（通信与信息系统专业论文）以太网交换机中上行万兆扩展卡的设计与研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：万兆以太网技术是最前沿的网络技术之一。它不仅速度上比千兆位以太网 提高了1 0 倍，而且系统兼容性更强、升级更容易、性能更稳定、传输距离更长， 并且价格低廉。因此，其应用范围也更为广泛。万兆以太网技术的硬件实现要得 益于高速p c b 技术的发展和信号完整性理论的逐渐成熟。随着信号边沿的陡峭化 和传输速率的高速化，导致了信号在p c b 板上传输的完整性问题，所以需要设计 者对高速p c b 进行特殊设计，来提高信号质量。 本课题的研究目的在于：一方面，运用万兆以太网技术设计基于s f p + ( e n h a n c e d1 0g i g a b i ts m a l lf o r mf a c t o rp l u g g a b l em o d u l e ) 新一代光收发模块和万 兆高性能物理层芯片的上行万兆扩展卡，从而实现千兆交换机的万兆带宽扩展功 能，为上行汇聚层提供高速链路和长距离传输接口，使组网变得更加灵活、高效 和廉价。另一方面，根据信号完整性理论，确定关键网络和高速信号线的布局布 线与器件匹配方案，最大限度地保证板上高速信号的完整性。 本课题的内容主要包括以下几个方面： 1 、在研究万兆位以太网标准体系及其实用技术的基础上，对关键器件进行选 型，结合了性能、功耗、尺寸和价格等方面的实际要求。 2 、依据高速电路设计理论，利用c a d e n c e 软件的d e s i g ne n t r yh d l 工具设计 了上行万兆扩展卡的电路结构，对其中的关键电路，如：物理芯片和s f p + 的外围 电路、差分电平转换电路、电源转换电路、状态灯控制电路和金手指定义的原理 做了较为详细的分析。 3 、根据信号完整性理论，在c a d e n c e 软件的信号完整性设计平台s p e c c t r a q u e s t 上，使用i b i s ( i n p u t o u t p u tb u f f e ri n f o r m a t i ns p e c i f i c a t i o n ) 仿真模型对关键的高 速信号网络进行建模，通过仿真分析最终确定合适的布局布线方案，并在p c b 设 计平台a l l e g r op c bd e s i g n 完成电路板设计。 4 、对成品电路板进行了实测与分析。 测试结果表明，上行万兆扩展卡能在千兆交换机上稳定地工作，甚低的丢包 率和较好的高速信号波形证明研究达到了预定的设计目的。研究结论具有良好的 通用性，对今后的高频高速电路设计与仿真有一定的借鉴意义。 关键词：万兆以太网技术；信号完整性；上行万兆扩展卡；s f p + 分类号：t n 8 ；t n 4 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：1 0g i g a b i te t h e m e tt e c h n o l o g y ( 10g b et e c h n o l o g yf o rs h o r t ) i s o n eo ft h el a t e s tn e t w o r kt e c h n o l o g y s n o to n l yi tm a k e sb i t sr a t ei s10t i m e st h a n g i g a b i te t h e r n e tt e c h n o l o g y , b u ta l s oc a nm a k en e t w o r ks y s t e mm o r ec o m p a t i b l e ，i t s u p g r a d ee a s i e r , p e r f o r m a n c em o r es t a b l e ，t a n s m i s s i o nd i s t a n c el o n g e ra n dc o s tl o w e r t h a ng i g a b i te t h e m e tt e c h n o l o g y , s oi th a sb e e na p p l i c a t e dw i d e l y t h er e a l i z a t i o no f 10g i g b i te t h e r n e tt e c h n o l o g yi nh a r d w a r eb e n e f i t sf r o mp r o g r e s so fh i g h s p e e dp c b t e c h n o l o g ya n dm a t u r i t yo fs i g n a li n t e g r i t yt h e o r y w i t ht h es i g n a le d g eb e c o m i n g s t e e p e ra n db i t sr a t eb e c o m i n gf a s t e r , s