10 Gigabit Ethernet. verspricht höhere Bandbreiten in Metro-, Access-und Transport- Systemarchitekturen. ComPonents

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1 10 Gigabit Ethernet verspricht höhere Bandbreiten in Metro-, Access-und Transport- Systemarchitekturen D ER A UTOR Von Stuart Robinson, Product Marketing Manager, Optical Networking Division, PMC-Sierra, Inc. 10 Gigabit Ethernet (10GE) ist eine Technologie, mit der sich nach Ansicht von Service Providern die hohen Anforderungen an die Bandbreite von Netzwerken erfüllen lassen. Obwohl 10GE ursprünglich nur als Upgrade für bestehende LAN- Umgebungen auf Kupferbasis sowie als Up-Link oder Trunk-Link für vorhandene Gigabit Ethernet Systeme betrachtet wurde, hat sich die 10GE-Technologie auch als bedeutende Lösung zum Aufbau von Metropolitan-Optical-, Access- und Transport-Netzwerken für Datenraten von 10 GBit/s und höher entwickelt. 16 Telecomm & Elektronik 1/2002

2 Da die Verabschiedung der Spezifikation IEEE P802.3ae 10 Gigabit Ethernet als Standard unmittelbar bevorsteht, müssen sich Entwickler bereits jetzt mit den praktischen Aspekten bei der Einbindung von 10GE-Funktionalitäten in ihre Systeme beschäftigen. Aufgrund der Verfügbarkeit von Komponenten sowie des Abschlusses von Interoperabilitätstests stehen Designer unter hohem Druck und müssen 10GE- Systemlösungen sehr schnell realisieren. Zum erfolgreichen Aufbau eines 10GE-Systems müssen zunächst zahlreiche Fragen geklärt werden. Dazu gehören Überlegungen wie: Soll 10 Gigabit Ethernet LANs, WANs oder beide Netzwerktypen unterstützen? Welche optischen Schnittstellen sollen zum Einsatz kommen: XS- BI, XAUI oder beide auf separaten Karten? Wie soll das System partitioniert werden - mit integrierten oder diskreten Komponenten? Sind alle benötigten "Komponenten" bereits verfügbar? Die Datenrate sowie die Frame- Struktur für den WAN PHY wurden speziell an die aktuellen Datenraten von SONET/SDH WANs und optischen Netzen angepaflt. Dies erfolgte deshalb, damit das Format und die Datenrate des 10GE-Datenverkehrs kompatibel zur bestehenden SONET/SDH- und Optical-Transport-Infrastruktur sind. Optimierungen zur Vereinfachung des Clocking sowie des Management von herkömmlichen SONET für 10 und WAN PHYs eine Datenrate von 10 GBit/s erzielen zu können. Während des Rate Matching fügt der MAC zusätzliche "Abstände" (Idle Characters) zwischen Ethernet Frames ein, um die effektive Datenrate an die des WAN PHY anzupassen, wobei der Betrieb mit 10 GBit/s aufrecht erhalten bleibt. Im Anschlufl daran löscht der WAN PHY diese Idle Characters, damit der Ethernet Frame Stream in ein SO- NET/SDH Payload bei 9, GE Überblick Damit zwei breit gefächerte Netzwerk-Applikationen unterstützt werden können, definiert IEEE einen 10 Gigabit Ethernet Wide Area Network (WAN) Physical Layer (PHY) und einen 10 Gigabit Ethernet LAN PHY. Das LAN PHY soll die Datenrate auf 10 GBit/s maximieren, während die Datenrate des WAN PHY kompatibel zur bestehenden OC-192 (9,95328 GBit/s) MAN- und WAN-Infrastruktur ist. Das IEEE P802.3ae hat den Entwurf einer Spezifikation entwickelt. Dieser beinhaltet Vorschläge für ein LAN PHY und ein WAN PHY sowie serielle und 4-( WWDM (4 Wavelength) optische Module. