（光学工程专业论文）100gbe物理层编解码和传输技术研究.pdf

摘要 摘要 以太网技术由于具有很多优点，得到迅速发展，目前1 0 g b e 技术已经大规模 商用，而近年来，内容和服务提供商等诸多因素对当前的网络基础设施提出了难 以置信的更高的要求，人们迫切需要改进以太网技术，提高网络的带宽和容量， 扩展传输距离，促进网络融合，一个低成本高效益的解决方案以太网技术 1 0 0 g b e 技术应运而生。 本文主要对1 0 0 g b e 相关技术进行研究。首先在对以太网基础知识和发展历史 介绍的基础上，简单对比了1 0 0 g b e 与现有的以太网的差别；然后，对1 0 0 g b e 编 解码方法进行研究，在对8 b 1 0 b 编解码和1 0 g b e 中的6 4 b 6 6 b 编解码方法分析 的基础上，提出改进的基于简化查找表和逻辑运算的应用于1 0 0 g b e 的6 4 b 6 6 b 编解码方法，对此编解码电路用v e r i l o gh d l 语言进行设计，实现中利用并行处理 和流水算法，提高了编解码的效率，并用m o d d s i m 仿真测试；最后，1 0 0 g b e 物 理层传输系统设计，包括了对1 0 0 g b e 物理层数据接口的设计和1 0 0 g b e 光纤传输 系统的设计，前者包含了对c t b i 结构和p b l 结构的物理层接口的设计，后者主 要包含对1 0 0 g b e 串行传输系统、1 0 波长d w d ml o o g b e 传输系统和4 波长c w d m 1 0 0 g b e 光纤传输系统的设计和分析。 关键词：以太网，6 4 b 6 6 b 编解码，光纤传输 a b s t r a c t a bs t r a c t e t h e m e tt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，a n d10 g b e t e c h n o l o g yh a sl a u n c h e dc o m m e r c i a ls e r v i c ei nl a r g es c a l ea tp r e s e n t ，w h a t sm o r e ，i n r e c e n ty e a r s ，t h eu n b e l i e v a b l eh i # e rr e q u i r e m e n t si sp r o p o s e df o rt h ec u r r e n tn e t w o r k i n f r a s t r u c t u r eb e c a u s eo fav a r i e t yo ff a c t o r ss u c ha sc o n t e n ta n ds e r v i c ep r o v i d e r s i ti s u r g e n tt oi m p r o v et h ee t h e r n e tt e c h n o l o g yt oi n c r e a s et h eb a n d w i d t ha n dc a p a c i t yo ft h e n e t w o r k ，e n t e n d t h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e a n d p r o m o t e t h en e t w o r k c o n v e r g e n c e 10 0 g b ew h i c hi sl o wc o s ta n dh i g hb e n e f i ti se m e r g i n ga tah i s t o r i c m o m e n t i nt h i s p a p e r ，t h es t u d y i s m a i n l y o nt h er e l a t e d t e c h n o l o g y o ft h e 10 0 g b e f i r s t , m a k eas i m p l ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e10 0 g b ea n dt h ee x i s t i n g e t h e r n e tb a s e do nt h eb a s i ck n o w l e d g ea n dd e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ee t h e m e t ；t h e n s t u d yo nt h e10 0 g b ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d ，p r o p o s et h ei m p r o v e d6 4 b 6 6 b e n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o dw h i c hi sa p p l