i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m sc a i ln o tb ei g n o r e da n y l o n g e r s oi t i sn e e d e df o rh i g h s p e e dp c bd e s i g n e rt oc a r r yo u ts p e c i a lw a y st o i m p r o v et h es i g n a lq u a l i t y t h ep u r p o s e so ft h i sr e s e a r c ht o p i c ：o nt h eo n eh a n d ，t h e10g b et e c h n o l o g yi s u s e dt od e s i g n10g i g a b i tu p l i n ke x t e n d e dc a r dw h i c hi sb a s e do ns f p + ( e n h a n c e d10 g i g a b i ts m a l lf o r mf a c t o rp l u g g a b l em o d u l e ) o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ea n dh i g h p e r f o r m a n c ep h y s i c a ll a y e rc h i p ，t h u s t h eb a n d w i d t ho fg i g a b i ts w i t c hc a nb e e x t e n d e dt o 10g b p s i tc a np r o v i d eh i g h - s p e e du p l i n kc h a n n e l sa n dl o n gd i s t a n c e t r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ef o ra g g r e g a t i o nl a y e r , a sw e l la sh a v i n gn e t w o r kb e c o m em o r e f l e x i b l e ，e f f i c e n ta n dc h e a p o nt h eo t h e rh a n d ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs i g n a li n t e g r i t y , s c h e m e so fi m p e d a n c e - m a t c h i n gf o ro n - b o a r dl a y o u ta r ed e t e r m i n e d ，t h e r e f o r et h e i n t e g r i t yo fh i g h s p e e ds i g n a l si si n s u r e d t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n g s ： f i r s t l y , t h r o u g hu n d e r s t a n d i n ga n da n a l z i n gt h e s t a n d a r do fg i g a b i te t h e m e t t e c h n o l o g ya n di t su t i l i t y , k e yd e v i c e sa n dc h i p sa r e s e l e c t e do nc o n s i d e r i n gt h e r e q u i r e m e n t so fi t sp e r f o r m a n c e ，p o w e r , s i z e ，a n dp r i c e s e c o n d l y , t h r o u g hu s i n gt h et h e o r yo fd e s i g n i n gh i g h s p e e dc i r c u i t ，c o n s i d e r i n gt h e a c t u a ln e e d s ，a n dm a k i n gf u l lu s eo fd e s i g ne n t r yh d lw h i c hi so n eo fc a d e n c e s o f t w a r ep a c k a g e s ，t h ec i r c u i t so f10g i g a b i tu p l i n ke x t e n d e dc a r dh a sb e e nd e s i g n e d ， a n di t sp r i n c i p l eh a sb e e ne l a b o r a t e di nd e t a i l t h i r d l y , o nt h es o r w a r ep l a t