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Ethernet de 10 Gigabit

Enrutador con dos docenas de puertos Ethernet de 10 Gigabit y tres tipos de módulo de capa física. Ethernet de 10 Gigabit ( 10GE , 10GbE o 10 GigE ) es un conjunto de tecnología...

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Enrutador con dos docenas de puertos Ethernet de 10 Gigabit y tres tipos de módulo de capa física.

Ethernet de 10 Gigabit ( 10GE , 10GbE o 10 GigE ) es un conjunto de tecnologías de redes informáticas para la transmisión de tramas Ethernet a una velocidad de 10 gigabits por segundo . Fue definida por primera vez por el estándar IEEE 802.3ae-2002 . A diferencia de los estándares Ethernet anteriores, 10GbE define únicamente enlaces punto a punto full-duplex , que generalmente se conectan mediante conmutadores de red ; la operación CSMA/CD de medio compartido no se ha conservado de las generaciones anteriores de estándares Ethernet [ 1 ], por lo que la operación half-duplex y los concentradores repetidores no existen en 10GbE [ 2 ] . El primer estándar para enlaces Ethernet de 100 Gigabit más rápidos fue aprobado en 2010 [ 3 ].

El estándar 10GbE 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 mediante módulos PHY conectables, como los basados ​​en SFP+ . Al igual que las versiones anteriores de Ethernet, 10GbE puede usar cableado de cobre o de fibra óptica. La distancia máxima a través de cable de cobre es de 100 metros, pero debido a sus requisitos de ancho de banda, se requieren cables de mayor calidad. [ a ]

La adopción de 10GbE ha sido más gradual que las revisiones anteriores de Ethernet : en 2007 se enviaron un millón de puertos 10GbE, en 2009 se enviaron dos millones de puertos y en 2010 se enviaron más de tres millones de puertos, [ 4 ] [ 5 ] con un estimado de nueve millones de puertos en 2011. [ 6 ] A partir de 2012Aunque el precio por gigabit de ancho de banda para 10GbE era aproximadamente un tercio en comparación con Gigabit Ethernet , el precio por puerto de 10GbE seguía dificultando una adopción más generalizada. [ 7 ] [ 8 ]

En 2017, Apple convirtió la conexión Ethernet de 10 Gigabit integrada en el estándar de su iMac Pro .

Para 2022, el precio por puerto de 10GBASE-T había bajado a entre 50 y 100 dólares, dependiendo de la escala. [ 9 ] En 2023, los routers Wi-Fi 7 comenzaron a aparecer con puertos WAN de 10 GbE de serie.

Estándares

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

módulos de capa física

Primer plano de un transceptor XFP Ethernet de 10 Gigabit.

To implement different 10GbE physical layer standards, many interfaces consist of a standard socket into which different physical (PHY) layer modules may be plugged. PHY modules are not specified in an official standards body but by multi-source agreements (MSAs) that can be negotiated more quickly. Relevant MSAs for 10GbE include XENPAK[12][13][14] (and related X2 and XPAK), XFP and SFP+.[15][16] When choosing a PHY module, a designer considers cost, reach, media type, power consumption, and size (form factor). A single point-to-point link can have different MSA pluggable formats on either end (e.g., XPAK and SFP+) as long as the 10GbE optical or copper port type (e.g. 10GBASE-SR) supported by the pluggable is identical.

XENPAK was the first MSA for 10GE and had the largest form factor. X2 and XPAK were later competing standards with smaller form factors. X2 and XPAK have not been as successful in the market as XENPAK. XFP came after X2 and XPAK, and it is also smaller.

The 10-gigabit module standard is the Enhanced Small Form-factor Pluggable transceiver, generally called SFP+. Based on the Small Form-factor Pluggable (SFP) transceiver and developed by the ANSI T11 fibre channel group, it is smaller still and lower power than XFP. SFP+ has become the most popular socket on 10GE systems.[17][15] SFP+ modules do only optical to electrical conversion, no clock and data recovery, putting a higher burden on the host's channel equalization. SFP+ modules share a common physical form factor with legacy SFP modules, allowing higher port density than XFP and the re-use of existing designs for 24 or 48 ports in a 19-inch rack width blade.