i e dt o 10 0 g b eb a s e do nt h es i m p l i f i e d l o o k - u pt a b l ea n dl o g i c a lo p e r a t i o na f t e rt h es t u d yo i l8 b 10 be n c o d i n ga n dd e c o d i n g m e t h o da n dt h e6 4 b 6 6 be n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o du s e di n10 g b e t h e e n c o d i n g a n dd e c o d i n gc i r c u i t sa r ed e s c r i b e db yv e r i l o gh d l ，a n dp a r a l l e la n dp i p c l i n i n g a l g o r i t h ma r eu s e di np r o g r a m ，a sar e s u l t ，t h ee f f i c i e n c yo ft h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n g i s i m p r o v e do b v i o u s l y，a n d t h ec i r c l e sa r e s i m u l a t e da n dt e s t e d b y m o d e l s i m ；f i n a l l y ，d e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m so fp h y s i c a ll a y e ro ft h e 10 0 g b e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h ed a t ai n t e r f a c eo ft h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h ed e s i g n o fo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ef o r m e rc o n t a i n st h ea n a l y s i so ft h ed a t a t r a n s m i s s i o no ft h ep h y s i c a ll a y e ri nc t b ic o n s t r u r ea n dp b lc o n s t r u r e ，t h el a t t e r m a i n l y c o n t a i n st h e d e s i g n a n d a n a l y s i s o f10 0 g b es e r i a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m ，10 一w a v e l e n g t hd w d m10 0 g b et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n d4 - w a v e l e n g t h c w d m10 0 g b et r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s ：e t h e r n e t ，6 4 b 6 6 be n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n 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：歪拯 旦望日期：2 。0 9 年j 月拿j 日 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) 签名：独 鸥 导师签 1 7 1 期： 第一章引言 1 1研究的背景及意义 第一章引言 以太网技术曾经与令牌总线( 8 0 2 4 ) 、令牌环( 8 0 2 5 ) 一起作为局域网领域的三大 技术标准，但由于以太网所具有的平滑升级、结构简单、管理方便、造价低廉等 特点使其脱颖而出，逐渐占据了技术的主流【l 】，并逐步扩展到城域网和广域网。目 前干兆、万兆以太网正处于一个技术成熟，大量应用的繁荣期，有多种因素共同 作用推动局域网继续向前发展。 内容提供商通过开发新的应用和服务来推动宽带需求的发展，譬如视频点播、 i p t v 、网络游戏和数字相册等的逐渐开发、升级和扩容【2 】；在个人应用领域，消 费者已经体会到新的技术带来的好处，更加偏爱大带宽和高速度，比如视频直播、 点播和下载，以及网络会议等的普及，所以对高速网络有很大的需求；数据中心 服务商，也需要不断推动数据中心和s a n 的升级，因为较之以往来说，更多的信 息需要被存储和传输；高性能计算市场，对传输和计算速度同样提出了很高的要 求。