（电磁场与微波技术专业论文）10gbs+ethernet收发模块研究.pdf

摘要 本论文主要研究以太网新技术1 0 g 以太网的收发模块原理和应用，论文的 主要内容包含如下： 第一章介绍了以太网的关键技术和发展以来的技术改进。以太网从初始的 3 m b s 发展到现在的1 0 6 b s ，中间经过了很多技术改进和完善，网络结构也在 不断变化，以太网存在的现状是多种规模的网络共存，半双工与全双工共存， 并从局域网应用逐渐走向城域网和广域网。 第二章分析了万兆以太网的网络结构，比较了与千兆以太网不同的地方， 特别是一些关键的接口，重点比较物理层实现方式，并在帧格式，m a c 的工作速 率及适配策略方面也进行了分析。最后结合应用，介绍了物理层收发模块种 类，i 0 6 以太网既可作为l a n ( 局域网) 也可作为w a n 使用，而l 川和w a n 之间 由于工作环境不同，对于各项指标的要求存在较大的差异。 第三章结合实际工作主要介绍1 0 6 以太网物理层收发模块的种 1 0 g b a s e l r ，首先利用1 0 g b r t s 以太网物理层标准制定委员会确定的1 0 g 以 太网链路模型进行了功率预算分析，这是设计中选择光器件的必要前提工作， 然后介绍了x e n p a k 多元协议中对这种收发模块的一些物理和逻辑方面的要求， 最后在前面理论基础上提出具体设计选择器件方案。 第四章介绍另一种以太网应用的新技术e p o n ，即以太网技术在接入网领 域的应用，简单介绍了e p o n 的发展由来，技术原理。并结合所作工作介绍了 e p o n 设备的测试指标和测试方法。 关键词：1 0 g 以太网，物理层，收发模块，e p o n a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a j o r si nt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no ft h e1 0 g e t h e r n e tt r a n s c e i v e r ，i t sm a d eo ff o u rc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rr e v i e w st h eh i s t o r yo ft h ee t h e r n e tf r o m1 9 7 3 t ot h is d a y s m a n yt e c h n i c a li m p r o v e m e n t st a k ep l a c ea n dt h en e t w o r k c o n f i g u r a t i o nc h a n g e sal o t n o we t h e r n e ti su s e di nm a n gk i n d so f s c a l e ，a n dh a sb o t hf u l ld u p l e xn e t w o r ka n dh a l fd u p l e xn e t w o r k e t h e r n e ti sg o i n gf o r w a r df r o ml a nt ow a na n dm a n t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o no ft h e 1 0 ge t h e r n e t ，c o m p a r e st h e1 ge t h e r n e ta n dt h el o ge t h e r n e te s p e c i a l l y s o m ep i v o t a li n t e r f a c e s i te m p h a s i z e st h ep h yl a y e r ，a n da n a l y z e s f r a m e w o r ka n dm a cl a y e ro p r a t i o nr a t e s t h et h i r dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e sl o g b a s e l r o n eo ft h e1 0 g e t h e r n e tp h y s f i r s t l yc a l c u l a t e st h ep o w e rb u d g e tb a s e do nt h e1 0 g b e 1i n km o d e l ，s e c o n d l yi n t r o d u c e ss o m er e q u i r e m e n t so ft h ex e n p a k m s a f i n a l l yp u t sf o r w o r dt h ed e s i g np r o j e c t t h ef o u t hc h a p t e ri n t r o d u c e sa n o t h e