（电路与系统专业论文）025μm+cmos千兆以太网pma子层收发系统芯片设计.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 伴随着计算机数据通信业务的飞速发展，以太嘲技术已经在局域网的应用领 域占统治地位，并扩展到了城域网和广域网。 目前i e e e 对于千兆以太网有两个标准，分别是基于光纤( 单模或多模) 和 铜缆的全双工链路标准1 0 0 0 b a s e x ( i e e e 8 0 2 - 3 z ) 和基于非屏蔽双绞线的半双 工链路标准1 0 0 0 b a s e - t ( i e e e 8 0 2 3 a b ) 。 本论文在研究1 0 0 0 b a s e x 体系p m a ( p h y s i c a lm e d i 啪a t t a c h m e n t ) 予层 功能基础上，采用标准c m 0 s 工艺实现了单片集成的千兆以太网p m a 子层收发 系统芯片。芯片接收部分集成了时钟恢复和数据判决功能，串行1 2 5 g b p s 数据 信号经接j 二1 电路后先进行时钟恢复和数据判决，恢复出米的时钟和数据再被送到 一个包含码组对齐功能的1 ：1 0 串并转换电路，最终完成1 路1 2 5 g b p s 高速串行 数据到1 0 路1 2 5 m b p s 低速并行数据的分接。芯片发送部分则集成了时钟倍频电 路，完成将1 2 5 m h z 参考时钟倍频到1 2 5 g h z 和6 2 5 m h z ，这些时钟信号被提供 给1 0 ：1 并串转换电路，最终完成1 0 路1 2 5 m b p s 低速并行数据到l 路1 2 5 g b p s 高速串行数据的复接。时钟恢复和时钟倍频电路均采用了基于锁相环的电路结 构，而串并一并串转换电路则是综合了并行和串行结构优点的组合型结构。该收 发系统芯片实现了千兆以太网p m a 子层的全部功能，并且集成了一个伪随机序 列产生单元以便于芯片在晶圆测试。论文介绍了p m a 子层收发系统及各功能模 块的结构、工作原理、电路设计和芯片实现，是高速数据通讯收发器物理实现的 一个有益参考，同时也是采用标准c m o s 工艺实现全定制数模混合芯片系统的 一次成功实践。 收发系统芯片采用台湾t s m c 公司0 2 5 u m 双阱、一层多晶硅、五层金属混 合信号标准c m 0 s 工艺设计，芯片面积约为1 6 7 5 m m 1 7 7 5 m m ，在1 2 5 g b p s 串行数据速率时的功耗约为8 0 0 毫瓦。 关键词：千兆以太网收发器c m o s 串并一并串转换锁相环浆频鉴相器 压控振荡器时钟倍频时钟恢复数据判决伪随机序列 东南大学碗士学位论文 a b s t r a c t w j 巾t h br a p i dd e v e l o p m e to ft h ec o m d u 怡rd a 乜c o m m u n j c 耐0 n ，也ee m e m e t t e c l l l l o 】o g yh 鹊a l r c a d y s u c c e e d e di n c a p t u r j n gt h el 州a p p l i c a t i o n s ，a n d h a s e x d a n d e d t o m a n 姐d w a n a t p r e s e n t ，i e e eh a s d c v e l o p e d 船os t a n d a r d so f g i g a b i te t h c m c t ：1 0 0 0 b a s e ，x a 玎d1 0 0 0 b a s e 工t h ef 0 瑚e rd c 石n e si h cg i 眦i t 珊l c m e to v e r 舶e ra 1 1 dc 曲1 e ，a n d t h cl a t t c ro v e ru n s i l i e l d e dt w i s t e dd a j rw h c b a s e do n 出es t u d yo f 缸崩i o no fd l ep m af p h y s i c a lm e d i 脚a t t a c h m e n t ) s u b l a v e rd c f i n c di n1 0 0 0 b a s e x ，血i sd i s s e r t a t i o nm n sa n e 廿o n st oam o n o l i 血k t r a i l s c e i v c rc h i po ft h cg i 鳓i te m e r n e t ，i m p l c m e m c df ms t a 】m a r dc m o st e c h n o l o 舒 t b ef h n c 廿o n so fc l o c kr e c o v e r va n dd a t ar e g e n e r a i i o na r ei n c l u d e di nt 1 1 er e c e i v e ra n d 也et r 明s m m e rp o s s e s s