Ethernet de 10 gigabits

10 Gigabit Ethernet (abreviado 10GE , 10GbE o 10 GigE ) es un grupo de tecnologías de redes informáticas para transmitir tramas Ethernet a una velocidad de 10  gigabits por segundo . Fue definido por primera vez por el estándar IEEE 802.3ae-2002 . A diferencia de los estándares Ethernet anteriores, 10GbE define solo enlaces punto a punto full-duplex que generalmente están conectados por conmutadores de red ; la operación CSMA/CD de medio compartido no se ha transferido 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 una serie de diferentes estándares de capa física (PHY). Un dispositivo de red, como un conmutador o un controlador de interfaz de red, puede tener diferentes tipos de PHY a través de módulos PHY enchufables, como los basados ​​en SFP+ . ^[4] Al igual que las versiones anteriores de Ethernet, 10GbE puede utilizar cableado de cobre o fibra. La distancia máxima a través del 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, ^{[5] [6]} con un estimado de nueve millones de puertos en 2011. ^[7] A partir de 2012 ^[actualizar], aunque 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 todavía obstaculizaba una adopción más generalizada. ^{[8] [9]}

Para 2022, el precio por puerto de 10GBase-T había bajado a $50 - $100 dependiendo de la escala. ^[10] En 2023, comenzaron a aparecer enrutadores Wi-Fi 7 con puertos WAN 10GbE como estándar.

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.

Para implementar diferentes estándares de capa física de 10 GbE, muchas interfaces consisten en un socket estándar en el que se pueden enchufar diferentes módulos de capa física (PHY). Los módulos PHY no se especifican en un organismo de estándares oficial, sino mediante acuerdos de múltiples fuentes (MSA) que se pueden negociar más rápidamente. Los MSA relevantes para 10 GbE incluyen XENPAK ^{[12] [13] [14]} (y X2 y XPAK relacionados), XFP y SFP+ . ^{[15] [16]} Al elegir un módulo PHY, un diseñador considera el costo, el alcance, el tipo de medio, el consumo de energía y el tamaño (factor de forma). Un solo enlace punto a punto puede tener diferentes formatos enchufables de MSA en cada extremo (por ejemplo, XPAK y SFP+) siempre que el tipo de puerto óptico o de cobre de 10 GbE (por ejemplo, 10GBASE-SR) compatible con el enchufable sea idéntico.

XENPAK fue el primer MSA para 10GE y tenía el formato más grande. X2 y XPAK fueron estándares que competían posteriormente con formatos más pequeños. X2 y XPAK no han tenido tanto éxito en el mercado como XENPAK. XFP llegó después de X2 y XPAK y también es más pequeño.

El estándar de módulo más nuevo es el transceptor enchufable de factor de forma pequeño mejorado , generalmente llamado SFP+. Basado en el transceptor enchufable de factor de forma pequeño (SFP) y desarrollado por el grupo de canal de fibra ANSI T11 , es aún más pequeño y de menor potencia que XFP. SFP+ se ha convertido en el zócalo más popular en los sistemas 10GE. ^{[17] [15]} Los módulos SFP+ solo realizan conversión óptica a eléctrica, no recuperan reloj ni datos, lo que supone una mayor carga para la ecualización del canal del host. Los módulos SFP+ comparten un factor de forma físico común con los módulos SFP heredados, lo que permite una mayor densidad de puertos que XFP y la reutilización de diseños existentes para 24 o 48 puertos en una placa de 19 pulgadas de ancho de rack.

Los módulos ópticos se conectan a un host mediante una interfaz XAUI , XFI o SerDes Framer Interface (SFI). Los módulos XENPAK, X2 y XPAK utilizan XAUI para conectarse a sus host. XAUI (XGXS) utiliza un canal de datos de cuatro carriles y se especifica en la cláusula 47 de IEEE 802.3. Los módulos XFP utilizan una interfaz XFI y los módulos SFP+ utilizan una interfaz SFI. XFI y SFI utilizan un canal de datos de un solo carril y la codificación 64b/66b especificada en la cláusula 49 de IEEE 802.3.

