（信息与通信工程专业论文）千兆以太网技术及千兆以太网交换机的实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 =i i 一i i = = = = = = = = = 葛= = = = = = = 昌= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 以太网已成为局域网事实上的标准，并在广域网、接入网等领域获得应用。千兆以 太网标准推出后，相应的千兆以太网设备成了半导体芯片厂商、通信设各厂商研制的重点。 本课题对千兆以太网技术进行了分析研究，并研制了8 口纯千兆以太网交换机。论文的主 要工作如下： 1 i e e e 8 0 2 3 以太网标准体系结构分析。 2 1 0 0 0 b a s e - x 千兆以太网物理层规范分析和研究，重点是编码方法及其性能的分 析研究。 3 1 0 0 0 b a s e - t 千兆以太网物理层规范分析和研究，主要是信道、t r e t 】i s 编码分 析、v i t e r b i 译码，及其实现等。 4 8 口千兆以太网交换机的研制。对以太网交换机的应用、实现及其测试进行了较 详细的研究，还对相应的电源、时钟等电路的设计方法也进行了分析和研究。 关键词：千兆以太网，以太网交换机，i e e e 8 0 2 3 ，1 0 0 0 b a s e x ，1 0 0 0 b a s e t 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t e t b e m e th a sb c c o m eaf a c t u a ls t a n d a r do fl o c a la r e an e t w o r k s ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e d i nw a n m a na n da c c e s sn e t w o r k s a t i e rt h et h ep u b l i c a t i o no fg i g a - b i te t h e m e t s p e c i f i c a t i o n s ，r e l e v a n tg i g a - b i te t h e m e te q u i p m e n t sh a v eb e c o m et h em a i np r o d u c t st h a ti ca n d c o m m u n i c a t i o nf a c t o r i e sa r et r y i n gt op r o d u c e t h i st a s kh a sd o n er e s e a r c hw o r ka n da n a l y s i so n g i g a - b i te t h e m e tt e c h n o l o g y , a n dh a sd e v e l o p e dt h e8 - p o r t sp u r eg i g a - b i te t h e r n e ts w i t c h t h e m a i ni d e ao f t h i se s s a yi sa st h ef o l l o w i n g ： a n a l y s i so f l a y e r sa r c h t e c t u r eo f i e e e 8 0 2 3 ： a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f1 0 0 0 b a s e x t h ek e yp o i n ti si t sw a y so fc o d i n ga n dt h e i r p e r f o r m a n c e ； a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f1 0 0 0 b a s e t t h em a i n w o r kf o c u so nc h a n n e l , t r e l l i s c o d e r , v i m b id e c o d e r , a n dt h e i rr e a l i z a t i o n ； d e s i g no f8 - p o r t sg i g a - b i te t h e m e ts w i s h ，d e t a i l e dd i s c u s s i o no fi t sa p p l i c a t i o n ，r e a l i z a t i o n a n dt e s th a sm a d e m u c hr e s e a r