e sa 矗q u e n c ym u l t i p l i e ra st ot l l er e c e i v e 岛f h ej n p u t12 5 g b p s s e r i a ib i n a r yd a t ai sd e s e d a l i z e di n t o1 0 口a r a i i e l1 2 5 m b p sd a t as t r c 锄d u 血l gt 1 1 e f b u o w i n gc o u r s e ：a r e rb u f r e r e di nt h ei n t e r f a c ec i r c u 如t h es e r i a ld a t ai st r e a t e dt o e x 垤a c tt h ec l o c ks i 鲫“a n dr e g c n e r a t em ed a 诅s i 阱a lf i r s t l y a n dt h e n 廿1 ee x t r a c t e d c l o c ka n d 血er e g e n e r a t e dd a 诅a r ei n p u 仕e di n t oal ：1 0d e s e r i a l i z e rw i 也ac o d eg r o u p a l i g n 】n 锄tf h n c 廿o n 、a n dt h e 托t l l ep a r “l e 】d a t as t r e a m sa r en m l e do u ta s 角ra s 吐i e t 础s m i 仳e ri sc o n c e r 眦d 吐l er e f e r e n c ec l o c ko f1 2 5 m h zi sm u l l i d l i e di m ot h o s eo f 1 2 5 g h za n d6 2 5 m h z ，t i mw l i c h 雠l o ：ls 刚a l i z e ri ss u p p l i e d ，w b e r e1 0p a r a l l e l 1 2 5 m b p sd a t a 眦e a m sa r cf i n “l v 拄a 工1 s f o r m e di 1 1 t 0a1 2 5 g b d ss e r i a lb i n a f yd a t a s t r e a m ，t h ec i r c l l l t so f d a t ar e c o v c r ya 1 1 d 丘e q u e n c ym u h i p l i e r 盯ec o m p o s e do fap l l 缸c h i t e c t u r e 。a n dm es e r i a l i z e ra l l dd e s e r i a l i z e rc h c u i t se m p l o vt h ec o m b h m t j o n so f s 商a l - a n dp a r a l l e l - t y p e ，w h i c h h o l d s t h cm o n 印o i n t so f 山e m t h ec m pi sc 印a b l eo f a c h i c v i n ga ut h e 劬1 c t j o n so fp m as u b l a v e la n dac j r c l d ti sh n e 盯a t e di nt 0p r o d u c e p r b su s e df o ro n - w a f c rr r l e a s u r e m e n t t h ed i s s e r t a t i o i n t r o d u c e st h ea 出t 。咖r e ，w o r k i r l 叠p n n c i p i 岛c i r c u 矗d e s i g a n d c h j pr e a l i z a t i o no rm et r a n s c e i v 缸i ti sab e n e 矗c i a lr e f e r e c e 【ot 1 1 ep h y s i c a l r e a l l z a t i o no ft h el l i 譬hs p e e dc o 咖u 工1 i c a t i o n 旺a i l s o e l v e ra 1 1 di ti sa l s oas u c c e s so r m i x e ds i 蟹a ls y s t e ms y n 血e s i z e dc u s t o l i z e di cw 1 山s l a d a r dc 【o st e c h n o l ( ) 肼 t h el t a n s c e i v 盯c h i p 诂r 曲t i c 乱e di nj i s m co 2 5 i i mm j x e ds j 譬n a l lp 5 m ( o n ep o l y a n d v em e t 出) s a i i c j d ec m o s 口r