10gbe 802.3ae
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10 Gigabit Ethernet: “Um novo padrão para comunicação de
dados em alta velocidade”
Interconexões de Redes
Professor
Prof. D.Sc. Ricardo Alexsandro de Medeiros Valentim
NATAL 2009
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SUMÁRIO
Resumo ................................................................................................................... 4
1. Introdução ........................................................................................................... 5
2. Uma visão geral sobre 10 Gigabit Ethernet ......................................................... 7
2.1 Benefícios do 10 Gigabit Ethernet ................................................................. 7
2.2 Requisitos de mercado .................................................................................. 8
2.3. Características técnicas do padrão 10 Gigabit Ethernet ............................... 9
3. Arquitetura da 10 Gigabit Ethernet .................................................................... 11
3.1. Interfaces e extensão de interfaces ............................................................ 12
4. Protocolo de camada ........................................................................................ 13
4.1 MAC - Medium Access Control .................................................................... 14
4.2 Subcamada de reconciliação ....................................................................... 15
4.3 10GMII (10 Gigabit media independent interface) ....................................... 15
4.4 PCS (Physical conding sublayer) ................................................................. 15
4.5 PMA (Physical mediun attachment) ............................................................. 15
4.6 PMD (Physical mediun dependent) ............................................................. 15
4.7 MDI (Medium dependent interface) ............................................................. 15
5. Camada MAC .................................................................................................... 16
5.1 Somente Full-Duplex ................................................................................... 16
5.2 MAC – Formato de quadro .......................................................................... 16
5.3 Taxa de dados ............................................................................................. 19
5.4 Mecanismo de sincronismo (Mecanismo de adaptação de adaptação de
taxa) ................................................................................................................... 19
6. Camada Física .................................................................................................. 20
6.1. Gigabit Media Independent Interface .......................................................... 20
6.2. Arquitetura da camada física ...................................................................... 22
6.2.1 Implementação Serial ............................................................................ 22
6.2.2 Implementação Paralela ........................................................................ 23
6.3 Coding Techniques ...................................................................................... 24
6.3.1 8B/10B (Duarte e Vilela, 2005): ............................................................. 24
6.3.2 64B/66B (McKay e DiPaolo, p. 1, 2003): ............................................... 25
3
6.3.2 Scrambling ............................................................................................ 26
6.3.6 Forward Error Correction (FEC) – Envio de informação redundante .... 26
6.4. Laser ........................................................................................................... 26
6.4.1 Fabry-Perot Laser - MLM (Multiple Longitudinal Mode) ........................ 27
6.4.2 Distributed-Feedback Laser – SLM (Single Longitudinal Mode) ........... 27
7. Aplicações ......................................................................................................... 28
7.1. Gigabit Ethernet nas Redes Locais (LAN) .................................................. 28
7.2. Gigabit Ethernet em Redes Metropolitanas (MAN) ..................................... 29
7.3. 10 Gigabit Ethernet em Redes de Longa Distância (WAN): ....................... 29
8. Considerações Finais ........................................................................................ 31
Referências ........................................................................................................... 32
Acrônimos ............................................................................................................. 34
4
10 Gigabit Ethernet: “Um novo padrão para comunicaç ão de
dados em alta velocidade”
Ricardo A. de M. Valentim – Aluno {valentim@cefetrn .br}
Prof. Dr. Sergio V. Fialho – Professor {fialho@pop- rn.rnp.br}
Resumo
Em meados de junho de 2002, o projeto "The 10 Gigabit Ethernet Alliance (10GEA)",
conduzido pelas maiores empresas do setor de telecomunicações, como 3Com
Corporation, Cisco Systems, Nortel Networks, Extreme Networks e entre outras, foi
reconhecido e aprovado como padrão IEEE Ethernet 802.3ae. A especificação IEEE
802.3ae, ou simplesmente 10 Gigabit Ethernet, permite comunicação em alta velocidade
atingindo uma taxa de 10.000 Mbps. 10 Gigabit Ethernet é uma implementação full-duplex
que utiliza a fibra óptica como meio de transmissão (em 2004 saiu uma especificação
para cabeamento em cobre) para comunicação ponto-a-ponto em aplicações LAN, MAN e
WAN. Ela mantém a compatibilidade com as redes Ethernet (10Mbps, 100Mbps e
1000Mbps) existentes e permite que as mesmas possam ser escaladas para o novo
padrão. Um dos principais benefícios é o alcance físico (distância) que pode chegar até
40km. Para isso, foram definidas novas interfaces (transceivers ópticos), chamadas de
Physical Media Dependent-PMD, para fibras single-mode, as quais podem ser utilizadas
em redes LAN e WAN. Com esta definição, surgiu dois novos tipos de camada física
(PHY): LAN PHY e WAN PHY. A primeira é utilizada para transmitir os quadros Ethernet
em uma rede local, enquanto a segunda permite que seja realizado o transporte sobre as
infra-estruturas SONET (synchronous optical network) ou SDH (synchronous digital
hierarchy) existentes. O controle de acesso ao meio físico (Media Access Control - MAC),
utiliza quadros (frames) com o mesmo formato e tamanho dos padrões Ethernet
existentes. A interface com o meio físico é realizado pelo novo padrão chamado 10
Gigabit Attachment Unit Interface - XAUI que oferece 7 (sete) tipos diferentes de
conexões: 10GBASE-LX4, 10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-SW,
10GBASE-LW e 10GBASE-EW, as quais diferem no tipo de camada física aplicado (LAN
PHY ou WAN PHY) e o modelo de fibra utilizado (MMF ou SMF).Como após a aprovação
da especificação IEEE Ethernet 802.3ae as corporações estão aptas e livres para
desenvolver e oferecer os novos produtos/serviços, acredita-se que este novo padrão
será a próxima geração da tecnologia de transporte, principalmente em redes WAN.
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1. Introdução A velocidade de transmissão das redes locais de computadores tem aumentado de
maneira espantosa nos últimos anos. A capacidade de processamento de dados pelos
mais diversos tipos de dispositivos também vem aumentado de forma significativa. A
soma destes fatores remete a uma recorrência bastante atual, que é a crescente
demanda por aplicações que exigem maior velocidade de transmissão de dados.
