老司機(jī)談以太網(wǎng) – 數(shù)據(jù)速率、互連介質(zhì)和物理層

2017-04-14  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

以太網(wǎng)協(xié)議連接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們周圍的大量事物或設(shè)備中。過(guò)去,以太網(wǎng)用在局域網(wǎng) (LAN) 和城域網(wǎng) (MAN) 中,而如今,由于以太網(wǎng)的普及和多種優(yōu)勢(shì),例如巨大的生態(tài)體系和日益增長(zhǎng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì),它越來(lái)越多地用在存儲(chǔ)和汽車等市場(chǎng)中。集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)師正努力將以太網(wǎng)功能集成到設(shè)計(jì)中,利用以太網(wǎng)IP解決方案滿足目標(biāo)應(yīng)用的要求。

然而,由于其獨(dú)特的系統(tǒng)命名方法,以太網(wǎng)這些標(biāo)準(zhǔn)命名使人解讀困難。PCI Express、串行ATA (SATA) 和USB等串行接口的每個(gè)數(shù)據(jù)速率都有一個(gè)規(guī)范,而以太網(wǎng)針對(duì)相同的數(shù)據(jù)速率有多個(gè)不同規(guī)范。例如,10GBASE-ER和10GBASE-KR是10 Gbps以太網(wǎng)規(guī)范,但它們描述的是不同的互連介質(zhì)接口。截止到2016年,千兆以太網(wǎng)的類型有至少二十種,而且IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)定義了近30個(gè)不同的萬(wàn)兆以太網(wǎng)規(guī)范。隨著更多以太網(wǎng)接口的部署,設(shè)計(jì)師需要了解以太網(wǎng)規(guī)范術(shù)語(yǔ)。本文采用千兆和萬(wàn)兆作為參考而定義了以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ),旨在幫助設(shè)計(jì)師為自己的目標(biāo)應(yīng)用選擇正確的規(guī)范。

串行數(shù)據(jù)通信由通過(guò)互連介質(zhì)每次傳輸一個(gè)的數(shù)據(jù)位組成。數(shù)據(jù)速率指每秒傳輸?shù)奈粩?shù)(位或bps),因此,如果位時(shí)間是1納秒 (ns),則數(shù)據(jù)速率是每秒10億位(1000 Mbps或1 Gbps)。位速率一般定義為實(shí)際數(shù)據(jù)速率;然而,在串行傳輸中,數(shù)據(jù)速率是總傳輸位數(shù)的子集。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)速率,線速率或物理層總數(shù)據(jù)速率會(huì)增加。在以太網(wǎng)中,要實(shí)現(xiàn)有效的1 Gbps吞吐量,實(shí)際線速率是1.25 Gbps,而在萬(wàn)兆以太網(wǎng)吞吐量中,線速率是10.3125 Gbps。

以太網(wǎng)速度是沒(méi)有數(shù)據(jù)開銷的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐速率,不包括控制位、源地址、目標(biāo)地址和其他非數(shù)據(jù)位。實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐速率也是以太網(wǎng)控制器的運(yùn)行速率,也稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC) 或以太網(wǎng)MAC。

圖1顯示了五種主要以太網(wǎng)互連介質(zhì)。以太網(wǎng)介質(zhì)可能僅包含印刷電路板 (PCB) 走線對(duì),每端連接兩個(gè)IC中的每個(gè)PHY,或者可能包括額外的設(shè)備,例如連接器、電纜(光纜或銅纜)和收發(fā)器。

兩個(gè)以太網(wǎng)PHY間的介質(zhì)可以是機(jī)械和電氣或光學(xué)介質(zhì)。驅(qū)動(dòng)每種介質(zhì)的PHY可能具有相同的吞吐數(shù)據(jù)速率,但根據(jù)介質(zhì)接口的不同,采用的規(guī)范不同。

機(jī)械和電氣介質(zhì)是銅纜(雙絞線或雙軸電纜),或者配有多個(gè)連接器的背板。由于電纜、連接器和背板特征的不同,每個(gè)接口的PHY規(guī)范可能要依賴需要不同規(guī)范的介質(zhì)而定。

光學(xué)介質(zhì)采用光收發(fā)器在光纖兩端進(jìn)行電信號(hào)與光信號(hào)和電信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。兩種主要的光學(xué)收發(fā)器類型是單模光纖 (SMF) 和多模光纖 (MMF),分別支持多種不同波長(zhǎng) (λ)、光纖類型和電纜距離。

IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)將千兆或萬(wàn)兆以太網(wǎng)PHY定義為三個(gè)構(gòu)件的組合:
1、物理介質(zhì)相關(guān) (PMD)
2、物理介質(zhì)連接 (PMA)
3、物理編碼子層 (PCS)