Los módulos SFP+ pueden agruparse en dos tipos de interfaces de host: lineales o limitantes. Los módulos limitantes son los preferidos, excepto cuando se utilizan módulos 10GBASE-LRM para aplicaciones de largo alcance. ^[16]

Existen dos tipos básicos de fibra óptica que se utilizan para Ethernet de 10 Gigabit: monomodo (SMF) y multimodo (MMF). ^[22] En SMF, la luz sigue un único camino a través de la fibra, mientras que en MMF toma múltiples caminos, lo que da como resultado 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) que requiere un método de conexión y terminación más preciso. MMF tiene un núcleo más ancho (50 o 62,5 μm). La ventaja de MMF es que puede ser accionada por un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) de bajo costo para distancias cortas, y los conectores multimodo son más baratos y más fáciles de terminar de manera confiable en el campo. La ventaja de SMF es que puede funcionar en distancias más largas. ^[23]

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 los años 90 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 las 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 ya está obsoleto y las nuevas instalaciones de cableado estructurado utilizan cableado OM3 u OM4. El cable OM3 puede transportar 10 Gigabit Ethernet a 300 metros utilizando ópticas 10GBASE-SR de bajo costo. ^{[24] [25]} El OM4 puede gestionar 400 metros. ^[26]

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 la fibra óptica no existe un color uniforme para ninguna velocidad o tecnología óptica específica, con la excepción del conector de contacto físico en ángulo (APC), cuyo color acordado es el verde. ^[27]

También existen cables ópticos activos (AOC). Estos tienen la electrónica óptica ya conectada, lo que elimina los conectores entre el cable y el módulo óptico. Se conectan a conectores SFP+ estándar. Tienen un coste menor que otras soluciones ópticas porque el fabricante puede adaptar la electrónica a la longitud y el tipo de cable requeridos. ^{[ cita requerida ]}

10GBASE-SR ("corto alcance") es un tipo de puerto para fibra multimodo y utiliza láseres de 850 nm. ^[28] Su subcapa de codificación física (PCS) es 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 . ^[29]

El alcance depende del tipo de fibra multimodo utilizada. ^{[24] [30]}

MMF tiene la ventaja sobre SMF de tener conectores de menor costo; su núcleo más ancho requiere menos precisión mecánica.

El transmisor 10GBASE-SR se implementa con un VCSEL de bajo costo y bajo consumo. El cableado óptico OM3 y OM4 a veces se describe como optimizado para láser porque se diseñó para funcionar con VCSEL. 10GBASE-SR ofrece los módulos ópticos de menor costo, menor consumo y menor formato.

Existe una variante de menor costo y menor consumo de energía, a veces denominada 10GBASE-SRL (10GBASE-SR lite). Es interoperable con 10GBASE-SR, pero solo tiene un alcance de 100 metros. ^[31]

10GBASE-LR (largo alcance) es un tipo de puerto para fibra monomodo y utiliza láseres de 1310 nm. Su PCS 64b/66b está definido en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa PMD en la cláusula 52. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 GBd. ^[29]

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 su mayor longitud de onda permiten un acoplamiento eficiente en el pequeño núcleo de fibra monomodo a distancias mayores. ^{[ cita requerida ]}

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

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 64b/66b está definido en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa PMD en la cláusula 68. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 GBd. ^[32] 10GBASE-LRM utiliza compensación de dispersión electrónica (EDC) para la ecualización de recepción. ^[33]

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 tipos de fibra OM1, OM2 y OM3. ^[24] El alcance de 10GBASE-LRM no es tan amplio como el estándar 10GBASE-LX4 más antiguo. 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. ^[34] Para garantizar que se cumplan las especificaciones sobre fibras OM1 y OM2 de grado FDDI, el transmisor debe estar acoplado a través de un cable de conexión de acondicionamiento de modo. No se requiere cable de conexión de acondicionamiento de modo para aplicaciones sobre OM3 u OM4. ^[35]

10GBASE-ER (alcance extendido) es un tipo de puerto para fibra monomodo y utiliza láseres de 1550 nm. Su PCS 64b/66b está definido en la cláusula 49 de IEEE 802.3 y su subcapa PMD en la cláusula 52. Entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 GBd. ^[29]

El transmisor 10GBASE-ER se implementa con un láser modulado externamente (EML) .