rn e wt e c h n o l o g yo fe t h e r n e t e p o n ，i n c l u d e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h e o r y i ta l s oi n t r o d u c e st e s to f t h ee p o ne q u i p m e n t k e y w o r d s ：l o g b i t se t h e m e 4 p h y l a y e r ，t r a n s c e i v e r ，e p o n 第一章绪论 1 1 序言 随着网络应用的快速发展，高分辨率图像、视频和其他太数据量的数据 业务都需要在网上传输促使对带宽的需求日益增长，并对计算机、服务器、 集线器和交换机造成越来越大的压力。 这些应用很多都需要在网上传输大型文件。用户为了作报告或者分析 需要访问一些企业数据。作为用户对数据进行访问的一种方式，数据仓库的应 用非常广泛。这些数据仓库可能由分布在数百个平台上，可让成千上万个用户 访问的吉字节或者千吉字节数据组成，它们必须经常更新从而为用户提供最接 近实时的数据，以用于重要事务的报告或分析。在很多需要将企业数据存储起 来的行业，对服务器和存储系统进行网络备份是经常的事情。这种备份通常需 要在某个固定时间段( 4 到8 小时) 进行高带宽传输。它包括分布在整个企业 的数百个服务器和存储系统中的吉比特或千吉比特的数据。 由于这些应用需要对计算机更太程度的带宽共享，因此网管员必须把其 网络中的关键部分升级到可提供更高带宽的网络上。 在目前可用的高速以太网技术中，快速以太网或l o o b a s e - - t 已经成为最 优的选择。快速以太网技术建立在l o b a s e - - t 以太网之上，它提供了一种向 l o o m b p s 带宽平稳过渡的方式。然而，随着使用l o o b a s e - - t 连到计算机和服务 器的用户逐渐增多，出现了一种很明显的需求，也就是要求在骨干网和服务这 一级提供更高的速率。从理想上来说，这样的技术还应该提供一种平滑的升级 方式费用合理且不需要进行再培训。 因此最好的解决方案就是l o g 以太网。它为目前的以太网设备提供了 一种简单的升级途径在现有的终端工作站、管理工具和培训之间达到一个均 衡。1 0 6 以太网使用与原有网络同样的帧格式和帧大小。对于用户数量较多的 网络而言，这意味着他们现有的网络投资只需要一些合理的花费就可延伸到 1 0 g 以太网，而不需要重新培训技术支持人员和用户，也不需要额外的协议栈 和中间设备。 d 由于i o g 以太网具有这些特点，所以它可作为在l o l o o b a s e - - t 交换机 问的一种理想骨干互联网，也可作为一个到高性能服务器的连接。当未来台式 机需要的带宽比l o o b a s e - - t 所能提供的带宽还要高时，l o g 以太网还可作为一 种有效的升级途径。 1 2 以太网技术简介 1 2 i 以太网网络结构 8 0 2 3 以太网标准位于i s 0 o s l 7 层标准参考模型的第1 层( 物理层) 和第2 层( 数据链路层) 。图卜l 给出了i s o 参考模型和实际以太网节点实现之间的关 系。一个咀太网节点通常是指一个以太网站点( 或者是端节点) ，而8 0 2 3 标准 则统一称之为d t e ( 数据终端设备) 。无论术语如何称呼，他都是指任何一台网 络计算机设备中的以太网系统硬件部分。这里的网络计算机包括个人电脑，文 件服务器，大型计算机或打印机等等。 物理信号( p l s ) 和接入单元接口( a u i ) 子系统用于支持m a c 层和介质接 入单元( m a u ) 之间的信号模式。m a u 负责和某一特定介质之间的物理电气接 口。应注意的是，尽管被认为是物理层( p h y ) 的一部分，p l s 功能通常和m a c 功 能在起被实现。a u i 提供了一个明确的接口使得一个特定的电缆和连接器可用 于把p l s 功能和姒u 连接起来。这使得m a c p l s 可以远离m a u ，从而也远离网络介 质。 介质存取控制( m a c ) 子层和物理层( p h y ) 主要由芯片直接实现，从许 多半导体公司都可以获得这种实现。逻辑链路控制( l l c ) 子层和( 雌c ) 一起 构成了数据链路层( d l l ) ，l l c 通常睛况下由软件实现，与上面各层相类似。 早期的芯片解决方案被典型地分解成三个功能集成电路( i c ) 。随着技术的进 步可以将系统接口，m a c 和p l s 部件集成到一块芯片中，让a u i 去连接合适的 m a u 。现在的高级芯片已可以集成所有m a c 和p h y 的功能，并带有对l l c 功能的硬 件支持。在许多这种类型的实现方案中，已经不再提供外露的a u i 连接。与此相 反，a u i 仅仅在概念中存在，整个以太网节点硬件可以被集成到个集成电路封 装中。 o s i ? 