PHY通過(guò)介質(zhì)相關(guān)接口 (MDI) 連接互連介質(zhì),并通過(guò)介質(zhì)無(wú)關(guān)接口 (MII) 連接數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC,如圖2所示。

特定速度的MII是一種可選接口,為不同的PHY實(shí)體提供了一種架構(gòu)實(shí)施方式,尤其是在MAC與芯片外的PHY連接時(shí)。MII接口是一種芯片對(duì)芯片的接口,而沒(méi)有機(jī)械連接器。千兆MAC或中繼器可通過(guò)千兆介質(zhì)無(wú)關(guān)接口(GMII) 連接千兆PHY,而萬(wàn)兆MAC可通過(guò)可選的萬(wàn)兆MII (XGMII) 連接萬(wàn)兆PHY。

以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)基于互連數(shù)據(jù)速率 (R)、調(diào)制類型 (mTYPE)、介質(zhì)長(zhǎng)度 (L) 和對(duì)PHY的PCS編碼 (C) 模式的參考。當(dāng)多個(gè)通道聚合時(shí),這還包括聚合通道數(shù)量 (n) 的額外信息。如果參考通道數(shù)量,則假設(shè)為單通道接口。以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)中使用的R mTYPE - L C n參數(shù)定義如下:

1、數(shù)據(jù)速率 (R):
1000 → 1000 Mbps或1 Gbps;兆位單位從數(shù)據(jù)速率參考中移除
10G → 10 Gbps
10/1G → Gbps下行,1 Gbps上行

2、調(diào)制類型 (mTYPE):BASE → 基帶

3、介質(zhì)類型/波長(zhǎng)/距離 (L):
B → 雙向光纖,上行(D) 或上行 (U) 限定符不對(duì)稱
C → 雙軸銅纜
D → 并行單模 (500 m)
E → 超長(zhǎng)光波長(zhǎng)λ (1510/1550 nm) / 距離 (40 km)
F → 光纖 (2 km)
K → 背板
L → 長(zhǎng)光波長(zhǎng)λ (~1310 nm) / 距離 (10 km)
P → 無(wú)源光纖,帶有單個(gè)或多個(gè)下游 (D) 或上游 (U) 不對(duì)稱限定符,而且?guī)в?B/5B或8B/10B的外部來(lái)源編碼 (X)
RH → 采用PAM16編碼的紅色LED塑料光纖和不同發(fā)射功率的光纖
S → 短光波長(zhǎng)λ (850 nm) / 距離 (100 m)
T → 雙絞線

4、PCS編碼 (C):
R → 擾碼 (64B/66B)
X → 外部來(lái)源編碼 (4B/5B, 8B/10B)

5、通道數(shù) (n):
空白,無(wú)通道數(shù) → 默認(rèn)為1-通道
4 → 4-通道

例如,10GBASE-KR是10 Gbps (10G) 數(shù)據(jù)速率基帶 (BASE) 規(guī)范,采用一個(gè)背板 (K) 介質(zhì),并在單通道配置中使用64B/66B (R) 編碼模式。這是一種純電氣規(guī)范,全面定義了兼容以太網(wǎng)規(guī)范的PHY的特性和特征。

10GBASE-KX4是用于背板的10 Gbps基帶規(guī)范;然而,在聚合的4通道配置中,它采用8B/10B (X) 編碼。即使10GBASE-KX4和10GBASE-KR都是10 Gbps電氣接口,它們卻描述了不同的PHY。10GBASE-KX4 PHY在4通道中以10GBASE-KR的1/4速率運(yùn)行,以達(dá)到相同的吞吐量。

與此類似,盡管10GBASE-ER是10 Gbps基帶規(guī)范,但它并不是10GBASE-KR或10GBASE-KX4這樣的電氣描述。10GBASE-ER是超長(zhǎng)距離 (E) 單模光收發(fā)器規(guī)范,采用64B/66B (R) 編碼,能夠達(dá)到40 km的光纜距離。10GBASE-ER主要描述光收發(fā)器的要求,而不提供驅(qū)動(dòng)收發(fā)器的PHY的電氣要求。

因此,區(qū)分IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中定義的光收發(fā)器規(guī)范和電氣規(guī)范之間的差別非常重要。

1000BASE-X或10GBASE-R的名稱僅提供數(shù)據(jù)速率和編碼模式信息,而不規(guī)定接口介質(zhì)。如果知道如何使用全名對(duì)以太網(wǎng)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行解讀(10GBASE-KR或10GBASE-ER),IC設(shè)計(jì)師在選擇適用的介質(zhì)時(shí)就不會(huì)混淆。千兆以太網(wǎng)規(guī)范可能不同,但只要正確定義了互連介質(zhì),您就可以為下一代產(chǎn)品選擇正確的規(guī)范。

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