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顧名思義,10GbE即是在物理層以10Gbps傳輸速度運作的乙太網路。以10Gbps傳輸速度運作是10GbE的基本目的,考慮到不同應用環境對於連線傳輸距離與建置成本的需求,存在很大差異,因此IEEE制定了涵蓋多種傳輸線路與連接埠規格的10GbE物理層規範,藉以滿足從廣域網路(WAN)到區域網路(LAN)、從企業園區骨幹網路、資料中心、高效能運算叢集連接,到交換器、伺服器等設備的內部背板,各式各樣環境的10GbE連線需求。

兩種傳輸介質類型:光纖與銅線

從應用環境區分,10GbE的物理層有區域網路與廣域網路兩種類型之分,後者多了一個用於與SONET/SPH相容的WIS(廣域網路介面)子層。

從傳輸介質來看,廣域網路10GbE都是採用光纖,並且規格可與既有的SONET/SDH廣域網路設備對接,而區域網路的10GbE,則有光纖與銅線等兩種傳輸介質類型。

雖然10GbE亦可使用於廣域網路,但目前仍以區域網路應用為主,因此以下我們也只討論區域網路10GbE。如前所述,10GbE區域網路可使用光纖與銅線兩種傳輸介質,而用這兩種介質為基礎,又有多種分別採用不同連接技術的相關規範。

其中銅線類型常見的,有較早推出、採用類似InfiniBand纜線與連接埠的10GBASE-CX4、採用雙芯電纜與SFP+連接器的10GBASE-Cu,以及較晚推出、採用UTP雙絞線與RJ45連接埠的10GBASE-T等。

在光纖類型方面,則有分別用於短距離傳輸與長距離傳輸、採用單模或多模光纖,並搭配Xenpak、X2、XFP、SFP+等不同收發器模組的10GBASE-SR、10GBASE-LR、10GBASE-ER等規格。

光纖類型的10GbE

可分為用於短距離傳輸的多模光纖(MMF),與用於長距離傳輸的單模光纖(SMF)兩種基本類型,常見的包括以下幾種規格:

10GBASE-SR

用於短距離傳輸的多模光纖規格(SR為Short Reach之意),採用波長850nm的雷射光源,依使用的光纖纜線等級不同,最大傳輸距離可達26公尺(FDDI-grade 62.5μm)、33公尺(OM1 62.5μm)、82公尺(OM2 50μm)、300公尺(OM3)或400公尺(OM4)。

10GBASE-LR與10GBASE-ER

10GBASE-LR是用於長距離傳輸的單模光纖(LR為Long Reach之意),採用波長1310nm的雷射光源,傳輸距離為10公里。

至於10GBASE-ER是比10GBASE-LR傳輸距離更遠的長距離傳輸用單模光纖(ER為Extended Reach的縮寫),作業波長1550nm,最大傳輸距離可達30或40公里。

10GBASE-LRM

採用多模光纖的長距離傳輸規格(Long Reach Multimode),運作波長為用1310nm。雖然採用多模光纖,但10GBASE-LRM透過電子色散補償技術(Electronic Dispersion Compensation,EDC),可在老式的FDDI-grade或OM1等級光纖纜線上,實現220公尺的最大傳輸距離,若採用OM3等級纜線還可達260公尺,某些非標準的收發器模組甚至能達到300公尺的傳輸距離。

10GBASE-LRM瞄準的應用領域,是那些擁有許多老式光纖纜線、但想升級10GbE用戶,不過在市場推動上並不太成功,目前已很少看到這種規格。

10GBASE-ZR與10GBSE-LX4

10GBASE-ZR是由以Cisco為首的廠商所推動的單模長距離傳輸規格,採用1550nm波長,最大傳輸距離可達80公里,較10GBASE-ER還高出一倍,不過未被納入IEEE規範中。

10GBSE-LX4是採用稀疏分波複用技術(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)、同時結合了單模、多模兩種型態的光纖傳輸規格,作業波長為1300nm波段範圍,當使用FDDI-grade、OM1、OM2、OM3等多模光纖纜線時,可有300公尺的最大傳輸距離,使用單模光纖纜線時,則可有10公里的傳輸距離。

10GBSE-LX4的優勢在於單一模組即可同時適用於單模、多模兩種光纖環境,同一組設備即可同時用於長距離或短距離傳輸應用,不過比起10GBASE-SR與-LR,10GBSE-LX4的CWDM技術需要4組雷射光源,也就是4倍數量的光學與電子電路元件,成本相對較高,因此很少看到這個規格的應用。