c hw o r ko f fd e s i g nm e t h o d so fi t sc o i x ：，c o n t r o l l e r ( c p u ) ，p o w e r c l o c ka n dp c bh a sa n a l y s i s e da sw e l l k e y w o r d s ：g i g a - b i te t h e r u e t , e t h e r n e ts w i s h ，i e e e $ 0 2 3 ，10 0 0 b a s e - x ，10 0 0 b a s e - t i i 独创性声明 本人声明所呈变的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注扣致戳曲地方外，论文中年包含 其他人已经芡表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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激的 何贡献均已在论z 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文翘目：王些丛盘婴整盔壁垫丛盘旦塞垫扭鲍墨熟 学位论文作掩名：蓬鹜差吼叼年f 月谚日 学位论文版权使用授权书 本、宄奎j 斛吲眄学技术大学有= 爰深留使用学位论文曲规；、本，、十i 田眄科学j t 求太学u jl z 保留并同国家有关部f i 或杉0 遥定论天的蔓i f j “r “j ( b ，允i 寺二论工破盘问彳u 惜阀：i n l 椿学位论文的全魏；或部分内存编入订，故 * 辟避n 捡索，j _ 采用j 印、缩印或扫描等复制手段像存、疋铂学他j 17 、 f 像密学位论戈在解密后适用本授权书。) 学位论之题目： ：些丛盘塑i i 盔丛壬些丛盘旦皇捶扭曲互塑 学位论文作苔釜名 f # 苔指导教师签名 堡丕蒸 垒叁i 虹 口酾：硒年r ，司j - f ! 日期：溯年，月2 d 日 墨防科学技术大学研究生院学位论文 图表索引 1 1i e e e 8 0 2 局域嘲标准体系结构1 1 2 a 以太网及介质访问控制m a c 3 1 。2 b 与速率无关的功能3 1 2 c1 0 m b s 以太网3 1 2 d1 0 0 m b s 以太网4 1 2 e1 0 0 0 m b s 以太网4 2 1 以太网帧格式7 2 2 千兆以太网p h y 结构7 2 3g m i i 接口信号8 2 4p c s 子层9 2 。58 b l o b 编码l o 2 6d s 图- 1 2 2 7p m a 子层1 4 3 11 0 0 0 b a s e t 的发送电路框图1 7 3 2 主p h y 的侧流交织器1 8 3 3t r e l l is 编码调制器1 9 3 4t r e l l is 格点图- 2 l 3 j1 0 0 0 b a s e t 接收电路框图! 2 3 3 6 回波抵消器、近端串扰消除器的结构2 3 3 7 均衡器和译码器结构2 4 3 8y - 0 决反馈均衡器2 5 3 9 ( 3 ，2 ，3 ) 卷积码编码器2 7 3 。1 01 0 0 0 b a s e - t 的t c m 的v i t e r b i 译码器结构2 7 3 1 l 消除i s i 的1 0 0 0 b a s e - t 的v i t e r b i 译码器结构2 8 4 1 社区接入网络系统3 0 4 2 千兆以太网交换机方框图3 1 4 3 电源电路示意图3 2 4 4 电流波形3 2 4 5 时钟系统方框图3 3 4 6h d m p 一1 6 3 6 a 功能方框图3 8 4 。7 光模块弓l 脚图3 9 4 8m p c 8 2 4 5 功能框图4 l 4 9 控制器子板功能方框图4 2 4 1 0 主板元器件布局4 2 4 1 1 软件结构4 4 4 1 2 a 光模块电信号眼圈4 5 4 1 2 b 光模块光信号眼图4 6 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 2 c1 0 0 0 b a s e t 的电信号波形一4 6 图4 1 2 d1 0 0 0 b a s e - t 的电信号波形二t oioola 4 7 图4 1 2 ei o o b a s e - t x 的电信号眼圈4 7 图4 1 3 测试环境l 4 8 图4 1 4 测试环境2 - “4 8 图4 1 5 测试环境3 4 9 图4 1 6 测试环境4 4 9 图4 1 7 测试环境5 5 0 图4 1 8 测试环境6 5 1 2 1 信道容量与d s v 、r l 的关系9 2 25 b s b 编码表1 0 2 33 b 4 b 编码表一一儿 2 4 a1 0 0 0 b a s e x 使用的特殊码组1 3 2 4 b1 0 0 0 b a s e - x 使用的有序集合，1 3 3 11 0 0 0 b a s e t 的信号子集：2 0 3 21 0 0 0 b a s e - t 的信号族2 0 4 1 交换机的电源分配3 l 4 21 0 0 0 b a s e x 千兆以太网光接口收发i c 性能对照表3 7 4 3 软件实现的协议4 3表表表表表表表表表表 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 i 1 概述 上个世纪四十年代电子计算机诞生，并得以迅速发展。