简而言之，我们现在能看到的内容和服务提供商和消费者等诸多因素一起在 推动高速网络的需求，这些应用的发展已经使得网络流通量不断激增，从而对当 前的网络基础设施提出了难以置信的更高的要求。 为了适应高速的网络发展，不断提高网络的带宽和容量，扩展传输距离，要 寻求低成本高效益的解决方案，一个新方案脱颖而出1 0 0 g b e 技术，它既要提 供速率优势，又要具有灵活性、可升级性及技术简单等特点，并实现从局域网向 城域网、广域网领域的拓展，另外，1 0 0 g b e 必然会建设还有以下原因：不断增加 的业务都是基于i p 的，而几乎所有的i p 分组从源端发送到宿端传输的全过程都是 封装在以太网帧中；t d mo v e re t h e m e t 的技术已经成熟，传统语音的兼容已经不 是问题；以太网封装比s o n e t s d h 封装更简单而且成本更低，所以，研究1 0 0 g b e 技术有重要的现实意义，随着以太网技术从局域网扩展到接入网、城域网和广域 网，从而可构架出一个结构更加紧密的与传统电信网络不同的宽带网络【3 】。 电子科技大学硕士学位论文 1 2国内外研究状况 1 2 1国外研究状况 2 0 0 5 年，英国格拉斯哥朗讯贝尔实验室在欧洲光通信会议e c o c 2 0 0 5 上 首次报道了1 0 0 g b p s 光以太网信号传输试验一】，该试验实现了1 0 0 g b p s 的光以太 网信号传输，而实际的光信号传输速率达到了1 0 7 g b p s ，附加7 的纠错开销。试 验中所采用的两项最新的技术包括了双二进制信号编码技术和单芯片均衡技术。 双二进制信号编码技术利用正、负和零三种信号电平来代表一个通信二进制信号， 这种信号方式比传统的n r z 码需要更少的带宽。而单芯片光均衡器技术则是贝尔 实验室开发的技术，可以补充各种传输信号劣化、干扰和调制器对带宽的限制。 2 0 0 7 年1 0 月，阿尔卡特朗讯在德国举办的e c o c 上提交了三篇重要论文，其 中包含了阿朗在光纤通信研究领域的主要突破性进展【5 】：通过单根光纤以1 2 8 t b p s 的速率创纪录地实现了2 , 5 5 0 公里的长途信息传输，具有开创性意义的每波长 1 0 0 g b p s 的长途信息传输；通过简单高效的1 0 0 g b p s 的信道调制方法实现具有开 创性的8 t b p s 的数据传输；以及在同一波分复用系统中首次实现1 0 0 g b p s 和4 0 g b p s 的混合传送，证明了这两种速率信道在同一波分系统中的共存和升级。 2 0 0 7 年1 1 月1 6 日，v e r i z o n 在佛罗里达坦帕到迈阿密的5 0 4 公里实际1 0 g b p s 线路上成功完成业界首次1 0 0 g b p s 光传输现场测试【6 】。利用f i o s 业务的视频信号 流作为负载，这次测试表明利用先进的电子技术，现有的线路可以升级到1 0 0 g b p s 系统。 2 0 0 8 年4 月2 8 日，澳大利亚墨尔本大学在o e ( o p t i c a le x p r e s s ) 上发表了他们 基于o f d m 的1 0 7 gs s m f 系统。 2 0 0 8 年5 月，日本k d d i 研究所开发出o f d m 高速传送技术，在世界首次成 功实现不使用分散补偿光纤长途传送每秒1 0 0 g b p s 的信号 7 1 。为了将光o f d m 传 送的信号速度从每秒4 0 g b p s 提高到1 0 0 g b p s ，k d d i 研究所开发了更加高效的 o f d m 信号发生技术，并且通过将信号低速化，把信号亮灭的间隔延长到原来的1 万倍，从而无须在传送途中为了修补传送错误而增加特殊光纤，使用现有以太网 光纤即可将1 0 0 g b p s 的信号稳定传送到1 0 0 0 公里之外。k d d i 计划在2 0 1 2 年实现 该技术的实用化，面向企业提供数据通信服务。 2 0 0 8 年9 月，v e r i z o n 通信和诺基亚西门子公司宣布成功完成1 0 0 g b p s 信号传 输试验f 8 】。这次试验并进一步证明1 0 0 g b p s 信号可以和1 0 g b p s 信号，4 0 g b p s 信号 第一章引言 共同在一个8 0 通道的实际光纤线路中传输。这次试验也证实现有的光纤网络可以 进一步提升传输容量，而无需更换光纤。 2 0 0 8 年12 月8 日，c i e n a 公司宣布在s u p e r c o m p u t i n gc o n f e r e n c e2 0 0 8 ( s c 0 8 ) 会议上成功完成世界上首次真j f 的单波长1 0 0 g b p s 光传输演示【q 】。本次试验第一次 真正采用单波长的1 0 0 g b p s 传输，传输距离为8 0 公里。传输采用先进的前置纠错 ( e f e c ) 技术，实际线速率为1 1 2 g b p s ，真正1 0 0 g b p so t n f l a m e d 负载。 