10-гигабитный Ethernet (10GE, 10GbE или 10 GigE) — группа технологий компьютерных сетей, позволяющих передавать Ethernet пакеты со скоростью 10 гигабит в секунду. Впервые определены в стандарте IEEE 802.3 ае-2002. В отличие от предыдущих стандартов Ethernet, в 10-гигабитных вариантах определены только полнодуплексные связи по схеме точка-точка, которые обычно подключаются к сетевым коммутаторам. Топологии с общей средой и алгоритмами CSMA/CD более не поддерживаются, в отличие от предыдущих поколений стандартов Ethernet, в 10GbE не реализована полудуплексная работа и не поддерживаются репитеры (хабы)IEEE 802.3-2012 44.1.1 Scope.
В 10-гигабитных стандартах Ethernet описываются различные реализации физического уровня (PHY). Сетевое устройство, такое как коммутатор или сетевой контроллер, может поддерживать несколько типов физических уровней с помощью модульных адаптеров, например, в виде модулей SFP+, либо предоставлять встроенную реализацию одного из физических стандартов, например, 10 гбит Ethernet по витой паре (10GBase-T). Как и в предыдущих версиях стандартов Ethernet, 10GbE может использовать медные или оптические кабели. Максимальные расстояния для работы с медной витой парой составляют 100 метров, но из-за высоких требований к параметрам кабеля требуется более качественный кабель (категория 6a)Кабель категории 6 может использоваться на расстояниях до 55 метров. Категория 6a или лучше позволяет передавать сигнал на расстояние до 100 метров.
Внедрение локальных сетей 10-гигабитного Ethernet происходит медленнее, чем с предыдущими стандартами локальных сетей: в 2007 году был поставлен один миллион портов 10GbE, в 2009 году — два миллиона, в 2010 году — более трёх миллионов портов, с оценками в девять миллионов портов в 2011 году. По состоянию на 2012 год цена 10 гигабитных портов в несколько раз выше, чем для гигабитных Ethernet-сетей, что препятствуют более широкому внедрению, хотя цена за гигабит пропускной способности в случае 10 гигабит уже в три раза ниже, чем для гигабитных сетей10 Gigabit Ethernet still too expensive on servers , 2012-11-21Soz, switch-fondlers: Doesn’t look like 2013 is 10Gb Ethernet’s year , 2013-01-03.
Стандарты За годы существования рабочей группы IEEE 802.3 был опубликован ряд стандартов, относящихся к 10GbE. СтандартГод изданияОписание802.3ae200210 Гбит/с Ethernet по оптоволокну для LAN (10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-LX4) и WAN (10GBASE-SW, 10GBASE-LW, 10GBASE-EW)802.3ak200410GBASE-CX4 10 Гбит/с Ethernet через твинаксиальный кабель802.3-20052005Пересмотр базового стандарта, включающий 802.3ae, 802.3ak и исправления802.3an2006Приемопередатчик 10GBASE-T 10 Гбит/с Ethernet по медной витой паре802.3ap2007Стандарты для объединительных плат, передача сигналов сетей Ethernet 1 и 10 Гбит/с по печатным платам (технологии 10GBASE-KR и 10GBASE-KX4)802.3aq2006Приемопередатчик 10GBASE-LRM 10 Гбит/с Ethernet по многомодовым волокном с улучшенным уравниванием802.3-20082008Пересмотр базовых стандартов, включение 802.3an/ap/aq поправок и исправлений. Агрегирование каналов перенесено в стандарт 802.1ax.802.3av2009Приемопередатчик 10GBASE-PR 10 Гбит/с Ethernet PHY для EPON, также известный как 10G-EPON802.3-20152015Последняя версия базового стандарта802.3bz20162.5- и 5-гигабитные варианты Ethernet по медной витой паре Категории 5 и Категории 6 (2.5 GBASE-T и 5GBASE-T)802.3-20182018Последняя версия базового стандарта, включающая 802.3bn/bp/bq/br/bs/bw/bu/bv/by/bz/cc/ce
Модули физического уровня
Для реализации различных физических уровней стандартов 10GbE многие интерфейсы состоят из стандартного гнезда, в которое можно подключать различные PHY модули. Физические форматы модулей не указаны в официальных стандартах IEEE и описываются различными индустриальными многосторонними соглашениями, что позволяет ускорить выработку спецификаций. Популярными для 10GbE форматами модулей являются XENPAK (и связанные с ним Х2 и XPAK), XFP и SFP+. На выбор форм-фактора PHY модулей влияет стоимость разработки, доступность модулей, типы носителей, потребляемая мощность и размер модулей. В рамках одного канала точка-точка стороны могут использоваться модули различных форм-факторов, пока они реализуют один и тот же физический уровень 10GbE (например, 10GBASE-SR для локальных сетей) и тип кабеля (оптический или медный).