Optical modules are connected to a host by either a XAUI, XFI or SerDes Framer Interface (SFI) interface. XENPAK, X2, and XPAK modules use XAUI to connect to their hosts. XAUI (XGXS) uses a four-lane data channel and is specified in IEEE 802.3 Clause 47. XFP modules use an XFI interface, and SFP+ modules use an SFI interface. XFI and SFI use a single-lane data channel and the 64b/66b encoding specified in IEEE 802.3 Clause 49.

SFP+ modules can further be grouped into two types of host interfaces: linear or limiting. Limiting modules are preferred except for long-reach applications using 10GBASE-LRM modules.[16]

Fibra óptica

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

Existen dos tipos básicos de fibra óptica utilizados para Ethernet de 10 Gigabit: monomodo (SMF) y multimodo (MMF). [ 25 ] En SMF, la luz sigue una única trayectoria a través de la fibra, mientras que en MMF toma múltiples trayectorias, lo que resulta en un retardo de modo diferencial (DMD). SMF se utiliza para comunicaciones de larga distancia y MMF para distancias inferiores a 300  m. SMF tiene un núcleo más estrecho (8,3  μm), lo que requiere un método de terminación y conexión más preciso. MMF tiene un núcleo más ancho (50 o 62,5  μm). La ventaja de MMF es que puede ser alimentada por un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) de bajo costo para distancias cortas, y los conectores multimodo son más económicos y fáciles de terminar de forma fiable en el campo. La ventaja de SMF es que puede funcionar a distancias más largas. [ 26 ]

En el estándar 802.3, se hace referencia a la fibra MMF de grado FDDI  . Esta 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 la norma 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, el de OM2 de 500  MHz·km, el de OM3 de 2000  MHz·km y el de OM4 de 4700  MHz·km. El cable de grado FDDI está obsoleto y las nuevas instalaciones de cableado estructurado utilizan cableado OM3 u OM4. El cable OM3 puede transmitir Ethernet de 10 Gigabit a 300 metros utilizando óptica 10GBASE-SR de bajo costo. [ 27 ] [ 28 ] El cable OM4 puede gestionar 400 metros. [ 29 ]

Para distinguir los cables SMF de los 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 velocidad óptica o tecnología específica, con la excepción del conector de contacto físico angular (APC), cuyo color es verde según el consenso. [ 30 ]

También existen cables ópticos activos (AOC). Estos incorporan la electrónica óptica preinstalada, eliminando la necesidad de conectores entre el cable y el módulo óptico. Se conectan a tomas SFP+ estándar. Su coste es inferior al de otras soluciones ópticas, ya que el fabricante puede adaptar la electrónica a la longitud y el tipo de cable requeridos.

10GBASE-SR

Un transceptor SFP+ 10GBASE-SR

10GBASE-SR ("corto alcance") es un tipo de puerto para fibra multimodo y utiliza  láseres de 850 nm. [ 31 ] Su subcapa de codificación física (PCS) es de 64b/66b y está definida 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 de10,3125 GBd  . [ 32 ]

El alcance depende del tipo de fibra multimodo utilizada. [ 27 ] [ 33 ]

La fibra multimodo (MMF) tiene la ventaja sobre la fibra monomodo (SMF) de tener conectores de menor coste; su núcleo más ancho requiere menor precisión mecánica.

El transmisor 10GBASE-SR utiliza un VCSEL , que es de bajo costo y bajo consumo de energía. El cableado óptico OM3 y OM4 a veces se describe como optimizado para láser porque ha sido diseñado para funcionar con VCSEL. 10GBASE-SR ofrece los módulos ópticos de menor costo, menor consumo de energía y tamaño más compacto.

Existe una variante de menor costo y menor potencia, a veces denominada 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite). Esta es interoperable con 10GBASE-SR, pero solo tiene un alcance de 100 metros. [ 34 ]

10GBASE-LR

10GBASE-LR (long reach) es un tipo de puerto para fibra monomodo y utiliza  láseres de 1310 nm. Su PCS de 64b/66b está definido en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa PMD en la cláusula 52. Transmite datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125  GBd. [ 32 ]

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

La longitud máxima de fibra para 10GBASE-LR es de 10 kilómetros, aunque esto variará dependiendo del tipo de fibra monomodo utilizada.