o c e s s ，1 6 7 5 m m 17 7 5 m mi 盯e aa n dp o w e r d i s s i d a t i o o f8 0 0 m wa lm eh i 2 h e s t _ b a u d t “e ( 瞰ap a h e m k e y w o r d s ：g i g a b ne t h e m e t ，t r a n c e e r ，c m o s ，s e r d e s ，p l l ，p f d ，v c o f r e q u e n c ys y n t b e s i z e r ，c l o c kr e c o v e r y ，d 舭ad e c i s i o n ，p r b s 第一章概述 第一章概述 本章主要介绍以太网技术的发展历史以及千兆以太网标准中和本次设计密切相关的 些内容。 1 1 以太网的产生、发展和现状帅，3 】 以太网技术从产生发展到现在经历了标准以太网、快速以太网、干兆以太网等阶段，目 前正在向万兆以太网迈进。 1 1 1 以太网的起源 在计算机的诞生初期，为了充分“榨取”计算机“强大”的计算处理能力( 那个时候计 算机都非常庞大且昂贵，任何机构都不可能让雇员个人使用单独的整个计算机) ，实验室环 境下大量采用主机一多终端模式。在这种模式下，主机被用来存储和组织数据、集中控制并 管理整个系统，各终端通过特殊的线缆连接到主机上，各自独立提出自己的计算需求；主机 通过特定的时分多任务机制完成各个终端提交的任务，并将结果回传终端，实现资源共享。 随着个人计算机( p c ) 的问世并b 速发展，诞生了分布式计算模式，计算机之间的数据共 享问题变得尤为重要。人们开始寻找各种有效的方法来实现计算机之间数据的共享，各种各 样的局域网技术就应运而生了。 以太网的起源可以追溯到上世纪6 0 年代末夏威夷大学的n o m a n a b r a f n s o n 及其同事研 制的一个名为a l o h a 系统的无线电网络口】。a l o h a 系统的核心思想是使用共享的公共传 输信道进行数据传输，而后来在以太网中广泛使用的c s m a c d ( 载波侦听多路接入肿突检 测) 协议的工作模式就是在此基础上演变而来的。 1 9 7 2 年，被誉为“以太网之父”的施乐f x e m x ) 公司p a r c ( t h e p a l o a l t o r e s e a r c h c e n t e l 帕洛阿尔托研究中心) 计算机科学实验室的b o bm e t c a l f e 博士在研究了a b r a m s o n 关于 a l o h a 系统的早期成果后发现，a l o h a 系统的效率可以通过优化提高到接近1 0 0 。于 是m e t c a l f e 和同事d a v j db o g g s 开始着手设计一套网络，期望将不同的a l l o 计算机系统连 接起米并给这个系统命名为a l t 0 a l o h a 网络。1 9 7 3 年5 月2 2 日，【丛界上第一个个人计算 机局域网a 1 t oa l o h a 开始运转，正是这一天m e t c a l f e 宣称他已将该网络改名为以太网 ( e t l l e m e t ) ，其灵感来源于物理学上曾经存在的“以太假说”。就这样，世界上第一个实验 室原型以太网系统就诞生了。p a r c 以太网以2 9 4 m b p s 的速度运行，用载波侦听技术替代 了a l o h a 的冲突重传，这种改进方案使网络的利用率提高了将近一倍。 到1 9 7 6 年队r c 实验型以太网网络已发展到l o o 个节点，并在【受达1 0 0 0 m 的粗同轴电 东南大学硕士学位论文 缆上运行。这年6 月，m e t c a l f e 和b o g g s 共同发表了“以太网：局域网的分布型信息包交换” 的著名论文。1 9 7 7 年底，m e t c a l f e 和他的合作者获得了“带冲突检测的多点数据通信系统” 的专利，多点传输系统被称为c s m a c d 。从此作为当今局域网主流技术的以太网就正式诞 生了。x e m x 在将以太网产品化时将它改名为x e m x w i r e ( 施乐线) ，直到1 9 7 9 年d e c 、i n t e l 和x e r o x 共同将此网络系统标准化时，7 又恢复了“以太网”这个命名，并沿用至今。 1 1 2 标准以太网技术 1 9 8 0 年9 月，d e c 、i m e l 和x e m x 公布了第三稿“以太网，一种局域网：数据链路层 和物理层规范，1 0 版”，这就是著名的以太网蓝皮书( d 8 0 ) ，也称为d ( 取三家公司名 字的首字母组成) 版以太网1 o 规范。d 开始希望阻太网能在2 0 m b p s 速率下运行，最后降 为1 0 m b d s 。到1 9 8 2 年，d t x 公布了以太网2 o 版规范。 在d i x 开展以太网标准化工作的同时，崛e e ( 电气和电子工程师协会) 组成一个定义 与促进工业l a n 标准、以办公室环境为主要研究目标的委员会8 0 2 委员会。