f o r mo fs p e c c t r a q u e s t ，i b i s ( i n p u t o u t p u tb u f f e r i n f o r m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) s i m u l a t i o nm o d e l sa r eu s e di no r d e rt om o d e lc r i t i c a lc i r c u i t s ， a p p r o p r i a t es c h e m e so fp l a c e m e n ta n dr o u t i n g a r em a d et h r o u g hs i m u l a t i n ga n d a n a l y z i n go ft h e m 北京交通大学硕士学位论文 f i n a l l y , t h ef u n c t i o no ft h ec a r da n dt h es i g n a lw a v e f o r m sa r et e s t e db ys m a r t d 诤t a lo s c i l l o s c o p e t h em s u l t so ft e s t i n gs h o w st h a t10g i g a b i tu p l i n ke x t e n d e dc a r dc a nw o r k s t e a d i l yo nt h ea i g a b i ts w i t c h ，f u r t h e r m o r eg r e a tl o wp a c k e t sl o s sr a t ea n dg o o ds i g n a l w a r e f o r m sh a v ep r o v e dt h a tt h er e s e a r c hh a sr e a c h e di t si n t e n d e dp u r p o s e 砀er e s u l t s o fs i m u l a t i o na n da n a l y s i sc o u l db eu s e da sar e f e r e n c ei nt h eh i g h - s p e e dc i r c u i td e s i g n i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：10 g b et e c h n o l o g y ；s i g n a li n t e g r i t y ；10 gu p l i n ke x t e n d e dc a r d ；s f p + c l a s s n o ：t n 8 ；t n 4 1 v 北京交通大学硕士学位论文 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 躲净7 耖期：2 中么月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 彦7 r 移 l 期：呵年月z 日 f 导师签名： 签字日期：办川年易月“日 l 致谢 本研究及学位论文是在我的导师周克生副教授的悉心指导下完成的。从课题 的选择到最终完成，周老师都始终给予了我细心的指导和不懈的支持。这两年， 周老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的 关怀，在此谨向周老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。周老师严谨的治学精神， 精益求精的工作作风，一直深深地感染和激励着我。 在我攻读硕士学位期间，电磁兼容室的每一位老师都给了我很多的关心和帮 助。我对电磁兼容领域知识的理解、领会和应用都离不开各位老师的引导和培养。 衷心感谢实验室的沙斐老师、闻映红老师、王国栋老师、王凤兰老师、陈嵩老师、 崔勇老师，各位老师平易近人、学识丰富、治学严谨，给我留下了深刻的印象， 在此我向帮助过我的各位老师表示崇高的敬意! 感谢王强师兄、单秦师兄、张晓燕师姐在专业知识的学习上给予我极大的帮 助。 在撰写论文期间，实验室的兄弟姐妹们给了我许多无微不至的关心和帮助，和 他们的融洽相处使我有了一个难忘的生活经历，在此向他们表达我的感激之情。 毕业设计期间我在中兴通讯公司北京研发所实习了较长一段时间，实习期间 我对论文涉及到的理论及实验有了进一步的理解，感谢中兴通讯公司提供的 c a d e n c e 软件平台和测试环境，对我设计的最终完成帮助很大。这里特别要感谢数 据开发部门的程鹏、罗平平、许华、陈生等工程师，他们以丰富的专业知识和多 年的工作经验，耐心指导我的学习和工作。论文的最后完成离不开他们的热心帮 助和建议。 一直以来父母及亲人都是我的坚强后盾，他们给予我人生的启迪，是我永远 的财富。在此由衷地感谢他们对我的关心和支持，祝愿他们平安、快乐、幸福! 感谢所有关心和支持我的人! 谢谢! 