（光学工程专业论文）甚短距离光互连协议的研究及硬件实现.pdf

摘要 摘要 甚短距离光互连技术以其传输带宽高，损耗小等优点成为当前互连领域的一 个重要发展方淘。板阅以及芯片阆的光互连技术与传统骨干网光传输技术有很大 不网，决定了其互连协议豹特殊性，而当前酌业界也缺乏一种专门针对板闻甚至 芯片闻光互连的协议标准。本文在光互连内存服务器的应用背景下，对适合在短 尺度光互连条件下的高速互连协议进行研究，并采用f p g a 技术加以实现。 本文依据光互连内存服务器的系统需求，将甚短距离光互连协议定位为一种 点对点、串行传输的轻量级全双工互连协议，涵盖了数据链路层和物理层。协议 对上层应用提供标准用户接舀，通过光链路为用户提供高速数据传输服务。 基于这样的需求定位，本文对甚短距离光互连协议的机制进行了详尽的研究。 对协议的各个要素进行选择和优化。这包括协议的帧格式、数据的收发过程、链 路初始化和状态机这凡顼协议机制的核心部分，以及协议的差错检测处理机制和 流量控制功能。 接下来本文选择了带有内嵌高速串行收发器( s e r d e ss e r i a l e r d e s e r i a l e r ) 的 v i r t e x i ip r o 芯片来实现协议功能。s e r d e s 作为协议实现的物理层部分，引入了 8 b 1 0 b 编码机制、时钟产生恢复以及差分驱动接收数模混合电路。数据链路层功 能模块采用硬件描述语言v e r i l o gh d l 实现，同时还对多通道协议的实现架构进行 了详细研究。在m o d e l s i m 软件中建立了协议仿真环境，并设计了测试方案模块对 协议功能进行测试验证。 然后本文选择了s f p 光模块作为协议互连的光收发设备，通过原理圈和p c b 图给出了制作了光模块测试板卡详细方案，并利用带有d d r 内存阵列和v i r t e x i i p r o 芯片的内存板卡与光模块测试板卡组成协议测试的光链路硬件平台。 为了测试光互连协议的实际工作效果，以内存阵列访问为实际应用，本文设 计了用光互连协议来传输内存阵列访问读写请求的实验。在光链路硬件平台上， 光互连协议将内存数据通过光链路进行高速传输，单路串行速率达2 g b p s 。实验证 明，协议能够满足系统互连需要。 最后本文还给出了硬件平台的高速串行差分信号抖动的测试方案，使用高带 宽示波器和相关抖动分析软件对信号抖动进行测试。测试结果表明，使用光互连 技术对信号的传输距离和质量都有很大提升。 摘要 甚短距离光互连协议可以很方便的承载其他工业标准数据，对其提供高速光 传输服务。也可以基于光互连协议，开发带有寻址交换等更复杂功能的系统应用 设计。本课题研究对板间或芯片间的光互连协议的设计，有较大的参考和实用价 值。 关键词：光互连，串行协议，f p g a ，内存服务器 a b s t 黜c t a b s t r a c t v e r ys h o r tr e a c ho p t i c a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ( v s r ) i s 锄i m p o r t a n t o r i e n t a t i o no fs y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nf i e l db e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c es u c ha s 赫曲b a n d w i d t h , l o ww a s t a g e , e t c t h eo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e dt o b o a r dt ob o a r do rc h i pt o c h i pi n t e r c o n n e c t i o ni sv e r yd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l b a c k b o n eo p t i c a lt r a n s m i s s i o n , a n di t si n t e r c o n n e c t i o np r o t o c o li sa l s ov e r ys p e c i a l n o wt h e r ei si nl a c ko fs u c ha p r o t o c o ls t a n d a r da i m e da tb o a r