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den LAN und WAN PHYs sind in den Bereichen Datenrate, Physical Coding Sublayer (PCS), Physical Medium Dependent (PMD) Interface und Link Management zu finden. Aufbauend auf seinen System-Erfahrungen beim High-Speed Physical-Layer Design hat PMC-Sierra die Bausteinfamilie XENON (10 Gigabit Ethernet für optische Netze) entwickelt. Diese umfaflt Clock-Recovery- und zugehörige PHY/Framer-Komponenten, die die Verschmelzung von WAN-basierten OC-192 ATM/POS-, Gigabit-Ethernet- (GE) und 10-Gigabit- Ethernet- (10 GE) Services in Metro-Transport-Systemen ermöglichen. Zur XENON-Familie gehören die Bausteine PM5390 S/UNI-9953 (10 GE LAN/WAN PHY und OC-192 ATM/POS zugehöriger PL4 Framer), PM5392 S/UNI-9953-POS (OC-192 POS/ATM und zugehöriger PL4 Framer), PM3392 S/UNI-1x10 GE (10 GE LAN PHY mit PL4 Framer), und PM3388 S/UNI-10xGE (10 Port GE PHY mit PL4 Framer). Gigabit Ethernet Applikationen wurden vorgenommen, um die Kosten sowie die Komplexität zu reduzieren. Zu beachten ist jedoch, dafl ein 10 Gigabit Ethernet WAN PHY nicht direkt in Standard SONET- Systeme integriert werden kann; zur Durchführung der elektrischen, optischen und Overhead Konvertierungen zwischen SONET- und 10GE-Systemen ist eine Layer 1 (Path) Relay Funktion erforderlich. Eine Anpassung der Datenrate (Rate Matching) ist erforderlich, um auf den mit 9,953 GBit/s betriebenen Media Access Control (MAC) GBit/s eingefügt werden kann. Aus diesem Grund erleidet der WAN PHY im Vergleich zum LAN PHY eine kleine Reduzierung (4%) des Datendurchsatzes. Der WAN PHY greift beim Transport von Ethernet Frames auf eine Basis SONET Frame- und Scrambling-Funktion zurück. Die 64B/66B Code Zeichen, die vom gleichen, auch vom LAN PHY genutzten Coding-Verfahren generiert werden, werden statt der direkten Übertragung in die Optik in SONET-Frames eingebunden. Die Ausrichtung der Frames (Frame Delineation) Telecomm & Elektronik 1/

3 Stack 10 GE LAN PHY 10 GE WAN PHY Layer Serial WWDM Serial MAC Data 10.0 Gbit/s 10.0 Gbit/s 10.0 Gbit/s Rate Optional XGMII XGMII XGMII MAC/PCS I/f Optional XAUI XAUI XAUI XGMII Extender 64B66B 8B10B 64B66B PCS SONET framing x 7 +x 6 +1 PMA Interface XSBI XAUI XSBI PMA/PMD 1550 nm DFB 4lambda 1550 nm DFB 1310nm 1300nm WWDM 1310nm FP or VCSEL 1300nm FP or VCSEL 850nm VCSEL FP or VCSEL 850nm VCSEL Line Rate 10.3 Gbit/s 4x3.125 Gbit/s Gbit/s Tabelle 1: Mit Optionen für LAN und WAN Physical Layer Lösungen kann 10 Gigabit Ethernet zwei breit gefächerte Applikationsfelder abdecken. Vorschläge zur Unterstützung von seriellen und WWDM Optiken als Grundlage zum Aufbau von wirtschaftlichen Lösungen für unterschiedliche Link-Längen wurden beim IEEE eingereicht. innerhalb der empfangenen SO- NET Payload wird durch eine Reorganisierung von gültigen 64B/66B Datenblöcken erreicht. Die LAN PHY Datenrate wird deshalb gewählt, um das System bei 10 GBit/s auf einen hohen Durchsatz zu optimieren. Um Applikationen für grössere Entfernungen realisieren zu können, wurden zusätzliche Fiber Management Fähigkeiten hinzugefügt. Die Übertragungsrate des LAN PHY ist abhängig vom verwendeten Coding-Verfahren. Der serielle LAN PHY nutzt 64B/66B Coding, während in Applikationen mit 4-( Optiken 8B/10B zum Einsatz kommt. Daraus ergeben sich Datenraten von 10,3 GBit/s und vier "Leitungen" für 3,125 