（计算机应用技术专业论文）10g以太网与supanet融合技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文的研究背景是1 0 g 以太网技术以及四川省网络通信技术重点实 验室提出的下一代i n t e r a c t 体系结构“单物理层用户数据交换平台的体 系结构网络( s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e n e t w o r k ，s u p a n e t ) ”。 为了充分利用骨干网带宽，人们目前采用了密集波分复用( d e n s e w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 技术，但接入网的低带宽连接使 得网络中的瓶颈问题逐渐突出。1 0 g 以太网可以满足新的容量需求，解决了 低带宽接入、高带宽传输的瓶颈问题，扩大了应用范围，并与以前的所有以 太网兼容。而s u p a n e t 的最大优点就是以带外信令的思想和面向以太网物 理帧时槽交换( e t h e r n e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ，e p f t s ) ， 为用户提供便捷的、高性能的，且具有服务质量保证的服务。所以，实现 1 0 g 以太网和s u p a n e t 的融合能够使s u p a 的触角延伸到更远的地方，能 够将服务质量保证延伸到用户，真正为用户提供端到端的具有q o s 保证的 业务。 为实现l o g 以太网与s u p a n e t 的互联及互通，本文提出了 e p f o v e r - 1 0 g 的解决方案，并通过融合子层来实现1 0 g 以太网与s u p a n e t 的融合。依据以太网交换原理以及s u p a n e t 带外信令思想将融合方案定为 在用户平台上的融合子层来实现，并在信控平台内对建立删除连接的协议 进行改进。在建立虚连接的过程中，为了建立起虚线路标识与m a c 地址的 映射关系，引入了虚拟m a c 地址的概念，用虚拟m a c 地址来标识不同的 业务连接。虚连接建立后，e p f 帧在用户平台的融合子层首先被解封装成 m a c 帧并通过虚拟m a c 地址查表进行转发，到达目的端用户后，根据虚 拟m a c 地址所携带的信息，将其封装为e p f 帧。对于传统的以太网m a c 帧直接根据其目的m a c 地址进行转发，融合子层对其透传。 在进行理论研究的同时，本文利用o p n e t 网络仿真软件对所提出的融 合方案进行了仿真实验。通过建立的一个简化的网络拓扑模型，对融合方案 信控平台连接建立、资源预留、以及连接删除过程，用户平台数据的传输过 程以及p c s 子层所采用的6 4 b 6 6 b 编码算法进行了仿真实验。结果表明1 0 g 以太网与s u p a n e t 的融合采用e p f o v e r - 1 0 g 方案是正确可行的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 关键词：1 0 g 以太网；单物理层用户数据交换平台的体系结构网络；面向以 太网物理帧时槽交换；融合子层；虚拟m a c 地址 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 a b s t r a c t t h eg e n e r a lb a c k g r o u n do ft h i st h e s i si st h et e c h n o l o g yo f10g i g a b i t e t h e r n e ta n dt h er e s e a r c ho nt h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r a c t ( n g i ) a r c h i t e c t u r e c a l l e ds i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r en e t w o r k ( s u p a n e t ) a ts i c h u a nn e t w o r kc o m m n i c a t i o nt e c h n o l o g yk e y , l a b o r a t o r y ( s c n e t c o ml a b ) i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h eb a n d w i d t ho ft h e ：b a c k b o n en e t w o r k s ， d w d m t e c h n o l o g yh a v eb e e nu s e da tp r e s e n t ，b u tt h el o w - b a n d w i d t ho fa c c e s s n e t w o r k sm a k et