dt ob o a r d o rc h i pt oc h i p i n t e r c o n n e c t i o na p p l i c a t i o n i nt h eb a c k g r o u n do fm e m o r y - b o xs e r v e ra p p l i c a t i o nb a s e d o nv s t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e si n t ot 1 1 ep r o t o c o ls u i t e df o ro p t i c a li n t e r c o r m e c t i o n i nv e r ys h o r ts c a l e ，t h e ni m p l e m e n t e di tb a s e do nf p g at e c h n o l o g y a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n to fm e m o r y - b o xs y s t e m ，t h ei n t e r c o n n e c t i o np r o t o c o l f o rv s ri sap o i n tt op o i n t ，l i g h t w e i g h t , f u l ld u p l e xp r o t o c o lw h i c hm o v e sd a t aa c r o s s 1 1 i g h s p e e ds e r i a ll a n e s ，c o v e r i n gt h el i n kl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e r t h ep r o t o c o lo f f e r s u s e ri n t e r f a c et ou p s t r e a ma p p l i c a t i o n , a n dp r o v i d e sh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n s e r v i c et h r o u g ho p t i c a li n t e r c o n n e e t i o n t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h e p r o t o c o lm e c h a n i s m , s e l e c t sa n do p t i m i z e s e l e m e n t so ft h em e c h a n i s m ，i n c l u d i n gf r a m ef o r m 鸪d a t at r a n s m i s s i o na n dr e c e i v e p r o c e s s ，l i n kt r a i n i n ga n di n i t i a l i z a t i o n , a n da l s oe r r o rd e t e c to p e r a t i o na n df l o wc o n t r 0 1 t oi m p l e m e n tt h ep r o t o c o l sf u n c t i o n , t h ed i s s e r t a t i o nc h o o s e sv i r t e x - i ip r of p g a w i me m b e d d e dh i g h - s p e e ds e r i a l t r a n s c e i v e r ( s e r d e ss e r i a l e r d e s e r i a l e r ) t h e p h y s i c a ll a y e ri si m p l e m e n t e du s i n gs e r d e sw i t h8 b 10 b ，c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y d i g i t a la n a l o gm i x e dc i r c m t t h el i n kl a y e rf u n c t i o ni si m p l e m e n t e db ym o d e l i n gu s i n g