层 参考模型 应用层 采示层 i e e 朗0 2 3 c 鼬 ，c d 模型 台话层 更高层 传输层 逻辑链路控制层( l l c ) 介质存取控制层( h a c ) p l sr sr s 同路层 j i ll f ll ，j l l 眦i l a u l p c s p c s p 毗 p m l l p 如 p h y 物理层 l 蹦 哪 自动协商 p d i 脚i iil 唧i j 1舟质1介质 介质 i o f o s 图1 一lo s i 和i e e e 参考模型之间的相互关系 介质存取控制( m a c ) 予层： m a c 子层负责执行c s m a c d 协议。c 子层的主要任务有： 1 发送和接收数据封包 a 帧处理( 帧定界，帧同步) b 寻址( 源地址和目的地址处理) c 错误检测( 物理介质传输错误) 。 2 介质存取控制 a 介质分配( 冲突避免) b 竞争化解( 冲突处理) 物理信号( p l s ) 规范： p l s 功能虽然是物理层( p h y ) 的一部分，但它处于d t e 之中并负责完成四 个基本功能。这些功能负责发送输出数据，接收输入数据，载波监听和错误检 测。p l s 在m a c 层和a u i 之间提供了一个接口。姒c 层发送以“非归零”( n r z ) 格 式输出的串行数据。p l s 采用了一种不同的信号技术将数据进行“曼彻斯特编 码”并将其由a u l 发送到m u 。 接入单元接口( a u i ) 规范： a u i 提供了d t e ( 或中继器) 的p l s 功能和m a c 之间信号通道。典型的a u i 电 缆由三对差分信号线加上电源和地线构成。每一对信号线都是独立屏蔽的。a u i 电缆的最大允许长度为5 0 m ，并允许有多段电缆连接而成。i e e e 8 0 2 3 标准的 “物理信号和接入单元接口规范”指定d t e 应使用母连接器而凇u 应使用公连接 器。这样a u i 电缆应使用相反的连接器才能完成连接功能。 介质接入单元( m a u ) 规范： m a u 提供在d t e 和所使用的网络介质之间的功能的、电气的和机械的接 口。需要重点指出的是，对于 o m b s 以太网，m a c 、p l s 和a u i 的功能都与介质无 关，只有m a u 是随之改变的。m a c 主要执行六种基本功能。它们是发送数据、接 收数据、回环、冲突检测、s q e 测试和过长发送保护。另外在某些m a u 种还具有 第七种功能即链路完整性检测。 1 2 2 以太网关键技术 1 载波侦听，冲突检测 m a c 算法的目的是为了使站能够确定谁能在一个共享物理信道上传送数 据。以太网使用了一个分布式算法称为载波侦听、带冲突检测的多路访问 ( c a r r i e rs e n s e ，m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c ) 。i e e e s 0 2 3 标准 包含了用p a s c a l 代码给出的c s m a c d 算法的精确描述。 1 ) 半双工模式下的帧传送 当站的队列中有待发帧时，它检查物理信道以确定当前是否有其他的站 正在使用它。这个过程称为载波侦听。若信道正忙，站推迟传送以避免破坏信 道上正进行的传送直到正进行的传送结束后( 即己侦听不到载波了) ，站等待一 段时间一个帧间隙使物理信道有一段稳定耐间，并使接收方有时间执行必要 的“家务”处理，诸如调整缓冲指针、更新管理计数器以及中断主机c p u 。在帧 间隙时间通过后站开始其传送。如果此时网络上只有一个站的队列中有待发 帧，该站应该能够在帧问隙通过后传送其帧，而不受其他站的干扰。此时不需 要其他的动作。并且可猷认为发送站传递帧是在上一个帧传送结束后进行的。 如果发送队列中还有待发帧，站使用相同的访问控制方法继续处理下一帧。 另一方面，如果同时有多个站的队列中有待发帧在经过载波侦听和帧 间隙后，每个站都试图发送。结果产生的相互干扰称为冲突。如果两个或更多 的站在其各自的队列中都有待发帧并且因为通行流量而推迟了传送，则冲突 一定会发生。为解决冲突问题。以太网采用了一种仲裁方法，来确定多个站中 允许哪一个站访问共享的信道。即使实际上因通信流量有一个站推迟了发送， 冲突仍可能发生，因为信号在物理信道上传播的时间不为o 。在帧间隙通过后， 还有一个时间“窗口”( 等于物理信号传播延时) ，在此窗口中一个站可以发 送，而其他的站却无法知道。队列中有待发帧的站即使没有困通行流量而推迟 发送，在此窗口期间也台遭遇冲突。因此，仅仅推迟发送并不足以防止多站的 并发传送。 当发生冲突时，所有相关的站都继续发送一小段时间以保证让所有的站 都能发现冲突。这个过程称为堵塞。堵塞后，每个站不再发送帧的剩余部分而 等待一个随机时间，称之为后退。后退以后，站从头开始处理并尝试重发帧。 如果帧被发送了1 6 次，每次都遭遇冲突，它将被呲丢弃；后退范围被重置，并 向管理程序报告此事件( 或简单地予以计数) ，而站继续处理发送队列中可能存 在的下一帧。任何传送尝试的后退时间是一个随机变量，其取值范围随重发次 数指数性增长。