以太网系列之“Line Side接口”

本文主要介绍以太网Line Side对外接口，也被称为MDI(Media Dependent Interface)，包括电口和光口。其中光模块主要针对10G以下的，10G以上的本文就不做介绍了。

1、电口

1.1、RJ45接口

RJ45（Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”）水晶头由金属片和塑料构成，制作网线所需要的RJ45水晶接头前端有８个凹槽，简称“8P”（Position，位置）。凹槽内的金属触点共有８个，简称“8C”（Contact，触点），因此业界对此有“8P8C”的别称。RJ45水晶头引脚序号定义为，当金属片面对我们的时候从左至右引脚序号是1~8。

八个触点的定义如下：

1：TX_D1+  Tranceive Data+

2：TX_D1-  Tranceive Data-

3：RX_D2+  Receive Data+

4：BI_D3+  Bi-directional Data+

5：BI_D3-  Bi-directional Data-

6：RX_D2-  Receive Data-

7：BI_D4+  Bi-directional Data+

8：BI_D4-  Bi-directional Data-

EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B。

• 568A标准：1-绿白，2-绿，3-橙白，4-蓝，5-蓝白，6-橙，7-棕白，8-棕；

• 568B标准：1-橙白，2-橙，3-绿白，4-蓝，5-蓝白，6-绿，7-棕白，8-棕。

同种类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之间使用直通线连接；路由器和PC属于DTE（数据终端设备）类型设备，交换机和HUB属于DCE（数据传输设备）类型设备。

直通互连：网线的两端均按T568B接，用于连接主机和设备，即DTE与DCE，如：

• 电脑↔ADSL猫

• ADSL猫↔ADSL路由器的WAN口

• 电脑↔ADSL路由器的LAN口

• 电脑↔集线器或交换机

交叉互连：网线的一端按T568B接，另一端按T568A接，用于连接主机与主机，或者设备与设备，如：

• 电脑↔电脑，即对等网连接

• 集线器↔集线器

• 交换机↔交换机

• 集线器↔交换机

1.2、双绞线

双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP，UNSHILDED TWISTED PAIR）和屏蔽双绞线（STP，SHIELDED TWISTED PAIR）。屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐射，但并不能完全消除辐射，屏蔽双绞线价格相对较高，安装也比较复杂。这两类中又分100欧姆电缆，双体电缆，大对数电缆，150欧姆屏蔽电缆等。具体分类如下：

• 一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不同于数据传输。

• 二类线：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。

• 三类线：指目前在ANSI/EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10bASE-T。

• 四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和10bASE-T/100BASE-T。

• 五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10bASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。

• 超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。

• 六类线：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。

• 超六类线（CAT6e）：超六类线是六类线的改进版，同样是ANSI/EIA/TIA-568b.2和ISO6类/E级标准中规定的一种非屏蔽双绞线电缆，主要应用于千兆位网络中。在传输频率方面与六类线一样，也是200～250MHz，最大传输速度也可达到1000Mbps，只是在串扰、衰减和信噪比等方面有较大改善。另一特点是在4个双绞线对间加了十字形的线对分隔条。没有十字分隔，线缆中的一对线可能会陷于另一对线两根导线间的缝隙中，线对间的间距减小而加重串扰问题。分隔条同时与线缆的外皮一起将4对导线紧紧地固定在其设计的位置，并可减缓线缆弯折而带来的线对松散，进而减少安装时性能的降低。

• 七类线（CAT7）：该线是ISO7类/F级标准中最新的一种双绞线，它主要为了适应万兆位以太网技术的应用和发展。但它不再是一种非屏蔽双绞线了，而是一种屏蔽双绞线，因此它可以提供至少500MHZ的综合衰减对串扰比和600MHZ的整体带宽，是六类线和超六类线的2倍以上，传输速率可达10Gbps。在七类线缆中，每一对线都有一个屏蔽层，四对线合在一起还有一个公共大屏蔽层。从物理结构上来看，额外的屏蔽层使得七类线有一个较大的线径。还有一个重要的区别在于其连接硬件的能力，七类系统的参数要求连接头在600MHZ时所有的线对提供至少60dB的综合近端串绕。而超五类系统只要求在100MHZ提供43dB，六类在250MHZ的数值为46dB。