2 0 0 8 年1 2 月1 8 日，北电网络宣布在其渥太华研发中心成功展示了1 0 0 g b p s 单波长以太网传输l l 例。 2 0 0 9 年1 月，北电在加拿大展示了其1 0 0 g b e 传输技术【l i 】。通过采用北电的 创新1 0 0 g 自适应光纤引擎解决方案，北电能够用与1 0 0 g b p s 波长相容的单一光传 输单元o t u 4 ，以1 1 2 g b p s 的速度，在8 0 0 公里长的光纤上实现无误差信号传送。 2 0 0 9 年2 月，口测试仪表厂商i x i a 公司推出了首个1 0 0 g b e 开发加速系统 ( d a s ) 1 1 引。i x i a 的d a s 是世界上首个推向市场的1 0 0 g b e 测试系统。l x i a 的4 0 g 和1 0 0 g 测试产品包括了独特的1 0 0 g b e 物理编码子层( p c s ) ，带有多通道分布 ( m l d ) 架构，符合2 0 0 8 年1 2 月i e e e8 0 2 3 b a 任务组的最新规范。 2 0 0 9 年，爱立信与德国电信成功完成欧洲1 0 0 g 联合研发项目的现场测试f i 引， 此项演示采用了一个拥有5 0 g h z 信道间隔的1 0 g 4 0 g 混合传输链路，而且用偏振 复用的r z d q p s k 信号和一个基于6 0 0 k m 标准s m f 的快速偏振追踪器，取得了 1 1 2 g b p s 的传输速率。该链路包括多个r o a d m 和不均匀分布的放大器。由于链 路根据距离进行了优化，可实现1 2 0 0 公里的光通道长度，并在实验室环境下进行 了演示。 1 2 2国内研究状况 华为积极参与1 0 0 g 传输相关议题的讨论，全面阐述了华为关于1 0 0 g 传输的 解决方案。在涉及1 0 0 g 传输技术的以太网、光电接口、o t n d w d m 等方面提交 了多篇文稿，目前已有2 5 篇以上被接受。 2 0 0 8 年1 0 月，华为开发出了1 0 0 g b e 样机与1 0 0 gd w d m 样机，其中1 0 0 g 波分复用样机采用先进的调制编码接收技术，适合长距离传输，可实现长达2 0 0 0 公里的无电中继传输。华为1 0 0 g 波分技术可应用在华为长途波分和w d m o t n 平台上，支持1 0 g 4 0 g 1 0 0 g 的平滑演进。继1 0 0 g 技术的研制成功后，华为再次 研制成功1 0 0 g b e 技术样机，标志着华为已成为业界可提供o t n a v d m 大容量端 电子科技大学硕士学位论文 到端i p 传送解决方案的领先供应商。 1 2 3应用前景 让我们在关注高速度的同时，也更加仔细的来看看有可能最早使用下一代网 络的领域。早期高速网络的部署将覆盖高带宽交换机、路由器和聚合互连点，且 主要应用在以下几个方耐2 j ： 城域、广域、核心及接入设备网络的服务提供商； 互联网内容提供商； 特定企业网络的数据中心和存储服务器之间的交互连接； 医疗和科研网络中的高性能计算互连。 虽然1 0 0 g b e 已经在实验室中成功部署，但是1 0 0 g b e 离商用需要继续努力， 首先一点就是成本还需降低，在1 0 7 g b p s 光通信系统的发射机和接收机中，电处 理部分的带宽需求大约1 5 g h z 。而在集成电路中最经济的数模模数转换模块频带 不到1 0 g h z ，也就是说实现1 0 0 g b p s 光系统在电处理部分的成本还有待降低。 所以就目前的成本和需求来看，1 0 0 g b e 的发展需求已经很明显，成本优势也 会不断加强，但是1 0 0 g b e 从调制方式到运营管理维护都需要不断的技术完善，真 正大规模的商用还需时日。 1 3主要研究内容 本文的对1 0 0 g b e 的研究主要包含以下几个部分： 第一章，引言，主要包括研究1 0 0 g b e 的原因和意义，国内外的研究状况， 1 0 0 g b e 的应用前景，最后为本论文的内容安排； 第二章，1 0 0 g b e 技术研究，在对以太网基础知识和发展历史介绍的基础上， 简单对比了1 0 0 g b e 与现有的以太网的差别； 第三章，1 0 0 g b e 物理层编解码研究，分为两个部分，前半部分，在分析8 b 1 0 b 编解码原理的基础上，对8 b 1 0 b 编解码编解码器进行设计和仿真；后半部分，着 重分析了6 4 b 6 6 b 的编解码原理，及其在1 0 0 g b e 应用中的改进，并对6 4 b 6 6 b 的编解码电路进行设计和仿真； 第四章，1 0 0 g b e 物理层传输系统设计，分为两大部分，首先是对1 0 0 g b e 物 理层数据接口设计，主要分析了c t b i 结构和p b l 结构的物理层数据传输；第二 部分，主要对1 0 0 g 串行和波分复用系统进行设计和可行性分析，并对分析结果进 第一章引言 行对比； 第五章，结束语，总结已完成的工作以及开展下一步工作的设想。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 1 1 第二章1 0 0 g b e 技术概述 以太网的基础知识和发展历史 以太网的基础知识 以太网最初是指2 0 世纪7 0 年代由施乐公司、i n t e l 公司和d e c 公司( 共同称 为d ) 联合开发的满足一套标准规范的计算机局域网( 技术) ，后来发展成为接 入网、城域网和广域网( 技术) 【l4 1 。