一个给定帧所选的第n 次发送尝试是随机变量r ，其取值范围 是： 0 = “2 丽h = - m i n ( n ，1 0 ) 因此，给定帧第1 次发生冲突时站后退的起始范围是0 、l ，而后增加为0 、3 ， 0 、7 ，0 1 5 等等，直到最大范围值0 1 0 2 3 。这时同一个帧反复遭遇冲突。 后退时间的度量单位是信道往返传播延时，称为时隙。当发送帧成功后，后退 变量值的范围被复位帧间不保持历史记录。 2 ) 半双工模式帧接收 在接收端，站监视信道以获得帧到达的指示。当发现信道变成非空闲状 态时，站开始从信道接收比特，并查找标志m c 帧起始的前导码和帧起始定界 符。站连续接收比特直到收到底层信道发出的帧结束指示。如果收到的帧长度 比一个时隙的长度小接收方的m a c 将丢弃掉该帧。这是因为根据定义，有效帧 的长度总是比时隙要长( 它等于往返信道传播延时) 。因此这样的帧段肯定是冲 突的产物。注意接收方根据此原理可捡测并丢弃冲突段，面不需要物理信道的 冲突检测指示( 发送方则需要) 或无效校验和( c r c ) 指示。 如果收到的帧满足最小长度要求，则接着进 t c r c 校验。如果收到帧的 c r c 值不正确，就丢弃掉该帧。假设一个长度有效的帧具有有效的c r c 值，接收 方将检查目的地址以查看其是否是如下二者之一： a 站的物理地址( 单播) 。 b 软件指示站应该识别的组播地址。 如果这些地址表明帧确实是以该站为目的地，m a c 将把帧传递到其客户 方( 典型地通过设各驱动软件) ，并返回到开头，重新等待新到达的帧。 2 帧结构 最早的d i x 以太网帧包含6 个域： 1 ) 前导码( p r e a m b l e ) 包含8 个字节( o c t e t ) 。前7 个字节的值为0 x 5 5 ，而最后 一个字节的值为o x d 5 。结果前导码将成为一个e h 6 2 个1 和0 间隔( 1 0 1 0 1 0 1 0 一) 的串行比特流，最后2 位是连续的1 ，表示数据链路层帧的开始。在d i x 以太网 中，前导码被认为是物理层封装的一部分，而不是数据链路层的封装。 2 ) 目的地址( d a ) 包含6 个字节。d a 标识了帧的目的地站点。d a 可以是单播地址 ( 单个目的地) 或组播地址( 组目的地) 。 3 ) 源地址( s a ) 包含6 个字节。s a 标识了发送帧的站。sa 通常是单播地址( 即， 第1 位是o ) 。 4 ) 类型域包含2 个字节。类型域标识了在以太网上运行的客户端协议。使用类 型域，单个以太网可以向上复用( u p w a r dm u l t i p l e x ) 不同的高层协议( i p ， i p x ，a p p l e t a l k ，等等) 。以太网控制器一般不去解释这个域，但是使用它来确 定所连接计算机上的目的进程。本来类型域的值f h x e r o x 公司定义，但在1 9 9 7 年 改由i e e e 负责。 5 ) 数据域包含4 6 1 5 0 0 字节。数据域封装了通过以太网传输的高层协议信 息。由于c s 姒c d 算法的限制，以太网帧必须不能小于某个最小长度。高屡协议 要保证这个域至少包含4 6 字节。如果实际数据不足4 6 个字节，则高层协议必须 执行某些( 未指定) 填充算法。数据域长度的上限是任意的但已经被设置为 1 5 0 0 字节。 6 ) 帧效验序列( f c s ) 包含4 个字节。f c s 是从d a 开始到数据域结束这部分的校验 和。校验和的算法是3 2 位的循环冗余校验法( c r c ) 。生成多项式是：g ( x ) = x ”+ x x ”+ x 。+ x “+ x 1 2 + x 1 1 + x l o + x 8 + x + x 5 + x 4 + x 2 “1 t 1 。f c s 域的传送方法是：第1 位是x 3 1 项 的系数，而最后1 位是x 。项的系数。困此c r c 的各个位传输了：x “，x ”， x t x n 。 i e e e 8 0 2 3 帧格式( 作为标准从1 9 8 3 1 9 9 6 年间存在) 几乎与dix 以太网 帧相同。但是还是存有一些差异： d i x 帧的8 个字节的前导码被替换成7 个字节的前导码和1 个字节的帧起始定界 符( s f d ) 。这只是一个用语上的改变，因为i e e e 8 0 2 3 前导码域被定义成5 j j 5 5 5 一j 5 5 5 5 5 - 5 5 ，再加上sfd 是5 5 一d 5 。即i e e e 8 0 2 3 前导码域和s f d 连接起 来与d i x 以太网前导码域的位值是相同的。 前导码8 f d 被认为是数据链路层封装的一部分，而不是d i x 以太网中认为的是 物理层封装的一部分。这也被认为是用语上的改变，因为这并没有影响帧的实 际格式。然而由于i e e e 8 0 2 3 认为前导码s f d 部分属于数据链路层，因此即使物 理层如i o o b a s e x 和1 0 0 0 b a s e x 并不需要使用它们，这些域也被一直保留。要不 是因为这种体系结构定位上的改变，就可以取消这些域以改进信道效率。 类型域被长度域取代。这2 个字节在i e e e 8 0 2 3 m 被用来指示数据域中有效数 据的字节数。这将使高层协议不必提供填充机制。