v e r i l o gh d l a tt h es a m et i m et h ed i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e dt h em u l t i - l a n e sb o n d i n g m e c h a n i s m a f t e rv e r i l o gc o d i n g , at e s ts c h e m ei sd e s i g n e dt ov e r i f yt h ep r o t o c o l s f u n c t i o na n dt i m i n gi nm o d e l s i m a n dt h e nt ob u i l de x p e r i m e n tp l a t f o r m ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g nao p t i c a lm o d u l e t e s tb o a r d , c h o o s i n gs f p ( s m a l lf o r m f a c t o rp l u g g a b l e ) a so p t i c a le q u i p m e n t w i t ht h e m e m o r yb o a r dw h i c hh a sd d rs d r a ma n dv i r t e x i ip r o ，t h es f pt e s tb o a r d c o n s t i t u t e st h eo p t i c a ll i n kh a r d w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r m i i i a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o na l s od e s i g n sam e m o r ya r r a ya c c e s sa p p l i c a t i o nt ov e n f yt h e o p t i c a li n t e r c o n n e c f i o np r o t o c 0 1 t h em e m o r yr e a d w r i t er e q u e s t si st r a n s f e r r e da c r o s s t h ep r o t o c o lc h a n n e l o nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mt h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ei su pt o 2 g b p sw i t hs i n g l el a n e t h ee x p e r i m e n ts h o wt h ep r o t o c o lc a ns t r a t i f yt h er e q u i r e m e n t o fm e m o r y - b o xs e r v e r i nt h ee n dt h ed i s s e r t a t i o ng i v eas c h e m et ot e s tt h ej i t t e ro ft h eh i g h s p e e d d i f f e r e n t i a ls i g n a l s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tu s i n go p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y c a ni n c r e a s et h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo fs i g n a l s t h ev s rp r o t o c o lp r o v i d e sh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g ho p t i c a ll i n k o t h e ri n d u s t r i a ls t a n d a r dd a t ac a l le a s i l yb et r a n s f e r r