随着计算枫的日益普及，出现 了计算机的信息交流和资源共享问题，因此，到了上个世纪的六、七十年代，计算机网络 发展了起来，其中最重要的是以太网。 以太网是x e r o x 的b o bm a t c a l f e 等人在a l o h a 网络的基础上发明的。1 9 7 2 年他们建 立了第一个试验性以太网系统：1 9 7 6 年他和d a v i db o g s 发表了“以太网：局域计算机网 络的分布式交换”一文；1 9 7 9 年，以太网技术对外开放：1 9 8 0 年，d e c 、i n t e l 、x e r o x 共同宣布了一个l o m b s 以太网标准：d i x 标准；1 9 8 2 年，以太网成为i e e e 发起的8 0 2 系列的第一个局域网标准“o “1 。之后，虽然陆续加入了令牌总线、令牌局域网，但以太 网以其开发早、技术成熟、价格低廉、高度灵活和众多计算机厂家的支持而成为使用最为 广泛的局域网技术。1 9 9 6 年。所有网络连接中8 0 是基于以太网的。现在更是很难在市面 上看到非以太网的计算机网络产品了。 i 2 局域网标准体系结构 局域网的标准化工作由i e e e 8 0 2 委员会负责。i e e e 8 0 2 标准描述了位于o s i 模型中的 最低两层：数据链路层和物理层。在i e e e 8 0 2 标准中，数据链路层又被分为逻辑链路控制 ( l l c ) 子层和介质访问控制( m a c ) 子层。l l c 是通用的，而m a c 则是各个局域网技术特 定的。物理层根据不同的局域网技术和物理介质可分为两个或多个子层。此外，i e e e 8 0 2 标准还规定了局域网的管理功能。 i e e e 8 0 2 标准在不断的修改和完善之中，同时也不时添加一些新的局域网技术。图i 1 所示为i e e e 8 0 2 局域网标准体系的结孝扫。其中： i e e e 8 0 2 1 ：局域网的管理；包括8 0 2 i d ：桥接；8 0 2 i p ：优先级；8 0 2 】q ：虚拟局 域网；。8 0 2 1 x ：局域网的安全等，属于链路层规范； i e e e 8 0 2 2 ：逻辑链路控制( l l c ) ，也属于链路层规范： 二二二三三三三二二 一 二二二二三三二二二 溉 圈圜国圈圉圈亘 图1 1i e e e 8 0 2 局域网标准体系结构 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 物理层规范有： i e e e 8 0 2 3 ：以太局域网： i e e e 8 0 2 4 ：令牌总线局域网； i e e e 8 0 2 5 ：令牌环局域网； i e e e 8 0 2 6 ：分布式对列双总线访问： i e e e 8 0 2 7 ：宽带局域网； i e e e 8 0 2 1 1 ：无线局域网； i e e e 8 0 2 1 4 ：基于电缆电视的宽带通信网络；等。 目前，i e e e 8 0 2 4 、i e e e 8 0 2 5 已停止活动，不再发展。而i e e e 8 0 2 3 和i e e e 8 0 2 1 l 一样，是最为活跃的部分。将来的有线局域网就是以太网。 i 3 i 发展过程 1 3 以太网 以太网是由a l o h a 系统发展而来的”o “1 “6 。“”，a l o h a 是一个无连接的、带确认的多 路访问、共享介质通信系统。a l o h a 系统的通信距离可能很远( 几乎没有限制) ，各个站 点的活动情况彼此无法确定。所以，系统允许各个站点随时发送数据，然后等待确认。如 果未收到确认信号，则等待一个随机的回退( b a c k o f f ) 时间后重发数据。在局域网中， 各个计算机的距离很近，信号的传播延时很小，以太网据此提出了载波侦听和碰撞检测两 个概念。站点在发送数据前先侦听信道，信道空闲时才发送；发送过程中继续侦听其它站 点的情况，碰撞时，立即停止发送，等待一个随机的回退时间后重新启动发送过程：若无 冲突地发送完了数据。则认为数掘己被正确接收，而不需要接收站点确认。因此以太网是 一个无连接、无确认的通信系统。 早期的以太网使用的介质是同轴电缆。同轴电缆的频率特性好，衰减小、抗干扰且无 电磁辐射，在当时也无其它合适的介质，选用同轴电缆是十分合理的。”