因为数据链路层会进行填充 并在长度域中指明非填充数据的长度。 许多高层协议现在还使用d i x 以太网帧格式。这种格式是t c p i p ， i p x ( n e t w a r e ) ，d e c n e t p h a s e4 和ta t ( d e c 的l o c a la r e at r a n s p o n t ，局部传输) 使用得最普遍的格式。i e e e 8 0 2 3 几l c 大都在a p p l et a lk p h a s e 2 ，n e t b i o s 平d - - 些i p x ( n e t w a r e ) 的实现中普通被使用。 o 1 3 向万兆以太网演进 万兆以太网是在以太网技术的基础上发展起来的，不过工作速率大大提 高，适用范围有了很大的变化，所以与原来的以太网技术相比有很大的差异， 主要表现在：物理层实现方式、帧格式和m a c 的工作速率及适配策略方面。万 兆以太网可作为局域网，也可作为广域网使用，而这两者之间工作环境不同， 对于各项指标的要求存在许多的差异，针对这种情况，人们制定了两种不同的 物理介质标准。这两种物理层的共同点是共用一个m a c 层，仅支持全双工，省 略了c s m a c d 策略采用光纤作为物理介质。l o g 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，帧格式与以太网的帧格式基本一致，工作速 率为l o g b p s 。1 0 g 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 千米。l o 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i o g 广域以太网m a c 层必须有速率匹配功能。 在帧格式方面，由于万兆以太网实质是高速以太网，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 一1 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0 c 一1 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，所咀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，在建议中修改了千兆以太网的帧格式，添加长度域和h e c 域。 在局域网与广域网的速率适配方面i o 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l o g b p s ，所咀 必须采取相应的调整策略将i o g m i i 接口的传输速率 o 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 匹配，这是万兆以太网需要解决的问题。 尽管万兆以太网技术在如此多的方面不同于以前的以太网，但它仍然还 是以太网，这样通过保持同样的管理工具和架构，大大减少了用户的学习时 间。与以前的以太网标准相比，万兆以太网的目标瞄准了三个应用领域：局域 网、广域网和城域网。万兆高速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。一般，全双工的以太网协议并无传输距离的限制，在实际应用中是物理层 技术限制了最大传输距离，不过可通过采用高性能的收发器或链路扩展器来延 长以太网链路长度，因此，以太网技术也可以应用到城域网和广域网，而且采 用以太网技术构建的城域网和广域网的费用比采用a t w s o n e t 技术构建的类似 的系统降低约2 5 。正是这些因素促使以太网从局域网扩展到城域网、广域 网，并建立工作速率为l o g b p s 的可靠、高速的数据网。这样网络将基于单一的 核心技术，易于管理，费用低廉。 第二章10 g b se t h e r n e t 技术 2 1 协议分层 1 0 g b i t s 以太网的协议结构如图2 1 所示 o s 模型 i o g 以太网网络模型 l 应用层 j表示层 高层l i会话层 刀訾l 传输层 l 罟。 i | p m d ：网络层 i 数据链路层 j 物理层 m d i ； 光纤 1 一 图2 一l1 0 g b s 以太网协议结构 m a c ( 媒质接入控制层) ： m a c 子层在m a c 用户之间提供一条逻辑链路，主要负责初始化、控制、 管理这条逻辑链路。万兆以太网采用了与现有以太网相同的技术，使用与现有 l o m l o o m l o o o m b p s 相同的通信方法，它支持i e e e 8 0 2 3 以太网m a c 协议、 i e e e 8 0 2 3 以太网帧格式以及i e e e s 0 2 3 以太网帧尺寸，使l o m b p s 、1 0 0 m b p s 和l0 0 0 m b p s 能无缝转移到lo g i g a b i t 。 