GBit/s. Schnittstellen für optische Module Für den Anschluss an optische Module stehen die beiden Schnittstellen-Optionen XSBI und XAUI zur Verfügung. Mit diesen Schnittstellen ausgestattete Module sind im Rahmen von MSAs (Multi-Source Agreements) definiert, damit sichergestellt ist, dafl Produkte von verschiedenen Herstellern nahtlos zusammenarbeiten (Interoperabilität). Derzeit wird die Entscheidung, auf XSBI oder XAUI basierende Optiken einzusetzen, von der Verfügbarkeit der geeigneten Optiken bestimmt. Diese müssen den gewünschten Physical Layer (LAN PHY, WAN PHY oder beide) sowie die Link Entfernung unterstützen. Darüber hinaus ist zu beachten, ob das System Hot-Plug Fähigkeiten erfordert. Einige Systeme, speziell Enterprise Switches, verlangen Plug-In Fähigkeiten, die das Einstecken von optischen Modulen über die Frontplatte eines 10GE-Chassis ermöglichen (diese Eigenschaft wird auch als "Z- Pluggable" bezeichnet). Damit können Endanwender optische Module einstecken, ohne dabei das System- Basisboard herausziehen und abschalten zu müssen. Besonders Coding 8B/10B 64B/66B SONET/SD Framing und Scrambling Einsatz Coding Verfahren für das XAUI-Interface. Die Erkennung von Code Boundaries erlaubt die Ausrichtung von Daten über vier separate Bit Lanes sobald ein Backplane durchlaufen wird oder wenn 4-Lambda optische Module zum Einsatz kommen. Coding Verfahren für das LAN PHY, wenn serielle Optiken zum Einsatz kommen, und WAN PHY zur Ausrichtung von Ethernet Frame Daten innerhalb der SONET/SDH Payload. 64B/66B ist ein Framed Scrambler - zwei Frame Bits und 64 "Scrambled Bits" nach dem Polynom x58+x19+1. SONET/SDH Frame wird als Frame-Struktur für das 10 Gigabit Ethernet WAN PHY verwendet. Ethernet Frames werden im Payload des SONET/SDH Frame weitergeleitet. Ein SONET/SDH Scrambler kommt zum Einsatz, um eine ausreichende 1-Dichte im übertragenen Datenstrom sicherzustellen. Gründe für den Einsatz Einfache und bewährte Technologie wie 8B/10B für Gigabit Ethernet Datenübertragungen zum Einsatz kam. 8B/10B wurde für das serielle PCS in WAN oder LAN PHY wegen des groflen 25% Coding Gewinns nicht benutzt. Kleinerer Coding Gewinn gegenüber 8B/10B (3%), der den Einsatz von seriellen Optiken in LAN oder WAN PHY Applikationen ermöglicht. Der Bereich von optischen Modulen zwischen 9,953 GBit/s und 12,5 GBit/s ist zu grofl für die wirtschaftliche Produktion. Stets dort, wo 9,953 GBit/s bis 10,3 GBit/s einen vernünftigen Betriebsbereich darstellt. SONET/SDH Fame ermöglicht 10 Gigabit Ethernet WAN PHY Kompatibilität zu bestehendem SONET/SDH-basierten Metround Transport-Equipment. Ferner begrenzt SONET/SDH Framing die Line Rate für Kompatibilität zu bestehenden Photonic Metround Transport-Equipment. Ein Scrambling der Daten erlaubt dem Receiver die Rückgewinnung des Taktes und dient auflerdem zur Reduzierung von elektromagnetischen Interferenzen. SONET/SDH Overhead Bytes gewährleisten ein umfassendes Netzwerk- und Fiber-Plant Management. SONET/SDH Framing und Overhead Bytes reduzieren den Datendurchsatz um 4%. Tabelle 2: Um Anforderungen für LAN PHY, WAN PHY und WWDM Optiken unterstützen zu können, wurden mehrere Physical Coding Sublayer (PCS) definiert. Tabelle 4 zeigt die PCS-Komponenten im Entwurf von 10GE sowie deren Einsatzgebiete und die Gründe für deren Einsatz. 18 Telecomm & Elektronik 1/2002