e da c r o s st h ec h a n n e lo ft h e i n t e r c o n n e c t i o np r o t o c 0 1 o fc o u p e ，m o r ec o m p l e xa n du s e f u lp r o t o c o lw i t ha d d r e s s s p a c ec a nd ed e v e l o p e db a s e do nt h ev s rp r o t o c 0 1 t h ed e s i g ni nt h i sd i s s e r t a t i o n s h o w sh i g hr e f e r e n c ev a l u et ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no fp r o t o c o la i m e da tb o a r dt o b o a r da n dc h i pt oc h i po p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n k e y w o r d s ：o p t i c a li n t e r e o n n e c t i o n , s e r i a lp r o t o c o l ，f p g a ，m e m o r y b o xs e r v e r i v 图形列表 图1 - 1 并行光互连传输方案2 图1 2 互连协议标准的发展2 图1 3 光互连内存服务器架构框图3 图1 - 4 互连协议标准分类4 图2 1 互连协议概念框图6 图2 2 数据帧的发送10 图2 3 数据帧的接收一1 1 图2 - 4l a n e 初始化过程12 图2 5 发送端的数据1 4 图2 - 6r e c e i v e r 通道绑定前数据1 4 图2 7r e c e i v e r 通道绑定后数据。l5 图2 8 通道绑定级联模式一15 图2 - 9c h a n n e l 初始化过程16 图2 1 0 链路状态机1 7 图2 1 1 漏桶算法模型1 9 图2 1 2 软错误处理机制2 0 图2 1 3 本地流量控制帧格式2 1 图2 1 4 流量控制示意图2 2 图3 1r o c k e ti o 结构框图2 5 图3 28 b 1 0 b 编码映射2 6 图3 3 协议接口示意图2 8 图3 - 4 协议的用户接口。2 9 图3 5 协议模块综合后的顶层视图3 0 图3 - 6r o c k e ti o 接口31 图3 7 物理层接口。3 1 图3 8 单通道协议架构。3 4 图3 - 9 多通道协议架构3 6 图3 1 0 双通道的数据字节拆分3 7 v l 图形列表 图4 1 光链路硬件实验平台框图3 9 图4 2 光链路硬件框图4 0 图4 3 内存阵列板实物图4 l 图4 f t r j 8 519 实物图。蛇 图4 5l d o 原理图。4 3 图4 6 电源滤波电路原理图甜 图4 _ 7s f p 应用设计原理图4 5 图禾8 控制信号指示电路4 5 图4 9 差分传输线4 6 图4 - 1 0p c b 电路设计流程4 7 图4 - 11 光模块澳l 试板的p c b 图4 7 图4 - 1 2 光模块测试板实物图4 8 图5 1 脚本栏中s m a r t m o d e l 可用信息5 0 图5 2 协议测试框图。5 l 图5 。3 发送接口时序图5 l 图5 4 接收接口时序圈5 2 图5 5 协议用户接口仿真时序图5 2 圈5 - 6 流量控制发起请求时序5 3 图5 。7 流控延迟的产生5 3 图5 8 流控响应时序图5 4 图5 9l a n e 初始化状态机跳转。5 4 图5 1 0 延迟分布示意图5 6 图5 1 l 光互连协议在内存访闻中的应用5 7 图5 1 2m 儿心包的封装5 7 图5 1 3 桥接器示意图5 8 图5 1 4 测试模块架构框图5 9 图5 1 5 测试硬件平台实物图6 0 图5 1 6 发送端c h i p s c o p e 数据抓取图。6 0 图5 17 接收端c h i p s c o p e 数据抓取图6 l 图5 1 8 抖动构成示意图6 2 图5 19 电互连测试方案6 3 图5 2 0 串行信号波形图6 3 i x 图形列表 图5 2 1 串行信号眼图6 4 图5 2 2 直方图6 6 图5 2 3 频谱图6 6 图5 2 4 时闻趋势图。6 6 图5 2 5 光互连测试方案图6 8 蚕5 2 6s f p 澎来鲶差分信号波形6 8 图5 2 7s f p 信号的直方图7 0 图5 2 8s f p 信号的频谱图。