。后来，可进行数 据传输的双绞线研制出来，并得到普及。双绞线的特点是铺设、移动十分方便，而且许多 建筑物实现了综合布线，有大量的双绞线可供使用，使得局域网采用双绞线成为一种趋势， 令牌总线局域网和令牌环局域网都使用双绞线作为传输介质。1 9 8 5 年，使用双绞线和光 纤等专用介质的以太网研制成功。并于1 9 9 0 年得到批准，目前的以太网设备几乎都是双 绞线或光纤介质。 以太网的传输速率也不断提高。第一个以太网标准规定的速率是l o m b s ，远远超出 了当时的计算机的需要，十年之后，普通桌面计算机才能以全速率进行持续的数据传输。 这时候，服务器和主干网也有了更大通信容量的需求。1 9 9 5 年，速率为l o o m b s 的快速 以太网推出，并迅速普及。虽然目前的大多数桌面计算机实际上并不需要l o o m b s 的速率， 但因其价格低廉，新建的计算机网络几乎都是快速以太网系统。随着桌面计算枫性能的提 升，服务器和主干网的速率也需要进一步的提高。1 0 0 0 m b s 速率的千兆以太网标准在2 0 0 0 年公布，可以预料，今后几年将是千兆以太网蓬勃发展的时期，千兆以太网不但在服务器 和主干网得到普及，也将进入桌面计算机。 第2 页 匿防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 2 = = = = = = = = _ ii i i i i i = = = = = = = = 三= = = 暑宣= = = = = = 皇= 1 3 2 以太网标准( i e e e 8 0 2 3 ) 的结构 局域眄摸型( 图i 。1 ) 中，数据链路层的m a c 子层及物理层是由各局域网技术规定妁。 i e e e 8 0 2 3 就规定了以太网的m a c 层和物理层。 以太网标准的最新版本是i e e e s 0 2 3 - 2 0 0 0 ，有4 3 个条款。大致可分为概述、m a c 、 与速率无关的物理层功能、l o m b s 以太网物理层、1 0 0 m b s 以太网物理层、1 0 0 0 m b s 以 、太网物理层等六部分。如图1 2 a 、b 、c 、d 、e 所示，图中的数字是标准的条款号。 1 概述 2m a c 服务规范( m a cs e r v i c es p e c i f i c a t i o n ) 3m a c 帧结构( m a cf r a m es t r u c t u r e ) 4m a c 操作( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 5 层管理( l a y e rm a n a g e m e n t ) 2 8 自动协商( p h y s i c a ll a y e rl i n ks i g n a l i n gf o ra u t o n e g o t i a t i o n o f ft w i s tp a i r ) 3 l 以太网管理( 1 0 m b s 、l o o m b s 、1 0 0 0 m b s 、m a cc o n t r o l 、a n dl i n k a g g r e g a t i o nm a n a g e m e n t ) 3 1m a c 控制( m a cc o n t r 0 1 ) q 3 连接聚合( l i n ka g g r e g a t i o n ) 6 物理信令予层( p l s ) 服务规范( p h y s i c a ls i g n a l i n gs e r v i c e s p e c i f i c a t i o n ) 7p l s 和附属单元接口( a u i ) 服务规范( p l sa n da u is p e c i f i c a t i o n ) 91 0 m b s 基带网络的中继器一一 一 1 3 多段l o m b s 基带网络的系统考虑。 一 口 1 9 l o m b s 基带网络中继器的层管理 刃 o o _ 0 1 2 0 i o m b s 基带网络介质附属单元的层管理 o 1 5l o m b s 先纤以太网i o b a s e f oa 一i 一一 。 