1 9 8 1 年6 月，i e e e 8 0 2 委员会决定成立8 0 2 3 工作组，毗研究基于d t x 工作成果的国际公认标准。1 9 8 3 年，此前由1 9 家公司提出的i e e e 8 0 2 - 3 草案最终以i e e el o b a s e 5 标准面世。i e e e8 0 2 3 与d i x 以太网2 o 在技术上是有差别的，但差异甚微。今天的以太网和i e e e8 0 2 3 可以认 为是同义词。后来美国政府和国际标准化组织均接纳了l e e e8 0 2 3 标准，至此，e e8 0 2 3 正式得到国际上的认可。 1 9 8 5 年，i e e e 将此前由3 c o m 、i c l ( 国际计算机有限公司) 、h p 等提交的细缆以太网 概念以1 0 b a s e 2 承认为官方标准。1 0 b a s e 2 是为降低1 0 b a s e 5 的安装成本和复杂性而设 计的，它使用廉价的r g 一5 8 型5 0 q 柔性强的细同轴电缆、总线型拓扑结构。与1 0 b a s e 5 相比，l o b a s e 2 更容易安装，更容易增加新节点，能大幅降低成本。 接下来，研究人员又将兴趣扩展到了烈绞线。1 9 8 3 年底，i n t e l 、a t & t 和n c r 公司开 始合作研究在非屏蔽双绞线( u r p ) 上运行以太刚。他们决定采用类似于电话布线结构的星 形结构，因为这种结构的优点是显而易见的：便于安装、配置、管理和查找故障；组网简单； 成本较低。后来又有多家公司加入到u t p 以太网的研究中来。最终1 0 家公司决定执行l m b p s 以太网，并与i e e e 进行协商，成立了s t a r l a n 任务组进行标准化工作。到1 9 8 6 年，作为 e e8 0 2 3 新标准的1 b a s e 5 被批准实施。1 b a s e 5 一般被称为s t a r l a n ，它是一种采用星 形结构、运行在3 类双绞线上的低速以太网。许多厂商认为1 m b p s 以太网是一种技术的后 退，而且此时i n t e l 的3 2 位c p u8 0 3 8 6 的出现使得s t a r l a n 再也不可能获得工业界和市场 的支持。虽然s t a r l a n 最终消失了，但是作为非屏蔽双绞线和星形以太网的开拓者，其功 绩是不可磨灭的。 1 9 8 6 年，s ”o p t i c s 公司开始研究在u t p 电话线上运行1 0 m b p s 以太网。名为l 甜i s n e t 的s y n o p t j c s 的第一个1 0 m b p s 以太网产品于1 9 8 7 年8 月正式投放市场。儿乎同时，i e e e 8 0 23 工作组开始讨论在u t p 上实现1 0 m b p s 以太网的最好方法，最后确定以h p 多端口中 2 第一章概述 继器方案和改进型的l 甜i s n e t 技术为基础进行标准化。1 9 9 0 年，新的i e e e8 0 2 3 i ( 1 0 b a s e 。t ) 标准正式确立。 早在1 9 8 5 年，i e e e 官方还公布了i e e e8 0 2 3 b ，定义了1 0 b r o a d 3 6 技术。1 0 b r o a d 3 6 是i e e e 定义的唯个基于c s m a c d 访问协议的宽带传输方式以太网技术。它使用现在 的有线电视( c a t v ) 系统中使用的7 5 q 同轴电缆。与基带传输方式的以太网技术不同，在这 种宽带传输方式中曼彻斯特编码信号经过射频调制解调器调制成n r z 信号在信道中传输。 光纤在8 0 年代初期开始引起世界的瞩目，而c s m a 型信号不久就被证明能够在光纤上 传输，于是，x e m x 公司决定研究在光缆上运行的以太网。他们发现以太网的确能够在光缆 上运行，但是只能是星形结构而不是典型的以太网总线拓扑结构。此后价格低廉的u t p 以 太网吸引了更多的注意力，因为在l o m b p s 速率下u r p 完全能够胜任工作。1 9 8 7 年，i e e e 8 0 2 3 d 标准被确立，定义了f o i r l ( f i b e ro p t i ci n t e rr e p e a t e rl l n k ，光纤中继问链路) 。实 际上f o r l 并不是以太网，它只是将不同的以太网连接起来使之能够运行在1 0 m b p s 速率 上。1 9 9 3 年，i e e e 公布了8 0 2 3 i ，其中定义了1 0 b a s e f l 、1 0 b a s e f b 和1 0 b a s e f p 三 种标准。1 0 b a s e - f 技术都采用光纤作为传输介质、半双工工作模式，将以太网的最长传输 距离扩展到2 k m 。 1 1 3 快速以太网技术 在常规共享介质以太网中，所有用户使用单条共享介质，在技术上不可能同时发送和接 收数据，只能以半双工模式工作。随着信息技术的发展，标准以太网技术已难以满足日益增 长的网络数据流量需求。1 9 9 3 年以前，在1 0 m b p s 以上速率的l a n 应用场合光纤分布式数 据接口( f d d i ) 是唯一的选择。但是f d d i 的价格非常昂贵。