h eb o t t l e n e c kp r o b l e mp r o m i n e n tg r a d u a l l y t h eh i g h s p e e d 10 g i g a b i te t h e m e tc a nm e e tt h ed e m a n df o rn e wc a p a c i t yt or e s o l v et h e b o t t l e n e c k p r o b l e mb e t w e e n l o w - b a n d w i d t ha c c e s sa n dh i g h - b a n d w i d t h t r a n s m i s s i o n s p a n n i n g aw i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s w i t hb a c k w a r d s c o m p a t i b i l i t y t h em o s ta d v a n t a g eo fs u p a n e t i st h ec o n c e p to fo u t b a n d s i g n a l i n ga n dt h eh i g h - s p e e ds w i t c h i n gt e c h n o l o g y c a l l e de t h e m e t - o r i e n t e d p h y s i c a l f r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ( e p f t s ) s u p a n e tc a np r o v i d et h e c o n v e n i e n t ，h i g h p e r f o r m a n c e ，s e r v i c e sw i t hq o sg u a r a n t e e s o ，1 0g i g a b i t e t h e r n e ti n t e g r a t i n gw i t hs u p a n e te x t e n d st h es c o p eo fs u p a n e ta n db r i n g s t h es e r v i c e sw i t he n d - t o e n dq o sg u a r a n t yt ou s e r s f o rt h ei n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n10 g i g a b i t e t h e r n e ta n ds u p a n e t , as o l u t i o nc a l l e de p f - o v e r - 10 gi sp r e s e n t e dt om a k e u s eo fi n t e g r a t i o ns u b l a y e rt oa c h i e v et h e10 - g i g a b i te t h e r n e ti n t e g r a t i n gw i t h s u p a n e t w i t ht h ep r i n c i p l eo fe t h e m e ts w i t c h i n ga n dt h eo u t b a n ds i g n a l i n g c o n c e p to fs u p a n e t , t h es o l u t i o no fi n t e g r a t i o nt e c h n i q u e si n c l u d e sa p p e n d i n g a n i n t e g r a t e ds u b l a y e ri nu p l a t f o r m a n di m p r o v i n gt h ee s t a b l i s h d e l e t e c o n n e c t i o n p r o t o c o l i n s i g n a l i n g c o n t r o la n d m a n a g e m e n t p l a t f o r m ( s m p l a t f o r m ) an e wt e r m “v i r t u a lm a ca d d r e s s ”i sp r e s e n t e dt oi d e n t i f y d i f f e r e n ts e r v i c e sc o n n e c t i o nd u r i n gt h ep r o g r e s so ft h ev i r t u a l 。