10GBASE-LRM

10GBASE-LRM (multimodo de largo alcance), especificado originalmente en IEEE 802.3aq, es un tipo de puerto para fibra multimodo y utiliza  láseres de 1310 nm. Su PCS de 64b/66b está definido en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa PMD en la cláusula 68. Transmite datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125  GBd. [ 35 ] 10GBASE-LRM utiliza compensación de dispersión electrónica (EDC) para la ecualización de recepción. [ 36 ]

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 fibras de tipo OM1, OM2 y OM3. [ 27 ] El alcance de 10GBASE-LRM no es tan amplio como el del 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. [ 37 ] Para garantizar que se cumplan las especificaciones en fibras de grado FDDI, OM1 y OM2, el transmisor debe acoplarse mediante un cable de conexión de acondicionamiento de modo . No se requiere cable de conexión de acondicionamiento de modo para aplicaciones en OM3 u OM4. [ 38 ]   

10GBASE-ER

10GBASE-ER (alcance extendido) es un tipo de puerto para fibra monomodo y utiliza  láseres de 1550 nm. Su PCS de 64b/66b está definido en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa PMD en la cláusula 52. Transmite datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125  GBd. [ 32 ]

El transmisor 10GBASE-ER está implementado 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. [ 27 ] [ 14 ]  

10GBASE-ZR

Varios fabricantes han introducido un alcance de 80 km (50 millas) bajo el nombre 10GBASE-ZR. Este PHY de 80 km no está especificado en el estándar IEEE 802.3ae y los fabricantes han creado sus propias especificaciones basadas en el PHY de 80 km descrito en las especificaciones OC-192 / STM-64 SDH / SONET . [ 39 ]    

10GBASE-LX4

10GBASE-LX4 es un tipo de puerto para fibra multimodo y fibra monomodo. Utiliza cuatro fuentes láser independientes que operan a 3,125 Gbit/s y multiplexación por división de longitud de onda gruesa con cuatro longitudes de onda únicas alrededor de 1310  nm. Su PCS 8b/10b está definido en la cláusula 48 de IEEE 802.3 y su subcapa dependiente del medio físico (PMD) en la cláusula 53. [ 27 ]

10GBASE-LX4 tiene un alcance de 10 kilómetros (6,2 millas) sobre fibra monomodo (SMF) . Puede alcanzar los 300 metros (980 pies) sobre cableado multimodo OM1, OM2 y OM3 de grado FDDI. [ b ] En este caso, debe acoplarse mediante un cable de conexión SMF con acondicionamiento de modo de lanzamiento descentrado . [ 27 ] : subcláusulas 53.6 y 38.11.4  

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 descendente y  láseres de 1270 nm en la dirección ascendente. Su subcapa PMD se especifica en la cláusula 75. La transmisión descendente entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 Gbit/s en una configuración punto a multipunto. [ 27 ]

10GBASE-PR tiene tres presupuestos de energía especificados como 10GBASE-PR10, 10GBASE-PR20 y 10GBASE-PR30. [ 27 ] : 75.1.4

10GBASE-BR

Varios proveedores introdujeron ópticas bidireccionales de un solo hilo de 10 Gbit/s capaces de una conexión de fibra monomodo funcionalmente equivalente a 10GBASE-LR o -ER, pero utilizando un solo hilo de cable de fibra óptica. De forma análoga a 1000BASE-BX10 , esto se logra mediante un prisma pasivo dentro de cada transceptor óptico y un par de transceptores emparejados que utilizan dos longitudes de onda diferentes, como 1270 y 1330  nm. Los módulos están disponibles con diferentes potencias de transmisión y alcances que van desde 10 hasta 80  km. [ 40 ] [ 41 ]

Estos avances fueron posteriormente estandarizados en la norma IEEE 802.3cp-2021, con alcances de 10, 20 o 40  km.