XENPAK стал первым форм-фактором модулей для 10GE и имел самый крупный размер. Позже появились Х2 и XPAK, конкурирующие стандарты с уменьшенным размером модуля, однако они не достигли на рынке такого же успеха, как XENPAK. Затем появился ещё более компактный XFP.
Более новым и распространённым форматом модулей стал улучшенный модуль приемопередатчиков малого форм-фактора, известный под названием SFP+. Он был создан на основе форм-фактора модуля приемопередатчиков малого форм-фактора (SFP) при участии группы ANSI Т11 Fibre Channel. Этот формат ещё компактнее чем XFP и потребляет меньше электроэнергии. Модули SFP+ стали наиболее популярным форм-фактором для трансиверов 10GE систем. В модулях SFP+ производится лишь преобразование между оптическим и электрическим интерфейсами, без восстановления синхронизирующих сигналов или проверки целостности данных, из-за чего контроллер порта выполняет больше работы. Модули SFP+ сохранили компактный размер более ранних SFP модулей и позволяют достичь более высокой плотности портов, чем в случае с модулями XFP. Также они допускают переиспользование ряда наработанных конструкций, например дизайн панели 24 или 48 портовых коммутаторов, устанавливаемых в 19-дюймовую стойку.
Оптические модули подключаются к контроллеру при помощи электрических интерфейсов XAUI, XFI или SerDes Framer Interface (SFI). Приемопередатчики форматов XENPAK, Х2 и XPAK используют XAUI (XGXS) — канал из четырёх дифференциальных пар, определённый в IEEE 802.3 Clause 47. Приемопередатчики XFP используют интерфейс XFI, а SFP+ модули используют интерфейс SFI. В интерфейсах XFI и SFI сигнал передаётся по одной дифференциальной паре с применением кодирования 64/66 бит, определённого в IEEE 802.3 Clause 49.
Модули SFP+ можно разделить на два типа по интерфейсу к контроллеру: линейные и лимитирующие. Лимитирующие используются для связи на больших расстояниях, например для 10GBASE-LRM, а в остальных случаях более предпочтительными являются линейные модули.
+Сравнение оптических и других физических транспортных уровней (TP-PHY)MMFFDDI62,5/125 мкм(1987)MMFOM162,5/125 мкм(1989)MMFOM250/125 мкм(1998)MMFOM350/125 мкм(2003)MMFOM450/125 мкм(2008)MMFOM550/125 мкм(2016)SMFOS19/125 мкм(1998)SMFOS29/125 мкм(2000)160 МГц·км@850 нм200 МГц·км@850 нм500 МГц·км@850 нм1500 МГц·км@850 нм3500 МГц·км@850 нм3500 МГц·км@850 нм и1850 МГц·км@950 нм1 дБ/км@1300/1550 нм0.4 дБ/км@1300/1550 нм
НазваниеСтандартСтатусСреда передачиРазъём OFC или ВЧ-разъёмМодули трансиверовРасстояния(км)Число волоконЛиний(⇅)Примечания 10-гигабитный Ethernet (10 GbE) — (скорость передачи данных: 10 Гбит/с — линейное кодирование: 64b/66b × NRZ — линейная скорость: 10.3125 Гбод — Полный дуплекс)10GBASE-CX4 устаревший твинаксиальный кабельбалансные линии CX4 (SFF-8470)(IEC 61076-3-113)(IB)</small>XENPAKX2XFP0.01544Для дата-центров;линейное кодирование: 8b/10b × NRZлинейная скорость: 4x 3.125 Гбод = 12.5 Гбод10GBASE-KX4802.3ap-2007(CL48/71) устаревший медные проводники на платах 0.00144Печатные платы;линейное кодирование: 8b/10b × NRZлинейная скорость: 4x 3.125 Гбод = 12.5 Гбод10GBASE-LX4802.3ae-2002(CL48/53)устаревшийFibre1269.0 — 1282.4 нм1293.5 — 1306.9 нм1318.0 — 1331.4 нм1342.5 — 1355.9 нмSCXENPAKX214WDM;линейное кодирование: 8b/10b × NRZлинейная скорость: 4x 3.125 Гбод = 12.5 ГбодШирина моды: 500 МГц·км10GBASE-SW802.3ae-2002(CL50/52)актуальныйволокно850 нмSCLCSFP+XPAK21WAN;WAN-PHY;линейная скорость: 9.5846 Гбоднепосредственно отображается на потоки OC-192/STM-64 SONET/SDH.