引言 1 引言 1 1 课题背景及意义 随着网络技术和通信技术的快速发展，尤其是i n t e r n e t 和多媒体技术的飞 速发展，使网络用户数量和网络数据流量迅速增加，原有网络的速率已难以满足 用户通信要求。从八十年代以来，局域网领域发生了翻天覆地的变化，经过激烈 的竞争，以太网以结构简单、管理方便、价格低廉、合适带宽等特点得到了广泛 的应用。以太网技术持续发展，传输速率从1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 提升到 了1 0 g b p s ，网络功能从共享以太网到全双工、交换以太网的进步，物理介质从粗 铜轴电缆、细铜轴电缆到双绞线、光纤的扩展，极大地满足了广大用户对各类应 用的需求【。 过去一二十年里，以太网主要运用在局域网，并且在此领域占有很大优势。 但是人们普遍地认为以太网技术不能用于城域网，特别是汇聚层及骨干层。因为 过去以太网( 1 0 m b p s 及1 0 0 m b p s 快速以太网时代) 用做城域网汇聚层或骨干层带 宽太低，传输距离太短。随着千兆位以太网标准的颁布，以太网技术逐步应用于 城域网汇聚层，或者将汇聚层设备连接到骨干层。但是在当前1 0 m b p s 以太网到用 户桌面的环境下，千兆位以太网链路用来汇聚也是勉强。虽然以太网链路聚合技 术已经通过标准化，可以将多个千兆位链路捆绑使用，但是考虑光纤资源及波长 资源，这种技术一般只用在p o p 点内或短距离应用环境。千兆位以太网链路的最 长传输距离为5 千米，这在城域范围内是远远不够的。 众所周知，以太网技术不适于城域网汇聚层和骨干层的主要原因是传输带宽 过低，传输距离过短。随着万兆位以太网标准i e e e8 0 2 3 a e 的颁布，这两个问题 有了解决的方法。此后，万兆以太网技术日趋成熟，并且研发费用已经大幅下降， 从而使汇聚带宽升级到万兆位成为组网趋势。前面提到千兆位以太网链路不足以 胜任汇聚，但是如果将万兆以太网技术应用在千兆交换机上，上行万兆、长距离 链路连接到骨干层，下行千兆、短距离链路完成接入网的汇聚和收敛功能，那么 千兆交换机就具备万兆带宽的扩展能力，上行万兆扩展子卡的设计正是基于这一 理念，为用户实现未来网络快速升级提供了万兆接入模块。该种扩展卡使用简单， 不需要更换管理引擎和复杂的配置，只要求千兆交换机上有万兆扩展槽，从而为 用户节省了升级费用【2 】【3 1 。过去需要将数个千兆端口捆绑聚合的复杂操作来进行汇 聚，现在只需要用一个万兆扩展卡就能实现汇聚链接，所以对以太网上行万兆扩 北京交通大学硕士学位论文 展卡的设计和研究具有十分重要的意义。 万兆光收发模块( 简称1 0 g 光模块) 和相应支持它的物理层芯片是上行万兆 扩展子卡的关键器件。迄今为止，共出现过六种万兆光收发模块【4 】：3 0 0 p i n 、x e n p a k 、 x p a k 、x 2 、x f p 和s f p + 。在尺寸、功耗、价格和性能等方面比较，s f p + 都要胜 过先前产品。物理层芯片也伴随着万兆光收发模块不断进步，从低速到高速、单 端口到多端口发展，功能得到了很大的提升，而价格却大幅下降。基于以上考虑， 万兆子卡可以在性能、功耗和成本上有所突破。 从某方面说，万兆以太网技术在硬件上的实现要得益于高速p c b 技术的发展 和信号完整性理论的逐渐成熟。随着信号边沿越来越陡峭、速率越来越高，信号 在普通p c b 板上传输将出现完整性问题【5 】，诸如延时、串扰、反射等等。高速电 路板的设计一直以来都是比较棘手的事情，虽然有了比较成熟的理论，但是要正 确灵活地运用于实际还是一道难题，设计能否成功的关键就在于信号完整性问题 是否得以解决。高速p c b 设计可以借助仿真工具建立高速数字信号传输的仿真模 型，然后根据模型对信号完整性问题进行一系列的预分析。根据仿真计算结果， 选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构。在布局布线设计完成之后，还需 进行综合仿真分析，以确认实际的设计是否符合预定的要求。如果分析方法正确， 通常p c b 不需要或只需要很少的重复修改设计就能够确定最终方案，从而缩短产 品开发周期，降低开发成本。所以，有必要对高速扩展子卡展开较为深入的仿真 分析。 1 2 国内外相关技术发展状况 1 万兆以太网技术 1 9 7 3 年，施乐公司的两位研究人员r o b e r t m e t c a l f e 和d a v i d b o g g s 为了连接实 验室的多个计算机设备，开发出来了以太网技术。自从1 9 8 2 年，由国外几家i t 公司制定的以太网协议被i e e e 采纳成为标准以后，经过了二十多年的风雨历程， 最终战胜了令牌总线、令牌环、a t m 等技术，成为了局域网中的主导网络技术。 在此期间，以太网技术出现了十兆以太网( i e e e8 0 2 3 标准) 、百兆快速以太网 ( i e e e8 0 2 3 u 标准) 、千兆以太网( i e e e8 0 2 3 z 标准和i e e e8 0 2 3 a b 标准) 【6 】。 以太网技术，一个曾经在很长的一段时间内被人们不怎么看好的组网技术， 其主要的原因是当时以太网技术仅仅胜任于局域网领域，1 0 m 和1 0 0 m 的带宽、 过短的传输距离使其在城域网领域无所作为。