o q0 0 口oo ： l o 一 c i 】 oo 目 u 、 ：j _ m_ q 1n r 图1 2 cl o m b s 以太网 第3 页 国舫科学技术大学研究生院学位论文 2 1i o o b e s e - t 型l o o m b s 基带网络介绍 2 2 调和子层( r s ) 和介质无关接口( m i i ) 2 71 0 0 m b s 基带网络的中继器 2 9 多段i o o b a s e - t 网络的系统考虑 2 41 0 0 b a s e x 的物理编码子层( p c s ) 和介质附 属子层( p m a ) _ o o 高 o 2 5 i o o b a s e - t x 2 6i o o b a s e f x ， m _ a 图1 2 dl o o m b s 以太网 3 41 0 0 0 m b s 基带网络介绍 3 5 调和子层( r s ) 和千兆介质无关接口( g m i i ) 4 1 1 0 0 0 m b s 基带网络的中继器 4 2 多段1 0 0 0 m b s 网络的系统考虑 3 61 0 0 0 b a s e - x 的物理编码予层( p c s ) 和介质附 属予层( p m a ) 3 71 0 0 0 b a s e - x 的自动协商功能 4 01 0 0 0 b a s e - t 3 81 0 0 0 b a s e - l x 和 3 91 0 0 0 b a s e c x 1 0 0 0 b a s e - s x 图t 2 e1 0 0 0 m b s 以太网 条款的序号大致反映了条款加入标准的前后次序。d i x 标准和最初的以太网标准包括 i - 8 条，是i o b a s e 一5 ：1 9 8 5 年加入了1 0 b a s e 一2 ( 条款1 0 ) ；1 9 9 0 年加入了i o b a s e t ( 条 款1 5 ) ，快速以太网i o o b a s e - t 予1 9 9 5 年正式成为标准的一部分，1 9 9 7 年和2 0 0 0 年则分 别提出了1 0 0 0 b a s e x 和1 0 0 0 b a s e t 。 1 。3 3 以太网集线器 以太网集线器是扩展以太网规模的设备。主要有共享式和交换式两种集线器“”1 “1 。 共享式集线器可将多个以太网段连接成多段以太网系统，并使整个系统象一个大网段 一样工作，有时也将其称作中继器。中继器是物理层设备，功能有：恢复信号幅度、信号 重定时、强制冲突，等。一个由中继器连接起来的大的以太网系统属于一个冲突域，所以 其规模也受到限制。i e e e 8 0 2 3 - 2 0 0 0 的第1 3 、2 7 、4 2 款分别规定了l o m b s 、l o o m b s 、 1 0 0 0 m b s 以太网中继器要考虑的因素。 交换式集线器也称作以太网交换机。以太网交换机可以将几个以太网系统连接起来 构成一个大的以太网系统。交换机不同的端口连接的系统属于不同的冲突域，所以交换机 使以太网系统超出冲突域的界限。交换机的主要功能是：地址学习、过滤、多( 广) 播、 生成树算法。小。1 “”1 0 m 等。交换机是m a c 层设备，由i e e e 8 0 2 1 d 规定。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 4 课题的主要工作及论文的结构 本课题主要完成了以下一些工作： 1 i e e e s 0 2 3 - 2 0 0 0 标准的分析和研究 i e e e 8 0 2 3 - 2 0 0 0 是最新的以太网标准，规定了以太网设备( 包括流行的i o b a s e - t 、 l o o b a s e t x 、l o o b a s e - f x 、1 0 0 0 b a s e x 、1 0 0 0 b a s e t ) 的m a c 层和p h y 层，也制定了共享 式集线器( 中继器) 应遵守的规则。该标准是研制以太网设备的基础。 2 1 0 0 0 b a s e - x 物理层规范分析及实现 1 0 0 0 b a s e - x 是第一个千兆以太网物理层规范，适用于光纤介质的千兆以太网。本文 对1 0 0 0 b a s e - x 的编码规则，性能和接口进行了较详细的分析。 3 1 0 0 0 b a s e _ t 物理层规范分析及实现 1 0 0 0 b a s e t 是双绞线介质的千兆以太网规范。在双绞线上传输千兆速率的以太网信 号，会出现信噪比下降、回波、近端串扰、码间串扰等一系列的问题，1 0 0 0 b a s e - t 的实 现需要用到最新的编解码技术和d s p 技术。本文的第三章对此进行了分析介绍，并提出了 一种同时实现均衡和v i t e r b i 译码的方法。 4 干兆以太网交换机的研制、 千兆以太网交换机是千兆以太网系统的核心部件，在分析了多种解决方案的基础上， 选用b r o a d c o m 公司的b c m 5 6 8 0 研制了8 口纯千兆以太网交换机。 论文共分5 章。第一章为绪论，介绍以太网的发展过程等；第二章分析1 0 0 0 b a x e x 规范；第三章分析1 0 0 0 b a s e t 规范；第四章论述千兆以太网交换机的方案选择、设计、 测试等：第五章是结束语。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 从i o o m b s 的快速以太网发展到千兆以太网，其主要变化是在p h l 层。