1 9 9 3 年，k a l p a n a 发明了全双 工以太网。这是以太网发展史上的重大突破之一。全双工模式可以同时发送和接收数据，在 理论上可以使传输速度翻一番。 1 9 9 2 年，从事设计、建造和经销高速以太嘲装置的g r a l l dj u n c t i o n 公司正式成立并开始 研制1 0 0 m b p s 以太网。消息传开后，义有更多的公司投入到快速以太网的研制中来。同在 1 9 9 2 年，i e e e 8 0 2 工作组召开全体会议，其中一项议程就是高速以太网。两个技术方案被 提出：一个方案来自g r a n dj u n c d o n 公司，该方案建议保留现行的以太网协议，此方案得到 3 c o m 、s u n 和s y n o p t i c s 等公司的支持；另一个方案来自h p 公司，该方案建议采用l o o m b p s 传输速率的全新腑优先级请求m a c 协议。此后双方展开了持久的争论，i e e e 一直未能给 快速以太网确立标准，这直接导致了g r a n dj u n c t i o n 等公司另起炉灶成立“快速以太网联盟 ( f e a ) ”以加快快速以太网标准化的步伐。 1 9 9 3 年1 0 月，f e a 公布了它的1 0 0 b a s e x 互操作规范，这就是现在的1 0 0 b a s e t x 。 同月，g r a n dj u n c t i o n 公司推出了世界上第一个快速以太网集线器和网络接口卡。随后，i n t e l 、 s y n o p t i c s 等公司也推出自己的快速以太网产品。与此间时，崛e e8 0 2 _ 3 工作组制定了 1 0 0 m b p s 以太网的其它各种标准，如1 0 0 b a s e t 4 、m i i 、中继器、全双工等标准。1 9 9 5 年 3 东南大学硕士学位论文 3 月，i e e e 公布了i e e e8 0 2 3 u ，确立了1 0 0 b a s e t 标准，快速以太网时代正式到来。几 个月后，f e a 宣布工作结束，正式解散。 1 0 0 b a s e - t 包括1 0 0 b a s e - t x 、1 0 0 b a s e f x 和1 0 0 b a s e _ t 4 ，它们都包含了早期以太 网技术中使用的m a c 层协议c s m a c d 。 1 0 0 b a s e t x 是种使用5 类u t p 的快速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于 发送数据，一对用于接收数据。它在传输中使用4 b 5 b 编解码，支持全双工模式。它使用 和1 0 b a s e - t 相同的r j 4 5 连接器，支持的最大网段长度为l o o m 。 1 0 0 b a s e f x 使用光纤作为传输媒介，可使用单模和多模光纤。它在传输中使用4 b 5 b 编解码，支持全双工模式。它的最大网段长度为1 5 0 m 、4 1 2 m 、2 0 0 0 m 或更长至1 0 k m ，这 与所使用的光纤类型和工作模式有关。1 0 0 b a s e x 特别适合于有电气干扰的环境、较大距 离连接或高保密等场合。 1 0 0 b a s e t 4 是一种可以使用3 、4 、5 类u t p 或者s t p ( 屏蔽敢绞线) 的快速以太f 刚支 术。它使用4 对双绞线，其中3 对用于传输数据，一对用于检测冲突信号。它在传输中使用 8 b 6 t 编解码，支持半双工模式。它使用和1 0 b a s e t 相同的r j 一4 5 连接器，支持的最大网 段长度为1 0 0 m 。 快速以太网相比于f d d i 有许多优点，最重要的一点是快速以太网可以有效控制实现成 本，因为它支持3 、4 、5 类双绞线以及光纤连接，可以直接使用现有的布线基础设施。快速 以太网最大不足就是基于载波侦听多路访问和冲突检测( c s m a ，c d ) 技术，在网络负载较 重时会造成效率的降低，这也是蛆太网技术的不足。不过，这个缺点可以使用交换技术来弥 补。 1 1 4 千兆以太网技术 随着以太网技术的不断应用和发展，企业、学校等中小型局域网用户对网络连接速的要 求越来越高。1 9 9 5 年】月，伍e e8 0 23 工作组成立了一个高速研究小组，负责研究千兆以 太网，制定相应的标准。很快，一些快速以太网原来的支持者和某些新的追随者成立了“千 兆位以太网联盟( g e a ) ”。以太网在发展到千兆以太网阶段得到了前所未有的关注。 1 9 9 8 年7 月，l e e e 标准大会公布的由i e e ep 8 0 2 3 z 干兆以太网特别工作小组( 匝e e p 8 0 23 zg i g a b i tt a s kf o r c e ) 完成的i e e e8 0 2 3 z 标准定义了千兆以太网1 0 0 0 b a s e x 体系结 构。为了充分利用已经广泛安装使用的五类u t p 电缆，i e e e 于1 9 9 9 年6 月又增加了 1 0 0 0 b a s e t 标准。