100 Gigabit以太网解决背板和铜缆

考虑一下维基百科中的这个定义：“梅特卡夫定律指出，电信网络的价值与系统连接用户数的平方 （n2） 成正比。” 再想想本杰明·富兰克林的一句名言：“时间就是金钱。” 梅特卡夫定律和富兰克林声明的总和可以用来描述以太网在过去 35 年中的进展，因为更高的网络速度已经实现了与计算相关的低速端口的大规模部署。千兆以太网 （GbE） 帮助实现了 100 Mb 以太网的大批量部署，而 10 GbE 帮助实现了 GbE 的大批量部署。今天，40 GbE 和 100 GbE 的推出将支持 10 GbE 的大批量部署。

IEEE Std 802.3ba-2010 于 2010 年 6 月获得批准，定义了 40 GbE 和 100 GbE 操作，以及几个物理层规范。表 1 总结了本项目下开发的不同物理层规范。

表 1： IEEE Std 802.3ba-2010 定义了几个物理层规范。

与跨铜介质电传输相关的两个物理层规范是 -KR（背板）和 -CR（铜缆）规范。从该表中可以得出两个观察结果。首先，这两个物理层规范均基于“n”通道 x 10 Gbps 方法。其次，没有为背板上的 100 GbE 定义物理层规范，这意味着 10 通道 x 10 Gbps 的方法被视为 100 GbE 背板规范不可接受。

扩展 100 GbE 物理层规范

自从 40 GbE 和 100 GbE 规范获得批准以来，以太网社区认识到需要扩展 100 GbE 物理层规范系列并添加一个以解决跨背板的操作。有几个因素促成了这一认识［1］：

由于考虑了基于支持 10 Gbps、40 Gbps 和 100 Gbps 的外形尺寸的前面板 I/O 容量，因此观察到的线卡容量范围为 400 Gbps 到 3.2 Tbps。根据这些线卡容量，计算了高达 45 Tbps 的总体背板容量要求。

与基于 25 Gbps 电信号的 x4 架构相比，当仅使用基于 10 Gbps 电信号的 x10 架构时，构建支持这些线卡和背板容量的背板变得越来越具有挑战性。简而言之，差分走线的数量增加了连接器引脚的数量以及 PCB 层的数量。

在 40 GbE 和 100 GbE 之间的费率辩论中，注意到服务器带宽容量大约每 24 个月翻一番。根据这一观察，到 2017 年服务器将支持 100 GbE。然而，支持这些服务器的背板将在此时间框架之前在系统中发货。因此，为确保这些背板可升级到 100 GbE，有必要制定一个标准，定义一个能够支持 25 Gbps 信令的背板通道，以实现支持 100 GbE 的 x4 架构。

此外，由于 10GBASE-KR 为开发 -CR 系列物理层规范提供了基础，人们意识到通过将通道速率从 10 Gbps 提高到 25 Gbps 来减少通道数量也将有利于铜双轴电缆组件。通过将差分对的数量从 10 个减少到 4 个，可以实现成本、端口密度和布线便利性的改进。

因此，在背板和铜缆上开发 100 GbE 物理层规范的真正挑战是将给定通道上的信号速率从 10 Gbps 提高到 25 Gbps。尽管存在这种困境，但作为整体解决方案的一部分，可以探索许多潜在的选择。

这个频道

对于物理层规范，通道最终是问题陈述。插入损耗、其偏差、回波损耗以及串扰和插入损耗之间的关系共同定义了通道的性能限制。虽然连接器技术、PCB 材料和电路板制造的持续改进提高了通道质量，但它们通常是有代价的。这种与背板相关的努力通常会导致讨论支持今天部署的传统背板与可以利用最新技术的新开发背板。然而，更具挑战性的通道可能会提高用于解决问题的电路的复杂性和功率。

铜缆通道也有其自身的挑战。连接器技术、PCB 材料和电路板制造将提高位于主板上的通道的质量，但对主板走线的损耗进行预算将因此减少与电缆组件相关的损耗量，这会转化为更短的电缆长度。

调制

不归零 （NRZ） 是现有的信令方案。10GBASE-KR 解决方案能够在 5.15625 GHz 的奈奎斯特频率下实现大约 25 dB 的插入损耗。预计在不使用前向纠错 （FEC） 的情况下，大约 25 Gbps 的 NRZ 方案将支持在 12.9 GHz 下大约 25 dB 到 30 dB 的通道插入损耗。对于标准批准时将存在于现场的大容量应用或遗留背板，这样的损耗目标可能证明成本太高。因此，一些人建议该小组除了 NRZ 解决方案外，还应考虑开发 4 级脉冲幅度调制规范。有人建议 PAM-4 解决方案在大约 7 GHz 时支持大约 30 dB 插入损耗的通道插入损耗。

均衡

各种形式的均衡——从发射前馈均衡和波形整形到连续时间线均衡再到接收器决策反馈均衡——被用来克服给定信道内的各种缺陷。适当的均衡类型取决于调制方案和目标信道。重要的是要了解均衡必须优化，并且可能过度均衡通道。

前向纠错

FEC 可以以增加复杂性和延迟为代价提高整体链路性能。因此，必须评估不同 FEC 提案与 IEEE 802.3ba-2010 架构之间的交互，以确定在可接受的复杂度下具有最佳延迟的解决方案。已经提出了 6 dB 或更高编码增益的建议，并且预计任何能够在 1 m 长的背板通道上驱动 100 GbE 的解决方案都需要某种类型的 FEC。

为下一代网络奠定基础

这些新物理层规范的开发将由 2011 年 9 月成立的 IEEE P802.3bj 100 Gbps 背板和铜缆工作组推动。该项目的目标包括：

仅支持全双工操作。

利用 802.3 媒体访问控制 （MAC） 保留 802.3/以太网帧格式。

保留当前 802.3 标准的最小和最大帧大小。

支持MAC/专线业务接口误码率大于等于10-12。

定义一个 4 通道 100 Gbps 背板 PHY，用于在与“改进的 FR-4”（由 IEEE P802.3ap 或工作组定义的更好材料定义）上的铜迹线一致的链路上运行，长度至少为 1米。

定义一个 4 通道 100 Gbps PHY，用于在与长度至少为 5 m 的铜双轴电缆一致的链路上运行。

除了这些目标之外，还在考虑有关新的 100 GbE 物理层规范的能效演示。这些演示建立在定义为 IEEE 802.3az-2010 一部分的节能以太网概念之上，该概念定义了低利用率期间的低功耗空闲状态。

审核编辑：郭婷