c o n n e c t i o n e s t a b l i s h m e n ti no r d e rt ob u i l dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i r t u a ll i n ki n d e n t i f i e r ( v l i ) a n d m a ca d d r e s s w h e nt h ev i r t u a lc o n n e c t i o ni sd o n e ，t h e e t h e m e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m e ( e p f ) i sd e c a p s u l a t e dt oam a cf r a m e ，t h e n ， i ti sf o r w a r d e db ys e a r c h i n gs w i t c ht a b l e t h r o u g h v i r t u a lm a ca d d r e s si n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 i n g t e g r a t i o ns u b l y a e r w h e nt h i sf l a m ei sr e c e i v e di nd e s t i n a t i o n ，i tw i l lb e e n c a p s u l a t e dt oe p ff l a m ea g a i nt h r o u g ht h ei n f o r m a t i o nc a r r i e db yv i r t u a l m a ca d d r e s s f o rt r a d i t i o n a le t h e r n e tm a cf l a m e i ti sf o r w a r d e db y d e s t i n a t i o nm a ca d d r e s sd i r e c t l ya st h ei n t e g r a t i o ns u b l a y e rb e i n ga b s e n t as i m p l i f i e dn e t w o r kt o p o l o g ys t r u t t u r ei s ，e s t a b l i s h e dw i t ho p n e tt o s i m u l a t et h ee p f o v e r - 10 gs o l u t i o n t h es i m u l a t i o nf o c u s e so nt h ee p f e n c a p s u l a t i o n d e c a p s u l a t i o na n dt h e d a t at r a n s m i s s i o np r o c e s si nu p l a t f o r m ， t h ep r o g r e s so fe s t a b l i s ht h ec o n n e c t i o n ，r e s e r v er e s o u r c ea n dr e l e a s et h e c o n n e c t i o ni ns & m - p l a t f o r m ，a n dt h e6 4 b 6 6 bc o d i n gu s e db yp h y s i c a lc o d i n g s u b l a y e r ( p c s ) i np h y s i c a ll a y e ro f10g i g a b i te t h e r n e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t s r e v e a lt h a tt h ee p f o v e r - 10 gs o l u t i o ni sc o r r e c ta n df e a s i b l e k e yw o rds ：10g i g a b i te t h e r n e t ；s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r d a t as w i t c h i n g p l a t f o r ma r c h i t e c t u r en e t w o r k ( s u p a n e t ) ；e t h e r n e t o r i e n t e d p h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w i t c h i n g ( e p f t s ) ； i n t e g r a t e ds u b l a y e r ； v i r t u a lm a ca d d r e s s 西南交通大学四南爻遇大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 舅吖q 孑，_ 名1 签 一 币 膨 卜 老 ： 导 期 乜日丁_ r 指 日 主事 ，德阳 名白 签，不厂舷殍 作 吣 姘扣 论 ：位期 学 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 。 ( 1 ) 根据1 0 g 以太网和s u p a n e t 特性，提出了1 0 以太网与s u p a n e t 融合的，一种新思想，并在用户数据平台创新性的引入了融合子层，通过融合 子层对s u p a 的用户平台的数据进行封装爿辑封装以及查表转发。 ( 2 ) 对虚拟m a c 地址进行了重新定义，通过将e p f 帧的超前交换字 段映射到m a c 地址相应字段的方式生成虚拟m a c 地址。使得m a c 地址具 有了标签的功能。 考 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 本论文的研究背景 第1 章绪论 i n t e m e t 的用户数据转发与传输采用三层路由机制，通信子网提供的服 务为无连接的i p 报文路由服务。而随着i n t e m e t 规模的膨胀，多媒体应用需 求的增加以及通信技术的发展，使得服务质量保障、高速交换、移动性和安 全成为当今i n t e r n e t 面临的严峻挑战。针对i n t e m e t 面临的窘境，学界和工 业界做了大量的工作。其在服务质量保障方面，制订了很多机制，包括资源 预留( r s v p ) 【、集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 【2 1 、区分服务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e ) 【3 】和多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 【4 ，5 】 等技术。这些机制虽然在不同程度上和在某些条件下对服务质量有所改善， 但是收效甚微，并没有得到广泛的使用。 资料表明1 6 7 墨】：i n t e m e t 面临的严峻挑战是由于i n t e m e t 采用了复杂的三 层用户数据平台，只有通过对i n t e m e t 体系结构的简化和优化才可能迎接 i n t e m e t 所面临的挑战。因此研究下一代i n t e m e t 的体系结构，对实现以 i n t e m e t 为基础的包括音频视频数据在内的综合业务的高速交换与传输和服 务质量保障都具有十分重要的意义。本论文研究的背景即是下一代网络 ( i n t e r n e t ) 体系结构。 本论文研究的具体背景是1 0 g 以太网技术以及四川省网络通信技术重 点实验室( s c n e t c o ml a b ) 关于下一代互联网体系结构( n g i n e x t - g e n e r a t i o ni n t e m e t ) 9 ，1 0 1 1 l 单物理层用户数据交换平台体系结构( s u p a s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ) t 1 2 1 3 1 4 】以及“面 向以太网的物理帧时槽交换坩( e p f t s e t h e m e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m e t i m e s l o ts w i t c h i n g ) 1 5 , 1 6 。 1 2 本论文的研究对象及特点 1 2 1 本论文的研究对象 s u p a n e t 是对现有网络体系结构的重大改进，提供了更高的网络传输 能力、更好的服务质量保障，能够适应未来网络的各种需求，能为最终用户 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 提供优质的服务。s u p a 的应用模式主要是作为骨干传输网，与现有网络相 整合，为用户提供更好的网络传输服务。而1 0 g 以太网技术 1 7 , 1 8 1 9 】作为一种 高速数据传输技术，它的出现不但使局域网单条线路的吞吐率有了数量级的 提高，也使以太网技术从局域网进入了城域网和广域网的范畴。但1 0 g 以 太网仍存在缺乏带宽的细粒度复用机制和完善的q o s 保障机制。因此1 0 g 以太网与s u p a n e t 的融合，提供了一种s u p a 通过d w d m 的光纤传输的 过渡方案，同时1 0 g 的技术也为s u p a 通过d w d m 的光纤传输提供了设计 的参考依据，在让更多的人享受到1 0 g 以太网高速便捷的同时，也能够获 得到s u p a 带来的网络革命性体验。 以上所述正是本课题的研究对象1 0 g 以太网与s u p a n e t 的融合。 1 2 21 0 g 以太网与s u p a n e t 的主要特点 1 2 2 11 0 g 以太网的特点 自1 9 9 9 年以来，i e e e8 0 2 3h s s g ( h i g hs p e e ds t u d yg r o u p ) 小组专门 研究1 0 g 标准8 0 2 3 a e 。