按照物理层传输媒质的不同，1 0 0 0 b a s e x 又分为l o o o b a s e s x 、 1 0 0 0 b a s e l x 和1 0 0 0 b a s e c x 。它们的主要特点见表1 1 。 千兆以太网与标准以太网和快速以太网有很好的向下兼容性，它仍然采用和标准以太网 相同的帧格式、帧结构、c s m a c d 协议、全双工，半取工工作模式、流控制模式以及布线系 统。用户升级到干兆以太网可以不改变传统以太网的桌面应用、操作系统、网络应用程序和 刚管部件，能够最大程度的保护既有投资，以太网技术已经成为局域网应用的首选技术。 4 第一章概述 表1 1 千兆以太网标准 最小传输距离编解码方是否支持 技术标准传输媒质 ( 米)工l全双工 短波长激光器物理层2 路多模 1 0 0 0 b a s e s x2 5 5 08 b ，1 0 b 是 光纤 眭波长激光器物理层2 路单模单模：2 5 0 0 0 1 0 0 0 b a s e - l x8 b ，1 0 b 是 或多模光纤多模：2 5 5 0 1 0 0 0 b a s e - c x1 5 0 n 屏蔽双绞线( s t p )0 1 2 58 b ，1 0 b 是 l o o o b a s e - t4 对5 类非屏蔽烈绞线( u t p )1 0 0 p a m 5 是 1 1 5 万兆以太网技术 1 9 9 9 年底，t e e e8 0 2 3 a e 工作组成立，开始万兆以太网技术的研究。2 0 0 2 年6 月，万兆 以太网标准i e e e8 0 2 3 a e 正式发布。 万兆以太网技术作为最先进的高速以太网技术，与以前几代以太网除了速率上提高了数 倍之外，还有两个最大的不同：完全摈弃半双工模式只支持全双工模式，不再考虑铜介质双 绞线或者同轴线作传输媒质而只支持咀光纤作为传输媒质。既然这样，万兆阻太网理所当然 不再需要c s m a c d 协议。 然而万兆以太网仍然是以太网技术的一种，继承了时代以太网的诸多特性，同样采用 i e e e 8 0 2 3 以太网媒体访问控制( m a c ) 协议、帧格式和帧长度。 万兆以太网中标准m a c 层数据速率为1 0 g b p s 。m a c 层亦可通过动态调整帧间距，去 除冗余的i p g ( h n e rp a c k e tg 印) ，将数据速率从1 0 g b s 调整为9 2 9 g b s 以满足w a n 系统中 的应用。万兆以太网根据实现方式、编解码形式以及应用场合的不同分别定义了1 0 g b a s e x ， 1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 二种体系结构，并对七层协议中的各子层次进行了有益的扩展。 1 0 g b a s e x 、1 0 g b a s e _ r 和1 0 g b a s e w 的p m a 子层数据速率分别为1 2 5 g b p s 、1 0 3 g b p s 和9 9 5 g b p s 。前两者用于l a n 中，后者则应用在w a n 中。 虽然以太网在局域网中占有绝对优势，但是很长一段时间以来，人们普遍认为以太网不 能适用于城域网。主要原因有两个，一是以太网用作城域骨干网带宽太低。即使是干兆以太 网链路在当前1 0 m 以太网到用户桌面的环境下，作为汇聚也是勉强，作为骨干网则更是力 所不能及。二是以太网传输距离过短。无论是1 0 m 、1 0 0 m 还是千兆以太网，由于信噪比、 碰撞检测、可用带宽等原因双绞线传输距离都只有1 0 0 m ；而使用光纤信道时的最长传输距 离受光纤的损耗和色散等所制约。然而万兆以太网技术的最终确定吹响了以太网技术向城域 网进军的号角。 现在正当人们正在讨论着下一代光纤主干网网络带宽究竟是该采用4 0 g 还是1 0 0 g 的时 候，关心以太网技术的研究人员也在酝酿着以太网技术的下一个目标究竟是4 0 g 以太网还 东南大学硕士学位论文 是l o o g 以太网，6 ，7 ，”。c i s c o 公司宣称他们的c a t a l y s t6 5 0 0 旗舰级企业交换平台目前已可 以为每一接口卡提供4 0 g b p s 的数据传输速率支持【9 1 0 1 2 千兆以太网协议【3 】 1 2 1 千兆以太网体系结构 如前文所述，针对不同的传输媒介i e e e 先后定义了两个不同的千兆以太网技术标准： l o o o b a s e x 和1 0 0 0 b a s e t 。它们的分层体系结构与i s o ( 国际标准化组织) 定义的o s i ( 开放系统互连) 7 层网络参考模型的对应关系如图1 1 所示。 应用层 ， 表示层 ， 会话层 ，夕 传输层 ，7 网络层 ， 数据链路层 物理层 o s i 参考模型 1 0 0 0 b a s e xl o o o b a s e l 图1 1 千兆以太网分层体系结构 千兆以太网标准中只定义了对应于o s i 参考模型中的第一层物理层和第二层数据链路 层。数据链路层主要由l l c 控制层和m a c 控制层构成。物理层主要包括：r s 适配子层( r s ) 、 干兆位介质无关接口( g h _ i ) 、物理编码子层( p c s ) 、物理介质连接子层( p m a ) 、物理介 质相关子层( p m d ) 和自动协商子层( a u t o n e g ) 、介质相关接口( m d i ) 。