f d d i ( 光纤分布式数据接口) 和 d q d b ( 分布式队列双总线) 被认为是最有前途的城域网技术。随后的几年里a t m ( 异步传输模式) 技术成为热点，工程师们甚至把它视为统一局域网、城域网和 2 引言 广域网唯一技术。由于多方面的原因，当时在国内只有a t m 技术成为城域网汇聚 层和核心层的备选方案。 2 0 0 2 年中旬，随着i e e e8 0 2 3 a e1 0 g e 标型7 】的正式发布，标志着以太网技术 已进入万兆时代。万兆以太网技术具有高带宽、长距离传输等优点，近年来，万 兆以太网技术已经向城域网领域迈进了一大步。 万兆以太网目前存在4 种接口标准：1 0 g b a s e x ，1 0 g b a s e r ，1 0 g b a s e - w 和 1 0 g b a s e - t ，每种标准又分为几个小类，分别在编解码方式、光纤类型和传输距离 等有相关的规定。1 0 g b a s e r w 标准是目前应用的主流，它们都支持三种波长的 光纤：8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m ，传输距离最长可达4 0 k m 。万兆接口标准定义 以后，市面上立即出现了各种类型的1 0 g 光收发模块，可以说每一代产品的出现 都是前一代产品的更新。如表1 1 所示，列出了迄今为止六种光模块的特点。 表1 - 1 六种1 0 g 光收发模块的比较 t a b l e1 - 1t h ec o m p a r i s o no fs i xk i n d so f10 go p t i c a lt r a n c e i v e rm o d u l e s 3 0 0 p i n 不定3 0 0 p i n较少很大 m s a x e n p a k 1 2 0 x 3 6 x1 7 7 0 p i n 8 1 64 - 6 w x p a k 8 5 x 4 0 x 1 0 x 21 0 0 x 3 6 x1 2 x f p7 8 x1 8 x1 0 3 0 p i n 3 01 5 - 3 5 w 属于第一代模块，主要 应用于s d h ，把电接口改成 1 0 g 以太网1 6 位接口 ( x s b i ) 后也可应用于1 0 g 以太网。 x e n p a k 是针对l o g 以 太网推出的第一代光模块， 整个p h y 的功能都做在了 模块里，因此x e n p a k 光模 块体积较大。x p a k 和x 2 是 x e n p a k 光模块的直接改进 版，体积缩小了4 0 左右， 其内部功能模块与x e n p a k 基本相同，在电路板上的应 用也相同。 x f p 的出现主要得益 于p c b 布线技术的发展， 这样就可以把p h y 功能从 光模块中分离出来，它的优 点是体积小，功耗低，而且 p h y 和x f p 分离也有利于 降低成本。 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 六种l o g 光收发模块的比较( 续) t a b l e1 - lt h ec o m p a r i s o no fs i xk i n d so f10 go p t i c a lt r a n c e i v e rm o d u l e s ( c o n t i n u e d ) 第一款支持s f p + 光收发模块的p h y 芯片由q u a k e 技术公司( 已经被a m c c 公司收购) 在2 0 0 6 年7 月推出，型号为q t 2 0 3 5 s ，该芯片的推出标志着s f p + 技 术开始实用，据该公司负责人称该接口将有效的降低千兆以太网的设计成本。随 后2 0 0 6 年底b r o a d c o m 公司推出其支持s f p + 的p h y 芯片b c m 8 7 0 6 ，该芯片是业 界第一款全部基于d s p 技术的1 0 g 以太网串行收发器。目前a e l u r o s 、a m c c 、 b r o a d c o m 等公司都推出了支持s f p + 接口的1 0 gp h y 芯片，同时这些芯片还支持 x f p 接e l 。目前a m c c 公司的q t 2 2 3 5 8 】和b r o a d c o m 公司的b c m 8 7 2 6 9 l 能够同时 支持两个s f p + 接口，其成本和x f p 相比具有较大的优势。以上提到的万兆产品上 的关键器件，市面上是以国外的居多，它们往往以稳定的性能、可靠的技术支持 和较低的价格赢得通讯设备商的青睐。国内也有相关芯片的问世，但是在竞争中 还是略占劣势。但是值得庆幸的是自从2 0 0 2 年起，在国内交换机或相关产品市场， 不再是c i s c o 公司独自称雄，国内几大通讯网络设备公司( 如：华为、中兴、锐 捷和烽火等) 的势力全面提升，市场份额大大增加，并且逐步进入了国际市场， 成绩显著。 2 高速p c b 技术和信号完整性分析 随着电子技术的发展，电子产品的功能、结构变得很复杂，速率变得更快， 信号边沿越陡，元件布局、互连布线都不能像以往那样随便。