7 0 图5 2 9s f p 信号时间趋势图7 l 图5 3 0r t - e y e 工具采集到浴盆曲线图7 l x 表格歹l j 表 表格列表 表2 1 协议帧的优先级别列表9 表2 - 2 暂停比特标识位。2 l 表3 18 b 1 0 b 编码中的1 2 个有效k 字符2 7 表3 2 协议帧所采用的k 字符。2 7 表3 3 物理层接口信号列表。3 2 表禾1f t r j 。8 51 9 管脚描述4 3 表5 1l a n e 初始化状态延迟表。5 5 表5 2 收发数据包延迟表5 5 表5 3 差分信号参巍繇 表5 - 4r o c k e ti 0 信号抖动参数6 5 表5 5 电互连r j d j 抖动参数6 7 表5 - 6s f p 的r d - r d + 信号参数。6 9 表5 7s f p 信号抖动参数6 9 表5 。8t d - t d + 的r j d j 参数。7 0 x i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：至塾日期：瞬g 月刁自 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签轹确 导师签名：皿 日期：x 弦9 年f 月菇日 第章绪论 第一章绪论 1 i 甚短距离光互连技术发展现状 隧着集成电路技术的高遮发展，芯片内部的数据处理能力不断提高，另一方 西系统互连总线速率却进步缓慢。使得戬铜线为基础的系统互连技术面临挑战h j 。 毫信号在铜线中传输时，随着频率的提高，传输线效应越来越明显，信号反 雳砉和信号溺串扰越来越严重，信号醚频率提高指数衰减，功耗则和频率平方成正 比。这严重限制了信号频率韵提高，并使得功耗和成本急剧增加，成为系统性能 提高的瓶颈。其次，在摩尔定律支配下，超大规模集成电路技术飞速发展。但是， 由予芯片弓l 脚数量帮频率限制，多核芯片与外部的互连接口带宽却提高不明显， 无法发挥多核带来的优势，成为叉一个瓶颈。 我稍不难发现，互连是制约系统性能蓬要瓶颈。目前板间或框间的互连主要 是铜互连和光互连溺。采用铜互连的系统如果簧迸一步提高传输带宽，通常采用两 种方法：一种是增加铜线曩连线的数量，随之带来的问题是电路管脚数目越来越 多，p c b 层数增加布线困难，不可避免的增加系统成本；另一种方法是提高系统 工作频率，僵电路速度的提高是非常有限的，带来的信号完整性问题同样增加了 系统设计难度和成本。 光互连相比于铜互连，具有带宽高，损耗小，基本不存在串扰、电磁兼容等 优点。光互连在骨干网传输中已经得到了广泛的应用，并且大容量光互连技术在 板闻框阌甚至芯片间的互连中显示了一定应用前景。所谓甚短距离光传输( v s r v e r ys h o r tr e a c ho p t i c a lt r a n s m i s s i o n ) - - 般是指3 0 0 米之内的大容量光互连解决方 案，这通信距离内，所采用光互连技术和电接口规范同传统骨干网光传输技术 有很大不同，是光通信技术发展的个全新领域。 由于传输距离很短，可以不必考虑复杂的光纤线路设计，如色散和非线性问 题，不需要考虑解决光放大等中继问题，对光源的要求也相应降低。因此，甚短 距离光传输不荐采用传统的串行光传送设备，丽采用并行穿送方式来提商传输带 宽，降低每根光纤上的传输速率，降低对光器件的要求，从而减少了成本。 甚短距离光传输技术的核心器件是垂直腔面发射激光器【3 1 ( v c s e l , v e r t i c a l c a v i 啦s u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) 。v c s e l 是光从垂真于半导体衬底表厦方向出射的 电子科技大学硕士学位论文 一种半导体激光器，可以在垂直于衬底的方向上并行集成多个激光器，非常适合 应用在并行短距离光传输领域。目前v c s e l 已经成为短波长光通信领域的主导光 源。 逻辑激光器激光器 探测器 放大恢逻辑接 发射驱动电v c s e l 阵列复电路收电路 电路 路阵列 图1 - 1 并行光互连传输方案 在甚短距离光传输协议标准领域中，当前已经规范化的国际标准是o 的v s r 系列 1 】【5 】 6 】同和i t u t 的g 6 9 3 ，这两个系列标准是在电接口上直接面向 s d h s o n e t 技术，这是因为现在s d h s o n e t 是城域网和骨干网的主流技术。 