10GBASE-ER tiene un alcance de 40 kilómetros (25 millas) a través de enlaces diseñados y 30 kilómetros a través de enlaces estándar. ^{[24] [14]}

Varios fabricantes han introducido un alcance de 80 km (50 mi) 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 SDH / SONET OC-192 / STM-64 . ^[36]

10GBASE-LX4 es un tipo de puerto para fibra multimodo y fibra monomodo. Utiliza cuatro fuentes láser independientes que funcionan a 3,125 Gbit/s y multiplexación por división de longitud de onda gruesa con cuatro longitudes de onda únicas en torno a los 1310 nm. Su PCS 8b/10b se define en la cláusula 48 de IEEE 802.3 y su subcapa dependiente del medio físico (PMD) en la cláusula 53. ^[24]

10GBASE-LX4 tiene un alcance de 10 kilómetros (6,2 millas) a través de SMF . Puede alcanzar 300 metros (980 pies) a través de cableado multimodo OM1, OM2 y OM3 de grado FDDI. ^[b] En este caso, debe estar acoplado a través de un cable de conexión acondicionador de modo de lanzamiento desfasado SMF . ^{[24] : subcláusulas 53.6 y 38.11.4}

10GBASE-PR, especificado originalmente en IEEE 802.3av, es una capa física de 10 Gigabit Ethernet 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 dirección descendente entrega datos serializados a una velocidad de línea de 10,3125 Gbit/s en una configuración punto a multipunto. ^[24]

10GBASE-PR tiene tres presupuestos de energía especificados como 10GBASE-PR10, 10GBASE-PR20 y 10GBASE-PR30. ^{[24] : 75.1.4}

Varios proveedores introdujeron ópticas bidireccionales de 10 Gbit/s de un solo hilo capaces de realizar una conexión de fibra monomodo funcionalmente equivalente a 10GBASE-LR o -ER, pero utilizando un solo hilo de cable de fibra óptica. De manera análoga a 1000BASE-BX10 , esto se logra utilizando 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 en diferentes potencias de transmisión y alcanzan distancias que van desde 10 a 80 km. ^{[37] [38]}

Estos avances se estandarizaron posteriormente en IEEE 802.3cp-2021 con alcances de 10, 20 o 40 km.

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

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 utilizado por la tecnología InfiniBand con los mismos conectores SFF-8470. Está especificado para funcionar a una distancia de hasta 15 m (49 ft). Cada carril transporta 3,125 GBd de ancho de banda de señalización.

10GBASE-CX4 se ha utilizado para apilar conmutadores. ^[39] Ofrece las ventajas de bajo consumo, bajo coste 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 más corto 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, a partir de 2011 ^[actualizar], los envíos de 10GBASE-CX4 han sido muy bajos. ^[40]

También conocido como conexión directa (DA), conexión directa de cobre (DAC), 10GSFP+Cu, ^[41] a veces también llamado 10GBASE-CR ^[42] o 10GBASE-CX1, aunque no existen 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 agregan un alcance adicional mediante amplificadores electrónicos . Estos tipos de 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. ^[43] Al igual que 10GBASE-CX4, DA es de bajo consumo, 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+ hoy en día es tremendamente popular, con más puertos instalados que 10GBASE-SR. ^[40]

Backplane Ethernet , también conocido por el nombre del grupo de trabajo que lo desarrolló, 802.3ap , se utiliza en aplicaciones de backplane como servidores blade y equipos de red modulares con tarjetas de línea actualizables . Las implementaciones de 802.3ap deben funcionar en 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 de reenvío , un protocolo de negociación automática de backplane y entrenamiento de enlaces para 10GBASE-KR donde el receptor sintoniza un ecualizador de transmisión de tres tomas. El protocolo de negociación automática selecciona entre operación 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR o 40GBASE-KR4. ^[c]

Esto funciona sobre cuatro carriles de placa base y utiliza la misma codificación de capa física (definida en la cláusula 48 de IEEE 802.3) que 10GBASE-CX4.