在以太网技术 中，一般义用唧表示以太网的物理层设备，它包括以太网体系结构中的p c s 、p m a 和 p m d 子层。p h y 通过物理连接介质( 光纤或铜线) 与m a c 层相连。 本论文的研究主要集中在使用光纤作为物理连接介质的1 0 0 0 b a s e x 标准。i e e e8 0 23 z 对1 0 0 0 b a s e - x 体系结构中各子层的功能作了详细的描述。 r s 子层完成gm 【r 接口的通路数据和相关控制信号与物理层原语信号之间的相互映射。 g m i i 接口支持1 0 0 0 m b 口s 速率的操作，提供数据和定界符与参考时钟之间的同步，为任意 千兆位以太刚物理设备提供统一字节宽度( 8 位) 的物理接口( 包括接收和发送数据途径) ， 提供全双工操作支持，并且信号电平与普通的c m o s 数字a s i c 工艺和某些双极性工艺兼 容。 p c s 子层完成g m i i 接口和p m a 子层之间8 b l o b 编解码，实现两者之间的正常通信。 连接到半双工用户物理连接时，p c s 子层为半双工用户提供载波侦听和冲突检测。p c s 子 层还包括自动协商机制，它能连接初始化时自动判断工作模式是全双工还是半双：巳能自动 判断网络连接速度是l o m b p s 、1 0 0 m b p s 还是1 0 0 0 m b p s ，完成流控制。8 b l o b 编码产生了 6 第一章概述 2 0 的编码开销，因此千兆位以太网物理层实际上是以i 2 5 g b p s 的速率发送和接收串行数 据信号。 p m a 子层完成1 0 路1 2 5 m b p s 并行数据和一路】2 5 g b p s 串行数据之问的相互转换。并 串转换时需要将p c s 子层提供的1 2 5 m h z 参考时钟倍频到1 2 5 g h z 高速时钟，串并转换时 需要从p m d 子层传过来的1 2 5 g b p sn r z 串行数据信号中提取1 2 5 g h z 的时钟信号。 p m d 子层完成电信号和光信号之间的相互转换，定义了千兆以太网使用的光纤介质、 激光驱动器和光电检测器等相关规范。 m d i 接口是传输媒质和物理层之间的机械和电气接口。 1 2 2 以太网帧格式 在以太网中，发送端传送数据之前必须首先进行一个特殊的称为“打包”的过程。打包 是指按照以太网协议，将要传送的数据分成一段段| 古| 定长度的较小的部分以便于网络传输和 控制的过程。随着数据流从应用层到网络层流经o s i 各层时，数据会被逐步打散，j ：被依 次连续放入精心安排的字节分组中。字节分组到达数据链路层时，再在那里被封装进称为 “帧”的特殊分组中。而在接收端，所有的打包步骤要反转过来进行以便从数据帧里重新获 得原始信息。前面说过，千兆以太网仍然采用和前代以太网相同的帧结构和帧格式。 帧是以太网标准的核心，它是为了数据交换而采用的一种统一的约定。帧格式是固定的， 所有以太网的数据传送和操作都要依据这个格式考虑。8 0 2 3 标准对帧的定义是保证以太网 装置之间互连可操作性的基本组成部分。 这里讨论的帧格式都要经过物理层的进一步封装，包括数据流开始和结束的定界符、空 闲信号等。这些都与特定的物理实现有关，不在本次设计考虑范围内。本论文只关心和收发 系统设计相关的概念。 以太网帧由一串字节组成，它们被安排进很特殊的字段或段落中，如图1 2 所示。这些 段落包括一个表示数据链路层帧开始的前导码( p r e a i n b l e ) 字段和一个字节长度的帧起始定 界符( s f d ) 、一个分别表示目的地址( d a ) 和源地址( s a ) 的地址字段、一个短的艮度 和类型区、一个长度可变的数据区和一个帧校验序列( f c s ) 。因此，由o s i 各层打散的用 于通过网络传输的比特，将作为一个大的数据单元，由接收的o s i 各层重新组成相同的可 识别的数据单元。 帧中的第一个域称为前导码( p r e a m b l e ) ，它包含7 个字节。8 0 2 _ 3 前导码被定义成5 6 个重复的“1 0 ”码。 紧接着前导码的一个字节是帧起始定界符( s f d ) ，被定义成：1 0 1 0 1 0 1 1 。它表示一个 以太网帧的起始点。 目的地址( d a ) 字段用于帮助每个设各确定帧要传送到的目的站点。d a 可进一步分 成两部分，使得它对于每个设备是唯一的。这两部分包括唯一组织识别符( o u t ) 和唯一设备 t d 。i e e e 给每个生产以太网设备的厂家分配一个专门的o u i ，例如t b m 、c i s c o 和3 c o m ， 7 东南大学硕士学位论文 他们分别都有多个不同的o u 。因此，厂家一般把唯一设备识别符和公司的0 u l 台在一起， 在工厂里完成d a 。这两部分确保世界上没有两个以上以太网设备会偶尔出现相同的目的地 址。因为d a 是完整的，所以把它称为物理地址或m a c 地址。d a 可以是单播地址( 单个 目的地址) 也可以是组播地址( 组目的地址) 。 