在m a c 层，为 适应千兆速率，主要是引入了载波扩展和帧突发“日”】“4 】o 剐“】。千兆以太网的介质主要是 光纤和双绞线都是专用介质。这与i o o m b s 快速以太网一样，因此，可以以全双工方式 工作。为了使各种速率的以太网设备能协调工作，千兆以太弼设备必需具有自动协商功能。 当以全双工方式工作时还应该能控制流量，以避免丢帧。千兆以态网时丢帧问题更是突出， 因此，千兆以太网技术是比较复杂的。 2 1m a c 帧的统一格式 以太网的m a c 操作需要一些参数这些参数由m a c 帧格式、以太网络结构等决定，有 些还与以太网速率有关。其中与速率关系最大的参数是最小帧长度( m i n f r a m e s i z e ) 和时 隙( s l i t t i m e ) ”“。所有的帧在网络上的传输时闻必须大子时隙，时隙又决定了半双工 方式工作时网络的物理规模。( 当以太网工作于半双工方式时，最小帧长度、时隙和网络 速率、网络实际结构规模有关。) l o m b s 、l o o m b s 的以太网的m a c 参数中，最小帧长度为6 4 字节，即5 1 2 位。而时 隙等于最小帧的传输延时。分别为5 1 2 微妙和5 1 2 微妙。为了使千兆以太网能与l o m b s 、 l o o m b s 的以太网兼容，最小帧长度没有修改仍为6 4 字节。此时最小帧的传输延时仅为 0 5 1 2 微妙。若时隙也定为0 5 1 2 微妙，则在半双工模式时两个d t e 的直线距离限制在约 7 0 米的范围内，考虑到d t e 、中继器等设备还存在延时，连线距离更短，不能满足实际应 用的需要。所以干兆以太网将时隙长度确定为4 0 9 6 微秒，相当于4 0 9 6 位的传输时长， 这样千兆以太网的两个d t e 之间的距离可以达到约4 0 0 米。当d t e 之间只有一个中继器时， 即使中继器有微妙级的延时，d t e 到中继器之间的距离也可以延长到1 0 0 米以上。当帧的 长度不足4 0 9 6 位时，在帧后添加载波扩展位使帧的传输时问达到时隙长度。在半双工 操作时，只有在帧及载波扩展字节均无冲突的传输完毕才认为帧已被正确发送。这样最小 帧长度不变，而以太网的规模也能满足要求。 在载波扩展期间，以太网传输的是无效的载波信号，因而以太网的效率受到了影响， 在极端情况下4 0 9 6 微秒的传输时间里只有0 5 1 2 微秒传输有效数据，效率只有1 4 ， 约等于1 4 0 m b s 的发送速度，与快速以太网的传输速率接近。为此，千兆以太网引入帧突 发以提高效率。当一个站点无冲突的传送完一个帧后。可以认为该站点获得了以太网信道， 之后如果还有数据需要发送可以连续发送( 即不必等待一个帧间隔的时间，不需要竞争信 道，短帧也不需要载波扩展，也无须前导) ，直到达到突发长度。突发长度是千兆以太网 引入的一个新的参数。当一个站点连续发送数据达到此长度后，可以将未发完的帧发完， 之后停止，等待个帧间隔的时间，然后与其它站点再次竞争信道a 引入载波扩展后的帧格式如下： 7 字节 1 字节 6 字节 前导p r e a m b l e 帧起始标示符s f d 目的地址d e s t i n a t i o na d d r e s s 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 6 字节 2 字节 源地址s o u r c ea d d r e s s l长度类型l e n g t h t y p e a e 一字节( p 鼍筹导 t 字节臣垂亘亟叵国 扩展e x t e n s i o n 图2 1 以太网帧格式 若千兆以太网使用全双工模式，则站点不检测冲突，因为站点是独占信道的。此时 不必使用载波扩展，且站点是“天然”突发的，它的效率可以达到最大。 2 2 千兆以太网p h y 层结构 千兆以太网定义了四种物理介质：短波长( 8 s o n m ) 光纤、长波长( 1 3 0 0 h m ) 光纤、 短铜跳线、双绞线。相应的以太网标准分别是1 0 0 0 b a s e s x 、1 0 0 0 b a s e l x 、1 0 0 0 b a s e c x 、 1 0 0 0 b a s e t 。于兆以太网的结构见下图- 1 _ 1 。 r s p c s p h a p 加 h 旺) i 1 - p i r1 p 出1 5 00 h m4 一p 血 o p t i c s o l p t k ：j t l b l , u t e t d c “p 5u t p f f f 玉r c o p p e r c i b l l c o p p t r c g o l a 图2 2 千兆以太网p h y 结构 p h y 层又分为四个子层：调和子层( r s ) 、物理编码子层( p c s ) 、介质附属子层( p m a ) 、 介质相关子层( p m d ) 。