8470. Está especificado para trabajar hasta una distancia de 15 m (49 pies). Cada carril lleva 3,125 GBd de ancho de banda de señalización.

Se ha utilizado 10GBASE-CX4 para apilar conmutadores. Ofrece las ventajas de bajo consumo, bajo costo y baja latencia , pero tiene un factor de forma más grande y cables más voluminosos que el estándar SFP + de un solo carril más nuevo, y un alcance mucho más corto que la fibra o 10GBASE-T. Este cable es bastante rígido y considerablemente más costoso que el UTP o fibra de Categoría 5/6.

Las aplicaciones 10GBASE-CX4 ahora se logran comúnmente usando SFP + Direct Attach y, a partir de 2011, los envíos de 10GBASE-CX4 han sido muy bajos.

Conexión directa SFP +

La NIC de doble puerto Qlogic QLE3442-CU SFP + , que puede usar cables SFP + DAC o transceptores ópticos SFP +

También conocido como conexión directa (DA), conexión directa de cobre (DAC), 10GSFP + Cu, 10GBASE-CR o 10GBASE-CX1. Los cables de conexión directa cortos utilizan un conjunto de cableado twinaxial pasivo , mientras que los más largos, a veces denominados cable óptico activo (AOC), utilizan ópticas de longitud de onda corta. Ambos tipos se conectan directamente a una carcasa SFP +. La conexión directa SFP + tiene un cable de longitud fija, hasta 15 m para cables de cobre, o hasta 100 m para AOC. Al igual que 10GBASE-CX4, DA es de bajo consumo, bajo costo y baja latencia con las ventajas adicionales de usar cables menos voluminosos y de tener el factor de forma pequeño SFP +. La conexión directa SFP + hoy en día es tremendamente popular, con más puertos instalados que 10GBASE-SR.

Plano posterior

Backplane Ethernet , también conocido por el nombre del grupo de trabajo que lo desarrolló, 802.3ap , se utiliza en aplicaciones de backplane como servidores blade y equipos de red modular con tarjetas de línea actualizables . Se requieren implementaciones de 802.3ap para operar sobre hasta 1 metro (39 pulgadas) de placa de circuito impreso de cobre con dos conectores. El estándar define dos tipos de puerto para 10 Gbit / s ( 10GBASE-KX4 y 10GBASE-KR ) y un solo tipo de puerto de 1 Gbit / s (1000BASE-KX). También define una capa opcional para la corrección de errores hacia adelante , un protocolo de negociación automática de backplane y entrenamiento de enlace para 10GBASE-KR donde el receptor sintoniza un ecualizador de transmisión de tres toques. El protocolo de negociación automática selecciona entre la operación 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR o 40GBASE-KR4.

10GBASE-KX4

Esto opera sobre cuatro carriles de backplane y usa la misma codificación de capa física (definida en IEEE 802.3 Cláusula 48) que 10GBASE-CX4.

10GBASE-KR

Esto opera sobre un solo carril de backplane y usa la misma codificación de capa física (definida en IEEE 802.3 Cláusula 49) que 10GBASE-LR / ER / SR. Los nuevos diseños de backplane utilizan 10GBASE-KR en lugar de 10GBASE-KX4.

10GBASE-T

NIC de doble puerto Intel X540-T2 10GBASE-T

10GBASE-T , o IEEE 802.3an-2006 , es un estándar lanzado en 2006 para proporcionar conexiones de 10 Gbit / s sobre cables de par trenzado apantallados o sin blindaje, en distancias de hasta 100 metros (330 pies). Se requiere la categoría 6A para alcanzar la distancia completa y la categoría 6 puede alcanzar hasta 55 metros (180 pies) dependiendo de la calidad de la instalación. La infraestructura de cable 10GBASE-T también se puede utilizar para 1000BASE-T, lo que permite una actualización gradual de 1000BASE-T mediante la negociación automática para seleccionar qué velocidad se utiliza. Debido a la sobrecarga de codificación de línea adicional , 10GBASE-T tiene una latencia ligeramente más alta (2 a 4 microsegundos) en comparación con la mayoría de las otras variantes de 10GBASE (1 microsegundo o menos). En comparación, la latencia de 1000BASE-T es de 1 a 12 microsegundos (dependiendo del tamaño del paquete).