Este trabalho apresenta a tecnologia 10 Gigabit Ethernet que tem como foco único
servir de infra-estrutura para redes de altíssima velocidade em termos de taxa de
transmissão de dados.
A tecnologia Ethernet tem sido à escolha mais popular para as redes locais (LAN).
No mundo existem milhões de usuários de Ethernet e ainda esta aumentado. Em 1998, o
padrão para 1-Gigabit Ethernet foi libertado. Este padrão destacou-se entre os usuários,
especialmente muitos desses que eram relutantes em adotar a cara tecnologia ATM.
Assim estima-se que dentro de alguns anos, a tecnologia 1-Gigabit Ethernet
provavelmente dominará os mercados de LANs, (Siwamogsatham, 2005).
Na atualidade um fato notório são as crescentes demandas por aplicações de
multimídia de alta resolução e interatividade, o que exige cada vez mais redes de alta
velocidade.
Em Março de 1999, o HSSG (Higher Speed Study Group), representando pelo
menos 55 companhias, se reuniu com a intenção de desenvolver um padrão de 10GbE. O
trabalho começou baseado na expectativa de que o mercado em breve precisaria de uma
tecnologia para agregar o Gigabit Ethernet, devido ao crescimento rápido da rede, do
tráfego da internet e a uma forte pressão para soluções de 10Gbps. Em Novembro desse
ano o HSSG entregou um esboço do pedido de autorização do projeto para o IEEE
P802.3ae, o qual foi aprovado pelo IEEE em Janeiro de_2000.
Os objetivos preliminares 1 do grupo de funcionamento são listados abaixo (Grow,
1999):
• Utilizar quadros (frames) com o mesmo formato e tamanho dos padrões Ethernet
existentes;
• Operação apenas full-duplex;
• Manter a compatibilidade com os padrões Ethernet 802.3x;
• Conhecer as exigências funcionais do IEEE 802; 1 Um fator importe é que estes objetivos representaram apenas um fator inicial sobre projeto de padronização. O que ocasionou mudanças em alguns deles ou inclusão de outros.
6
• Suporte a topologia estrela para redes LAN;
• Especificação de mídias independente de interfaces;
• Manter o tamanho máximo e mínimo dos quadros referente ao padrão IEEE 802.3;
• Independência de velocidade na camada de controle de acesso ao meio com
suporte a 10 Gb/s em LAN e sobre 10 Gb/s em MAN;
• Especificação da família da camada física a qual da suporte a um link de distância
mínima de 200 m para fibras multímodo (FMM) e no mínimo 3 km para fibra
monomodo (SMF);
• Suporte para mídia selecionada da ISO/IEC 11801 (Normas de Cabeação
Estruturada);
De forma efetiva, o objetivo do projeto era alargar o protocolo 802.3 para uma
velocidade de trabalho de 10Gbps e expandir o espaço de aplicação Ethernet para incluir
a WAN, de modo a disponibilizar um aumento significativo na largura de banda, mantendo
o máximo de compatibilidade com as bases de interface 802.3 instaladas.
Após cinco esboços o padrão foi aprovado pelo IEEE em Junho de 2002. O
cronograma abaixo (figura 1) apresentado sistematiza o processo acima referido.
Figura 1 – Cronograma do projeto 10 Gigabit Etherne t
7
Este trabalho ira aborda e discutir o padrão 10 Gigabit Ethernet levando em
consideração a camada de enlace e camada física - onde escopo do Ethernet esta
situado. Portanto, descrevendo de forma pontual as especificações IEEE Ethernet
802.3ae.
2. Uma visão geral sobre 10 Gigabit Ethernet
10 Gigabit Ethernet é basicamente a versão de alta velocidade do padrão
Ethernet. Este padrão irá suportar as taxas de dados 10Gb/s, oferecendo benefícios
similares às versões do padrão Ethernet que as antecede, embora não ofereça suporte ao
modo de operação half-duplex.
O potencial para o mercado de aplicação para 10 Gigabit Ethernet é enorme.
Existem nichos de mercado onde a aplicação de 10 Gigabit Ethernet é bastante
apropriada, por exemplo, empresas, universidades, canais de telecomunicação e
provedores de Internet. Evidentemente, cada setor destes nichos de mercado tem
requisitos diferentes quanto ao tamanho do link e custos.
2.1 Benefícios do 10 Gigabit Ethernet
Um dos principais benefícios do padrão 10 Gigabit Ethernet é que ele oferece uma
solução de baixo custo para onde há requisito por maior largura de banda. Neste quesito
não somente o custo com instalação é baixo, mas também, custos com manutenção e
gerenciamento da rede. Os custos com manutenção têm seus valores reduzidos, pois
podem ser realizados por administradores de redes locais.
Além disso, para melhorar aspectos relacionados a custo benefício, o padrão 10
Gigabit Ethernet pode permitir swintching mais rápido. Desde que este padrão utilize os
mesmo formato Ethernet, possibilitando uma integração sem adaptações para LAN, MAN
e WAN. O benefício direto é não existir necessidade de tarefas como:
• Fragmentação de pacotes, o que implica em ter que reuni-los novamente;
• Tradução de endereços, assim dispensando a necessidade de roteadores
que são mais lentos que os switches.
O 10 Gigabit Ethernet também oferece escalabilidade (compatibilidade) direta com
(10/100/1000/10000 Mb/s). A evolução das redes para o 10 Gigabit Ethernet deverá ser
algo simples, pois os caminhos para esta atualização é bem semelhante ao padrão 1
Gigabit Ethernet. De fato, ainda existe um tempo até que as redes adotem neste novo
8
padrão, talvez isso facilite ainda mais este processo uma vez que o 10 Gigabit estará bem
mais consolidado.
2.2 Requisitos de mercado
Há uma vasta demanda para o 10 Gigabit Ethernet em redes locais LAN, redes
metropolitanas (MAN) e redes de longa distância (WAN). Para cada tipo de rede existem
requisitos diferentes. O Quadro 1 ilustra os tipos de aplicações em relação a distância:
Aplicação Distância
Rede de local de armazenamento 100 m
Rede remota de armazenamento 300 m / 2 km / 40 km
Serviços de backup (prevenção contra
desastres) 300 m / 2 km / 40 km
Rede empresarial 100m
Campus backbone 10 km
Backbone corporativo 300 m / 2 km / 40 km
Provedor de serviço de Internet 100 m
Serviços agregados a Internet 300 m / 2 km / 40 km
Serviços agregados a backbones 300 m / 2 km
Quadro 1 – Distâncias requeridas (Bynum, 2005).