】辨82 d2 0 0 22 42 0 0 6 图l - 2 互连协议标准的发展 随着人们对信息量的需求越来越大，目前很多技术，例如i i l f i r f i b a n d ，r a p i d l o ， 光纤通道( f c f i b e rc h a n n e l ) 。这些技术都需要在短距离内，通过并行光互连实现大 容量的高速数据传输。其技术实现，特别是物理层和数据链路层的技术方案与甚 短距离光传输技术密切相关。在物理层上，针对不同的应用场合，对光源，光纤 以及链路上的功率分配业界内有着不同的详细规范，但物理层上采用光纤作为传 输媒质是这些技术的共同要求。在数据链路层上，根据传输业务的不同，承载信 号的帧结构也不同，同时也可以有选择的加入差错控制，数据校验和流量控制信 2 第一章绪论 息等。 1 2 研究背景和目标 本课题受2 0 0 6 年度国家8 6 3 项目“芯片一芯片并行高速高密度光互连关键技 术”的赞助，面向“动态自组织光互连内存服务器”的研制需要，研究适合予光互连 条件下点对点串行互连协议机制。在此有必要简要介绍“动态自组织光互连内存服 务器”。它可以实现多个客户端在蜀域内，通过光链路接叠卡访闫同一块内存阵列， 如图1 3 所示。 客户端 客户端 客户蝤 客户端 内存蒋强薮 交换謦裁 醺l - 3 光互连内存服务器架构禚图 光互连内存服务器的激光光源，计划在f r 4 电路板上用多个v c s e l 集成 8 5 0 r i m 光源阵列，传输介质使用嵌入在f r 4 中的集成光波导层或使用带状光缆互 连。在本课题的进行过程中，集成8 5 0 r i m 的v c s e l 阵列和集成光波导层的p c b 仍在研究之中。因此本课题在实际硬件验证中选用了当前成熟的s f p 和光纤互连， 这在第四章的硬件实验平螽设计中会专门讲述。这种光互连内存服务器要求互连 协议能将内存中的数据高速低延迟通过光纤链路在板间传输。目前在通信领域的 光传输标准主要是s o n e t s d h ，僵是这些标准是长距离光通信技术的标准，内存 3 逶信接口专 电子科技大学硕士学位论文 服务器的互连属于计算机体系结构的互连，长距离光通信领域的协议标准并不适 合内存服务器的互连。现有体系结构互连标准有p c ie x p r e s s ，i n f i n i b a n d ，r a p i di o 以及用于s a n 存储的f i b e rc h a n n e l 等。 c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n z 0 n ez o n e 图l _ 4 互连协议标准分类 从协议分类的角度来看，p c ie x p r e s s ，i n f i n i b a n d 以及f i b e rc h a n n e l 比较适合内 存服务器的互连。但p c ie x p r e s s ，i n f i n i b a n d 是针对铜互连的协议标准，虽然它们在 传输介质上开始倾向于采用光互连，但仍旧在研究之中。f i b e rc h a n n e l 是专门针 对光互连的协议标准，它的主要应用是存储局域网的磁盘阵列互连。内存访问速 度和延迟要比磁盘访问快的多，f i b e rc h a n n e l 协议在传输延迟和实时性上无法满 足要求。从另一方面来看，采用现有协议标准，系统制作成本上也会随之上升， 在口的使用上受制于人。事实上，适用于计算体系结构光互连的协议标准，在目 前来说是缺乏的。 对于光互连内存服务器这样一种定制系统，其互连协议是一个重要的组成部 分。而当前协议标准中，又缺乏这样一套互连协议。因此对适合光互连条件下的 计算机体系结构互连机制进行研究，是有着很重要的现实意义的。 定制这样一种光互连协议，参考当前铜互连标准是必不可少的。目前，计算 机体系结构中，并行总线结构的速率走到尽头，正在逐步消亡。串行互连则大行 其道，串行互连将时钟信息嵌入到链路上，采用时钟数据恢复，能够达到上吉比 特的速度。光互连协议的定位当然也是串行互连协议，根据系统需求分析，把光 互连协议定位为串行、点对点、轻量级的全双工互连协议，覆盖了o s i 模型里的 数据链路层和物理层。 4 第一章绪论 1 3 本文内容安排 本文根据光互连内存服务器的系统需求，对甚短距离光互连协议的机制进行 了详细的研究，并采用f p g a 技术设计实现光互连协议的功能机制，对协议进行 仿真分析；然后设计制作光模块测试板卡，搭建光互连内存阵列访问实验平台； 在内存阵列访闯应用中研究光互连协议应用模式，并在实际上板测试中对系统的 高速串行信号进行抖动测试分析。本文的研究内容安排如下： 第一章简要介绍短距离光互连技术的发展现状，阐述甚短距离光互连协议的 研究背景，目标和意义。 