銅線類型的10GbE

相較於光纖,銅線雖然有效傳輸距離較短,不過有成本相對較低與易於維護的優點,更適於100公尺以下的短距離傳輸使用。時至今日,銅線類型的10GbE規格,更成為10GbE能否普及應用的關鍵。

目前常見的銅線類型10GbE規格,包括用於外接的10GBASE-CX4、10GBASE-Cu(SFP+Direct Attach)與10GBASE-T,以及用於設備內部背板內接的10GBASE-KR/KX4等兩大類型。

10GBASE-CX4

最早的銅線類型10GbE,採用類似InfiniBand技術的IBX4連接埠,與4對雙同軸銅線規格,傳輸距離可達15公尺。

與可在安裝現場配接的UTP雙絞線不同,CX4纜線必須事先在出廠前按用戶指定長度配接,一般來說傳輸距離越長的CX4纜線也越粗,短距離傳輸可用30 AWG規格纜線,要達到15公尺的最大傳輸距離則必須使用較粗的24 AWG規格纜線。

10GBASE-CX4的優勢在於低功耗、低延遲與低成本,早期經常為高效能運算環境使用,缺點則是傳輸距離短、連接埠占用體積較大,此外,相對較為粗重、堅硬的CX4纜線,也有佈線較不方便的問題,目前大都已被SFP+Direct Attach取代。

10GBASE-Cu(SFP+Direct Attach)

或稱為10GBASE-CX1,SFP+Direct Attach採用了與10GBASE-SR/LR相同的SFP+收發模組框體,但省略了其中用於驅動信號的主動光學模組,改為直接連接一條被動式的雙芯銅線,可允許5~7公尺長的傳輸距離。

SFP+Direct Attach具有類似10GBASE-CX4的低功耗、低延遲與低成本等特性,雖然有效傳輸距離較短,但SFP+收發器的尺寸要比CX4小了許多,適合需要高密度佈置傳輸埠的場合,纜線也輕巧許多,佈線與連接都遠比CX4更方便,而且連接距離也足以滿足一般機房中伺服器連接交換器的需求。

SFP+Direct Attach也可改用主動式銅線(內含信號放大與等化功能),藉以達到更大的傳輸距離,不過相對的延遲與功率消耗都會增加。

10GBASE-T

最新的一種10GbE銅線類型規格,可採用與1000BASE-T(GbE)類似的無屏蔽雙絞線與RJ45連接埠,來實現10Gbps的傳輸速率,不過必須使用CAT 6以上等級的纜線,而非GbE環境中常見的CAT 5或CAT 5e等及纜線。

當採用CAT 6a或CAT 7等級纜線時,10GBASE-T理論上可達到100公尺的最大傳輸距離,若採用CAT 6纜線,亦有55公尺的傳輸距離。

早期的10GBASE-T介面卡有功率消耗過高的問題,收發器模組的功率消耗比10GBASE-SR光纖規格高出3~4倍,甚至接近PCIe匯流排允許的臨界值。

但新一代10GBASE-T介面卡的功耗已降低許多。由於可與GbE規格相容(部份10GBASE-T介面卡還可自動偵測與切換10Gb或1Gb連接速度),成本相對較低,因此10GBASE-T被視為一種相當有潛力的10GbE連接規格。

10GBASE-KR與10GBASE-KX4

用於刀鋒伺服器、交換器或路由器內部背板連接的10GbE規格,又被稱為背板乙太網路。其中-KR是4條通道平行傳輸規格,-KX4則是單通道串列傳輸規格,兩者均可允許透過1公尺長度以內的銅佈線印刷電路,來實現10GbE連接。

當前主流與未來趨勢

前面介紹了10多種10GbE連接規格,不過經過數年的發展後,其中有幾種已經趨近於退出市場。

在光纖類型方面,10GBASE-LRM與10GBSE-LX4兩種光纖類型規格目前已經很少見到,均遠不如10GBASE-SR與-LR普及。

按市調機構Dell’Oro的估計,SPF+光纖收發器類型的10GbE,占2011年10GbE出貨總埠數1/4以上,其中短距離用的10GBASE-SR又占了95%,換言之,SFP+與10BASE-SR的組合,是目前最普及的10GbE光纖規格。

至於同樣使用SFP+收發器的長距離傳輸用10BASE-LR,由於長距離傳輸的應用需求量遠低於短距離傳輸,按主要10GbE介面卡廠商之一的Intel說法,10BASE -LR規格只占他們10GbE出貨量的1%(其他幾乎都是短距離傳輸類型規格),不過卻是相當關鍵的1%。