以太网的帧格式特别适合传输i p 数据包，随 着i n t e m e t 的快速发展，推动以太网被广泛使用【l 副。 以太网发展到今天，由于技术不断更新，仍旧生机勃勃，成为当今最有生气、 最活跃的网络技术，是因为以太网有很多技术特性和优点【1 5 】：有总线型和星型拓 扑结构：以太网支持同轴电缆、双绞线和光纤等传输介质；有多种规范，支持多 种传输速率；以太网的帧的长度是可变的，为6 4 - - 1 5 1 8 个字节；技术先进、成熟， 价格低廉，易扩展、维护和管理；充分的网络灵活性，可以实现不同工作模式、 不同工作速率和不同传输介质之间的转换；简单的连接方式及快速装配；发展迅 速并提供了持续的兼容性；不断扩充的联网应用；实现局域网与城域网、广域网 的无缝连接等。 历史上以太网帧格式有四种：e t h e r n e tv 2 ，n o v e l le t h e m e t ，i e e e8 0 2 3 8 0 2 2 和e t h e r n e ts n a p 。如图2 1 是以太网帧格式的基本构成【m 】 1 5 1 。 6624 6 1 5 0 0 4 图2 - 1 以太网帧格式的基本构成 在基本的帧格式中，目的m a c 地址和源m a c 地址字段均为6 个字节；长度 字段为2 个字节；数据字段，数据长度范围为4 6 1 5 0 0 个字节；f c s ( f r a m ec h e c k s e q u e n c e ) ，帧校验序列，4 个字节。 介质访问控制是控制网上每个节点将其要传输的信息接入到网上传输介质的 方法【1 6 1 。介质访问控制方法和通信工作模式密不可分，即在半双工通信和全双工 通信中使用不同的介质访问控制法。在i e e e8 0 2 3 标准中规范的c s m a c d 以太 第二章1 0 0 g 以太网技术研究 网介质接入控制方法是在半双工通信工作模式下采用的介质访问控制方法，因为 在半双工通信过程中，众多节点共享同一网络介质，每个节点不能同时收发信息， 即每段时间内只允许执行接收或发送信息的单一功能的通信模式。对共享传输介 质的网络，都要有某种规则去控制每个节点发送信息的时机，以免不同的节点发 送信息之间发生碰撞。在以太网半双工通信模式中，介质访问控制方法是按i e e e 8 0 2 3 与i s o i e c8 8 0 2 3 标准规范采用的带碰撞检测的载波侦听多路访问标准协 议，简称为c s m a c d 标准协议进行的。全双工通信工作模式中不再需要在半双 工通信工作模式中使用的c s m a c d 介质接入控制协议来控制每个节点帧信息的 收发。因为，在全双工通信工作模式中，节点之间存在独立的发送和接收信道的 点对点链路，从而可在节点之间同时收发交换信息，不存在共享介质的竞争和发 送帧信息发生碰撞等问题。发送数据帧间可仅有最小帧间隔，而不需要添加其他 功能的码组。全双工通信模式比半双工通信工作模式吞吐量增加一倍以上，而且 由于无竞争与碰撞发生，提高了工作效率。此外，也不需要复杂的补偿等待时间 的计算。在全双工通信模式中，并不是再没有信息接入网络介质的限制，而是通 过流量控制机制实现介质接入控制的i l 酗。 2 1 2以太网的发展历程 1 9 7 3 年5 月2 2 日，世界上第一个个人计算机局域网络a l t oa l o h a 开 始运转，m e t c a l f e 博士同时将该网络改名为以太网，传输速率为2 9 4 m b p s ； 1 9 8 0 年9 月3 0 日，d e c 、i n t e l 和x e r o x 公布了d i x1 0 规范，工作速率为 1 0 m b p s ； 1 9 8 2 年1 1 月，d e c 、i n t e l 和x e r o x 公布了d i x2 0 规范，做了略微修改，增 加了网络管理能力； 1 9 8 2 年1 2 月1 9 日，1 9 个公司宣布了i e e e8 0 2 3 草稿标准： 1 9 8 3 年6 月，i e e e 标准委员会通过了第一个8 0 2 3 标准。这个标准与d i x 以 太网标准相比，除了在一些不太重要的方面有所差别外，基本上使用的是相同的 技术； 1 9 8 5 年，8 0 2 3 任务组出版了官方标准a n s i i e e es t d8 0 2 3 ，1 9 8 5 局域网标准： 1 9 8 6 年，i e e e8 0 2 3 任务组发布1 0 b a s e 2 “细缆”以太网标准； 1 9 9 0 年，为了提高网络带宽和改善媒体效率，推出交换以太网技术； 1 9 9 1 年，i e e e8 0 2 3 任务组发布1 0 b a s e t “无屏蔽双绞线( u t p ) ”以太网标准； 电子科技大学硕士学位论文 1 9 9 3 年，k m p a n a 创造了一项突破全双工以太网，推出全双工以太网技术： 1 9 9 5 年，i e e e 通过8 0 2 3 uf e ( 1 