最原始的单面板或 双面板不足以胜任高频电路设计。人们开始在双面电路板的基础上发展夹层，其 实就是在双面板的上面叠加上一块单面板，这就是多层电路板。这样一来，夹层 可以用做较为完整的地层和电源层，也可以用来走高速信号线，不仅能大大降低 电路板的对外辐射量，而且也能减小布线密度，提高信号完整性。多层板不断地 向高精度、高密度和高可靠性发展，并且不断缩小体积、减少成本、提高性能， 使得其应用更加广泛。 高质量印制电路板能给高速电路设计提供好的载体，但是随着芯片体积越来 越小、引脚数目越来越多导致电路板的布局布线异常复杂，这使得利用信号完整 性理论来进行布线布局，减小反射、振铃、串扰和地弹等问题，两者的结合才能 4 引言 真正保证信号的传输质量。国外对这些问题的研究较早，在理论建立、工程实践 和e d a 软件方面都有建树。但在我国，与i c 设计相比，这些方面还是一个薄弱 的环节。近年来，国内对信号完整性理论与实践研究逐渐呈现出了浓厚的兴趣， 并逐渐涌现出了一些以此为主要研究方向的高校实验室和企业，并取得了一些成 果【1 0 】【l l 】【1 2 】【13 1 。 高速数字信号完整性分析的前提是仿真模型的建立，但要对信号完整性的综 合分析还必须有一个有效的一体化设计仿真平台。目前国外已经有多种相关的仿 真软件，如：c a d e n c e 系列软件、m e n t o r 软件、a n s o t t 系列软件、a n s y s 软件、s e r e n a d e 软件和a p s i m 等，它们均是通过建立相关模型，采用不同的分析方法，从不同角 度对高速信号完整性问题的某些方面进行具体分析。本文选择c a d e n c e 软件作为 一体化的仿真平台。 1 3 本文主要研究内容和结构 基于以上分析，本文的主要研究内容如下： 1 依据万兆以太网技术标准，结合千兆交换机的设计要求，完成上行万兆子 卡结构定型、电路原理图设计与高速p c b 板设计。其中电路原理设计包括：芯片 选型、电源转换电路、差分电平转换、物理层芯片外围电路搭建、状态灯控制和 金手指连接器定义等部分。 2 在c a d e n c e 软件平台上，利用i b i s 仿真模型，分析万兆高速扩展卡中关键 网络的信号完整性。理论分析与仿真结果为确定p c b 叠层相关参数、阻抗控制、 指导关键网络的布局布线、以及器件的端接等提供结论，这些结论将形成电气约 束规则，从而简化和帮助下一步布局布线。c a d e n c e 软件先进的仿真分析工具能在 布局布线之前对反射、振铃、串扰、电源结构和电磁兼容等问题展开分析，有利 于提高信号质量，减小电磁辐射，从而得出合理布局布线设计。 3 完成上行万兆扩展卡的成品，测量其关键信号的波形质量，对其性能( 如 丢包率) 进行测试，分析是否满足设计要求。 北京交通大学硕士学位论文 2 万兆以太网技术简介 2 1 万兆以太网的体系结构 以太网( e t h e r n e t ) 其实是在i e e e8 0 2 3 协议标准之下，不同的厂家按照这个 标准生产出同种电气结构、数据通信结构的产品，并用这些产品组建起来的网络 总称，它是互联网( i n t e m e t ) 在特定通信标准下的一种组网类型【1 4 】。 万兆以太网( 简称1 0 g b e ) 体系结构包括数据链路层和物理层。其中数据链 路层包括m a c 子层和r s 子层( 协调子层) ；物理层根据应用的范围不同分为l p h y ( 局域网物理层) 与w a np h y ( 广域网物理层) ，它们都包括p m d ( 与物理 介质相关) 子层、p m a ( 物理介质接入) 子层、p c s ( 物理编码) 子层、以及x g m i i ( 串行物理介质层接口) 、m d i ( 物理介质相关接口) 两个物理层接口，以上是与 以往以太网( 1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 和1 0 0 0 m b p s ) 技术物理层结构相同的部分。但是 为了适应速率的提高与高速光模块的配合，在p c s 和p m a 之间增加了x s b i ( 万 兆位1 6 比特接口) ，在m a c 层与p h y 层之间增加了x a u i ( 万兆位附属单元接 口) 和x g x s ( w i 的扩展器子层) 。此外，w a np h y 还增加了w l s ( 广域网 接口子层) 子层来支持其与s d h ( 同步数字体系) 设备之间的互连，这是为了进 入广域网的需要。 l怔鉴戮层i o s i 参考模型 l l c 层( u ，选) m a c 控制层( 可选) m a c 层 r s 子层 x g x s x g m x a u 8 b ，1 0 bp c s p m a p m d m d 介质 i i i x g m 广】。 