Cobre

Ethernet de 10 Gigabit también puede funcionar a través de cableado de doble eje, cableado de par trenzado y placas base .

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 de 4 carriles XAUI (Cláusula 48) y cableado de cobre similar al de la tecnología InfiniBand , con los mismos conectores SFF-8470 . Está especificado para funcionar hasta una distancia de 15 m (49 pies) . Cada carril transmite 3,125 GBd de ancho de banda de señalización.   

10GBASE-CX4 se ha utilizado para apilar conmutadores . [ 42 ] 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 nuevo estándar SFP+ de un solo carril , y un alcance mucho menor que la fibra o 10GBASE-T. Este cable es bastante rígido y considerablemente más costoso que el UTP de categoría 5/6 o la fibra.

Las aplicaciones 10GBASE-CX4 ahora se logran comúnmente utilizando SFP+ Direct Attach y desde 2011, los envíos de 10GBASE-CX4 han sido muy bajos. [ 43 ]

Conexión directa SFP+

También conocido como conexión directa (DA), conexión directa de cobre (DAC), 10GSFP+Cu, [ 44 ] a veces también llamado 10GBASE-CR [ 45 ] o 10GBASE-CX1, aunque no hay estándares IEEE con ninguno de los dos últimos nombres. Los cables de conexión directa cortos utilizan un conjunto de cableado twinaxial pasivo , mientras que los más largos añaden algo de alcance adicional mediante amplificadores electrónicos . Estos tipos DAC se conectan directamente a una carcasa SFP+. La conexión directa SFP+ tiene un cable de longitud fija, hasta 15  m para cables de cobre. [ 46 ] Al igual que 10GBASE-CX4, DA es de baja potencia, bajo costo y baja latencia con las ventajas adicionales de usar cables menos voluminosos y de tener el pequeño factor de forma SFP+. La conexión directa SFP+ es tremendamente popular hoy en día, con más puertos instalados que 10GBASE-SR. [ 43 ]

Plano posterior

Ethernet de plano posterior , también conocido por el nombre del grupo de trabajo que lo desarrolló, 802.3ap , se utiliza en aplicaciones de plano posterior como servidores blade y equipos de red modulares con tarjetas de línea actualizables . Las implementaciones de 802.3ap deben 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 único tipo de puerto de 1 Gbit/s (1000BASE-KX). También define una capa opcional para corrección de errores hacia adelante , un protocolo de autonegociación de plano posterior y entrenamiento de enlace para 10GBASE-KR donde el receptor ajusta un ecualizador de transmisión de tres derivaciones. El protocolo de autonegociación selecciona entre operación 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR o 40GBASE-KR4. [ c ] 

10GBASE-KX4

Este protocolo funciona a través de cuatro carriles de plano posterior y utiliza la misma codificación de capa física (definida en la cláusula 48 de IEEE 802.3) que 10GBASE-CX4.

10GBASE-KR

Esto funciona sobre un único carril de plano posterior y utiliza la misma codificación de capa física (definida en la cláusula 49 de IEEE 802.3) que 10GBASE-LR/ER/SR. Los nuevos diseños de plano posterior utilizan 10GBASE-KR en lugar de 10GBASE-KX4. [ 43 ]

10GBASE-T

Tarjeta de red Intel X540-T2 10GBASE-T de doble puerto

10GBASE-T , o IEEE 802.3an-2006 , es un estándar publicado en 2006 para proporcionar conexiones de 10 Gbit/s a través de cables de par trenzado sin blindaje o blindados, a distancias de hasta 100 metros (330 pies) . [ 48 ] Se requiere la categoría 6A para alcanzar la distancia completa y la categoría 5e o 6 puede alcanzar hasta 55 metros (180 pies) dependiendo de la calidad de la instalación. [ 49 ] La infraestructura de cableado 10GBASE-T también se puede utilizar para 1000BASE-T, lo que permite una actualización gradual desde 1000BASE-T utilizando la autonegociación para seleccionar qué velocidad se utiliza. Debido a la sobrecarga adicional de codificación de línea , 10GBASE-T tiene una latencia ligeramente mayor (de 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 [ d ] ). [ 50 ] [ 51 ]  