4 Optik-Type nm Seriell nm Seriell nm 4 Lambda 850 nm Seriell Distanz / Medium 2 m - 40 km+ über Single Mode Fiber 2 m - 10 km+ über Single Mode Fiber 2 m - 10 km+ über Single Mode Fiber 2 m m über 50 u (500 MHz(km) MMF 2 m m über 50 u (400 MHz(km) MMF 2 m m über 62,5 u (500 MHz(km) MMF 2 m m über 50 u (2.000 MHz(km) MMF 2 m - 82 m über 50 u (500 MHz(km) MMF 2 m - 66 m über 50 u (400 MHz(km) MMF 2 m - 33 m über 62,5 u (200 MHz(km) MMF 2 m - 26 m über 62,5 u (160 MHz(km) MMF Description Für Long Reach Applikationen, 40 km und mehr, kommen nm DFB ptische Module zum Einsatz. Diese optischen Module werden heute in C-192 Applikationen eingesetzt. Applikationen mit mittlerer Reichweite (Intermediate Reach) 2-10 km nutzen FP serielle optische Module. Kürzeste Time-to-Market für WAN PHY durch den Einsatz von bestehenden OC-192 optischen Modulen. Nutzen Optiken mit niedrigeren Übertragungsraten zur Vereinfachung des Fertigungsprozesses und zur Reduzierung der Kosten. 850 nm serielle VCSEL-basierte Optiken sind auf Short Reach 10 Gigabit Ethernet Applikationen zugeschnitten. Tabelle 3: Mehrere optische Module stehen zur Verfügung, um den Aufbau von wirtschaftlichen Lösungen für unterschiedliche Entfernungen gemäfl IEEE P802.3ae zu ermöglichen. Da sich verschiedene Fiber-Typen im Einsatz befinden, sind die Entfernungen entsprechend der Fiber- Typen (Single-Mode Fiber - SMF, Multi-Mode Fiber - MMF) und -Beschaffenheit (MHz(km) aufgelistet Typ Interface Optischer Support 850 nm VCSEL, nm FP, DFB 10 GE Support Abmessgg., LxBxH Anschluss Vorteile Einschränkungen 300-PIN MSA XSBI LAN WAN 6,2 x 5 x 0,7 4,2 x 2 x 0,63 (SFF) 300 Pins Abmessungen kompatibel zu bestehenden OC-192 Optiken Ausgereiftestes Modulformat für 10 Gigabit Applikationen Unterstützt WAN & LAN Unterstütze nm für Long Reach Applikationen Benötigt mehr Pins als 200 Pin MSA oder XENPAK Modul Interface Gröflter 10 Gigabit Modul Formfaktor Nicht "Z-Pluggable"* 200-Pin MSA XSBI 850 nm VCSEL, nm FP, DFB LAN WAN 4,1 x 1,66 x 0, Pins Kleiner Formfaktor Unterstützt WAN & LAN Unterstützt nm für Long Reach Applikationen Benötigt mehr Pins als XENPAK Modul Nicht "Z-Pluggable"* XENPAK XAUI 4 Lambda CWDM, nm FP LAN 4,8 x 2,0 x 0,96 70 Pins Gestattet "Z-Pluggable"* Optiken Kleiner Formfaktor Unterstützt nur LAN Gröflerer Formfaktor als 200 Pin Unterstützt derzeit nicht WAN PHY. Unterstützt derzeit nicht nm für Long Reach Applikationen Tabelle 4: Neben verschiedenen Optik-Typen gibt es unterschiedliche Modul-Standards, die als Multi-Source Agreements (MSA) bezeichnet werden. Jeder MSA-Typ hat Vorteile und Einschränkungen, wie oben erläutert. wichtig ist diese Eigenschaft, wenn High-Density Karten mehrere Ports über ein einziges Basisboard unterstützen. XENPAK-Module, die auf dem XAUI-Interface basieren, bieten diese Fähigkeit. Von Nachteil ist aber, dass XENPAK-Module eben erst verfügbar werden und derzeit WAN PHY oder nm Weitbereichs (Long Reach) Optiken nicht unterstützen. XSBI-basierte optische Module (300-Pin- und 200-Pin-Typen) sind ausgereifter als XENPAK-Module und unterstützen LAN und WAN PHY Applikationen sowie nm-optiken. Als Nachteil gilt jedoch, dass XSBI-basierte optische Module die Realisierung von "Z- Pluggable" Applikationen