其目标【1 7 】是：完善8 0 2 3 协议，将以太网应用 扩展到广域网，提供更高带宽。兼容已有的8 0 2 3 接口，并与原有的网络操 作和网管原理保持一致。h s s g 小组的成立表明将会有许多设备支持1 0 g 以 太网应用，从而减少实施设备和接口费用，降低支撑费用和维修费用。与传 统以太网相比，1 0 g 以太网主要技术特点 2 0 , 2 1 】包括： 1 当1 0 g 以太网技术运用于局域网环境时，其帧结构与8 0 2 3 以太网 帧结构致，当1 0 g 以太网技术运用于广域网环境时，需要对8 0 2 3 以太网 帧结构进行改进，将原来以太网帧中的前导压缩为5 字节，并且增加了长度 域和帧头校验域。 2 保留了i e e e8 0 2 3 以太网的最大帧长和最小帧长。 3 只支持全双工工作方式。 4 使用光纤作为传输媒体。 5 提供了广域网物理层接口。 6 数据率非常高，不直接与端用户相连。 7 使用点对点的链路，并支持星型结构的局域网 虽然1 0 g 以太网具有上述优点，并且在一定程度上提供了q o s 保障机 制，但其仍存在不足：缺乏对以太网带宽的细粒度复用机制和完善的q o s 保障机制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 2s u p a 的主要特点 s u p a n e t 的通信子网由两部分组成：以e p f t s 为基础集成帧、以物理 帧为基础的交换和对信道的复用( 线路或波长) 功能为一体的的单层“用户 数据交换平台”( u p l a t f o r m ) ，以及从现有i n t e m e t 多层平台为基础逐步过渡 的以e p f t s 为基础的、简化的“信控、管理平台 ( s & m p l a t f o r m ) 。u p l a t f o r m 在s u p a 域边界节点间为用户数据提供高速、高效、服务质量可保障和安全 的虚通道传输服务；s & m p l a t f o r m 为保障u p l a t f o r m 的数据传输服务提供 基于服务质量的连接建立协商与管理、各类信令控制( 基于服务质量的路径 选择、流量工程、拥塞控制、呼叫控制) 和网络运行、维护管理( o & m ) 。 s u p a 的主要特点 1 5 , t 6 】是：基于d w d m 2 2 , 2 3 的光纤传输；采用端到端 q o s 面向连接技术；采用基于定长帧的e p f t s 交换与复用技术：将信控平 台与用户数据平台分离。 1 3 本论文的研究内容与研究意义 s u p a n e t 的用户数据平台由“面向以太网物理帧子层”( e p f s e p f s u b l a y e r ) 和d w d m 子层组成，到目前为止，s u p a n e t 的相关研究都集中 在e p f s 之上的部分，并没有过多地考虑e p f s 之下的部分，特别是e p f s 与d w d m 子层如何结合的问题。本课题的主要目的就是探索一种s u p a n e t 与1 0 g 以太网融合的网络模型。在基本确立的s u p a n e t 框架下，设计出一 种可行的1 0 g 以太网与s u p a n e t 融合的方案。 因为s u p a n e t 是面向连接并提供服务质量( q o s q u a l i t yo f s e r v i c e ) 2 4 2 5 ，2 6 】保障的，而1 0 g 以太网是无连接的，不能保证数据传输的服 务质量，但其具备高度的灵活性以及广泛使用性，因此将两网优势融合之后， 可以为用户提供一个方便快捷、服务质量得以保证的网络应用环境。方案既 要保证s u p a n e t 的优越性，同时也要体现1 0 g 的灵活性以及实用性。当 1 0 g 以太网与s u p a n e t 融合后，在不损失1 0 g 以太网固有优势的同时也要 保证s u a n p a n e t 和1 0 g 以太网融合后的系统的兼容性。 1 4 论文组织结构 本文主要对1 0 g 以太网和s u p a n e t 融合后的一种网络应用模式进行了 研究，并设计出一种1 0 g 以太网和s u p a n e t 融合的技术方案。基于1 0 g 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 以太网在数据传输方面的优势，使得s u p a n e t 得以更广泛的应用和使之延 伸到更远的地方；同时，1 0 g 以太网依赖于s u p a n e t 的高速、高效、高服 务质量保证的优势，使得其能为用户提供更好的，服务质量得到保证的服务。 全文共分为五章，具体章节安排如下： 第l 章主要介绍了本论文的研究背景，同时对本文的研究对象1 0 g 以 太网与s u p a n e t 的主要特点进行了描述，最后，分析了本论文的研究内容 和融合的意义。 第2 章主要介绍了1 0 g 以太网物理层内部的协议层次结构，以及其 p c s 子层所采用的编码算法。同时对s u p a n e t 体系结构和关键技术进行了 详细的描述。 第3 章对1 0 g 以太网与s u p a n e t 的相同之处和不同之处进行了介绍， 并分析了二者融合所存在的问题。