O mercado de LANs incluem aplicações tipicamente:
• Implementação de servidores de computador (in-building computer
servers);
• Implementação de clusters;
• Data Centers (CPD);
Para este mercado as distâncias podem ser aplicadas entre 100 m a 300 m.
Porém exige um rigoroso custo. De forma, geral os usuários procuram por soluções
baratas para resolver os seus problemas com redes de alta velocidade.
A compatibilidade com tecnologias anteriores (backward-compatibilty) é altamente
desejada, pois os usuários não querem ter problemas com as suas tecnologias legadas.
Portanto o mercado 10 Gigabit Ethernet se torna bastante atrativo, uma vez que garante o
atendimento das demandas por aplicações que rodam em redes de alta velocidade e
também por garantir a compatibilidade através do padrão Ethernet.
9
Nos mercados de médio porte, as aplicações geralmente incluem campus
backbone, backbones de empresas, redes de armazenamento. Para este caso as
distâncias estão entre 2 km a 20 km. Outro fator é que geralmente a infra-estrutura de
cabeamento já existe, assim, a tecnologia deve operar sobre esta infra-estrutura já
existente.
Segundo Siwamogsatham (1999), o maior custo não é o inicial, pois geralmente os
usuários querem pagar o custo inicial de instalação da rede, mas não gostam de pagar
pela manutenção e pelo gerenciamento. Portanto, a facilidade da tecnologia nestes
quesitos se faz necessário. Desta forma, colocando o padrão 10 Gigabit na frente, pois é
a única tecnologia SONET (Synchronous Optical Network - Rede Óptica síncrona) Rede Óptica
síncrona.
2.3. Características técnicas do padrão 10 Gigabit Ethernet
• Meio Físico: fibras ópticas; SMF (Single Mode Fibre) e MMF(Multi Mode
Fibre). A partir de 2004 também padronizou transmissão paralela através de
8 pares de fios blindados em distâncias curtas (10GBase-CX4), ver quadro 2.
• Operação somente em duplex (ponto a ponto).
• Não utiliza o protocolo de acesso CSMA/CD, tem um MAC próprio.
• Mantém a mesma estrutura e tamanho dos quadros utilizados em Ethernet,
FE (Fast Ethernet) e Gbe (Gigabit Ethernet).
• Aplicações: O 10Gbe é totalmente inovador quanto a aplicações; pode ser
utilizado em LANs, MANs e WANs.
• Meios Físicos: Primordialmente fibra óptica
• LAN PHY: 10GBase SR, 10GBase LR, 10GBase ER, 10GBase LX4,
10GBase-CX4, são todas, tecnologias de nível físico para Redes
Locais;
• WAN PHY: 10GBase SW, 10GBase LW, 10GBase EW, são tecnologias
para Redes Metropolitanas e WAN (SDH/SONET, DWDM).
10
Tecnologia de
transmissão
Código
8B/10B PCS*, PMA
Código
64B/66B
PCS
WIS (WAN
Interface
sublayer)
Serial
PMA**
Meios Físicos
850nm
Serial
PMD
1310nm
serial
PMD
1550nm
serial
PMD
1310nm
WDM
PMD
8 pares
(elétrico)
PMD
10GBase-SR X X X
10GBase-SW X X X X
10GBase-LX4 X X
10GBase-CX4 X X
10GBase-LR X X X
10GBase-LW X X X X
10GBase-ER X X X
10GBASE-EX2 X X X
10GBase-EW X X X X
*PCS: Physi cal Coding Sublayer **PMA: Physical Medium Dependent
Quadro 2 - Tecnologias de Transmissão e Meios Físic os de 10Gbe (Rochol, p. 18, 2004).
• Alcances dos Diversos Meios Ópticos: ver quadro 3.
Alcance Λ:comp. onda Tipo de Fibra Modo XMIT Emissor Óptico
65 m 850nm MMF Serial LED
100 m 850nm MMF Serial LED
300 m 1300nm MMF-
E(enhanced) WWDM* LED
10 km 1300nm SM WWDM* Laser MLM**
10 km 1300nm SM Serial Laser MLM**
40 km 1550nm SM Serial Laser SLM resfriado *WWDM: Wide Wavelenght Division Multiplex **MLM: Laser Multi Longitudinal Mode ou FP (Fabry P erot) ***SLM: Laser Single Longitudinal Mode ou DFB (Dist ributed Feedback)
Quadro 3 - Alcance da 10Gbe em fibras ópticas (Roch ol, p. 18, 2004).
Então com base em Duarte (2005) é possível realizar uma síntese dos modelos
ópticos característicos do 10Gigabit Ethernet para as redes: LAN e WAN.
Para LAN:
• 10GBASE-SR (28m sobre IDDC3 - classe multímodo);
• 10GBASE-LX4 (300m sobre IDDC - classe multímodo);
2 10G Ethernet Applications (SIEMON, 2005). 3 IDDC – Interface de distribuição de dados no cabo
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• 10GBASE-LR (10 km sobre monomodo);
• 10GBASE-ER (40 km sobre monomodo);
Os modelos ópticos; 10GBASE-SW, 10GBASE-LW e 10GBASE-EW usam o
padrão WAN PHY para interagir com o equipamento OC-192 / STM-64 SONET/SDH que
corresponder aos modelos 10GBASE-SR, 10GBASE-LR e 10GBASE-ER
respectivamente. Estes usam o mesmo tipo de fibras e suportam as mesmas distâncias,
(não existe no padrão WAN PHY um modelo óptico correspondente ao modelo 10GBASE-
LX4). Na figura 2 é possível verificar a utilização de algumas tecnologias de transmissão.
Figura 2 - Exemplo da utilização das tecnologias de transmissão
3. Arquitetura da 10 Gigabit Ethernet
Nesta seção é bordada a arquitetura 10 GbE e também três possíveis arquiteturas
para LAN Serial, LAN Paralela e WAN Serial. Na figura 3 é apresentada à arquitetura
geral do 10 GbE, onde é possível verificar diversas interfaces (XGMI, XAUI, XSBI) que
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segundo Rochol (p. 19, 2004), permitem uma maior flexibilidade quanto a utilização do
10GbE.