i o g m i i ( 1 0 g b i t s 介质无关接口) ： 协调子层的功能是将i o g m i i 的通路数据和相关控制信号映射到原始p l s 服务接口定义( m a c p l s ) 接口上。1 0 g m i i 接口提供了l o g b i t s m a c 和物理层间 的逻辑接口。i o g m i i 和协调子层饺m a c 可阻连接到不同类型的物理介质上。 i o g m i i 使用1 5 6 2 5 m h z 时钟频率。比千兆以太网的g m i i 提高了2 5 。在 i o g m i i 上使用双向3 2 位数据通路而干兆以太网的g m i i 使用的是8 位通路。 数据帧在i o g m i i 数据流中传送的的顺序为：前同步码、帧起始定界符、帧结束 定界符、帧间间隔。1 0 g m i i 设置的目的是为了在m a c 层和物理层之间提供一个 简单容易实现的接口，接口在收芨方向各有3 2 位数据通道，4 位定界符和一 个时钟通道。 m a cp h y 图2 21 0 g w a i 接口 p c s ( 物理编码子层) ： p c s 子层位于协调子层( 通过g m i i ) 和物理介质接八层( p m a ) 子层之 间。p c s 子层完成将经过完善定义的以太冈m a c 功能映射到现存的编码和物理 层信号系统的功能上去。p c s 予层和上层r s m a c 的接口由x g m i i 提供，与下层 p m a 接口使用p m 服务接口。p c s 子层主要负责对来自m a c 层的数据进行编码 和解码，根据网络环境的不同可以采用8 b 1 0 b 或6 4 b 6 6 b 编码方案，其中 8 b 1 0 b 是吉比特以太网中已采用的编码方案，在l a n 的环境下可能采用 8 b 1 0 b 的编码方案，这有利于吉比特以太网与1 0 g b i f f s 以太网的无缝连接，而 6 4 b t 6 6 b 编码方案更多地应用于s o n e t w a n 的环境之中，相比千兆以太网的 8 1 3 1 0 1 3 编码，带宽利用率明显提高。 p c s 层由p c s 发送和接收进程组成。p c s 对协调子层( 和m a c 层) 屏蔽了 下层通道的详细特性。当和1 0 g m h 通信时，p c s 使用了3 2 位宽同步数据通 道，带有控制符号i d l e 、s o p 和e o p 提供的淞c 数据包的定界符a 当和p 姒通 信时，p c s 使用8 位宽同步数据通道。 在p m a 服务接口上，m a c 数据包的分界是由s f d 域后面内嵌的2 字节的 h e c 域完成的，并使用了h e c 头部检错算法，并且为了防止潜在的安全危险， 所有h e c 域和m a c 数据包结束之间的字节( 不包括h e c 域) 都使用自同步加密 编码器进行加密。p c s 提供的功能对i o g m i i 格式和p m a 服务器接口之间数据包 的映射是必须的。 p c s 发送进程生成了基于i o g m i i 的t x d 和t x c 信号上的解密 n 密字节和h e c 域，通过p m a 将它们发送到p m 服务接口。这个过程不是连续 的因为p 姒发送进程会通过数据流量控制调整p c s 的发送速率。p c s 发送进 程生成的1 0 g m i i 信号调整m a c 响应p m a 的流量控制，以允许在发送字节流中嵌 入2 字节的h e c 域，同时也提供了i o g m i i 发送数据速率( i o g b s ) 与物理层发 送速率之间的速率匹配。在m a c 数据包发送过程中，m a c 子层发送n u l l 控制符 号来响应t x _ 删信号。 p c s 接收进程通过p m a 接收字节。p c s 接收进程监督这些字节并在 i o g m i i 生成r x d 和r x f 信号。这个过程也不是连续的，因为需要 i o g m i i 接收数据速率与物理层接收数据速率之间的速率匹配，同时因为p 姒接 收进程会通过p 姒的数据流量控制调整p c s 的接收速率。p c s 接收进程使用 h e c 头部检错法来决定m a c 的边界。一旦眦c 数据包的边界找到p c s 接收进程 对h e c 域和m a c 数据包结束之间的字节进行解密。 由于找到边界的m a c 数据包是在h e c 域后面，p c s 接收进程至少给 i o g m i i 上的发送m a c 数据包带来1 0 个字节延迟，而接收到的h e c 域被删除 掉，不被发送到姒c 子层。 为保持通常的帧校验序列的错误检测能力，字节的位序在p m a 服务接口 上被反转。否则，介质上的突发错误将被视为是i o g m i i 扩展突发错误，这是因 为p m d 发送和接收字节时最高位在前面，而帧校验序列计算时最低位在前面。 p m a ( 物理媒质连接层) ： p m a 子层提供了p c s 和p m d 层之间的串行化服务接口。和p c s 子层的连 接称为p m a 服务接口。p m a 子层负责把编码串行化，变成适应物理层传输的比 特流。同时数据解码的同步也是在这一层完成另外p 姒子层还从接收位流中分 离出用于对接收到的数据进行正确的符号对齐( 定界) 的符号定时时钟。 