nicht unterstützen. Für eine Erweiterung mit einem 200-Pin- oder 300-Pin- Modul muss die Basiskarte aus dem System herausgenommen werden; bei Enterprise Systemen ist dies ein Nachteil. Auf grössere Systeme, wie etwa Router und Multi-Service Switches, hat diese Eigenschaft jedoch keinen Einfluss, da diese bei ihrer erstmaligen Konfiguration wie erforderlich bestückt werden. Ein Board so zu entwickeln, dafl während der Fertigung wahlweise XSBI- oder XAUI-basierte Optiken eingesetzt werden können, ist schwierig. So müssen zum Beispiel XENPAK-Module einen "Kanal" enthalten, in die die optischen Module eingesteckt werden können. Im Gegensatz dazu werden XSBI-Optiken (300-Pin und 200 Pin MSA) direkt auf dem Board befestigt ("Y- Telecomm & Elektronik 1/

5 Einteilung der Funktionen von typischen 10GE Architekturen, aufgebaut mit diskreten und integrierten Komponenten. Diese Architekturen werden hier mit dem IEEE Layer Stack und dem OSI Referenzmodell verglichen. Pluggable"). Aus diesen Gründen sind Board-Architekturen, die sowohl XSBI als auch XAUI unterstützen, nicht optimal geeignet und schwierig zu entwickeln. Integrierte und diskrete Komponenten-Architekturen 10 Gigabit Ethernet Komponenten lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen, die entweder integrierte oder diskrete Funktionen unterstützen. Einerseits bauen einige Switch- Hersteller ihre eigenen 10G MACs als diskrete Standalone-Komponenten oder als integrierte Funktion in einem grösseren Layer 2 ASIC auf. Normalerweise werden Standalone- Komponenten zur Erzielung einer verkürzten Time-to-Market herangezogen. In diesem Fall benutzen Systemhersteller diskrete PCS- Komponenten zur Komplettierung ihrer Lösung. Andererseits bevorzugen Switchund Router-Hersteller zunehmend integrierte Komponenten, da Value Added Features im Layer Stack immer weiter nach oben verlagert werden. Bei dieser Architektur streben Systemhersteller die Integration von MAC und PCS in einen am Markt verfügbaren Physical Layer Baustein an, damit sie ihre eigenen Ressourcen zur Entwicklung von Higher- Layer Value Added Features, wie etwa Layer 2 Switching, Layer 3 Routing, Packet Classification und Traffic Management, nutzen können. Hersteller, die bereits in die Entwicklung von 10GE MAC Technologie investiert haben, sollten bei der Auswahl der Architektur die Kosten, die bei der Anpassung ihrer MACs an den IEEE P802.3ae Stan- 20 Telecomm & Elektronik 1/2002

6 1.550 nm DFB Distributed Feedback Laser mit Nanometer nm FP Fabry-Pe'rot Laser mit Nanometer nm VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser mit Nanometer GMAC Gigabit Media Access Control IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LAN Local Area Network MAC Media Access Controller MBit/s Eine Million Bit pro Sekunde MSA Multi-Source Agreement MMF Multi-Mode Fiber OC-192 Optical Carrier 192 (10 GBit/s) OIF Optical Internetworking Forum P.802.3ae 10 Gigabit Ethernet Standard in der Entwicklung beim IEEE PCS Physical Coding Sublayer PHY Physical Layer POP Point-of-Presence POS Packet-over-SONET SERDES Serializer/Deserializer SFF Small Form Factor SFI-4 SERDES-to-Framer Interface Level 4 SMF Single Mode Fiber SONET Synchronous Optical Network S/UNI-1x10GE 10 GE LAN PHY mit 10G MAC, PCS und POS-PHY Level 4 Interface S/UNI