Figura 3 - Arquitetura 10GbE(Brand, p. 2, 2002).
3.1. Interfaces e extensão de interfaces
• XGMII (10Gbit/s Medium Independent Interface): É uma interface com 74
sinais. Dois barramentos de 32 bits de dados, mais 4 sinais de controle, mais
um de relógio. A finalidade do XGMII é fornecer uma interconexão opcional
simples, barata, e de fácil implementação entre a subcamada de controle de
acesso ao meio (MAC) e a camada física (PHY) do 10 Gigabit Ethernet.
• XAUI (10 Gbit/s Attachment Unit Interface): Interface de Chip (opcional). É
uma espécie de extensor da interface XGMII. Possui 8 sinais, sendo 2 x 4 bit
a 3,125Gbit/s, num total de 12Gbit/s em cada sentido de transmissão.
Distância máxima 20”(50 cm).
• XSBI (10 Gbit/s Sixteen Bit Paralel Interface): Interface paralela de 2 x 16 bit,
cada uma transmitindo a 644Mbit/s, num total de 10Gbit em cada sentido de
transmissão. Conector de 34 pinos: TX/RX, 16 de dados, mais um de clock.
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3.2. Extensor de Interface
• XGXS: Subcamada que estende a XGMII e que permite estender a interconexão
física chip-para-chip até 20” (50cm).
4. Protocolo de camada
O Ethernet 10 Gigabit4 traz diferentes implementações para sua camada
física, as quais se diferenciam de acordo com o tipo de rede. Esta característica
pode ser observada na figura 4 que acrescenta a nova especificação para
cabeamento em cobre.
Figura 4 – Diagrama de Camadas 10 GbE (Fonte: 10GBA SE-CX4 Study Group, 2002)
O protocolo Ethernet é basicamente uma implementação das duas últimas
camadas do modelo OSI (Open Systems Interconnection) de sete camadas, as camadas
de enlace e física. A figura 5 é uma representação típica da pilha de protocolo Ethernet
relacionada ao modelo OSI. Portanto, nesta seção é tratado de especificar os protocolos
envolvidos nas camadas do 10 Gigabit Ethernet. Desta forma, abordando os seguintes
pontos:
• MAC (Medium Access Control - Controle de acesso ao meio);
4 Boa parte das especificações encontradas nesta seção é do autor Siwamogsatham.
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• Subcamada de reconciliação;
• 10GMII (10-Gigabit Media Independent Interface – 10 Gigabit Interface
Independente do Meio);
• PCS (Physical Coding Sublayer – Subcamada de codificação física);
• PMA (Physical Medium Attachment – Conexão ao meio físico);
• PMD (Physical Medium Dependent – Dependente do meio físico);
• MDI (Medium Dependent Interface – Interface dependência meio).
Figura 5 - Modelo OSI e Ethernet (Siwamogsatham, 20 05).
4.1 MAC - Medium Access Control A camada MAC provê uma conexão lógica entre cliente e outra estação (peer
station). Sua principal responsabilidade é inicializar, controlar e gerenciar a conexão.
15
4.2 Subcamada de reconciliação A subcamada de reconciliação age com um tradutor de comandos. Esta camada
faz um mapeamento da terminologia e dos comandos usados na camada MAC em
formatos elétricos apropriados as entidades elétricas.
4.3 10GMII (10 Gigabit media independent interface) 10GMII provê um modelo padrão de interface entre a camada MAC e a camada
física. Esta interface isola a camada MAC da camada física, deste modo, habilitando a
camada MAC a ser utilizada por varias implementações da camada física. Com a 10GMII
é possível conectar vários padrões diferentes, por exemplo: par trançado, fibra mono-
modo e multímodo, utilizando o mesmo MAC (Controladora de Acesso ao Meio), tornando
a rede mais flexível e os equipamentos mais facilmente configuráveis.
4.4 PCS (Physical conding sublayer)
A subcamada PCS é responsável por codificar e decodificar os stream de dados
para e da camada MAC. As técnicas de codificação serão discutidas neste trabalho.
4.5 PMA (Physical mediun attachment)
A subcamada PMA é responsável por serializar grupos de códigos em stream de
bit satisfatório para dispositivos físicos orientados a bit, e vice-versa. A sincronização
também é feita na própria decodificação desta subcamada.
4.6 PMD (Physical mediun dependent) A subcamada PMD é responsável pelo sinal de transmissão. Nas funcionalidades
típicas da PMD, se incluem amplificadores, moduladores e formatos de onda. Dispositivos
PMD diferentes podem suporta mídias diferentes.
4.7 MDI (Medium dependent interface)
MDI se refere aos conectores. Eles definem diferentes tipos de conectores para
diferentes tipos de meios físicos e dispositivos PMD.
16
5. Camada MAC A camada controle de acesso ao meio (MAC) do 10 Gigabit Ethernet é similar a
camada MAC prevista na tecnologia Ethernet. O 10 GbE utiliza o mesmo esquema de
endereço do Ethernet e formato de quadro, mas não suporta o modo de transmissão half-
duplex. Ele suporta taxa de transmissão de 10 Gps e taxas mais baixas, usando o pacing
mechanism (mecanismo de sincronização) para realizar adaptação de taxas e controle de
fluxo.
5.1 Somente Full-Duplex No padrão Ethernet, existem dois modos de transmissão: half-duplex e full-duplex.
O modo half-duplex tem sido definido desde a versão original do Ethernet. Neste modo, a
transmissão de dados ocorre utilizando o popular Carrier-Sense Mutiple Access/Collision
Detection (CSMA-CD) protocolo de acesso ao meio compartilhado. Este protocolo
simplesmente contribui para o inicio do sucesso do padrão Ethernet. A principal
desvantagem do half-duplex é ineficiência ocasionada pela limitação com relação à
distância. Neste modo, a distância do link esta limitada ao tamanho mínimo do quadro
MAC. Esta restrição reduz drasticamente a eficiência para altas taxas de transmissão.