除r s 子层外其它子层与介质有关，p c s 、p m a 有1 0 0 0 b a s e x 和 1 0 0 0 b a s e - t 两种。每种物理介质有各自的p m d 子层。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3r s 子层和g m i i 调和子层( r s ) 是m a c 和p h y 之间的接口“2 m ”“阱1 。r s 与m a c 之间通过p l s ( p h y s i c a l l a y e rs i g n a l i n g ) 服务原语通信：p l s d a t a r e q u e s t ( 发送数据) 、p l s _ d a t a i n d i c a t o r ( 接收数据) ，p l s _ s i g n a l i n d i c a t o r ( 介质冲突) 、p l s _ d a t a _ v a l i d i n d i c a t o r ( 数据有 效) 、p l sc a r r i e r i n d i c a t o r ( 载波) 。r 8 与p h y 之间是一个千兆介质无关接口g m i i ( g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n c ei n t e r f a c e ) 。g m l l 分发送、接牧、状态、管理四组，共 2 6 个信号。g m i i 信号和p l s 服务原语的对应关系见图2 3 。其中管理组信号m d c 、m d i o 无对应的p l s 服务原语，在m a c 或其它设备访问p h y 层寄存器时使用这些信号。i e e e 8 0 2 3 定义了标准的p h y 层寄存器此外不同的p h y 芯片可能还有一些辅助寄存器。用于管理和 控制p h y 芯片。 t x d t x e n p l s g m i i 发送 p l sd a t a r e q u e s t t xe r g t xc l k r x d p l sd a t a i n di c a t o r r x d v p l s g m i i 接收 p l sb a t av a l i d r x e r r xc l k p l s s i g n a l i n d i c a t o r c o l p l s ( c s m a c d ) 状态 p l s _ c a r r i e r i n d i c a t o rc r s m d c 网络管理 m d i o 图2 3g m i i 接口信号 2 41 0 0 0 b a s e - x 的物理编码子层p c s p c s 由p c s 发送、p c s 接收、同步、载波侦听、自动协商等部分组成“”叫“1 。”“”1 。p c s 与r s 的接口是g m i i ，p c s 与p m a 的接口是t b i ( t e n b i ti n t e r f a c e ) 。p c s 的主要功能是 编解码，原理框图见图2 4 。 1 0 0 0 b a s e x 采用8 b l o b 块编码，它是基于字节的、直流平衡的编码方案”。这种编 码是i b m 发明的，首先应用于i b m 的通信系统中，后来被光纤通道采用嘲。其优点是：高 转换密度( 每个码组有3 8 个转换点) 、游程短( 编码后的数据流的最大游程为5 ) 、无直 流分量( 编码后的数据流0 、1 个数相同) 。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 m i i ol t x d o ：7 r x d 0 ：7 c o lt x e n c r s r dd v t x e rr x e r g t x c l kr xc l k 载波检测 1r ，t 。l i 。 反坯 h 伎仪 上芊t 下 自动协商h 同步 t b i 、 r t x _ c o d e g r o u p 0 ：9 s i g n a ld e t e c t r x c 0 d e _ g r o u p o 图2 4p c s 子层 以太网中传输的信息以字节( 8 b i t ) 为单位，所以8 b i t 宽的块编码是一个合理的选 择。为了使数据能交流耦合到介质上，编码后的数据流应该无直流和低频分量时钟恢复 容易，且实现简单。 码流的直流和低频分量可以用“数字和差别”d s v ( d i g i t a ls umv a r i a t i o n ) 、游程 长度r l ( r u nl e n g t h ) 来衡量。在二进制情形下，“数字和”d s ( d i g i t a ls u m ) 就是码 流中“l ”的个数减“0 ”的个数的差；而d s v 是码流的d s 的最大值与最小值的差。