在此基础上对1 0 g 以太网与s u p a n e t 融合方案进行了探讨，确定了一种可行的融合方案。同时，引入了融合的关 键融合子层，并对融合子层的功能进行了介绍。最后，分析了融合方 案所存在的优点与缺点。 第4 章首先对融合方案所采用的关键技术一虚拟m a c 地址技术进 行了详细的介绍。在此基础之上，对信控平台的信令协议结构、连接建立与 删除的过程以及信令消息的转换进行了详细的设计；对用户平台融合子层数 据传输过程进行了详细的描述。最后对整个融合方案的工作过程进行了描 述。 第5 章通过o p n e t 网络仿真软件对设计的融合方案进行了仿真实验。 通过实验对融合过程的关键流程：信控平台连接建立、资源预留过程：用户 平台数据传输过程，e p f 帧的封装与解封装；p c s 子层6 4 b 6 6 b 编码进行了 验证。实验结果表明：1 0 g 以太网与s u p a n e t 的融合是可行的。 最后是本文的结论与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章1 0 g 以太网与s u p a n e t 概述 2 110 g 以太网技术 1 0 g 以太网技术的主要标准是。i e e e 8 0 2 3 a e1 0 g e ，对于这个标准的研 究始于1 9 9 9 年，经过3 年的努力，疆e e e 于2 0 0 2 年正式发布了1 0 g 以太网 的技术标准。i e e e 8 0 2 3 a e 所规定的1 0 g 以太网内部协议层次结构如图2 1 所示 2 7 , 2 8 , 2 9 】。 o s i 参考模 型层次结构 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络层及以上的协议 逻辑链路控制子层 m a c 控制子层( 可选的) m a c 访问控制子层 协调子层( r s ) x g m i i i lx g m i i 叫i x g m i i 噗t6 4 b 6 m 6 bp c s 。察摩 m d i = 物理介质相关接口 p c s = 物理编码子层 p h y = 物理层装置 p m a = 物理介质接入子层 m e d i u m m e d i u m ii 坚里! 旦坚l k ，- i 一一7k 、，- - 10 g b a s e w 10 g b a s e r1o g b a s e x p m d = 物理介质相关子层 w l s = 广域网接口子层 x g m i i = 1 0 g 的介质无关接口 p h y 图2 - 11 0 g 以太网的协议层次示意图 图2 1 中1 0 g 以太网内部协议层次结构包括数据链路层和物理层。链路 层由链路控制子层、m a c 控制子层和m a c 访问控制子层构成，其中m a c 控制子层只工作于半双工模式，而1 0 g 以太网只支持全双工工作方式，所 以m a c 子层只完成双向的收发和m a c 帧的装拆。相对链路层而言，物理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 层的层次结构较复杂，分为上、下两部分。上部分包括协调子层和x g m i i 延伸单元( x g m i ie x t e n d e r ) 。下部分包括物理编码子层( p c s ) 、物理介质 接入子层( p m a ) 和物理介质相关子层( p m d ) 。对于广域网，为了与s d h 适配，还需要广域网接口子层( w i s ) 。 物理层下半部分也称为“物理层装置( p h y s i c a ll a y e rd e v i c e ) ，简写 为p h y 。由于t 0 g 以太网既支持局域网，又支持广域网，所以8 0 2 3 a e 标准 定义了两种类型的p h y ，即局域网p h y ( 包括1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e x ) 和广域网p h y t 3 0 】( 1 0 g b a s e w ) 。图2 1 中的广域网接口子层( w i s ) f 3 j 1 只存在于j o g 广域网的物理层结构之中，位于p m a 和p c s 子层之间，用 于产生适配s o n e ts t s 1 9 2 c 传输格式或s d hv c 4 6 4 c 容器速率的以太网 数据流。 从图2 1 可以看出，1 0 g e 的物理层的结构复杂，接下来将对物理层技 术作详细的介绍。这里把物理层的上部称为物理层上部部件，下部称为物理 层下部部件。 2 1 11 0 g 以太网物理层的上部部件 2 1 1 1 协调子层( r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r ) 如图2 1 所示，协调子层( r s ) 2 7 , 2 8 , 2 9 1 属于物理层的上部，r s 子层位于 m a c 子层与1 0 g 延伸子层x g x s 之间。r s 的作用是在m a c 子层与x g m i i 接口之间进行数据的串并转换。