Por exemplo, a técnica de extensão de portadora é usada para garantir o tamanho
mínimo de quadro de 512 bytes no Gigabit Ethernet para alcançar um link de distância
razoável.
A taxa de transmissão no 10Gbps no modo half-duplex não é uma opção
interessante. Nenhum mercado atualmente existe para esta taxa de transmissão
operando sobre o modo half-duplex. A maioria dos links para estas taxas é do tipo ponto a
ponto sobre fibra óptica. Neste caso, é preferível o modo de transmissão full-duplex, pois
a entidade da camada MAC poderá transmitir quase sempre que desejar, contanto que
esteja pronto para receber. A distância do link esta limitada as características do meio
físico e dos dispositivos, poderosos orçamentos, e modulação. Neste caso, a topologia
desejada pode ser conseguida com o uso de switches.
5.2 MAC – Formato de quadro A chave da proposta do desenvolvimento do padrão 10 Gigabit Ethernet esta em
usar o mesmo formato de quadro MAC especificado no padrão Ethernet. Isto permite a
integração do 10 Gigabit Ethernet a rede Ethernet já existente. Deste modo, não existindo
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a necessidade fragmentação ou reorganização e tradução de endereços, sugerindo a
utilização de switching mais rápido. Como, o modo de transmissão utilizado é o full-
duplex, a distância do link não é afetada pelo tamanho mínimo de quadro MAC de 64
octetos, previsto no padrão Ethernet, haja vista a não utilização de CSMA-CD. Deste
modo, também não sendo necessária a utilização de extensão de portadora utilizada no
Gigabit Ethernet. Na figura 6 existe uma descrição do quadro MAC.
Figura 6 - Formato do quadro Ethernet (Siwamogsatha m, 2005)
Um quadro Ethernet consiste dos seguintes campos (Duarte e Vilela, 2005):
• PREAMBLE (Preâmbulo) – todos os quadros iniciam com uma sequência de 7
bytes, cada um contendo o padrão 10101010, com a função de permitir o
sincronismo a nível de bit e a detecção do sinal.
• SFD – Start Frame Delimiter (Delimitador de Início de Quadro) – contem o
padrão 10101011 e marca o início do quadro (sincronização a nível de quadro).
• DA – Destination Address (Endereço do Destinatário) e AS – Source Addres (
Endereço do Remetente) – este campo tem dois formatos, com 2 ou 6 bytes. O
padrão mais comum utiliza o formato de 6 bytes. O bit mais significativo (à
esquerda) é utilizado para indicar se o endereço de destino é individual (I/G=0)
ou de grupo (I/G=1). A transmissão para um grupo de estações é chamada de
multicast. O endereço com todos os bits em 1 é reservado para difusão geral
de mensagens – broadcast. No formato de 6 bytes, o bit 46 corresponde ao
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campo UPC/L, que permite distinguir entre endereços globais (UPC/L=0) e
endereços locais (UPC/L=1). Os endereços locais são atribuídos pelo
administrador da rede sem qualquer consideração ou significação externa. Os
endereços globais são necessários quando se conecta a uma inter-rede, são
administrados e atribuídos pelo IEEE de forma a garantir que não existam
endereços iguais no mundo.
• Campo TYPE – é a diferença entre os quadros Ethernet DIX e IEEE 802.3.
Este quadro indica qual o protocolo da camada superior que está sendo
transportado no campo de dados. Por exemplo, se o campo de dados contém
um datagrama IP, o campo TYPE é 0800. Para delimitar o campo de dados, é
examinado o cabeçalho do protocolo, como cada protocolo possui um padrão,
indiretamente obtêm-se o tamanho. O campo type é visto como dois sub-
campos de um byte: Fornecedor (Vendor) e Protocolo (Protocol Type). A
alternativa IEEE é mais estruturada, portanto do que a Ethernet, mas gera um
overhead maior na camada de enlace. A sigla DIX é a composição das iniciais
das empresas que idealizaram este protocolo: DEC, InteL e Xerox.
• LENGHT – Número de bytes da PDU LLC( Transportada (L) – indica o número
de bytes do campo de dados (de 0 a 1492).
• PADDING – embora o campo de tamanho possa indicar um campo de dados
com tamanho 0, isto causa um problema. Quando o transceptor detecta uma
colisão, ele trunca o quadro a ser transmitido, que causa o aparecimento de
pedaços de quadro no barramento. Para distinguir esta “sujeira” dos quadros
válidos, a norma 802.3 requer que o quadro tenha um tamanho mínimo de 64
bytes (entre o campo DA até FCS). Desta forma, o campo PAD é usado com a
finalidade de garantir o tamanho mínimo.
• FCS – Frame Check Sequence (Seqüência de Controle de Erros) – este
campo carrega 32 bits para detecção de erro, calculados pela técnica de CRC
– Código de Redundância Cíclica. O cálculo é realizado sobre todos os
campos, exceto o preâmbulo, SFD e FCS.
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Quadro Inválido: Um quadro é considerado inválido quando ocorre uma das
condições:
• Identificação inválida pela camada física;
• Não contiver um número inteiro de bytes;
• Não apresentar a estrutura de campos correta;
• Não fechar a validação de CRC;
Neste caso, a PDU LLC não é entregue e é indicada a condição de erro à camada
LLC.
5.3 Taxa de dados
Especificar uma taxa de dados para o 10 Gigabit Ethernet não foi uma simples
tarefa. Esta questão das taxas de transmissão levou bastante tempo até que uma decisão
fosse realmente consolidada. As pessoas nos negócios de LANs desejam taxas de dados
de 10 Gb/s, desta forma, um switch 10 Gigabit Ethernet suporta exatamente 10 portas de
1-Gigabit Ethernet. Por outro lado, as pessoas nos negócios de WAN desejam taxas de
9.584,640 Gb/s, pois é compatível com taxas do OC-192.
A solução do grupo de trabalho se fundamentou em dar suporte às duas taxas.
Isto pode ser feito especificando uma taxa de dados de 10 Gb/s e utilizando mecanismos
de sincronização de taxa (pacing mechanism) para acomodar taxas de dados mais lentas.
Uma proposta para esta solução foi utilizar um dispositivo com buffer maior, capaz de
servir de ponte entre as duas taxas.
