【《光纤加密中的光纤通信标准1000BASE-X概述》4000字】

第一章前言光纤加密中的光纤通信标准1000BASE-X概述从传统百兆速率的以太网发展到如今千兆甚至万兆以太网,主要变化是在PHY层（物理层）。在MAC层中,为适应千兆速率,还引入了载波扩展和帧突发等机制。千兆以太网的介质主要是光纤和铜线,都是专用传输介质。1000BASE-X是一种基于ANSIX3.230-1994（光纤通道物理和信令接口）开发的物理层标准。该标准使用与光纤通道相同的8B/10B编码。在IEEE802.3协议中，规定了1000BASE-X标准下物理层通信的所有物理编码子层（PCS）和物理介质连接（PMA）子层的相关规范。在1000BASE-X标准下中有三个实施例：1000BASE-CX，1000BASE-LX和1000BASE-SX。1000BASE-CX定义了在单一铜介质上两对150Ω平衡铜缆的相关规范，1000BASE-LX定义的是在长波长光下一对光纤的传输规范，1000BASE-SX则是定义的是在短波长光下一对光纤的传输规范。千兆以太网PHY层结构图2.13显示了1000BASE-X在OSI模型下的结构。以太网接口包含了两个层：物理层和数据链路层。物理层中定义了数据传送和接收所需要的线路状态、光电信号等，并向数据链路层设备提供标准接口；数据链路层提供寻址机制、差错检测、向网络层提供标准的数据接口等功能。PHY层又包含了RS（调和子层）、PCS(物理编码子层)、PMA（物理介质连接子层）、PMD（物理介质相关子层）。PCS、PMA有1000BASE-X和I000BASE-T两种。每种物理介质有各自的PMD子层。图2.131000BASE-X的结构关系线路编码机制在介绍PHY（物理编码子层）之前，引入一个概念——线路编码机制。线路编码机制将输入原始数据转变为接收器可接收的数据格式，同时保证数据流中有足够的时钟信息提供给接收端的时钟恢复电路。线路编码技术提供了一种将数据对齐到字节/字的方法，可以保持良好的直流平衡，增加了数据的传输距离，提供了更为有效的错误检测机制。除此之外，线路编码技术也可以用来实现时钟修正、块同步、通道绑定和将带宽划分到子信道等。线路编码技术主要有两种：数值查找表机制和自修改数据流（扰码）。目前常用的有8B/10B编码和64B/66B编码。8B/10B编码是由IBM公司的AlWidmer和PeterFranaszek在1983年提出的一种数据传输编码标准，已经在各大高速串行总线中得到了应用，例如IEEE1394b、SATA、PCI-Express、XAUI、RapidIO、USB3.0、Aurora等。PCS使用该线路编码技术用以改善链路上传输的信息的传输特性。图2.14显示的是PCS参考框架下编码数据的数据流走向。线路总传输的编码可确保足够的信息，使接收端可以做相应的时钟恢复。这样的编码形式同时还极大地增加了检测在信息的发送和接收期间可能发生的种种单个或多个比特发生错误的可能性。另外，传输的编码数据中的某些特殊码组包含一个特定且易于识别的比特位，可帮助接收端实现码组对齐。8B/10B编码具有很高的传输密度，是一种游程长度受限且dc均衡的码组。图2.14PCS参考框架8B/10B编码有两种类型的数据,一种是用于数据的256个码组，我们称为D码组；第二种是由12个特殊码组组成，主要是在数据流中可以作为传输中帧起始、帧结束、传输空闲等状态标识，称为K码组。D码组编码时,首先将8位数据分为5位和3位两部分。这样码组可用Dx.y的形式表示,x表示5位数据,y表示3位数据。编码时分别进行5B/6B编码和3B/4B编码。图2.15描述了8B到10B编码对应关系。图2.15编码对应关系8B/10B编码中有两个重要的概念，不均等性（disparity）和极性偏差（runningdisparity，RD）。（1）不均等性（disparity）:所有传输个数中1比0多的个数，或者0比1多的个数。例如：所有总共传输码组中1比0一共多2个，则disparity=+2；所有总共传输码组中0比1一共多2个，则disparity=-2；（2）极性偏差（runningdisparity，RD）:反映当前极性情况，只有两种（+1,-1）例如：所有总共传输码组中1比0一共多2个，则RD=+1（positive+);所有总共传输码组中0比1一共多2个，则RD=-1(negative-);在电源打开后或者退出测试模式后，传输者将会假定其初始化极性偏差为negative（-），在任何码组传输上，传输者会基于传输码组的内容计算出新的极性偏差值。