0 0 m b p s 的以太网) 标准； 1 9 9 8 年，i e e e 通过8 0 2 3 z1 g b e ( 1 0 0 0 m b p s 的以太网) 标准( 基于光纤和对 称屏蔽铜缆) ； 1 9 9 9 年，i e e e 通过8 0 2 3 a b1 g b e 标准( 基于五类线) ； 2 0 0 2 年，i e e e 通过8 0 2 3 a e1 0 g b e 标准； 2 0 0 4 年2 月，通过i e e e8 0 2 3 a k ：1 0 g b a s e - c x 4 标准； 2 0 0 6 年6 月，i e e e8 0 2 3 a n ：1 0 g b a s e - t 标准获得批准； 2 0 0 6 年7 月，i e e e 成立了高速研究小组( h s s g ) ，旨在研究三到七年中对于提 升以太网速度的需求： 2 0 0 6 年1 1 月，i e e e8 0 2 3 全体成员以及h s s g 在达拉斯投票支持将10 0 g b p s 作为下一代以太网的速度标准，并且很多目标得到会员们的普遍认同； 2 0 0 7 年6 月，i e e e 专门针对1 0 0 g b e 标准探索而设立的研究组织h s s g 内部 出现了分歧，因其支持4 0 g 作为下一代以太网标准的呼声又起，1 0 0 g 标准的制定 工作可能会暂时停顿下来，h s s g 小组也将面临解散的危机； 2 0 0 7 年7 月，i e e e 8 0 2 3 通过决议成立新的项目组来发展高速以太网使其速率 达到4 0 g b s 和10 0 g b s i 2 0 0 7 年1 2 月，在任务目标和项目授权申请被批准后，h s s g 正式转变为i e e e 8 0 2 3 b a 任务组，其任务是制订在光纤和铜缆上实现1 0 0g b p s 和4 0g b p s 数据速率 的标准； 2 0 0 8 年1 1 月，推出技术草案p 8 0 2 3 b a d 1 0 1 2 0 0 8 年1 2 月2 6 日，颁布i e e es t d8 0 2 3 t m 2 0 0 8 标准，其中包括了截止日前 对i e e es t d8 0 2 3 所作的大部分修正和增加的内容，用此标准取代了以前各个独立 的文档： 2 0 0 9 年3 月，颁布i e e es t dp 8 0 2 3 b a d 2 0 ，在修正i e e es t d8 0 2 3 删一2 0 0 8 的 基础上，对4 0 g b e 和1 0 0 g b e 的帧格式等作了介绍； 2 0 1 0 , - - 2 0 1 1 年，预计发布1 0 0 g b e 和4 0 g b e 标准。 第二章1 0 0 g 以太网技术研究 2 2 2 2 1 i o o g b e 与现有以太弼的比较 i o o g b e 的体系结构 由于1 0 0 g b e 技术是在1 0 1 0 0 1 0 0 m 、1 g 和1 0 g 等速率以太网技术发展起来 的，所以很多特性都是相同的，比如都使用8 0 2 3 规范所定义的以太网介质访问控 制协议，相同的帧格式，以及最小、最大帧长度，但是为了适应更高的数据传输 速率，1 0 0 g b e 也做了很多改进和提高，比如只支持全双工运行模式，不支持半双 工运行模式和c s m a c d 介质访问控制协议；优选光纤作为传输介质；要求在 m a c p l s ( 物理信令子层，p h y s i c a ls i g n a l i n gs u b l a y e r ) 业务接口上要小于或者等 于1 0 e 1 2 的误码率【1 7 1 。 网络层及其以上协议 链路控带u j _ f 层l l c m a c 控制子层 访彝q 控锘巧子层m a c 协凋予层r s f 一一一一一一一一一一一一 l o g 延_ 4 0 # q 根x g x s 卜一 1o g 延f 申子层x g x s ，- 一一一一一一一一一一。 物理编码子层p c s 广域网接口子层w i s l ( 一一一一一一一一一一 物理t t - ) - 贡接入子p m a 物王单介质相关子f 丢- p m d x g m i i s b i 图2 - 21 0 g b e 的体系结构示意图【1 s 】 根据以太网的发展历程，以及i o m b e ，快速以太网，千兆以太网和力兆以太 网的体系结构的变化，尤其是1 0 g b e 的体系结构，如图2 - 2 所示，以及i e e e8 0 2 3 b a 中1 0 0 g b e 的协议规范，即1 0 0 g b p s 将有l o 米铜缆链路、1 0 0 米多模光纤链路和 电子科技大学硕士学位论文 1 0 千米、4 0 千米单模光纤链路标准，提出传统意义上的1 0 0 g b e 的参考体系结构， 如图2 3 所示，其中包含光纤和铜线两类标准的参考体系结构。 i u 惭h a 5 c - s k l o l k 4 h 既t 1 4i u 廿a 辨l k l u 光纤介质铜缆介质 图2 31 0 0 g b e 参考体系结构与o s i 参考模型的对应关裂1 9 】 根据i e e e8 0 2 。