5.4 Mecanismo de sincronismo (Mecanismo de adaptaçã o de adaptação de taxa)
O mecanismo de sincronização permite a entidade da camada MAC suportar
diferentes taxas de transmissão, por exemplo, 1 Gb/s ou 10 Gb/s para LAN ou 9.584,640
Gb/s para WAN. Para alcançar isto, a entidade da camada MAC tem a habilidade de
parar a transmissão de dados por um período apropriado de tempo, a fim de provê um
controle de fluxo ou adaptação de taxa. Duas técnicas para o mecanismo de
sincronização são citadas. A primeira é a técnica de word-by-word hold (organizar palavra
por palavra) é a segunda técnica de extensão do Inter-frame GAP (IFG5) (Intervalo entre
5 O menor Inter-frame gap é 96 bit times = 9.6 nanoseconds for 10Gb/s Ethernet (XILINX, p.25 2005)
20
quadros). Na técnica word-by-word, a entidade da camada MAC pausa o envio de
palavra de dados de 32 bits por um período pré-especificado de tempo, a cerca das
requisições da camada física. Na técnica de extensão do IFG, o inter-frame GAP é
estendido por um período de tempo predefinido com ou sem requisição da camada física.
A principal desvantagem da técnica de extensão do IFG é que um grande buffer de dados
é requerido porque o algoritmo opera entre os quadros.
No período de especificação do 10 Gigabit Ethernet o mecanismo de organização
word-by-word parecia obter maior apoio do grupo de trabalho do 10GbE
(Siwamogsatham, 2005). A principal vantagem do word-by-word é suportar qualquer
técnica de codificação, não precisa de um grande buffer de dados para suportar múltiplos
quadros MAC, e o tamanho do buffer é independente da velocidade do link.
6. Camada Física
As maiores discussões do grupo de trabalho era relacionadas à camada física. A
principal questão incluía a 10 Gigabit media independent interface, arquiteturas paralelas
versus seriais, wavelength division multiplexing (WDM – multiplexação por divisão de
comprimento de onda) versus óptico paralelo, técnicas de codificação, meio, etc...
(Siwamogsatham, 2005).
6.1. Gigabit Media Independent Interface
10 Gigabit Media Independent Interface (10GMII) fornece a interface entre a
camada MAC e a camada física. Esta interface pertence à camada MAC e suporta varias
interfaces físicas. A proposta para a 10GMII é mostrada na figura 7 (Frazier, 2005).
21
Figura 7 - Proposta do 10GMII (Siwamogsatham, 2005)
A linha TX_word_hold é provida para suporta o mecanismo de sincronização (ou
adaptação de taxa) orientado a palavra. As linhas de 32 bits são providas para transmitir e
receber funções, cada um com 4 bits de controle (um por byte). O bit de controle recebe
“1” para delimitadores e caracteres especiais e “0” para dados. Delimitadores e caracteres
especiais são determinados por 8 bits de dados quando no bit de controle é atribuído o
valor “0”. Os delimitadores e caracters especiais incluem (Siwamogsatham, 2005):
• IDLE é sinalizado durante o inter-packet gap6 e quando não há dados a enviar;
• SOP é sinalizado no inicio de cada pacote;
• EOP é sinalizado no final de cada pacote;
• ERRORwhich é sinalizado quando um erro é detectado no sinal recebido ou
quando um erro precisa ser indicado o para o sinal transmitido.
Estes delimitadores e caracteres especiais habilitam a própria sincronização para
multiplexação e operações de demultiplexação. Deve ser notar que a interface também
pode ser escalada em velocidade e largura. Por exemplo, uma linha de 8 bits de dados
com 1 bit de controle, pode ser usado com 4 vezes a taxa de clock mais rápido. Deste
modo, suportando a implementação serial e paralela da subcamada PCS.
6 Tempo de atraso entre sucessivos pacotes de dados designados pelo padrão de rede por razões de protocolo.
22
6.2. Arquitetura da camada física
Existem duas estruturas para implementação da camada física em 10 Gigabit
Ethernet: serial e paralela. A solução serial utiliza uma alta taxa de dados (10Gb/s)
PCS/PMA/PMD com circuito em bloco, a solução paralela utiliza múltiplos circuitos
PCS/PMA/PMD em blocos a uma taxa de dados mais baixa. As duas soluções têm
diferentes vantagens e desvantagens, as quais são discutidas a seguir.
6.2.1 Implementação Serial
Figura 8 - Implementação da camada física serial (S iwamogsatham, 2005)
Na implementação serial, há um canal físico operando a 10 Gb/s como descrito na
figura 8. A operação é direta. Para a transmissão, o modulo de reconciliação passa os
sinais, correspondentes aos dados da MAC, palavra a palavra para o modulo PCS. O
modulo PCS então codifica os sinais com uma técnica de codificação predefinida e passa
para o modulo PMA. O modulo PMA então serializa os sinais codificados e passa o
stream para o PMD. O modulo PMD transmite o sinal de stream sobre a fibra a 10 Gb/s.
Para o recebimento o processo ocorre de forma inversa.
A principal vantagem da arquitetura serial é que a transmissão ou recepção ocorre
de forma direta. Esta arquitetura não requer a complexidade da multiplexação e
demultiplexação, necessário na implementação paralela. Deste modo, as exigências
quanto ao tempo de processamento é mais relaxada. Também requer apenas um canal
na fibra e apenas um equipamento fixo de laser. Porém, a desvantagem principal é a
necessidade de circuitos lógicos de alta velocidade de tecnologia cara como SiGe e
23
equipamento laser. Para reduzir a taxa de transmissão, podem ser usadas técnicas de
codificação para altas-taxas como PAM-5 e MB810. Naquele caso, pode ser preciso de só
uma unidade de laser de custo mais baixo. Mais uma melhor pesquisa dever ser feita para
investigar este benefício.
Em 1999 já existiam tecnologias, como por exemplo, 10G-SONET/OC-192, o qual
suportavam operar a 10 Gb/s. Assim, naquele período podendo ser adotadas as
tecnologias destes padrões existentes para contribuir com a implementação serial 10G
Ethernet. Conseqüentemente, para aqueles que desejam uma solução rápida e se
preocupam com um baixo custo, a arquitetura serial é bem aplicada. Um forte defensor
para implementação serial foi a Lucent que tem demonstrado a transmissão serial em
10Gb/s e 12Gb/s sobre uma nova banda larga MMF até 300m.