7 字节 l 字节 6 字节 6 字节 2 字节 4 6 1 5 0 0 字节 4 字节 鎏蒸豢耩蒸鬻蒸器摹氟霪麟爆豢荔篱 煮# 女藏。* ；。蒜曩j ，熬崩。i 帧起始界定符 蓥凄* 鎏瓣溪鉴爹爹i 源地址 蠡舞篆黼爨黧，豢豁 数据 娄豢鏊鞴蒺豢粪 l s b 工工工 m s b b o b 7 器藉争低位到高位传送 帧 掌 节 按 垫 到 下 厚 传 送 图1 28 0 2 3 以太网帧结构 d a 区后是源地址区( s a ) 。s a 格式上与d a 一致，只是在帧中出现的位置不同。它用 于确定帧来自什么地方，阻便帧出错或出于某种原因需要和源设备联系时使用。s a 通常是 单播地址( 这时候第一位是0 ) 。 夹在s a 和数据字段之间的是一个称为“长度类型”字段的小字段。这个字段的信息 一开始用来让所遇到的硬件识别帧中所用协议的类型。后来，i e e e8 0 2 3 委员会把这个字段 改成只是帧或分组实际的长度。委员会决定，长度指示冗余可作为另一种方法来保证帧的完 整性。在千兆以太网中，如果这个字段的数值小于1 5 0 0 ，那它表示的是长度字段；如果数 值是1 5 3 6 或更大，那它表示的是类型字段。 最长而且显然也是最有用的字段是数据字段。用户数据和其它内部信息封装在这部分 里。这个字段限定为4 6 1 5 0 0 字节。固定的最大帧长有利于差错控制。在丢包或发现包中有 误码等少有事件中，需重传的数据量较少。固定最短包长与历史原因有关，涉及c s m a c d 的定时特性。比最短长度还短的包要补齐直至它们达到最短的长度。 帧的最重要的特性之一是它要能指示在编码序列中是否产生了误码。在以太网中，帧校 验序列或f c s 提供误码指示，出现在帧的最后。f c s 是从d a 开始到数据域结束这部分的 8 第一章概述 校验和。校验和的算法采用3 2 位循环冗余校验算法( c r c ) 。在收到一个新帧时，以太网接 收装置对接收帧做c r c 校验运算，把结果和本地值( c r c 多项式) 作比较，并确定是否产 生了任何误码。 1 2 3 千兆以太网工作模式和c s m 刖c d 1 、半双工千兆以太网 图1 3c s m a c d 操作流程( 传统半双工操作) 从某种角度来说，以太网是指以c s m a c d 作为m a c 算法的一种局域网。m a c 算法 是为了协商两个或者两个以上的站点同时使用一个共享信道时的访问。c s m a c d 提供了一 种极其简单的算法可以在多个以太网设备之间进行信道使用仲裁，而不需要中央控制设备。 i e e e8 0 2 3 z 中用p a s c a l 语言对c s m a c d 算法细节和操作过程进行了精确的描述，图1 3 是它的一个简化流程。 不难想象，以c s m a ，c d 作为m a c 访问控制机制意味着在最小帧长度和网络的最大传 播延时之间存在密切联系。为了正确完成c s m a c d 控制，必须限制网络的规模以获得一个 有限的最大传播距离。 9 东南大学硕士学位论文 这样一来，千兆以太网技术遇到了一个主要挑战：在半双工模式下提供足够大的网络传 播宜径，这在很大程度上决定了间隙时间( s l o t t 皿e ) ，它是c s m a c d 介质访问控制机制中 很重要的组成部分。千兆以太网中一比特的占用时间是快速以太网中的十分之一。如果这个 时间预算不改变，则千兆位以太网的最大冲突域直径应大约是快速以太网的十分之一( “冲 突域”是指一个由两个节点同时发送数据引起冲突的网络) 。例如，基于双绞线介质的快速 以太网系统最大冲突域直径大约为2 l o m ，千兆以太网则为2 0 m 。千兆以太网为了支持足够 大的半双工网络半径采用了载波扩展( c a r r i e re m e n s i o n ) 和帧突发( 开a m e b u r s t i n g ) 等技术。 为了与前代以太网最小帧长度兼容，载波扩展技术不改变最短数据帧的长度，但对长度 小丁二5 1 2 个字节f 4 0 9 6 位时间) 的帧加入载波扩展部分，使其在介质上停留的时间相当于5 1 2 个字节的帧所占刷的时间。载波扩展是基于物理信号系统能发送和接收非数据符号，非数据 符号的信号编码方案使这些非数据信号能够作为载波扩展位。6 4 个字节的最小尺寸帧带着 4 8 8 个扩展字节在千兆位以太网信道上传送，产生一个长度为5 1 2 字节的载波信号。任何小 于5 1 2 字节的帧都将被扩展成能提供5 1 2 字节时间( 但不能超过) 的载波。图1 4 分别给出了 载波扩展和非载波扩展的以太网帧。 p p 一s - z 字节时隙- 1 8 ；6 6 2 t 4 64 9 绰 4 *4 蚰1 前导码s f d目的地址源地址长度类型数据 晒震鞫 卜一默雾赢长- 1 载波扩展帧( 6 4 _ 5 “字节) 畔t6 *6 字2 宇d 9 d 】5 0 0 ；节4 i 前导码s f d 目的地址源地址长度类型数据f c s 非载波扩展帧偿5 1 2 字节) 图1 4 载波扩展和非载波扩展的以太网帧 载波扩展是扩大冲突域直径的一种简单方法，但它在传送短帧时带来了相当大的开销降 低了信道的利用效率。同时，载波扩展增加了6 4 5 1 2 字