10GBASE-T utiliza los conectores modulares IEC 60603-7 8P8C que ya se utilizan ampliamente con Ethernet. Las características de transmisión ahora se especifican a 500 MHz . Para alcanzar esta frecuencia, la Categoría 6A o mejor, los cables de par trenzado balanceados especificados en ISO / IEC 11801 enmienda 2 o ANSI / TIA-568-C.2 son necesarios para transportar 10GBASE-T hasta distancias de 100 m. Los cables de categoría 6 pueden transportar 10GBASE-T para distancias más cortas cuando se califican de acuerdo con las pautas de ISO TR 24750 o TIA-155-A.

El estándar 802.3an especifica la modulación a nivel de cable para que 10GBASE-T utilice la precodificación Tomlinson-Harashima (THP) y la modulación de amplitud de pulso con 16 niveles discretos (PAM-16), codificados en un patrón de tablero de ajedrez bidimensional conocido como DSQ128 enviado en la línea a 800 Msymbols / seg. Antes de la precodificación, la codificación de corrección de errores en reenvío (FEC) se realiza utilizando un código de verificación de paridad de baja densidad [2048,1723] ₂ en 1723 bits, con la construcción de la matriz de verificación de paridad basada en un Reed-Solomon generalizado [32,2, 31] código sobre GF (2 ⁶ ). Otros 1536 bits están sin codificar. Dentro de cada bloque 1723 + 1536, hay 1 + 50 + 8 + 1 bits de señalización y detección de errores y 3200 bits de datos (y ocupan 320 ns en la línea). Por el contrario, PAM-5 es la técnica de modulación utilizada en 1000BASE-T Gigabit Ethernet .

Transceptor 10GBASE-T SFP +

La codificación de línea utilizada por 10GBASE-T es la base para el estándar 2.5GBASE-T y 5GBASE-T más nuevo y más lento , que implementa una conexión de 2.5 o 5.0 Gbit / s sobre el cableado de categoría 5e o 6 existente. Los cables que no funcionarán de manera confiable con 10GBASE-T pueden funcionar con éxito con 2.5GBASE-T o 5GBASE-T si son compatibles con ambos extremos.

10GBASE-T1

10GBASE-T1 es para aplicaciones automotrices y opera sobre un solo par de conductores balanceados de hasta 15 m de largo, y está estandarizado en 802.3ch-2020.

WAN PHY (10GBASE-W)

En el momento en que se desarrolló el estándar 10 Gigabit Ethernet, el interés en 10GbE como transporte de red de área amplia (WAN) llevó a la introducción de una WAN PHY para 10GbE. La WAN PHY fue diseñada para interoperar con equipos OC-192 / STM-64 SDH / SONET utilizando un marco SDH / SONET liviano que funciona a 9.953 Gbit / s. La PHY WAN funciona a una velocidad de datos ligeramente más lenta que la PHY de la red de área local (LAN). La WAN PHY puede conducir distancias máximas de enlace de hasta 80 km, dependiendo del estándar de fibra empleado.

La WAN PHY utiliza los mismos PMD ópticos 10GBASE-S, 10GBASE-L y 10GBASE-E que las LAN PHY y se designa como 10GBASE-SW, 10GBASE-LW o 10GBASE-EW. Su PCS 64b / 66b se define en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y sus subcapas PMD en la cláusula 52. También utiliza una subcapa de interfaz WAN (WIS) definida en la cláusula 50 que agrega encapsulación adicional para formatear los datos de la trama para que sean compatibles con SONET STS- 192c.

Notas

Ver también

Referencias

enlaces externos

• Texto completo del estándar IEEE 802.3
• Grupo de trabajo Ethernet IEEE 802.3
• Sitio web de Ethernet Alliance
• Laboratorio de interoperabilidad de la Universidad de New Hampshire Consorcio de 10 Gigabit Ethernet
• Primer estudio de prueba comparativo independiente 10GBASE-T del mundo
• Descripción de la NIC del servidor de conexión directa SFP + en el concepto de la parte superior del bastidor