6.2.2 Implementação Paralela
Figura 9 – Implementação paralela da camada física (Siwamogsatham, 2005)
Na implementação paralela, existem múltiplos canais físicos, os n sub-canais
podem ser implementados utilizando cabos em paralelo ou multiplexação WDM. Para a
transmissão, o distribuidor multiplexa os dados (frames e idles) recebidos da camada
MAC em n streams (“mini-frames” or “mini-idle”) em um movimento de Round-Robin.
Cada um dos streams é passado para cada módulo PCS. Os módulos PCS codificam os
streams recebidos e envia aos respectivos módulos PMD para a serialização. Após a
24
serialização, cada módulo PMD transmite os seus streams de dados serializado a uma
taxa de 10/n Gb/s. Na recepção, o processo inverso é realizado.
A principal vantagem da implementação em paralelo é que a taxa operacional nos
módulos PCS/PMA é reduzida, o que possibilita a utilização de dispositivos mais baratos
(CMOS/Bipolar). A principal desvantagem é a necessidade do módulo distribuidor /
coletor que podem ser sensíveis ao timing jitters7 e o uso de múltiplos circuitos lógicos e
equipamentos laser.
6.3 Coding Techniques Está seção aborda varias técnicas de codificação que foram verificadas como
sendo possíveis de serem adotadas pelo padrão 10 Gigabit Ethernet.
6.3.1 8B/10B (Duarte e Vilela, 2005) A codificação 8b/10b. Este código que foi desenvolvido pela IBM codifica 8 bits de
dados em 10 bits para a transmissão. A redundância de 20% fornece os benefícios
citados abaixo:
• Fácil recuperação do clock;
• Não há componente DC8;
• Correção de Erro.
A codificação 8b/10b foi desenvolvida com o intuído de permitir um baixo custo dos
componentes utilizados no projeto.
A recuperação do clock e a sincronização da byte/palavra são facilmente
consumados devido a uma boa densidade de transição. Uma das regras do código que
contribui para uma boa densidade de transição garante que não mais de 5 bits
consecutivos terão o mesmo valor.
A codificação também garante um número par de bits 1 e 0 em uma palavra, isto
significa que o sinal é bem balanceado, o que elimina componentes DC.
7 Tempo gasto com processamento. 8 Significa que a media do sinal é nulo.
25
6.3.2 64B/66B (McKay e DiPaolo, p. 1, 2003) Este tipo de codificação estende o número de aplicações que pode rodar sobre as
redes 10 Gigabit Ethernet. De fato, o 64b/66b foi criado para reduzir o overhead. O
esquema de codificação 64 bits de dados em 66 bits de dados provê um overhead de 3%
se comparado com o 8b/10b.
A figura 10 exibe como a lógica do 64B/66B para codificar/decodificar se ajusta
dentro um sistema completo. Nesta ilustração da aplicação é possível observar
informação detalhada no desenho de referência indicado dentro da área cinza.
Figura 10 - 64B/68B caminho do sistema de dados (Mc Kay e DiPaolo, p. 1, 2003)
A codificação 64B/66B leva sinais XGMII consistindo de 64 bits de dados e 8 bits
controle e os converte em códigos de 66 bits de palavras de acordo com o esquema do
esboço da seção 49.2.4 da especificação do IEEE 802.3ae. O decodificador converte os
66 bits de códigos de palavras ao formato compatível com os sinais XGMII.
O bloco de scrambler codifica os dados transmitidos, e o bloco de descrambler
decodifica os dados recebidos. Estes blocos não são requeridos em todas as aplicações e
não são incluídos no design referência.
O bloco de sincronização alinha os dados seriais entrantes no limite de 66 bits
para também alinhar no limite de 64 bits no lado XGMII de 64B/66B no bloco de
codificação/decodificação. Este bloco não é incluído no desing referência.
26
6.3.2 Scrambling A codificação por embaralhamento tem seu lugar em aplicações SONET/WAN.
Esta codificação virtualmente não tem overhead e tem boa eficiência em banda larga,
permitindo uma mais baixa taxa de linha para um maior alcance.
A implementação desta codificação é algo simples e pode ser em hardware. No
entanto, em funcionamento o seu tamanho máximo não é determinístico, não provê
garantinha de balanceamento DC e não tem caracteres especiais embutidos. O custo dos
dispositivos com este esquema de codificação é geralmente alto, o que torna esta técnica
pouco atraente para LANs, a menos que seja necessário um maior alcance. Um
argumento que pode ser utilizado para o esquema de codificação com embaralhamento é
a utilização de uma rede 100% Ethernet para LAN, MAN e WAN, uma vantagem que
sinalizou a possível adoção da tecnologia SONET. Porém, pode faltar uma
compatibilidade física com o padrão IEEE 802.3z.
De fato o padrão definiu especificações diferentes para LAN e MAN/WAN. A
codificação 8B/10B está usada LAN/MAN enquanto a codificação de 64B/66B é
especificada para WANs (como foi abordado no quadro 2 da p.7).
6.3.6 Forward Error Correction (FEC) – Envio de inf ormação redundante O código corretor de erros (FEC) é uma técnica através da qual a redundância
(ex.: a informação suplementar) é transmitida com os dados transportados, utilizando um
algoritmo predeterminado. O equipamento de recepção tem a capacidade de detectar e
corrigir erros de informação que poderiam surgir durante da transmissão (corrupção de
dados), pelo fato de haver redundância. O sinal transmitido com o código corretor de erros
é deste modo mais robusto, o que permite aos operadores construir ligações com menos
repetidores.
Segundo Siwamogsatham (2005):
Com 6% de FEC (de bits redundantes) é possível alcançar uma
taxa de bit de erro de 10. Este recurso é bastante interessante
em redes onde existe um tempo longo de propagação do sinal.
6.4. Laser Um componente PMD essencial na transmissão de alta velocidade é o laser. Há
vários tipos de lasers. O mais comum é Fabry-Perot (F-P) Laser, Vertical-Cavity Surface-
-14
27
Emitting Laser (VCSEL), e Distributed-Feedback (DFB) Laser. Na figura 11, são
mostrados dois tipos de laser onde é possível verificar potências e número(s) de
comprimento de ondas.