-ZW: вариант -EW с более мощной оптической системой10GBASE-LW актуальный волокно1310 нм SCLCSFP+XENPAKXPAK2110GBASE-EW актуальныйволокно 1550 нмSCLCSFP+2110GBASE-ZW проприетарный(не описан IEEE) актуальный10GBASE-CR SFF-8431(2006) актуальный твинаксиальныйбалансный SFP+(SFF-8431)SFP+0.0070.0150.111Дата-центраТип кабеля: пассивный твинаксиальный (до 7 м), активный (до 15 м), активный оптический (AOC): (до 100 м)10GBASE-KR актуальный Медь по платам 0.00111Для печатных плат и объединительных плат10GBASE-SRактуальныйволокно850 нмSCLCSFP+XENPAKX2XPAKXFP21Ширина моды: 160 МГц·км (26 м), 200 МГц·км (33 м),400 МГц·км (66 м), 500 МГц·км (82 м), 2000 МГц·км (300 м),4700 МГц·км (400 м)10GBASE-SRL проприетарный(не описан IEEE)актуальныйволокно850 нмSCLCSFP+XENPAKX2XFP2110GBASE-LR802.3ae-2002(CL49/52) актуальный волокно1310 нм SCLCSFP+XENPAKX2XPAKXFP2110GBASE-LRM802.3aq-2006(CL49/68)актуальныйволокно1300 нмSCLCSFP+XENPAKX221 Ширина моды: 500 МГц·км10GBASE-ER802.3ae-2002(CL49/52) актуальныйволокно1550 нмSCLCSFP+XENPAKX2XFP2110GBASE-ZR проприетарный (не описан IEEE) актуальный-ER с более мощной оптикой10GBASE-PR актуальный волокно SCSFP+XFP1110G EPON
СтандартДатаРазъёмСредаТип кабеляМаксимальная дальностьПримечания20068P8CМедная витая пара4 парыКанал класса E, кабель категории 6. Канал класса Ea, кабель категории 6а или 7 (витая пара)55 м (класс E кат. 6)100 м (класс Ea кат. 6а или 7)Возможность повторного использования существующей кабельной инфраструктуры, высокая плотность портов, относительно высокая мощность
Оптические волокна
Существует два основных типа оптического волокна для использования с 10-гигабитным Ethernet: одномодовое (SMF) и многомодовое (MMF). В одномодовом луч света следует по единому пути через волокно, а многомодовом — по нескольким путям, что приводит к различным задержкам мод (DMD). SMF используется для связи на больших расстояниях, а MMF — для расстояний менее 300 метров. SMF использует волокно с более узкой сердцевиной (диаметр 8.3 мкм), которое требует более точных работ по оснащению разъёмами, сварке и подключению. MMF применяет волокно с более широким диаметром сердцевины (50 или 62,5 мкм), его преимуществом является возможность использования недорогих поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) на коротких расстояниях. Кроме того, многомодовые разъёмы дешевле и проще в обработке. Преимуществом одномодовых кабелей является их работоспособность на больших расстояниях.
Стандарт 802.3 предполагает использование MMF волокон, соответствующий требованиям FDDI: они используют сердечник диаметром 62,5 мкм и минимальную модальную полосу в 160 МГц·км на 850 нм. Такие волокна использовались с начала 1990-х годов для сетей FDDI и 100BaseFX. Стандарты 802.3 также ссылается на ISO/IEC 11801, в котором описаны многомодовые волокна типов OM1, OM2, OM3 и OM4. Тип OM1 также использует диаметр 62,5 мкм, а остальные — 50 мкм. Для света с длиной волны 850 нм минимальная модальная полоса пропускания составляет 200 МГц·км для OM1, 500 МГц·км для OM2, 2000 МГц·км для OM3 и 4700 МГц·км для ОМ4. Кабели FDDI-класса считаются устаревшими и новые структурированные кабельные системы используют волокна типов OM3 или OM4. Тип OM3 позволяет передавать сигналы 10GbE на расстояния до 300 метров с использованием недорогих модулей 10GBASE-SR (тип OM4 может работать на расстояниях до 400 метров).
Оптоволоконные кабели разных типов выполняются с различным цветом внешней изоляции. Одномодовое волокно обычно использует жёлтый цвет, многомодовое — оранжевый (для типов OM1 и OM2) или сине-зелёный (типы OM3 и OM4). Однако в волоконнооптических системах нет обязательной цветовой маркировки в зависимости от скоростей и технологий (за исключением зелёного цвета хвостовиков разъёмов с угловой полировкой APC).