3 b a 任务组( 原h s s g ) 的参考建议，1 0 0 g b e 需要支持光纤、 铜缆以及波分复用( w d m ) 的多通道物理层 2 0 】，比如，1 0 0 g 的物理层实现有可 能是1 0 * 1 0 g ，即在l o 个通道上( 1 0 个波长) 分别传输1 0 g b p s 的数据，或者4 2 5 g 、 i * 1 0 0 g 等，同时也需要一种模块将这些物理层通道有效的绑定到一起，以实现用 多个低速通道来实现高速链路传输的目的。8 0 2 3 b a 任务组已经提出了三种通道绑 定技术的建议方法：a g g r e g a t i o n ( a tt h e ) p h y s i c a ll a y e r ( a p l ) 、1 0 0 gt e nb i ti n t e r f a c e ( c t b i ) 和p h y s i c a lb u n d l i n gl a y e r ( p b l ) 。 i e e e8 0 2 3 b a 任务组在对以太网结构研究讨论的基础上，给出了自己的 1 0 0 g b e 结构参考模型，这种参考模型可以适应多种物理层的需要，同时，为了达 到在多个低速通道中传输高速数据流的目的，并降低1 0 0 g b e 实现难度，参考模型 中都引入了一种模块，这个模块可以将物理层的通道有效的绑定到一起，即通道 绑定技术，i e e e8 0 2 3 b a 任务组提出了三种通道绑定技术的建议方法，a p l 、p b l 和c t b i 三种体系结构。相同的是，在发送端，他们实现将高速数据流变成多通道 的低速的数据流传输；在接收端，实现接收多通道的低速的数据流，并且将他们 有效重组。不同的是，这些操作在哪里执行，还有这些操作是怎么执行的。下面 第二章1 0 0 g 以太网技术研究 将给出三种通道绑定技术的体系结构，并对比他们之间的差异2 1 1 。 高速效据流 眦 p c $ c t b i 高速数据漉 m a c p b l p ( 葛p c s p c s p m ap m ap m a p m dp m d聊订d 高速数据流 m a c a p l p c ! s p c sp c s p m ap m 慷h “a p 加p m dp m d c t b l吼apl 图2 - 4h s s g 建议的通道绑定技术l z u 基于h s s g 的建议，i e e e 达成的普遍共识，以及要尽可能多的运用传统以太 网的技术及结构，提出三种建议的1 0 0 g b e 的体系结构，如图2 4 示。三者体系结 构的相同点是：物理层主要由p c s 子层、p m a 子层和p m d 子层组成，而三者的 差异主要表现在实现通道绑定的位置和方法。 1 ) 通道绑定位置 在c t b i 结构中，只有一个p c s 子层，且c t b i 在p c s 子层之下，m a c 实体 和p c s 子层的速率都是1 0 0 g b p s ； 而在a p l 和p b l 结构中，有一个m a c 实体，且a p l 和p b l 都在p c s 子层 之上，其下有多个p c s 子层和多个p m d 子层。 2 1 通道绑定实现方法 在c t b i 结构中，数据是以8 字节，即6 4 比特为单位进行数据处理的，基于 虚通道和反向复用技术。其区别于其他两种结构的最大的特点是，在此结构中只 有一个p c s 子层，但是能够支持现在和将来所有的p m d 类型，从串行p m d 结构 到并行p m d 结构，比如可以支持多种电通道的数目：1 0 、4 、2 、1 ，多种光通道 的数目：1 0 、5 、4 、2 、1 。c t b i 结构中也采用l o g b e 中的成熟的6 4 b 6 6 b 的编 解码技术，在需要的时候，还可以利用1 0 g b e 中的f e c 技术，处理数据的开销比 较小，光或电模块的设计比较灵活，可以利用现有的f p g a 技术，很好的支持多 种的物理层介质和多种速率。而在4 幸2 5 gs m f 中，需要c m o s 芯片工艺的发展， 电子科技大学硕士学位论文 但不需要开发新的c m o s 技术。此外，在易用性，大小，功率等方面的优势也比 较明显。 在a p l 结构中，数据是以帧的格式传输的。数据帧被封装在可变长度的片段 里面，标记并分发到各个物理通道中传输，但是，由于帧长度的不确定性，下层 数据处理的开销会增大，同时增加接收端重组的复杂性和错误控制的难度；采用 i o g b e 中的成熟的6 4 b 6 6 b 的编解码技术，或者利用其他的1 0 g 物理层中的关键 技术，比较适合4 2 5 g 的s m f 和l * 4 0 g 的s m f ，但是这样有可能要用到新的超 大规模集成电路技术。 p b l 结构和a p l 结构在结构上相差不大，其实现难度和a p l 差不多，同样需 要新的超大规模集成电路技术；和a p l 不同的是，p b l 对数据的处理是按固定的 大小即6 4 比特为单位进行数据处理的，以方便利用1 0 g b e 中的成熟的6 4 b 6 6 b 的编解码技术，数据处理的开销小，接收端设计相对简单；其在实现上尽可能多 的利用1 0 g b e 物理层技术【2 。 