Figura 11 - Lasers FP e DFB (Abelém, p. 11, 2005)
6.4.1 Fabry-Perot Laser - MLM (Multiple Longitudina l Mode) O laser Fabry-Perot (F-P) é um laser multímodo. É otimizado para fibras
monomodo, mas também pode operar sobre fibras multímodo. O comprimento de onda
tipicamente operacional está na faixa de 1300nm. Para este tipo de fonte óptica, a
limitação de distância é devido à dispersão e ruído do modo-partição. O Fabry-Perot laser
é uma tecnologia já madura e testada. Uma típica aplicação para lasers Fabry-Perot são
para LAN em campus e redes MAN.
6.4.2 Distributed-Feedback Laser – SLM (Single Long itudinal Mode) O laser Distributed-Feedback utiliza ressonadores distribuídos para suprimir a
fonte multímodo. Existem produtos de banda larga para distâncias altas, geralmente
operando na faixa de 1300nm de comprimento de onda em fibras monomodo e
multímodo, e na faixa 1550nm em fibras monomodo. A limitação de distância ocorre
devido à perda de atenuação para a faixa de 1300nm e dispersão para a faixa de
1550nm. Podem ser usados esfriadores térmicos e isolantes, deste modo, aumentando o
desempenho.
28
7. Aplicações
Devido ao aumento da taxa de transmissão e da distância coberta pelo novo
10GbE, agregados à escalabilidade das redes sob o padrão Ethernet, que varia de 10
Mbps à 10 Gbps, tem-se varias soluções para sistemas legados e soluções que são
efetivamente possíveis de serem implementadas devido às novas características do
10GbE.
7.1. 10 Gigabit Ethernet nas Redes Locais (LAN) Com o 10 Gigabit Ethernet torna-se possível a expansão das redes locais e a
distribuição desta rede em pontos geograficamente mais distantes. A utilização de data
centers em localizações financeiramente mais viáveis também é uma nova proposta que
alia a centralização dos dados, e consequentemente uma redução na manutenção com, e
a utilização de instalações mais apropriadas e com menor custo. A Figura 12 ilustra um
implementação de varias LANs.
Figura 12- Uso expandido de 10 gbps - redes LAN (10 GEA, p. 8, 2002)
29
7.2. 10 Gigabit Ethernet em Redes Metropolitanas (M AN) Como o novo padrão apresenta totais compatibilidades com os padrões Ethernet
anteriores, torna-se possível a substituição da infra-estrutura legada sem um maior
transtorno. A figura 13 ilustra um implementação de uma MAN.
Segundo a 10 GEA (p. 7, 2002):
“Hoje, um pacote pode deixar um servidor em uma porta Gigabit
Ethernet óptica de curta distância, propagar-se via rede DWDM
(Dense Wava Division Multiplexing) e chegar diretamente a um PC
utilizando cabo coaxial fino (BNC), sem a necessidade de
conversão de protocolos e de reajuste dos quadros.”
Figura 13 - 10 GbE em uma MAN
7.3. 10 Gigabit Ethernet em Redes de Longa Distânci a (WAN) Como o padrão 10 Gigabit Ethernet foi produzido para também ser compatível com
o SONET/SDH, torna-se possível e viável a utilização desta tecnologia em redes de longa
distância. Um exemplo pode ser visto na figura 14.
30
Figura 14 - Utilização de 10 Gigabit em WAN
8. Considerações Finais A Internet tem sido uma ferramenta que transformou e ainda vem modificando
modelos de negócio. Neste sentido, o padrão Ethernet vem resistindo de forma
consistente ao tempo, adotando as mudanças impostas pelo mercado.
É um fator perceptível que o padrão Ethernet é o mais amplamente utilizado nas
redes de computadores. Muitas das transferências de dados têm seu início e fim em uma
rede Ethernet.
Neste mercado onde a cada dia se faz presente requisitos por aplicações de rede
de alto desempenho para atender os mais diversos tipos de aplicação principalmente na
área de multimídia, é importante ter uma infra-estrutura de custo mais baixo a fim de
oferecer maior viabilidade na construção desta infra-estrutura. É neste ínterim, que o
Ethernet renasce com o seu novo padrão 10 Gigabit.
O mais novo padrão Ethernet foi criado na intenção de romper com as barreiras
das redes locais e atender as demandas das redes de longa distância, assim aumentado
significativamente o número de aplicações que poderão rodar sobre as redes Ethernet,
pois a mesma agora permite abranger novos mercados, o que para o Ethernet foi uma
evolução natural.
Ricardo A. de M. Valentim 10Gigabit Ethernet
32
Referências
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Ricardo A. de M. Valentim 10Gigabit Ethernet
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XILINX. “Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet”. IN CD ROM, 2005.
10GEA. “10 Gigabit Ethernet Technology Overview Write Pa per”. 10 Gigabit Ethernet
Alliance. 2002.
Ricardo A. de M. Valentim 10Gigabit Ethernet
34
Acrônimos
10GMII- 10-Gigabit Media Independent Interface
ATM- Asynchronous Transfer Mode
BER- Bit Error Rate
CRC- Cyclic Redundancy Check
CSMA/CD- Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
DFB- Distributed-Feedback
FCS- Frame Checking Sequence
F-P- Fabry-Perot
Gb/s - Giga bits per second
Gbaud - Giga Baud
IFG- Inter-Frame Gap
km - Kilometer
LAN - Local Area Networks
m - Meter
MAC- Medium Access Control
MAN- Metropolitan Area Networks
Mb/s - Mega bits per second
MDI- Medium Dependent Interface
MMF- Mulit-Mode Fibers
nm - Nanometer
OC - Optical Carrier
OSI- Open Systems Interconnection
PCS- Physical Coding Sublayer
PMA- Physical Medium Attachment
Ricardo A. de M. Valentim 10Gigabit Ethernet
35
PMD- Physical Medium Dependent
SFD- Start of Frame
SMF- Single Mode Fibers
VCSEL- Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser
WAN- Wide Area Networks
WDM- Wavelength Division Multiplexing
WWDM- Wide Wavelength Division Multiplexing