若從包括銅線與光纖的整個10GbE連接應用來看,結合了SFP+連接器與銅線的SFP+Direct Attach是目前最普遍使用的規格。

按Dell’Oro估計,SFP+Direct Attach介面卡與SFP+光纖介面卡在2011年的出貨量,是2.5比1,前者占了總出貨量的6成以上。至於最早的10GBASE-CX4亦逐漸退出市場,在2010年占10GbE總出貨量的比重已不到2%。

不過未來最被看好的連接規格,還是10GBASE-T,由於推出時間較晚,目前的應用比重雖然仍不及SFP+類型規格,但挾著低成本、易於與既有GbE網路環境融合等特性,許多市場調查機構都看好10GBASE-T 的成長,如Crehan Research便估計,10GBASE-T到2013或2014年的出貨量,就會超過SFP+類型規格。

 

10GbE連接規格概覽(區域網路類型)

 

各種10GbE連接規格的最大傳輸距離(長距離類型)

 

各種10GbE連接規格的最大傳輸距離(短距離類型)

 

10GbE光纖收發模組類型

光纖網路應用中,提供終端收發功能的光纖收發模組是必不可少的元件。光纖收發模組包括了光-電轉換、時鐘/同步、編/解碼等功能,10GbE問世後,最早出現的一種收發器模組是由SDH規格修改而來的300pin MSA模組,不過由於價格十分昂貴、尺寸也相對龐大,應用十分有限,實際得到較廣泛應用的,是後來陸續出現的XENPAK、X2、XFP與SFP+等4種10GbE光訊號收發器模組。

XENPAK

針對10GbE的第一代光纖收發模組,可熱插拔,有分別支援850nm、1310nm與1550nm等多種波長,以及單模、多模的不同版本,能支援10GBASE-SR、-LR、-ER與10GBASE-LRM等協定,缺點是體積與功率消耗較大,較適合交換器或路由器等設備使用,而不適合用在空間緊湊的介面卡上。某些廠商還有生產可連接CX4纜線的XENPAK模組。

X2

XENPAK的改進版,規格相容於XENPAK,但體積與功率需求均縮小1/3以上,更適合用在介面卡上。

XFP

只提供光-電轉換、省略其他元件的小型收發器模組,因而體積與功率需求較XENPAK或X2更小,尺寸接近標準的SFP通用小型光纖收發器,十分適合高密度環境使用,成本也相對低廉許多。XFP模組通常有850nm、1310nm與1550nm波長,與單模、多模等不同版本,可支援多種10GbE傳輸協定。

由於XFP只有光電轉換功能,其餘功能必須依靠外部主機板或介面卡上的其他元件來承擔。不過也由於XFP只負責光電轉換,沒有編/解碼等功能,所以與通訊協定無關,亦可用於其他類型的光纖網路。

SFP+

從通用的SFP小型光纖通信收發器規格衍生的版本,物理規格與1Gb的SFP相同,支援的傳輸速率提高到10Gbps,有支援不同作業波長與單模、多模模式的版本。

與XFP相似,SFP+亦把許多電路功能放到外部的主機板或介面卡上,本身只負責光電轉換,不過SFP+更為精簡、功率消耗更低,尺寸也較XFP更小,是目前應用的主流。

 

10GbE光纖收發模組規格對比

 

各種10GbE連接規格的適用領域

 

幾種機房常見的10Gb乙太網路連接規格

長距離傳輸型10GbE規格採用的單模光纖一般比較少見,另外在眾多光纖收發器規格中,較老的XENPAK、X2或XFP等收發器規格,現在也逐漸為其他類型規格取代,目前在機房中較常見到的是這4種短距離用的10GbE連接規格,包括1種採用SFP+收發器的多模光纖類型與3種銅線類型規格:

RJ45埠與CAT 6纜線

10GBASE-T是10GbE發展上的一大突破,曾有許多人認為要在雙絞線上傳輸這樣高的頻寬是不可能的,不過藉由改進的編碼、降低損耗與數位-類比轉換技術,搭配Cat 6以上等級纜線,讓10GBASE-T成為現實。

據稱1GbE的Cat 5e纜線也能用於10GBASE-T,不過一般還是以使用Cat 6以上纜線為基準。線材便宜、而且可由使用者自行在現場壓製是10GBASE-T一大優點,一桶1,000呎長的Cat 6纜線只要200美元,而且可視需要自行壓製合適長度,運用上比起其他只能選擇預先配接好固定長度纜線的10GbE規格靈活許多。不過要自行壓製符合Cat 6規格要求的RJ45接頭並不容易,最好還是購買現成壓制好的Cat 6纜線,20、30公尺長的規格只需台幣500、600元。