第二章对光互连协议的机制进行了研究，对甚短距离光传输条件下协议功能 机制进行裁减和定义，从而形成一个有机的全双工协议结构。 第三章定义了协议的用户接阴和物理层接阴，采用带高速串行收发器的f p g a 实现协议功能，并对单通道和多逶道的协议实现构架进行了分析研究。 第四章设计光链路硬件系统实验平台，制作光模块测试板卡。 第五章对整个传输系统进行测试，其中包含对协议功能进行仿真分析，给出 了协议测试结果和结论；设计协议转换桥接器，展开内存阵列访问应用上板测试； 介绍信号抖动概念，对系统高速信号质量进行测试。 第六章总结全文。 l 。4 本章小结 本章首先介绍了甚短距离光巨连技术的发展现状，接着说骥了本课题研究的 目标和意义，然后简要介绍了本论文的主要内容安排。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章甚短距离光互连协议机制的研究 在绪论一章里，已经对本课题所要研究的内容做了安排。在本章节中，主要 研究互连协议的各个要素和运行机制。一个简单可靠的协议机制对系统运行的稳 定性有着重要影响。对于现有的协议标准，当然是可以直接拿来使用的，但是定 制系统的特殊性并不要求使用现有的复杂工业标准协议，因为现有的工业标准考 虑全面，数据帧格式复杂。如果直接采用现有标准不可以避免的增加数据传输延 迟，加大传输开销从而使系统性能降低，最严重的制约因素是采用商业标准会增 加成本，并且在系统移植难度大。 本系统要求使用简单的握手交互信号和开销较小的数据帧，以高带宽，低延 迟，低开销来进行板间或芯片间的高速数据传输，因此采用一种定制的协议来负 责系统底层的信号传输是一个合适的方案【引，这也是为什么要对甚短距离光互连协 议进行研究的原因。定制协议可以对协议的机制要素进行裁剪优化，如果某部分 功能机制系统要求不高，则可对这部分适当进行简化，或者省略不要。定制协议 的另一好处是协议规模小，易于系统集成，并易于达到较高的速度。因此综上所 述，定制光互连协议是最合适的一条道路，也是本课题的研究意义所在。 2 1 概述 从系统层次划分求来看，光互连协议的责任就是将上一层应用的数据包在光 互连条件下高速传输。在此我们把甚短距离光互连协议确定为一种轻量级，点对 点，高速串行互连协议，为用户应用提供高速互连服务，如图2 1 所示： 图2 1 互连协议概念框图 6 第二章甚短距离光甄连协议机制的研究 协议涵盖了o s i 的数据链路层和物理层。在o s i 模型中，数据链路层位于网 络的第二层，介乎于物理层和网络层之间，在物理层所提供的服务的基础上向网 络层提供服务。数据链路层要完成的功能是f s j ： 向网络层提供一个良好的接口服务； 处理传输错误； 提供数据流量控制服务。 为了实现这些功能，经过对现有协议的详细分析，在链路层中需要考虑实现 的要素主要有以下几个： 1 上层接口定义：协议的主要责任就是将上层应用的数据从一点传到另一点， 因此对上层应用提供一个良好的接口是非常必要的。 2 协议帧格式：协议本身就是语法语义和时序的集合，每个协议本身必须规定 数据帧格式，来表示链路上传输的数据的含义。链路上的有不同的帧，有的是用 来装载数据，有的是用来传递流量控制信息，协议校据数据帧的格式来进行相应 处理操作。 3 链路上电初始化：系统上电后，链路并不能立即传送数据，必要有一套机制 来确认链路是否畅通，收发双方通过交互初始化帧来建立一个能够可靠传输数据 的链路。 4 链路状态控制：链路初始化成功嚣，表骥链路可以收发数据了。链路在没有 数据要发送的时候，会进入空闲态，此时会向链路上发送空闲字符以维持链路的 有效。由于链路上有不同的帧传输，它们的功能各不相同，空闺字符也可以看成 是一种不带负荷的帧。根据帧的功能不同，帧的有不同优先级别。因此链路上需 要一套机制来仲裁不同帧的发送优先权。 5 通道绑定：为了增加传输带宽，协议可以采用多个通道并行传输的方式来传 输数据，数据映射到不同的通道中传输，在接收端再重新装配成原始数据。 6 流量控制：由于发送接收双方的数据吞畦率不团，在传输过程中会因为缓冲 区满而产生数据丢失现象，因此需要有流量控制机制来控制链路的数据流量，以 免产生帧丢失。 7 差错控制：由于传输过程中可能出现差错，有可能是物理层的错误，也有可 能是链路层的错误。因此必须有套差错的检测和控制机制来处理这些可能出现 的情况。 虽然以上每个问题，在目前的工业界都已经有了成熟可靠的解决方案，并且 已经成功的应用到各种系统中去，僵另一方面依照光互连内存服务器系统的特殊 7 电子科技大学硕士学位论文 性和实际需求，有必要对每个要素进行仔细研究，并确定一套定制机制来满足系 统性能要求。