10GBASE-T utiliza los conectores modulares IEC 60603-7 8P8C, ya ampliamente utilizados en Ethernet. Las características de transmisión ahora están especificadas hasta 500 MHz . Para alcanzar esta frecuencia, se necesitan cables de par trenzado balanceado de categoría 6A o superior, especificados en la enmienda 2 de la norma ISO/IEC 11801 o en la norma ANSI/TIA-568-C.2, para transmitir 10GBASE-T hasta 100  m. Los cables de categoría 6 pueden transmitir 10GBASE-T a distancias más cortas si cumplen con las directrices de la norma ISO TR 24750 o la norma TIA-155-A.

El estándar 802.3an especifica la modulación a nivel de cable para 10GBASE-T para usar precodificación Tomlinson-Harashima (THP) y modulación de amplitud de pulso con 16 niveles discretos (PAM-16), codificada en un patrón de tablero de ajedrez bidimensional conocido como DSQ128 enviado en la línea a 800 Msímbolos/seg. [ 52 ] [ 53 ] Antes de la precodificación, se realiza la codificación de corrección de errores hacia adelante (FEC) usando 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 código Reed-Solomon generalizado [32,2,31] sobre GF (2 6 ). [ 53 ] Otros 1536 bits no están codificados. Dentro de cada bloque de 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). En contraste, PAM-5 es la técnica de modulación utilizada en Gigabit Ethernet 1000BASE-T . La codificación de línea utilizada por 10GBASE-T es la base para el estándar más nuevo y lento 2.5GBASE-T y 5GBASE-T , implementando una conexión de 2.5 o 5.0 Gbit/s sobre cableado de categoría 5e o 6 existente. [ 54 ] Los cables que no funcionarán de manera confiable con 10GBASE-T pueden operar con éxito con 2.5GBASE-T o 5GBASE-T si son compatibles en ambos extremos. 

10GBASE-T1

10GBASE-T1 está destinado a aplicaciones automotrices y opera sobre un único par balanceado de conductores de hasta 15  m de longitud, y está estandarizado en 802.3ch-2020. [ 55 ]

WAN PHY (10GBASE-W)

En el momento del desarrollo del estándar Ethernet de 10 Gigabit, el interés en 10 GbE como transporte de red de área amplia (WAN) impulsó la introducción de una capa física WAN (WAN PHY) para 10 GbE. Esta capa física WAN se diseñó para interoperar con equipos SDH/SONET OC-192/STM-64 mediante una trama SDH/SONET ligera que funciona a 9,953 Gbit/s . La capa física WAN opera a una velocidad de datos ligeramente inferior a la de la capa física de red de área local (LAN). La capa física WAN puede alcanzar distancias de enlace máximas de hasta 80  km, dependiendo del estándar de fibra óptica empleado.

El WAN PHY utiliza los mismos PMD ópticos 10GBASE-S, 10GBASE-L y 10GBASE-E que los LAN PHY y se designa como 10GBASE-SW, 10GBASE-LW o 10GBASE-EW. Su PCS de 64b/66b está definido 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 añade encapsulación adicional para formatear los datos de trama y que sean compatibles con SONET STS-192c. [ 27 ]

Notas

  1. ↑ El cable de categoría 6 admite tendidos de hasta 55 metros. El cable de categoría 6A o superior es adecuado para longitudes de hasta 100 metros.
  2. ↑ Todos estos tipos de fibra están especificados para tener un ancho de banda modal mínimo de500  MHz·km a 1300  nm.
  3. ↑ 40GBASE-KR4 está definido en 802.3ba. [ 47 ]
  4. ↑ Un paquete Gigabit Ethernet máximo requiere 12,2 μs para la transferencia (1526 × 8 ÷ 10 9 ) para almacenamiento y reenvío; esto aumenta la latencia del hardware.

Véase también

Referencias

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  • IEEE 802.3-2018 - Estándar IEEE para Ethernet
  • Sitio web de Ethernet Alliance
  • Primer estudio comparativo independiente del mundo sobre 10GBASE-T
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