r l 是 码流中同一符号相连出现时的符号数。 在规定了d s v 、r l 的上限后，信道容量也受到了限制。见表2 r ”。 表2 i 信道容量与d s v 、r l 的关系 r ld s v信道容量 2 50 6 5 5 35 0 。8 0 3 4 50 8 4 2 550 8 5 0 由表可知，即使采用r l = 5 、d s v = 5 的编码，8 b i t 数据经编码后，需要8 0 8 5 0 。l o b i t 第9 页 8 b l o b 编码有2 种，用于数据的2 5 6 个码组称为d 码组。另有1 2 个特殊码组用于控 制等功能t 称为k 码组。d 码组编码时，首先将8 个二进制位分力5 位和3 位两部分。这 样个d 码组可用d x y 表示，x 表示5 位数据，y 表示3 位数据，编码时分别迸行6 b 6 b 编码和3 b 4 8 编码。图2 ，5 描述了8 b 到i o b 的映射关系。 在r l = 5 、d s v = 5 的约束下的8 b i o b 编码有许多。选用5 b 6 b h - 3 b 4 b 分块编码的目 的是减少编码的复杂性。显然编码的复杂性与待编码的位数成指数关系。8 b l o b 编码也 可以用两个4 b s b 编码块合并而成，但4 b 5 b 编码的可用码组少，无法为控制信息分配编 码。 l i ao a 7 i o 一一 、i h l b l 一 c 2 c 5 b - 6 b 2 幸 d3 d e n c o d e r 3 ， e4 e 4 幸 l5 01 町了 f g 叫 e g 7 3 b - 4 b h8 h斗 e n c o d e r j 9 2 4 1 编码表 图2 58 b l o b 编码 在编解码过程中，有一个行程偏差( r u n n i n gd i s p a r i t y ) 位r d ，检查代码流中“1 ” 的个数比“0 ”的个数时多还是少。多时称r d 为“+ ”，少时称r d 为“一”。同时为每个6 b 码组和4 b 码组分配两个编码( 也可能相同) ，分别在r d 为“+ ”、“_ ”时使用。并重新计 算新的r d 值。 8 b l o b 编码由5 b 6 b 编码表和3 b 4 b 编码表组合而成。5 b 6 b 、3 b 4 b 编码表分别由 表2 2 、表2 3 列出。 表2 ，25 b 6 b 编码表 数据标号 数据b i tr d ( 一) 时编码r d ( + ) 时编码 d od 0 0 0 01 0 0 1 1 1o l l 0 0 0 o t 0 0 0 0 l0 i l l 0 1 1 0 0 0 1 0 ， d 20 0 0 1 0l o l l o l0 1 0 0 1 0 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 d 30 0 0 l l1 1 0 0 0 1 d 40 0 1 0 01 1 0 1 0 10 0 1 0 l o d 50 0 1 0 11 0 1 0 0 i d 60 0 1 l oo l i 0 0 1 d 7 0 0 1 “ 1 1 1 0 0 00 0 0 1 1 1 d 8 0 1 0 0 01 1 1 0 0 l0 0 0 1 1 0 d 90 1 0 0 li 0 0 1 0 l d 1 00 1 0 1 00 1 0 1 0 1 d 1 l 0 1 0 1 11 l o l o o d 1 20 1 1 0 00 0 1 1 0 1 d 1 3o l l o ll o l l 0 0 d 1 4 0 1 1 1 0o l l l 0 0 d 1 50 1 1 1 10 1 0 1 1 1i o i 0 0 0 d 1 61 0 0 0 00 1 1 0 1 l1 0 0 1 0 0 d 1 71 0 0 0 l1 0 0 0 1 l d 1 81 0 0 1 00 1 0 0 1 l d 1 91 0 0 l ll 1 0 0 1 0 d 2 0 1 0 l o o 0 0 l o l l d 2 ll o l 0 1l o l o l 0 d 2 21 0 1 1 00 1 1 0 1 0 d k 2 31 0 1 1 l 1 1 1 0 1 00 0 0 l o l d 2 41 1 0 0 01 1 0 0 1 l0 0 l l o o d 2 51 1 0 0 11 0 0 1 1 0 d 2 61 1 0 l o0 1 0 1 1 0 d k 2 71 1 0 1 l1 1 0 1 1 00 0 1 0 0 l d 2 81 1 1 0 00 0 1 1 l o k 2 8l l l o oo o l i l i 1 1 0 0 0 0 d k 2 9 1 1 1 0 ll o l l l o0 1 0 0 0 l d k 3 01 1 1 1 0 0 1 1 1 1 01 0