• 八类线（CAT8）：目前国际上只对七类线有所定义，但美国的Siemon公司已宣布开发出了八类线，八类线由该公司于1999年开发出来，商标为“Tera”，八类线也被称为“tera”、“tera dor”、“10Gip”及“megaline8”等。八类线网络拥有1200MHz的带宽，使其可以同时提供多种服务，可处理Terrestrial TV、CCTV、DAB、FM、音频、IR控制、10/100和100/1000以太网、视频、电话、USB外围设备等。

2、光口

光口是光纤接口的简称，也可称之为G口(意思是G光纤口)。光纤又可分为单模光纤和多模光纤，区别如下（可以从纤芯的尺寸大小来简单地判别）：

• 单模光纤的纤芯很小，约4～10um，只传输主模态。这样可完全避免了模态色散，使得传输频带很宽，传输容量很大。这种光纤适用于大容量、长距离的光纤通信。它是未来光纤通信与光波技术发展的必然趋势。

• 多模光纤又分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤。前者纤芯直径较大，传输模态较多，因而带宽较窄，传输容量较小；后者纤芯中折射率随着半径的增加而减少，可获得比较小的模态色散，因而频带较宽，传输容量较大，目前一般都应用后者。

由于多模光纤中不同模式光的传波速度不同，因此多模光纤的传输距离很短。而单模光纤就能用在无中继的光通讯上。在光纤通信理论中，光纤有单模、多模之分，区别在于：

• 单模光纤芯径小（10um左右），仅允许一个模式传输，色散小，工作波长（1310nm和1550nm），与光器件的耦合相对困难。单模光纤跳线的颜色为黄色。

• 多模光纤芯径大（50/62.5um），允许上百个模式传输，色散大，工作波长在850nm或1310nm。与光器件的耦合相对容易。多模光纤跳线的颜色为橙色。

而对于光端模块来讲，严格的说并没有单模、多模之分。所谓单模、多模模块，指的是光端模块采用的光器件与何种光纤配合能获得最佳传输特性。一般有以下区别：

• 单模模块一般采用LD或光谱线较窄的LED作为光源，耦合部件尺寸与单模光纤配合好，使用单模光纤传输时能传输较远距离，价格比较高。

• 多模模块一般采用价格较低的LED作为光源，耦合部件尺寸与多模光纤配合好，价格比较便宜。

光纤通信所用的波长范围为800~1600nm，EPON和GPON数字部分使用的是1310nm（上行）和1490nm（下行）。在CATV的传输使用的是1550nm，EPON和GPON系统里带有模拟部分的使用的也是1550nm这个波长。

2.1、光模块原理

光模块的原理比较复杂，本文不做详细介绍，使用中的光模块接口不要用眼睛去看，因为里面有激光，可能会刺伤眼睛。

2.2、光模块分类

光模块有如下一些分类方式：

• 按速率划分：155Mbps、622Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、10Gbps等

• 按功能划分：发射模块、接收模块、收发合一模块（transceiver）

• 按封装划分：1X9、2X9、SFF、GBIC、SFP、SFP+、XFP、X2、XENPAK、PON、300pin等

• 按使用条件划分：热插拔（GBIC、SFP、XFP）、非热插拔（1X9、2X9、SFF）

• 按应用划分：SDH/SONET、Ethernet、Fiber Channel、CWDM、DWDM等

• 按工作模式划分：单模（光纤为黄色）、多模（光纤为橘红色，分为连续和突发（OLT：OpticLine Terminal光线路终端，ONU：OpticNetwork Unit光网络单元））

• 按光接口形式划分：尾纤型（Pigtail）、插拔型（Receptacle）

• 按光传输形式划分：双纤双向（MSA）、单纤双向（BiDi）

• 按功能划分：不带监控功能（None DDM）、带数字诊断功能（DDM）

PON（Passive Optical Network）：包括EPON和GPON，EPON基于IEEE802.3ah，GPON基于ITU-TG.984。

2.2.1、GBIC（Gigabit Interface Converter）

GBIC设计上支持热插拔，速率主要有155M、100M、GE，连接器是SC。Dimension：2.2*1.2*0.47 inches

2.2.2、SFF（Small Form Factor）

2 row by 5-pin configuration for reduced size, non-changeablefiber optic modules. Dimension：2*0.54*0.39 inches