i6 4 1 3 6 6 b p c s 卜1 l p m a 卜叫 l p m d i m d i 厂苘 10 g b a s e x10 g b a s e - r 、 、， l a n p h y 图2 11 0 g b ei e e e8 0 2 3 a e 标准物理层模型与o s i 参考模型的对应关系 f i g u r e2 1t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i po f1 0g b ei e e e8 0 2 3 a es t a n d a r dp h ym o d e la n do s i r e f e r e n c em o d e l 6 一一一惝一眦啪西一一 一一一一一一一一一一一一一 万兆以太网技术简介 1 0 g b ei e e e8 0 2 3 a e 标准物理层模型与o s i 参考模型的对应关系如图2 1 所 示，l o g b e 主要有两种编码方式：8 b 1 0 b 和6 4 b 6 6 b 编码；激光器调制方式有直 接调制方式和外部调制方式；万兆位光以太网支持的物理层类型为1 0 g b a s e x 、 1 0 g b a s e r 及1 0 g b a s e w 等。1 0 g b a s e x 包含1 0 g b a s e l x 4 ，它是基于8 b 1 0 b 编 码的；10 g b a s e r 包含10 g b a s e - s r 、10 g b a s e l r 和10 g b a s e - e r ，它是基于6 4 b 6 6 b 编码；1 0 g b a s e w 包含1 0 g b a s e s w 、1 0 g b a s e l w 和1 0 g b a s e e w ，它是基于 6 4 b 6 6 b 编码，但封装形式为a n s it 1 4 1 6 1 9 9 9 标准所定义的s t s 1 9 2 c s d h v c 4 6 4 c 帧结构。1 0 g b a s e x 和1 0 g b a s e r 属于局域网物理层，1 0 g b a s e - w 属于广 域网物理层。介质采用8 5 0 n m 、1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 的单模光纤( s m f ) 和多模光 纤( m m f ) 。1 0 g b a s e s r s w 传输距离按照波长的不同从2 - - 一3 0 0 m ，1 0 g b a s e l r l w 传输距离为2 m - 一1 0 k m ，1 0 g b a s e e r e w 传输距离为2 m , - - 4 0 k m t l 5 】【1 6 】【1 7 1 。 万兆位以太网物理层规范的表达方式为：1 0 g b a s e - abc ，其中，第一个字母 “a 为s 、l 和e 时，分别表示工作波长是短波长( 8 5 0 n m ) 、长波长( 1 3 1 0 n m ) 和超长波长( 1 5 5 0 n m ) ；第二个字母“b 为x 、r 和w ，分别表示8 b 1 0 b 、6 4 b 6 6 b 和6 4 b 6 6 b + s t s 1 9 2 封装的物理层编码方案，b = x 和b = r 都表示l a n 类型的物 理层规范，b = w 则表示w a n 类型的物理层规范；第三个字母“c ”为l 和n 时， 分别表示单波长和n 个波长的复用方案，在一般情况下n - - 4 。 2 2 万兆以太网的技术特点 万兆位以太网的技术特点表现在以下几点【l 】： 1 、全双工的工作模式。 万兆位以太网只支持全双工模式，不支持单工模式，而以往的各种以太网标 准均支持单工或双工模式。 2 、不支持c s m a c d 协议( 带冲突检测的载波侦听多址访问协议) 。这种技 术属于较慢的单工以太网技术。 3 、物理层特点 1 0 g b p s 局域以太网物理层的特点是，支持8 0 2 3m a c 全双工工作方式，允许 以太网复用设备同时携带1 0 路1 g 信号，帧格式与以太网的帧格式一致，工作速 率为1 0 g b p s 。1 0 g b p s 局域网可用最小的代价升级现有的局域网，并与 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 兼容，使局域网的网络范围最大达到4 0 k m 。 1 0 g 广域网物理层的特点是采用o c 1 9 2 c 帧格式在线路上传输，传输速率为 9 5 8 4 6 4 g b p s ，所以1 0 g 广域以太网m a c 层必须有速率匹配功能。当物理介质采 用单模光纤时，传输距离可达3 0 0 k m ，采用多模光纤时，可达4 0 k m 。1 0 g b p s 广域 7 北京交通大学硕士学位论文 网物理层还可选择多种编码方式。 4 、速率适配 在局域网与广域网的速率适配方面，1 0 g 局域以太网和广域以太网物理层的 速率不同，局域网的数据率为1 0 g b p s ，广域网的数据率为9 5 8 4 6 4 g b p s 。由于两 种速率的物理层共用一个m a c 层，而m a c 层的工作速率为1 0 g b p s ，所以必须采 取相应的调整策略，将x g m i i 接口的传输速率1 0 g b p s 降低，使之与物理层的传 输速率9 5 8 4 6 4 g b p s 相匹配，这是万兆以太网需要解决的问题。 