图2 3 为1 0 0 g b e 传统方式的体系结构，图2 - 4 为8 0 2 3 b a 任务组提出的基于 通道绑定技术的1 0 0 g b e 的体系结构，无论是那种结构，一方面为了使用现有以太 网的成熟的技术，简化某些以太网技术，同时兼容现存以太网技术，继承了现有 以太网的技术物理结构，另一方面，为适应速率的提高和高速光模块的需要，在 新的体系结构中增加了新的内容。在继承现有以太网技术方面，1 0 0 g b e 都统一的 使用了调和子层( r s ，r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r ) 、物理编码子层( p c s ，p h y s i c a lc o d i n g s u b l a y e r ) 、物理介质附加( p m a ，p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 子层、物理介质 相关( p m d ，p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层和介质相关接口( m d i ，m e d i u m d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ，为了提高信道的传输性能，满足更高的信噪比要求，可以选 择加入前向纠错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 子层；增加的新内容表现在， 在传统方式的以太网体系结构中，r s 子层和p c s 子层之间用6 4 比特并行的 1 0 0 g b e 介质无关接口( c g m i i ，1 0 0 g b em e d i u mi n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 取代了 1 0 g b e 中3 2 比特并行的1 0 g b e 介质无关接口( x g m i i ，1 0 g b em e d i u mi n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 接口；为了延长c g m i i 接口信号的传输驱动距离，可以使用1 0 0 g b e 接 入单元接口( c a u i ，1 0 0 g b ea t t a c h m e n tu n i ti m e r f a c e ) 互连两个1 0 0 g b e 介质无 关接入接1 2 延伸子层( c g x s ，c g m i ie x t e n d e rs u b l a y e r ) ；用c t b i 接口作为p c s 子层和p m a 子层的连接，取代了在1 0 g b e 串行传输方式下的1 0 g b e 十六比特接 口( x s b i ，1 0 g b es i x t e e nb i ti n t e r f a c e ) 接口；对p c s 子层的编解码方法也进行了 相应的改进。 第二章1 0 0 g 以太网技术研究 2 2 21 0 0 g b e 的主要接口 随着以太网速率的提高，以太网的接口也在发生变化，如图2 5 所示，其中 在图中反映出来的比较明显的变化是连接m a c 层与物理层接口的变化，这个接口 经历经历了由慢到快，由串行到并行的过程：在1 0 m b e 中，连接物理信令子层p l s 和物理层其他子层的接口是接入单元接口a u i ，并且a u i 接口上的数据传输是串 行传输的；发展到快速以太网( f e ，f a s te t h e r n e t ) 阶段，用4 比特并行为基础的 非归零编码的“介质无关接口”取代了串行为基础的曼彻斯特编码的a u i 接口：而 在i g b e 中，引入了8 比特并行的介质无关接口g m i i 取代了f e 中的4 比特并行 m i i 接口，它保留了部分m i i 接口信号，发送和接收通路的时钟从2 5 m h z 提高到 1 2 5 m h z ，以达到1 0 0 0 m b p s 的数据吞吐率；到现在大规模应用的1 0 g b e 中，为了 进一步传输速率，将r s 和物理层的接口采用了并行3 2 比特的1 0 g b e 介质无关接 口x g m i i 。实际上还有很多根据实际需要产生的新的接口，比如在1 0 g b e 中的连 接p c s 子层和p m a 子层的x s b i 接口，连接两个x g m i i 扩展子层x g x s 的x a u i 接口。 1 0 g t 秘 图2 - 5 现有的以太网r s 子层和物理层的接口【2 2 】 在1 0 0 g b e 中，为了适应速率的提高和传输要求，也对进口进行改进或者产生 了很多新的接口类型：c g m i i 、c a u i 和c t b i 接口等，下面就对他们进行简单介 电子科技大学硕士学位论文 绍。 根据以太网发展历史和接口演变情况，对比在1 0 g b e 的x g m i i 接口，可以定 义在1 0 0 g b e 中用到的介质无关接口c g m i i ，其接口是6 4