Este sistema funciona sobre un único carril de placa base 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 placa base utilizan 10GBASE-KR en lugar de 10GBASE-KX4. ^[40]

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 blindados o no blindados, en distancias de hasta 100 metros (330 pies). ^[45] 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. ^[46] La infraestructura de cable 10GBASE-T también se puede utilizar para 1000BASE-T, lo que permite una actualización gradual desde 1000BASE-T utilizando la negociación automática para seleccionar qué velocidad se utiliza. Debido a la sobrecarga de codificación de línea adicional , 10GBASE-T tiene una latencia ligeramente mayor (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] ). ^{[47] [48]}

10GBASE-T utiliza los conectores modulares IEC 60603-7 8P8C que ya se utilizan ampliamente con Ethernet. Las características de transmisión ahora se especifican a 500 MHz . Para alcanzar esta frecuencia, se necesitan cables de par trenzado balanceado de categoría 6A o mejor especificados en la enmienda 2 de ISO/IEC 11801 o ANSI/TIA-568-C.2 para transportar 10GBASE-T hasta distancias de 100 m. Los cables de categoría 6 pueden transportar 10GBASE-T para distancias más cortas cuando se califican de acuerdo con las pautas de ISO TR 24750 o TIA-155-A.

El estándar 802.3an especifica la modulación a nivel de cable para 10GBASE-T para utilizar precodificación Tomlinson-Harashima (THP) y modulación de amplitud de pulso con 16 niveles discretos (PAM-16), codificados en un patrón de tablero de ajedrez bidimensional conocido como DSQ128 enviado en la línea a 800 Msímbolos/seg. ^{[49] [50]} Antes de la precodificación, se realiza la codificación de corrección de errores hacia adelante (FEC) utilizando 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 ). ^[50] Otros 1536 bits están sin codificar. Dentro de cada bloque 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). Por el contrario, PAM-5 es la técnica de modulación utilizada en 1000BASE-T Gigabit Ethernet .

La codificación de línea utilizada por 10GBASE-T es la base para los estándares más nuevos y más lentos 2.5GBASE-T y 5GBASE-T , que implementan una conexión de 2,5 o 5,0 Gbit/s sobre cableado de categoría 5e o 6 existente. ^[51] Los cables que no funcionan de manera confiable con 10GBASE-T pueden funcionar exitosamente con 2.5GBASE-T o 5GBASE-T si son compatibles con ambos extremos.

10GBASE-T1 es para aplicaciones automotrices y funciona sobre un solo par de conductores balanceados de hasta 15 m de largo, y está estandarizado en 802.3ch-2020. ^[52]

En el momento en que se desarrolló el estándar Ethernet de 10 Gigabit, el interés en 10GbE como transporte de red de área amplia (WAN) condujo a la introducción de una WAN PHY para 10GbE. La WAN PHY se diseñó para interoperar con equipos SDH/SONET OC-192/STM-64 utilizando una trama SDH/SONET liviana que funciona a 9,953 Gbit/s. La WAN PHY funciona a una velocidad de datos ligeramente más lenta que la PHY de la red de área local (LAN). La WAN PHY puede manejar distancias de enlace máximas de hasta 80 km, según el estándar de fibra empleado.

La capa física WAN utiliza los mismos PMD ópticos 10GBASE-S, 10GBASE-L y 10GBASE-E que las capas físicas LAN y se designa como 10GBASE-SW, 10GBASE-LW o 10GBASE-EW. Su PCS 64b/66b se define 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 agrega encapsulamiento adicional para formatear los datos de la trama para que sean compatibles con SONET STS-192c. ^[24]

• Sitio web de la Alianza Ethernet
• Primer estudio comparativo de pruebas 10GBASE-T independiente del mundo