5 、接口方式 万兆以太网在局域网、城域网、广域网不同的应用上提供了多样化的接口类 型，在届域网方面，针对数据中心或服务器群组的需要，可以提供多模光纤长达 3 0 0 m 的支持距离，或针对大楼与大楼间园区网的需要提供单模光纤长达1 0 k m 的 支持距离。在城域网方面，可以提供1 5 5 0 n m 波长单模光纤长达4 0 k m 的支持距离。 在广域网方面，更可以提供o c 一1 9 2 c 广域网p i t y ，支持长达7 0 1 0 0 k m 的连接。 6 、编码方式 万兆以太网使用6 4 b 6 6 b 和8 b 1 0 b 两种编码方式，而传统以太网只使用 8 b 1 0 b 编码方式。 7 、帧格式 在帧格式方面，由于万兆以太网是高速以太网，所以为了与以前的所有以太 网兼容，必须采用以太网的帧格式承载业务，为了达到l o g b p s 的高速率，并实现 与骨干网无缝连接，在线路上采用o c 1 9 2 c 帧格式传输。这样就需要在物理子层 实现从以太网帧到o c 1 9 2 c 帧的映射功能。同时，由于以太网在设计时是面向局 域网的，网络管理较弱，传输距离短并且对物理线路没有任何保护措施，所以当 以太网作为广域网进行长距离高速传输时，必然导致线路信号频率和相位较大的 抖动。而以太网的传输是异步的，在宿端实现同步比较困难。因此，如果以太网 帧在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。为此，对帧格式进行了修改， 添加长度域和h e c 域。 8 、捆绑互连 过去有时需要采用数个千兆位捆绑以满足交换机互连所需的高带宽，因而浪 费了更多的光纤资源，现在可以采用万兆位互连，甚至4 个万兆位捆绑互连，达 到4 0 g b p s 的带宽水平。这种技术也叫做链路聚合技术1 1 8 】，遵循i e e e8 0 2 3 a d 标准， 其实质是将两台设备间的数条物理链路“组合”成逻辑上的一条数据通道，称为 一条聚合链路，如图2 2 所示，交换机之间物理链路l i n k l 、l i n k 2 和l i n k 3 组成 一条聚合链路。该链路在逻辑上是一个整体，内部的组成和传输数据的细节对上 层服务是透明的。 万兆以太网技术简介 幽2 - 2 链路聚台示意图 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i c f i g u r e o f l i n k a g g r e g a t i o n 2 3 万兆以太网典型产品及应用 随着i o g b e 标准的问世，市场上出现了很多支持1 0 g b e 标准的产品。目前的 i o g b e 产品大致可以分为两大种类【1 口0 】【”i ：一种是i o g b e 接口模块( 如本文设计 的上行万兆扩展卡) ；另一种是1 0 g b e 交换机和路由器。 1 1 0 g b e 接口模块 目前，市场上大多数支持1 0 g b e 的产品是在千兆位交换机或路由器的基础上 增加1 0 g b e 接口模块。许多设备商为了尽快进入万兆市场，通过直接在千兆位设 备上增加这种扩展模块来实现网络升级，这种方式被证明是比较经济的网络解决 方案。随着p h y 芯片和1 0 g 光收发器件的不断进步，i o g b e 接口模块也不断地更 新，基于s f p + 光收发模块和高性能p h y 芯片的上行万兆扩展卡就是利用最新技 术成果，按照当前市场的需求而展开研制的。具体的应用如图2 _ 3 所示，1 0 g b e 接口模块是连接汇聚层设备与核心层设备的高速通道，可以长距离地将下一级数 据流汇聚到上一级。 骨十层 8 “塑毫 日络和业务管理 忙鼾层 霹 薤 滥 蛩0 燮竺! 一 盈u ，鬟鑫喜誊簇嚣喜主j 罗曩嚣 h2 - 3 咀a 刚 f a 行，1 f h 戊川l i 况 f i g u r e2 - 3 t t t ea p p l i c a t i o no f e t h e r n e t p r o d u c t s i na l l l a y e r s 21 0 g b e 交换机路由器 仅支持1 0 g b e 模块的千兆位变换机还不能被称为真正意义上的“1 0 g b e 交换 机”。真j 下为1 0 g b e 技术而重新设计体系结构的交换机路由器通常被生产厂商称 为“f 代”产品，现在市场上能够找到这类产品了，中辫公司的z x r l 0 t 6 4 g 、 z x r l 0 t 1 6 0 g 与华为公司的$ 6 0 0 0 、$ 8 0 0 0 系列交换机便是“1 0 g b e 交换机”。它 们具有更大的交换容量、更宽的背板带宽、更强的数据包转发能力和采用高速a s i c ( 专用集成电路) 芯片等特点，但是价格比较昂贵，配置较为复杂。1 0 g b e 设备 通常应甩在汇聚层以上的层次。如图2 3 所示的核心层所用的设备便可以采用万兆 位交换机组网。 2 4 本章小结 本章首先简单地介绍了以太网的概念，并与互联网概念相区别：其次，描述 了万兆以太网的体系结构：然后，就万兆位以太网的技术特点进行了阐述；晟后 例举了万兆位以太刚的典型产品井简单地描述了它们的应用范围。 上行万兆扩展卡的功能原理与电路设计 3 上行万兆扩展卡的功能原理与电路设计 3 1 上行万兆扩展卡的功能原理简介 基于1 0 g b e 物理层