当r s 与m a c 子层之间进行通信时，数据 采用串行的方式传输；而r s 向下的数据收发为3 2 比特并行传输。 2 1 1 2 延伸单元、延伸子层和延伸接口 1 0 g 以太网上部除了协调子层之外，还包括了延伸单元，延伸单元由两 个1 0 g 介质无关子层( x g m i ie x t e n d e rs u b l a y e r ，即x g x s ) 1 2 7 , 2 8 , 2 9 经1 0 吉 比特延伸接口( x a u i ) 互联而成。延伸单元的作用在于延长x g m i i 接口信 号的传输驱动距离，通过延伸单元将r s 子层与物理编码子层间的信号最大 传输距离从7 e r a 延伸到6 4 c m 。 2 1 21 0 g 以太网物理层的下部部件 1 0 g 以太网的物理层的下部部件由物理编码子层p c s ，物理介质接入子 层p m a 和物理介质相关子层p m d 组成。广域网接口子层w i s 是1 0 g 以太 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 网广域网特有的。 2 1 2 1 物理层编码子层( p c s ) p c s 是1 0 g 以太网物理层下部部件的第一层，p c s 子层用来对数据进 行编解码操作，当要发送数据时，进行编码操作，当接收到数据时，进行解 码操作。1 0 g 以太网的p c s 子层支持8 b 1 0 b 3 2 , 3 3 1 和6 4 b 6 6 b t 2 s , 2 9 1 两种编码方 式。在1 0 g b a s e x t 2 7 j ( 局域网) 采用8 b 1 0 b 编码，编码后传输的基础是 4 0 比特；1 0 g b a s e r t 2 7 】( 局域网) 和1 0 g b a s e w 【2 7 】( 广域网) 采用6 4 b 6 6 b 编码。1 0 g b a s e x ( 局域网) 通过宽带波分服用( w w d m ，即w i d e b a n d w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术，利用单根光纤中的4 波长进行传输， 1 0 g b a s e r ( 局域网) 和1 0 g b a s e w ( 广域网) 则利用单个波长的光波进 行传输。 2 1 2 2 物理接入子层( p m a ) p m a 子层 3 5 , 3 6 】位于p c s 子层和p m d 子层之间，提供了p c s 和p m d 之 间的串行化服务接口，其和p c s 子层的连接称为p m a 服务接口。 2 1 2 3 物理介质相关子层( p m d ) p m d 子层 3 5 , 3 6 】是p h y 的最低子层，其功能是处理与数据的发送和接收 相关的任务。p m d 子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输 的形式。 2 1 31 0 g 以太网物理层编码算法介绍 由2 1 2 1 节所述，1 0 g 以太网的物理编码子层( p c s ) 同时支持8 b 1 0 b 和6 4 b 6 6 b 两种编码传输方式。 2 1 3 18 b 1 0 b 编码 8 b 1 0 b 编码是目前许多高速和串行总线采用的编码机制，具有下述优 占【3 2 ，3 3 】 j 、 1 在1 0 比特码中会产生3 至8 次“0 、“1 间的跳变。 2 直流平衡性比较好：连续出现“0 或“l ”不会超过5 比特，最大 r d s ( 游程数字和r u n n i n gd i g i t a ls u m ) 为2 。 3 数据编码与控制信令编码相分离，分别用d 和k 作为其码组表达式 的开头来表示数据和控制信令。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 检错能力良好，非常适合与数据链路层经常使用的3 2 比特循环冗余 校验c r c 3 2 相配合使用。 可以通过两种方式构造8 b 1 0 b 编码：利用3 b 4 b 3 2 , 3 4 1 和5 b 6 b t 3 2 1 两种 编码合成以及直接构造。 2 1 3 26 4 b 6 6 b 编码 6 4 b 6 6 b 编码 2 8 , 2 9 】是一种新的编码技术，效率很高，且统计直流平衡性 好。编码时，将m a c 子层传来的6 4 比特数据，加上两个比特控制位，构 成6 6 比特的数据块，以6 6 比特数据块为基础进行传输。为了解决连续传输 相同的符号串引起的直流基准电平漂移( d cb a s e l i n ew a n d e r ) 问题，在1 0 g 以太网物理层的编码子层( p c s ) 中采用了混( 扰) 码技术。将6 4 比特数据块与 混码生成多项式进行带反馈的逻辑运算，该运算所生成的传输码具有较好的 直流累计平衡值，同时，也便于接收方从接收的数据流中恢复时钟。在m a c 帧的帧校验字段( f c s ) 采用循环冗余( c r c ) 校验方式，只要c r c 生成 多项式与杂混生成多项式间不存在共同的因式，那么c r c 的检错能力将保 持不变。