p m 的主要功能是将i o g m i i 的3 2 位宽数据通道映射到8 位宽的p m a 服 务接口数据通道上，并最终将其映射到1 6 位宽的p m d 服务接口数据通道上。 p m a 发送进程将p c s 自层接收到的字节进行p m a 成帧，使用帧同步加密编码器 对p m a 帧加密，将字节送到底层p m d 服务接口进行发送。同样的，p m a 接收进 程将从p m i ) 自层接收到的数据进行串行化，p m a 帧同步并且对字节分界，使用 帧同步加密编码器对p m a 帧解密，将p m a 帧有效负荷的字节发送到p m a 服务接 口。 p m d ( 物理媒质独立层) ： p m d 子层负责信号的传输。p m d 子层的功能是支持在p m a 子层和介质之 间交换串行化的符号代码位。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。p m i ) 是物理层的最低子层，标准中规定物理层负责从介质 上发送和接收信号，包括信号放大、调制、波的整形等。不同的p m d 设备支 持不同的物理媒质。 i e e e 8 0 2 3 a e 特别工作组已经开发了一个标准草案，它所提供的物理层可 以支持光纤传输介质。 为了达到特定的距离，特别工作组共选择了4 个p m d 。其中，特别工作 组选择了1 3 1 0 n m 串行p i v i d 来实现2 公里和l o 公里单模光纤( s m f ) 的连 接；选择1 5 5 0 r t m 的串行方案来实现( 或者超越) 4 0 公里的s i v l f 目标。对4 0 公里p m d 的支持说明，吉比以太网已经能够成功地应用在城域网和局域网的 远距离通信中。特别工作组还选用串行8 5 0 n m 收发器，在多模光纤上使用 8 5 0 n m 的p m d 实现6 5 米的传输目标。 另外特别工作组选择了两种宽波分复用( w w d m ) 的p r i d ，其中一 种是1 3 1 0 n m 的单模光纤，用于1 0 公里范围的应用；另一种1 3 1 0 n m p m d 用在 己安装的多模光纤上实现3 0 0 米的传输目标。 v d i ( 媒质独立接口) ： v l d i 就是指连接器，它定义对应于不同的物理媒质和p m d 设备所采用的 连接器类型。 2 2 1 0 g b se t h e r n e t 关键技术 尽管1 0 g 以太网技术是在原有千兆以太技术的基础上发展起来，但是由 于其工作速率的太大提高和适用范围的大大拓宽，与原有的技术相比还是 1 6 有很大的差异。主要表现在：物理层实现方式，帧格式，m a c 的工作速率及适 配策略。 ， 2 2 1 物理层实现方式 由于l o g 以太网既可作为l a n ( 局域网) 也可作为w a n 使用，而l a n 和 w “之间由于工作环境不同，对于各项指标的要求存在较大的差异。主要表现 在时钟抖动、b e r ( 比特差错率) 、q o s ( 服务质量) 等要求不同。据此制定了两 种不同的物理介质标准：l a n p h y ，w a n p h y ，具体协议分层结构见图2 - 3 。这两 种物理层的共同点有：共用一个m a c 层，仅支持全双工，省略了c s m a c d 策略， 采用光纤作为物理传输介质。对应着o s i 模型第l 层的以太网物理层，其将介 质和m a c 子层连接起来，而m a c 子层则对应者o s i 模型的第2 层。以太网协议 体系结构将物理层进一步划分为p m d ( 物理介质相关) 子层和p c s ( 物理编码) 子 层。如光接收器就是种典型的p m d ，p c s 由编码器、排序器及复用器组成。 l a n p - f 和w a n p h y 的区别就在于p c s 的不同。w a n p h y 有一个w i s ( 广域网接口子 层) ，包含了一个简化的s o n e t s d h 成帧器。l o g 广域以太网m a c 层还具有速 率匹配功能。 x g x s x g x s x g m i i 6 4 b 6 6 bp c s 6 4 b 6 6 bp c sw i s i p m ap m a i p m dp m d j j j i 介质ll 介质； 图2 3i o g 阻太网物理层 作为1 0 g 以太网的物理接口, x a u i ( ：0 g 附属单元接口) 是x g m i i ( 1 0 g 介 质无关接口) 的扩展。x g m i i 接口宽度为“比特( 全双工方式下每个通道各占 3 2 比特) 。x a u i 可替代x g m h 接口，或作为x g m i i 的扩展，将介质与m a c 子 层连接起来。其中的 a u i 部分指的是以太网连接单元接口( e t h e m e t a t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e ) 。“x ”代表罗马数字1 0 ，它意味着每秒1 0 g 。x g m i i 是一个”位信号宽度的接口( 发送与接收用的数据路径各占3 2 位) ，可用于 把以太网m a c 层与物理层相连。