Как физически возможно 10G Ethernet? [закрыто]

10-гигабитный Ethernet означает, что каждую секунду передается 10 миллиардов битов, но я не понимаю, как это физически возможно (не говоря уже о 100G Ethernet). Самые быстрые процессоры сегодня работают только на частоте ~ 8 ГГц, но даже если для передачи не требуется процессор, это все равно кажется проблематичным.

При 10G каждый бит длится всего 100 пикосекунд, и в этот промежуток времени я думаю, что задержки затвора становятся проблемой. Это не так просто, как установить высокую или низкую линию для каждого бита, конечно, для вывода сложной формы сигнала Ethernet требуются сотни транзисторов.

Это кажется еще большей проблемой на принимающей стороне, поскольку сигнал должен быть дискретизирован с очень высокой скоростью, и, если это использует АЦП, это вносит еще большую задержку.

Погоня за этим ответом заняла несколько разных ссылок, но, похоже, все сводится к следующему:
1. 4 дифференциальных пары (всего 8 проводов, но только 4 полосы).
2. 800 мега символов в секунду.
3. Используя PAM16, используется 16 символов, что переводится в 4 бита на бод на линию.

Учитывая эту информацию, вы получаете 4 бита * 800 МГц * 4 полосы, что приводит к 12800 Мбит / с или 12,8 Гбит / с. Из-за кодирования исправления ошибок и других издержек они ожидают от вас только 10 Гбит / с.

Обратите внимание, что сами провода меняют только символы или амплитуду на частоте 800 МГц. Это довольно хорошо, с точки зрения скорости переключения транзисторов.

Теперь это все для 10Gb Ethernet. То, как они это делают для 100Gb Ethernet, немного ошеломляет. Для этого кажется, что они действительно накачивают частоту до 10,3 ГГц или 25 ГГц . КАКОГО ЧЕРТА? Смотри здесьдля этого стола. Разница в частоте связана с тем, сколько линий данных по медным парам вы выберете. Было бы интересно узнать, сделал ли кто-нибудь фактически этот 25 ГГц Ethernet в меди. Возможно, они только уточнили это. Когда вы начинаете переходить на эти частоты, ваши кабели либо должны быть очень короткими, либо вы просто переключаетесь на волоконную оптику, где вы можете отправлять сотни световых пучков по одному волокну. Таким образом, вам не нужно идти на сумасшедших скоростях, вы просто распараллеливаете свои данные в источнике и депараллелизуете их в месте назначения.

Ссылки, если вы хотите посмотреть его подробнее: https://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet#Copper
https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-amplitude_modulation
http://www.cablinginstall.com/ статьи / печать / том 15 / выпуск-7 / функции / технология / витая пара-опции-для-10-гигабит-ethernet.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Differential_signaling

Ethernet 10G (как описано в других ответах) не выполняет переходы сигналов на частоте 10 ГГц, он использует многоуровневое кодирование с разбросом по 4 парам для достижения скорости 10 Гбит / с.

Однако 10-гигабитные последовательные приемопередатчики довольно распространены на высокоскоростных чипах. Например, PCIe, USB3.1, Thunderbolt и аналогичные протоколы используют последовательную скорость 10 Гбит / с для отдельных пар.

Вы правы, что «объемная» логика не справляется с такой скоростью передачи данных. Конечно, ядра процессора не работают на этой частоте, но даже логика, реализующая такие вещи, как интерфейсы PCIe, не может работать с такой скоростью. Вместо этого они используют специальные высокоскоростные SERDES.

Данные направляются с IC по широким параллельным шинам. Выделенное аппаратное обеспечение выполняет преобразование последовательного в параллельное или параллельное в последовательное соединение прямо возле входа / выхода. SERDES делает абсолютный минимум фактической логики. Передатчики очень просты. Он будет иметь ФАПЧ для генерации высокоскоростных тактовых последовательных данных и параллельной последовательной логики. Приемники являются более сложными, они должны выполнять восстановление тактовых импульсов для входящих данных, а также обнаружение кадров, чтобы убедиться, что биты сгруппированы правильно. В общем, только небольшая часть логики должна работать на сверхвысокой скорости. Да, задержки распространения через переходы чрезвычайно важны, и цепь должна быть тщательно спроектирована так, чтобы все сигналы выстраивались правильно.

Множество 10 Гбит / с Ethernet-соединений фактически являются оптическими (например, 10GBASE-SR или 10GBASE-LR, см. Https://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet ), хотя существует также 10GBASE-T по кабелям витой пары с 8P8C ( 'RJ45') разъемы, как описано в @horta. Насколько я знаю, это достаточно энергоемко по сравнению с оптическими вариантами.

Передача данных из ЦП (или, скорее, из памяти) на карту Ethernet обычно происходит через шину PCIe в компьютере на базе x86. Каналы PCIe Gen 1 имеют полезную скорость передачи данных 2 Гбит / с (после кодирования 8/10 бит). При 8 линиях теоретический максимум составляет 16 Гбит / с (в каждом направлении), что достаточно для подключения одного порта Ethernet 10 Гбит / с.

ЦП помещает данные, которые должны быть переданы в ОЗУ, а затем инструктирует сетевую карту, где взять данные (DMA) и, аналогично, для приема ЦП выделяет буферы и информирует об этом сетевую карту, когда обычно генерирует прерывание, когда буфер (ы) ) были заполнены. Обратите внимание, что пропускная способность для ОЗУ обычно намного больше, чем пропускная способность шины PCIe.

Сегодня у нас есть широко доступный PCIe Gen 3, который имеет полезную скорость передачи данных около 8 Гбит / с на линию и направление. Слот на 16 линий теоретически может обрабатывать 128 Гбит / с, что достаточно для Ethernet 100 Гбит / с (PCIe Gen 4 был официально анонсирован недавно).

Таким образом, «хитрость» для достижения высокой пропускной способности внутри ПК (без необходимости использовать непомерную скорость передачи сигналов) заключается в использовании параллельных шин (RAM) или нескольких последовательных линий (PCIe).

Для Ethernet 100 Гбит / с каждый обычно имеет четыре канала со скоростью передачи 25 ГБод (100GBASE-SR4, 100GBASE-LR4, 100GBASE-CR4), также существуют стандарты для кабелей с десятью каналами (например, оптоволоконные пары) 10 Гбит / с. (100GBASE-CR10, 100GBASE-SR10, 100GBASE-CR10). Для более длинных линий связи также существуют стандарты, использующие только одно волокно, либо с использованием четырех длин волн (100GBASE-CWDM4), либо с использованием двух режимов поляризации и QPSK (100GBASE-ZR).

Для чрезвычайно высоких скоростей передачи по длинным линиям связи (таким как трансатлантический кабель Marea со скоростью 20 терабит / с на пару волокон) можно упаковать как можно больше передатчиков на разных длинах волн в используемую полосу длин волн волокон и усилителей, также известную как Dense Мультиплексирование с разделением по длине волны (DWDM). Следует отметить, что такой мультиплексор / демультиплексор, как правило, является оптическим устройством в своей основе и питается несколькими потоками с более низкой пропускной способностью, которые могут обрабатываться в электронном виде параллельно.

Для достижения скорости 20 Тбит / с можно использовать передовые методы модуляции, при которых в каждом такте можно передавать несколько амплитуд и фаз (я видел 64QAM в техническом документе ), поэтому передаются несколько битов за тактовый цикл, аналогично стандарту 10GBASE-T. описывается @horta.