GE LAN/WAN PHY, OC-192c ATM/POS und Quad OC-48c Framer mit 10G MAC, PCS, WIS und einem POS-PHY Level 4 Interface WAN Wide Area Network WIS WAN Interface Sublayer XAUI 10 Gigabit Attachment Unit Interface XENON 10 Gigabit Ethernet for Optical Networks XENPAK Module Multi-Source Agreement für XAUI-basierte Optik XSBI Ten Gigabit Sixteen-Bit Interface Die Begriffsdefinitionen in Kurz- und Langform dard entstehen, berücksichtigen. PMC-Sierra hat mit seiner 10 Gigabit XENON (10 Gigabit Ethernet over Optical Networks) Familie verschiedene hochintegrierte Physical Layer Komponenten für 10 Gigabit Ethernet im Programm. Die Bausteine S/UNI 9953 und S/UNI 1x10GE sind mit integrierten MAC/PCS-Funktionen ausgestattet und ermöglichen den Anschlufl von XSBI-Optiken (Bild 1). Der S/UNI 9953 kombiniert 10 Gigabit Ethernet LAN PHY und WAN PHY Support in einem Baustein und unterstützt ferner OC-192c POS und ATM. Die Kombination von 10GE LAN, WAN und OC-192c POS gestattet Systemherstellern den Aufbau einer einzigen Karte, die sich für verschiedene Betriebsarten konfigurieren lässt. Da Carrier die Schnittstellen ihres Systems mit einem Software-Switch aktualisieren können, bleiben bei eventuellen Änderungen des Port-Typs finanzielle Investitionen geschützt. Zusätzlich können Carrier mit diesem Konzept die Anzahl der von ihnen zu wartenden oder bereitzustellenden Karten minimieren. Diskrete PCS-Applikationen unterstützt PMC-Sierra mit dem Quad- PHY-II. Dies ist ein XGMII/XAUI Serializer/Deserializer für 10GE XA UI-Applikationen. Der QuadPHY- II ist PMC-Sierra's erster XAUI- Baustein, der optische XENPAK- Module unterstützt, indem 10G MACs über High-Speed (3,125 GBit/s) XAUI-Links an optische XENPAK-Module angeschlossen werden. Da die IEEE P802.3ae Gruppe die Ratifizierung dieser Spezifikation rasch vorantreibt, geniesst die Bereitstellung von Standard-kompatiblen Systemen innerhalb einer kurzen Time-to-Market eine hohe Priorität. Systementwickler stehen unter hohem Druck und müssen 10 Gigabit Ethernet Funktionen in ihre Produkte implementieren. Um dabei Fortschritte möglichst rasch erzielen zu können, sollten sich Systemdesigner auf zahlreiche praktische Aspekte des 10GE Designs konzentrieren. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören, ob der 10GE Support für LAN PHY, WAN PHY oder beide bereitgestellt werden soll, welches optische Interface (XSBI oder XAUI) integriert werden soll und welchen MSA man unterstützen möchte (300/200-Pin für XSBI oder XENPAK für XAUI). Da immer mehr Hersteller 10GE- Funktionen unterstützen, können Systementwickler auf ein wachsendes Spektrum von 10GE-Funktionsblöcken zurückgreifen. Ein Grossteil der Stärken von Ethernet ist auf eine breite Palette von Anbietern zurückzuführen, die aufeinander abgestimmte Komponentenund Systemlösungen anbieten. 10GE befindet sich auf diesem vertrauten Pfad; die ersten Demonstrationen von aufeinander abgestimmten Produkten wurden von der 10 Gigabit Ethernet Allianz unterstützt und auf der Networld+Interop im September 2001 gezeigt. In Zukunft wird die kontinuierliche Demonstration von Standard-kompatibler und Multi-Vendor Interoperabilität eine Basis zur Unterscheidung von Produkten sowie für den Erfolg von 10 Gigabit Ethernet Lösungen darstellen. 333 Telecomm & Elektronik 1/