在大多数典型的以太网m a c 和p h y 相连 的、芯片对芯片的应用中，x a u i 可用来代替或者扩展x g m i i 。 x a u i 是一种从1 0 0 0 0 b a s e - x 以太网的物理层直接发展而来的低针数、 自发时钟串行总线。x a u i 接口的速度为1 0 0 0 b a s e x 的2 5 倍。通过调整4 根 串行线，这种4 b i t 的x a u i 接口可以支持1 0 g 以太网1 0 倍于吉比以太网的数据 吞吐量。x a u i 使用与1 0 0 0 b a s e ，x 同样的8 b 1 0 b 传输编码，并通过印刷电路 板上的铜线等常用介质提供高质量的完整数据。x a u i 还包括其他一些优势： 由于采用自发时钟，所以产生的电磁干扰( e m i ) 极小；具有强大的多位总线 变形补偿能力：可实现更远距离的芯片对芯片的传输；具备较强的错误检测和 故障隔离功能：功耗低，能够将x a u i 输入输出集成到c m o s 中等。 x a u i 的具体应用目标包括：从m a c 到物理层芯片之间的互连，以及从 m a c 到光纤收发器模块之间的直接连接。x a u i 是标准草案建议中1 0 g 可插拔 式光纤模块( x g p ) 的接口。将x a u i 解决方案与x g p 集成为一体后，1 0 g 以 太网的多个端口便可以实现m a c 与光纤模块之间的互连。这种连接方式成本 低、效率高，而且只需要通过印刷线路的铜导线便可实现m a c 与光纤模块之 间的连接。 1 0 g 局域以太网物理层的特点：支持8 0 2 3 m a c 全双工工作方式，m a c 时钟 可选择分别工作在1 g 方式或1 0 g 两种模式，允许以太网复用设备同时携带l o 路1 g b i t s 信号，帧格式与以太网的帧格式保持一致，工作速率为l o g b i t s 。 1 0 g 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 i t s 以太 网兼容，传输距离最远可达4 0 k m 。 1 0 g 广域网物理层的特点：其采用s o n e t0 c 1 9 2 s d hs t m - 6 4 帧格式在 线路上传输，传输速率为9 5 8 4 6 4 g b i t s ，通过x g m i i 接口提供速率匹配。当物 理介质采用单模光纤时，传输距离最远可达3 0 0 k m ；采用多模光纤时，传输距离 晟远可达4 0 k m 。1 0 g 广域网物理层采用两个扰码多项式，见图2 - 4 。 图2 - 41 0 g 以太网广域网物理层功能 p c s 层提供从x g m i i 到p m a 的映射并进行m a c 帧定界。为了避免伪 帧定界，p c s 层对m a c 帧的前8 个字节进行x 4 3 + 1 的自同步扰码，以避免信息 字段中出现物理层帧的帧定位字节的情况。扰码器的使用将降低传输比特流中 出现多个0 或多个“1 ”的概率，提高了宿端时钟恢复能力。p m a 对整个帧 进行x7 + x6 + 1 帧同步扰码，最后将扰码后的信号放在光纤上传输。 2 2 2 帧格式 1 0 g 以太网继承了原有的i e e e 8 0 2 3 的帧格式。为了达到1 0 g b i f f s 的速 率，采用了将多个以太网帧映射到一个s o n e to c 1 9 2i s d hs t m 6 4 帧的技 术。以往的以太网技术通常利用物理层中特殊的10 字节代码来实现帧定界，当 m a c 层有数据需要发送时，p c s 子层对这些数据进行8 b 1 0 b 编码，当发现帧头 和帧尾时，自动添加帧起始定界符( s p d ) 和帧结束定界符( e p d ) ；当p c s 子层收 到来自于底层的l0 字节编码数据时，根据s p d 和e p d 找到帧的起始和结束定 界符( e p d ) ；当p c s 子层收到来自于底层的l0 字节编码数据时，根据s p d 和 e p d 找到帧的起始和结束从而完成帧定界。但是s d h 中承载的1 0 g 以太网帧 定界不同于标准的千兆以太网定界，因为复用的数据已经恢复成8 b 编码的码组 去掉了s p d 和e p d 。1 0 g 以太网如果只利用前导( pr eai nbl e ) 和帧起始 ( s f d ) 进行帧定界，由于信息数据中出现与前导和帧起始相同码组的概率较大，采 取这样的定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界，为了避 免这种情况，其采用了h e c 策略 9 1 0 g 以太网的帧格式，添加长度域和h e c 域。为了在帧定界过程中方便 地查找出下一个帧的位置，同时由于最大帧长为l5 1 8 字节，长度字段最少需有 1 1 个比特，所以在复接m a c 帧的过程中用两个字节替换前导头两个字节作为长 度域。然后对这8 个字节进行c r c l 6 校验，将最后得到的两个字节作为h e c 插 入s f d 之后。修改后的m a c 帧的字段安排见图2 5 ，长度域的值表示修改后的 m a c 帧长。 单位：字节 7