在表2.1中显示的是部分D码组的编码表。表中最右两竖列对应着基于当前极性偏差（CurrentRD-或者CurrentRD+）下D码组编码后输出的十位有效码组。表2.2中显示的是K码所对应的编码表。表2.1D码编码表码组名称八位字节数值八位bitsHGFEDCBA当前RD-当前RD+D0.0000000000010011101000110001011D1.0010000000101110101001000101011D2.0020000001010110101000100101011D3.0030000001111000110111100010100D4.0040000010011010101000010101011D5.0050000010110100110111010010100D6.0060000011001100110110110010100D7.0070000011111100010110001110100D8.0080000100011100101000001101011D9.0090000100110010110111001010100D10.00A0000101001010110110101010100D11.00B0000101111010010111101000100D12.00C0000110000110110110011010100表2.2K码编码表码组名称八位字节数值八位bitsHGFEDCBA当前RD-当前RD+K28.01C00011100001111010011000001011K28.13C0011110000111110011100000110K28.25C0101110000111101011100001010K28.37C0111110000111100111100001100K28.49C1001110000111100101100001101K28.5BC1011110000111110101100000101K28.6DC1101110000111101101100001001K28.7FC1111110000111110001100000111K23.7F71111011111101010000001010111K27.7FB1111101111011010000010010111K29.7FD1111110110111010000100010111K30.7FE1111111001111010001000010111在1000BASE-X中，只使用了部分特殊码组，见表2.3。这些特殊码组和数据码组通过一定方式结合构成了有序集。有序集是作为控制命令或传递状态信息，包括配置集合、空闲集合、帧封装集合等。见表2.4。配置集合用于链路的自动协商；空闲集合在帧间隙使用；帧封装特殊码组用于帧的起始、结束、载波扩展、以及中继器作错误广播。有序集合中的配置集合和空闲集合都是以特殊码组K28.5开始，后面接一些码组。comma字串中不是含有b’0011111就是含有b’1100000。在传输期间，/I/和/C/有序集和指定的相关协议来确保comma+传输中有比comma-等效或者更好的频率，这么做是确保与通用组件的兼容性。所以在链路启动时可以用这种特殊码组实现位同步。表2.31000BASE-X使用的特殊码组特殊码组名称RD(-)码值RD(+)码值K28.50011111011100000101K23.71110101000001010111K27.71101101000010010111K29.71011101000100010111K30.70111101001000010111表2.41000BASE-X使用的有序集集合代码有序集名称集合长度集合组成备注C1配置集合14K28.5/D21.5/寄存器值交替使用C1和C2C2配置集合24K28.5/D2.2/寄存器值I1空闲集合12K28.5/D5.6只用I1，I2备用I2空闲集合22K28.5/D16.2R载波扩展集合1K23.7S帧起始集合1K27.7T帧结束集合1K29.7Y错误传播集合1K30.71000BASE-X的物理编码子层PCS1000BASE-X模式下的PCS上层是GMII接口(千兆位媒体独立接口)，它提供了相关1000Mb/sPHY的实现，并提供了与协调子层的统一接口。