接下来的章节，将对协议的各个要素进行研究和阐述，而接口定义 方面与协议的实现有密切联系，将放在下一章中阐述。 2 2 协议帧格式 前文已经对数据帧格式初步的介绍了，原始数据通过接口到协议链路层中去 后，协议会将其打包成为一个有效的数据帧，打包的过程包括给原始数据添加帧 头帧尾，当原始数据与传输宽度不匹配时，协议还将对原始数据进行填充操作。 在接收端进行的是发送端的逆操作，包括去除帧头帧尾，去除填充比特，恢复出 原始的数据。这便是一个典型的数据传输的过程，协议之所以能完成数据的传输， 流量控制等功能，完全是依靠发送和解析各种不同的帧来实现这些功能的。帧的 格式的定义是非常重要，它决定着协议的传输功能实现和效率。以下将对帧格式 进行详细阐述。 2 2 1 协议帧的定义 对应于协议要实现的每种功能，都需要特定的帧去完成实现。发送端如要通 知接收端什么信息，便产生相应的帧发送给接收端，接收端解析所收到的帧，然 后进行相应的操作。在本协议中，规定了如下六种不同类型的帧。 时钟补偿序歹l j ( c l o c kc o m p e n s a t i o ns e q u e n c e ) 由于发送端和接收端在运行一段时间后，不可避免的会出现时钟偏差。为了 保证数据传输的可靠性，协议提供了时钟补偿机制来消除这种偏差。每个当传输 了1 0 0 0 0 个码组后，就向链路上发送一组时钟补偿序列。它的优先级别是最高的， 无论此时链路上传输的数据帧还是流量控制帧，时钟补偿序列都会被优先发送。 当使用多通道时，每个通道各自发送时钟补偿序列。 初始化序列( i n i t i a l i z a t i o ns e q u e i l c e ) 系统上电后，通信双方开始建立通信连接。这时协议会向链路上发送初始化 序列，接收端接收到初始化序列，就会发出应答的序列反馈给对方，应答序列也 属于初始化序列的一种。链路的建立就是通过发送初始化序列，经过一系列状态 的跳转，最终确立可通信的链路。 本地流量控制帧( n a t i v ef l o wc o n t r o lf r a m e ) 在接收端的缓冲区满的时候，协议会产生本地流量控制帧，来通知发送端暂 第二章甚短距离光噩连协议机制的研究 停发送数据一段时闻，以避免接收缓、冲区溢崮而产生错误。 数据帧( d a t af r a m e ) 带数据的帧也是协议的一个最重要最基本的帧，协议将上层应用要传输的数 据填充并加上帧头帧尾，形成一个有效的数据帧，接收端再去解析出原始数据。 空闲字符( i d l es e q u e n c e ) 链路初始化成功居，裁可以正常的传输数据了。当上层应黑不发送数据时， 协议就要向链路上发送空闲字符，以维持链路的可用状态，旦有数据或其他类 型帧需要发送时，链路立即轶空闲状态跳转。 以上六种帧便是协议的链路上所发送的帧，由予所执行的功能不同，所以帧 的优先级别也会有高低的。当遇到同时发送两种帧的情况，协议要根据帧的优先 级别来决定先发送哪个。 对于数据通路本身来说，传送控制信息要比传送数据更为重要。因为链路的 性能好坏决定着数据能否正确的传输到蠢的地，瑟控制信息的功熊就是建立维护 链路的有效性。因此协议对链路上运行的六种帧的优先级别作出了如下规定，并 且在链路的发送仲裁机制中采用。 表2 - i 协议帧的优先级别列表 f r a m e t y p ep r i o r i t y 符号 时钟补偿序列c l o c kc o m p e n s a t i o ns e q u e n c e最高 | c c | 初始化序列i n i t i a l i z a t i o ns e q u e n c e l s p s p 剐 本地流量控制帧n a t i v ef l o wc o n t r o lf r a m e l s n f 数据帧d a t af r a m e i ，s c p 僦p 空闲字符i d l es e q u e n c e 最低| 氏暇佩| 不同类型的帧对应了不同的功能，但同一类型的帧的却可以由几种不同比特 组合。铡如空闲字符i d l e , 本协议旒定了三种比特字符来执行i d l e 功能，这样徽的 目的是增加链路上比特的跳转，避免单一发送同一种字符而不利于接收端的数据 时钟恢复。 2 2 2 帧的发送和接收 数据帧在协议牵的传输过程。当焉户数据到达协议的上层接掰后，会通过一 系列过程，将原始用户数据封装成为数据帧。发送数据帧时，在协议的链路层经 过链路仲裁，发送引擎以及物理层的串行收发器模块；同样接收数据帧芷是发送 操作的逆过程。在协议的这些模块中所进行的操作如图2 2 所示。 9 电子科技大学硕士学位论文 l 填充 1 l r l 打包 i 图2 2 数据帧的发送 由于链路层与物理