2.2.3、SFP（Small Form-factor Pluggable）

也叫Mini-GBIC。体积比GBIC小一半，目前已成为主流的光纤模块，速率有155M、100M、GE、2.5G，连接器是LC。Dimension：2*0.65*0.3 inches

把手的颜色和光模块的型号有对应关系，对于GbE的SFP：

• 黑色：多模MM SX模块；

• 蓝色：单模SM LX模块；

• 浅黄色：单模SM LH/ZX

对于2.5G的SFP：

• 灰色：单模SM SR模块；

• 绿色：单模SM LR模块

SFP包括Dual fiber SFP、BiDi SFP、Copper SFP（电口SFP）、CWDM SFP、DWDM SFP、C-SFP（Compact SFP，紧凑型SFP，包括三种：1chCompact SFP，2ch CompactSFP（Option 1），2ch Compact SFP（Option 2））、SFP+光模块等。

2.2.4、SFP+

SFP+光纤模块，（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）是一种可热插拔的，独立于通信协议的光学收发器，通常传输光的波长是850nm，1310nm或1550nm，用于10Gbps的SONET/SDH，光纤通道，gigabit Ethernet，10 gigabit Ethernet和其他应用中，也包括DWDM链路。

SFP+的尺寸和SFP一样。

2.2.5、XENPAK（10-Gigabit EtherNet transceiver PAcKage）

Dimension：5*1.6*0.88 inches

Xenpak光模块通过70pin的SFP连接器与电路板连接，其数据通道是XAUI接口；Xenpak支持所有IEEE 802.3ae定义的光接口，在线路端可以提供10.3 Gb/s、9.95 Gb/s或4×3.125 Gb/s的速率。

2.2.6、Xpak和X2光模块

Xpak和X2光模块都是从Xenpak标准演进而来的，其内部功能模块与Xenpak基本相同，在电路板上的应用也相同，都是使用一个模块即可实现10G以太网 光接口的功能。由于Xenpak光模块安装到电路板上时需要在电路板上开槽，实现较复杂，无法实现高密度应用。而Xpak和X2光模块经过改进后体积只有Xenpak的一半左右，可以直接放到电路板上，因此适用于高密度的机架系统和PCI网卡应用。

2.2.7、XFP（10-Gigabit SFF Pluggable）

Dimension：2.3*0.68*0.33 inches

XFP模块是一种可热插拔的、占电路板面积很小的、串行-串行光收发器，可以支持SONETOC-192、10 Gbps 以太网、10 Gbps 光纤通道和G.709链路。

还有其他一些高端的光模块针对40G、100G、200G、400G等应用场合的，比如：QSFP，QSFP28，uQSFP，QSFP-DD，CXP，CFP，CFP2，CFP4，CFP8 and CPAK等等，此文就不一一介绍，感兴趣的读者可以根据自身需要自行学习研究。

2.3、光模块引脚定义

几种常见的光模块的引脚定义如下表所示：

2.4、光模块连接器

光模块连接器常用的主要有LC、SC、ST、FC几种。另外还有MU、MTRJ等。

2.5、光模块标准

常见的一些光模块相关的标准如下：

• GBIC：SFF-8053V5.5

• SFP：INF-8074i

• XENPAK：XENPAK MSA 3.0

• XFP：INF-8077

• SFP+：SFF-8431

• DOM：SFF-8472数字诊断接口协议

• DWDM MSA SFP：密集波分复用模块标准

• GR-468-CORE：光器件可靠性方面的通用标准

• ITU-T G.651：多模光纤标准

• ITU-T G.652：单模光纤标准

• 21CFR 1040.10：激光安全等级

• YD/T1352-2005：千兆以太网行业标准

本文主要针对以太网Line Side的接口形式进行简单介绍，包括RJ45、双绞线、光模块等相关内容，希望大家能对电口和光口有一个粗略的认识，光模块具体的参数可以参考厂家的datasheet。