在1000BASE-X模式下的PCS可以完成以下功能：（1）将GMII数据八位字节编码（解码）为十位码组或有序集（8B/10B），并与基础PMA进行通信。（2）生成载波侦听和冲突检测指示，以供PHY的半双工客户端使用。（3）管理自动协商过程，并在准备好使用PHY时通过GMII通知发送方。图2.16所示的是1000BASE-X下PCS内部的功能结构以及与GMII,MDI之间的连接关系。图中我们可以清晰的看到在PCS内部有五个部分：发送模块（TRANSMIT），接收模块（RECEIVE），自动协商模块（AUTO-NEGOTIATION），同步模块（SYNCHRONIZATION），载波侦听模块（CARRIERSENSE）。图2.161000BASE-XPHY的功能框图。下面分别介绍PCS层中这些模块的基本功能。（1）发送模块主要功能是将来自MAC（这里是GMII接口）待发送的八位数据TXD并行数据以及TX_EN，TX_ER，GTX_CLK，根据传输协议规则编码成相应的发送码组发送都PMA。发送模块可分为两种类型进程，分别为有序集进程和码组进程。起始初始化过程中，判断目前自动协商进程xmit的标志位信息。如果处在配置状态，则根据有序集走向进行后续自动协商步骤。如果该标志位表示的是空闲状态，发送进程后续有序集就会发送/I/命令。/I/提供了一个连续填充模式来确立和保持时钟同步。/I/由一个或多个连续传输的/I1/或者/I2/有序集组成。判断当前发送/I1/还是/I2/与当前所处的极性偏差有关。如果当前处于正极性偏差时（positive+)，则发送/I1/；如果当前处于负极性偏差时(negative-)，则发送/I2/。（2）接收模块主要功能是将同步后的10位并行数据，根据传输协议规则解码成八位的RXD数据，将RXD<7:0>，RX_DV，RX_ER，RX_CLK通过GMII接口向上层结构传输。（3）自动协商模块是根据自协商基本原理完成一个端到端接口匹配的一个功能。

在自动协商模式下，发送/接收端口会根据对端设备的相应状态，主要是对端的连接速度和双工模式，自动把本地端的速率调节至能达到的最高水准，即线路两端能达到的最快传输速率和双工模式。当自动协商完成相关配置进程后，xmit标志位会显示DATA（/D/）状态，表示链路可以正常数据传输。在光纤建立连接的过程中，有两种操作模式，一种是强制模式，一种是自协商模式。强制是人为控制操作收发端，手动拉高Link信号，而自动协商是两端自动匹配并建立连接。自协商模式和强制模式在传输过程中，两者在建立物理链路时发送的码组是不一样的。强制模式发送的是/I/（IDLE）码有序集；而自协商模式发送的是/C/（Configuration）有序集。当两端都通过寄存器配置为自协商模式时，互发/C/码流，若接收到三个连续相同的/C/码，且与本地端工作方式相匹配，则通过链路返回给对端一个具有Ack应答位的/C/码，对端接收并识别Ack应答位后，如果匹配则认为互通，将端口设置成UP状态。（4）载波侦听模块功能是在发送数据之前检测一下当前总线上是否有其他设备在发送数据。如果有，则暂时不要发送数据，以免与其他设备之间产生碰撞。在数据发送或者接收过程中，载波侦听信号使能会一直打开，当无数据发送并且也没有数据接收的情况下，载波侦听信号才会使能关闭。（5）同步模块的主要工作是判断当前接收通道是否可以正常运转。若当前接收通道无法正常同步，则PCS层会停止数据流操作。若接收端处在失去同步（LOSS_OF_SYNC）状态，则会启用同步进程实现同步过程。1000BASE-X的物理介质连接子层PMAPMA为PCS提供了一种独立于介质的方式，以支持对一系列面向串行位的物理介质的使用。1000BASE-XPMA可以完成以下功能：（1）通过PMA服务接口在PCS和PMA之间映射发送和接收代码组；（2）用于在底层串行PMD上进行传输（接收）的代码组的序列化（反序列化）；（3）从PMD提供的8B/10B编码数据中恢复时钟；（4）通过PMD服务接口在PMA和PMD之间的发送和接收比特的映射；（5）PMD接口上的数据环回。1000BASE-X的物理介质相关子层PMD1000BASE-X物理介质相关子层（PMD）中，包括两种类型1000BASE-LX（长波长激光）和1000BASE-SX（短波长激光）的传输方式。PMD上接PMA实现数据