由于6 4 b 6 6 b 编码具有均匀的4 比特汉明保护距离，所以其平均 分组出错率为2 0 2 。 l 。同步头 x g m i i 为3 2 比特并行接口，在每一时钟周期内，该接口上有两次发送 和接收的过程。即在每一时钟周期内r s 和p c s 子层之间交互的数据为6 4 比特。因此，在1 0 g b a s e w 和1 0 g b a s e r 标准中，将6 4 比特载荷作为 p c s 与其他相邻层间交换信息的基本单元【2 7 】。 在6 4 比特净荷区之前增加了两个比特的同步头( s y n ch e a d e r ) 。该同步 头用于在数据交换过程中对每个数据块进行定位和同步，同时也可以通过该 同步头区别净荷区内数据的性质。在同步头的两比特持续期间，存在一次电 平的跳变以便于检测：为“0 1 ”表示是数据块( d a t ab l o c k ) ，为“1 0 ”表示 控制数据块( c o n t r o lb l o c k ) 。以同步头“1 0 开始的6 6 比特块称为控制块， 用于全部存放控制字符串与数据字符相结合的内容或控制字符串。在发送 方，为了限制通信过程中出现连续传输相同符号的可能，除同步头外的6 4 比特净荷区需要经过混码运算，所以通过同步头所包含的传输特性，可以使 数据块同步。在接收方，可以不通过解混器直接获取同步头。 2 6 6 比特块 i e e e8 0 2 3 a e 定义了数据块和15 种控制块结构。数据块中包含了8 个数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 9 页 字符，每个字符为8 比特；控制块同步头之后的第1 个字节用于存放该控制块 的类型标识符，剩下的7 个字节用于存放控制代码。 6 6 比特块结构参见图2 2 1 2 8 , 2 9 ，从图2 2 中数据可知： ( 1 ) d o d 7 表示数据代码组。 ( 2 ) 除o ，i s 和t 外的控制字符标记为c o c 7 ，且长度均为7 比特。 ( 3 ) 标记为s o ，s 4 的数据帧开始控制字符和o o ，0 4 代码组序y l j ( o r d e r e d s e t ) 由于只在x g m i i 的l a n e 0 上有效，所以只可能出现在8 个控制字符中的第 零和第四的位置上，且o o 、0 4 均为4 比特。 ( 4 ) t o t 7 标记结束控制字符。 ( 5 ) t o t 7 、s o 、s 4 等标志着开始和结束的控制字符在6 6 比特的传输单 元中不会出现。 ( 6 ) 除同步位外，其它数据的最低位出现在左边，对应比特位为2 ，最 高位在右边，对应比特位为6 5 。 ( 7 ) 未使用的比特位保留。 i n p u td a t a s b l o c kp a y l o a d y n c 0l28 6 d达ckaf钟硼t、 d o d d 2 d 妒4 d 5 d e d 7 o d od d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 了 b l o c kt y c o r d j t o lb l o c kf o n 咄： f i d d 岛c c 2 c 一瓯c 5 c s c z o 0 x l ec oqc 2c 3c 4c e c e 厶 e o 岛c 2 c y 0 4 0 5 0 8 d 7 o o x 2 d c o包龟c a0 4d ed e d 7 c o e c 2 c 3 $ 4 0 5 d e d r o 0 x 3 3 c o c 1饧c 3 0 5d 巷 厶 o o 协。2 d 3 $ 4 d s d e d r 1 00 x 6 6o t 0 2 d 3 d 5d 7 d d 2 0 3 ，o 年d 5 0 8d 7 1 0诹5 5 d t 0 2d 3o o 0 4砚 d e 现 s o d ld 2 0 3 d 50 6d 7 1 00 x 7 8 d td 2岛d 4d 5魄 o ， o o d d 2 d c 4 c 5 c s c 7 o 0 x 4 b d id 2 d 3 c 4 c 5 c 6 c ， t o c ，c 2c c 4c 5 c 晷e 71 0 0 x 8 7 c 乞c 3 c 5c ec 7 o ot c 2 c 3 ，c 4 c ec e c 71 0d o c 2c 3c lc 5 c e c v d 。d i 2 c 3 c 5c b c 7 00 x a a d od 1 f c 3c 4c 5c s c 7 d 0 0 1 0 2 t 3 ，c 4 q c e c 7 0 0 x m d od d r c 辱 c sc 6 c 7 o o o ，d 2 现，i _ 4 c 5c b c 7 o q x c c d o0 1d 2d 3c 5c g c 7 d d 2 0 y d 4 t 5 c 晷c 7 o 峨d od td 2d 3d 4c 6c r o o d d 2 0 3 f d 4 d 5 t 6 c r 0 ox创do o d 3o -d sc z d 口o o