 

SFP+ Direct Attach

即10GBASE-Cu或10GBASE-CX1規範,採用SFP+收發器的連接埠框體,但裡面沒有光學模組,而是直接連接一條雙芯銅線。

在目前所有主要10GbE連接方式中,SFP+ Direct Attach有效距離是最短的(僅5~7公尺),不過仍足以因應機房中伺服器與交換器之間的連接需求,線材也比CX4更容易使用,是目前最普遍的一種銅線類型10GbE連接規格。

與CX4相似,SFP+ Direct Attach亦是預先配接好固定的長度出售,含纜線與兩端的SFP+ Direct Attach接頭模組,通常有1、2、3、5、7公尺等幾種長度規格可供選擇,1公尺長規格最便宜的價格甚至不到50美元,3公尺長規格大約為70美元,最長的7公尺長規格就要100美元左右。

 

SFP+模組與多模光纖纜線

即10GBASE-SR,是目前最常見的光纖類型10GbE連接規格,視使用的線材等級不同,可有26~300公尺的有效傳輸距離,可因應從機房內的伺服器-交換器的短距離連接,到建築物內部佈線的長距離連接等多種用途,應用範圍十分廣泛。

光纖纜線必須與收發模組搭配運作,單以光纖纜線來看,搭配10GBASE-SR 的LC接頭多模光纖纜線價格並不貴,5公尺長以下的62.5μm芯徑規格光纖纜線價格一般在50~60美元左右,30公尺長規格的纜線也只要100多美元,問題在於每個連接埠都需要安裝1組價格150~200美元的SFP+收發器模組,導致整體成本要比銅線類型連接方式高出許多。

 

CX4連接埠與纜線

即10GBASE-CX4,這是最早的10GbE銅線連接規格,低成本、低延遲是其優點,不過連接頭尺寸較大是一個缺點,相對粗重的CX4纜線也有不易佈線的麻煩,現在已經退出主流,被更容易佈線的SFP+ Direct Attach取代。

CX4纜線都是預先配接好固定的長度出售,使用者必須預先決定好需要的長度尺寸。每條CX4纜線包含屏蔽銅纜線與兩端點的連接埠頭,越長的CX4纜線價格也越貴,3公尺長以下規格的CX4纜線價差不大,大約在60~90美元左右,5公尺長規格的纜線價格就攀升到100~120美元上下,最長的15公尺版本價格則要價220~250美元左右。

 

廣域網路型的10GbE規格

除了應用於區域網路外,10Gb乙太網路亦能應用於廣域網路。要特別注意的是,廣域網路型10GbE的物理層傳輸距離規格並沒有比較遠,事實上對應規格的廣域網路與區域網路型10GbE,傳輸距離規格是完全相同的,兩者的差異,只在於廣域網路型10GbE可與當前作為廣域網路骨幹的同步光纖網路(SONET)/同步數位階層(SDH)相容。

為了與SONET/SDH網路相容,廣域網路型10GbE的物理層多了一個廣域網路介面子層(WAN Interface Sublayer),可透過SONET/SDH的OC-192/STM-64訊框格式,與SONET/SDH網路設備交互作業。

廣域網路型10GbE的物理層規範有10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW與10GBASE-ZW等幾種,採用的光纖類型與傳輸距離分別對應區域網路型10GbE的10GBASE-SR、10GBASE-ER與10GBASE-ZR。

不過由於SONET/SDH網路是串列傳輸,而與SONET/SDH相容又是廣域網路型10GbE的必備條件,因此區域網路型10GbE中,採用並列傳輸的10GBASE-CX4與10GBASE-LX4,都沒有對應的廣域網路版本。

10GBASE-SW

10GBASE-SR的廣域網路版,同樣採用850nm波長多模光纖,使用50μm芯徑OM3等級光纖纜線時,可達到300公尺有效傳輸距離。

10GBASE-LW

10GBASE-LR的廣域網路版,同樣採用1310nm波長單模光纖,最大傳輸距離同為10公里。

10GBASE-EW

10GBASE-ER的廣域網路版,採用相同的1550nm波長單模光纖,最大傳輸距離亦同為30或40公里。

10GBASE-ZW

10GBASE-ZR的廣域網路版,採用1550nm單模光纖,最大傳輸距離達到80公里。不過10GBASE-ZW與10GBASE-ZR同樣都是由特定廠商所推動的規格,並非IEEE的標準規範。

 


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