老司機談以太網 – 數據速率、互連介質和物理層

2017-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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以太網協議連接已經廣泛應用于我們周圍的大量事物或設備中。過去,以太網用在局域網 (LAN) 和城域網 (MAN) 中,而如今,由于以太網的普及和多種優勢,例如巨大的生態體系和日益增長的規模經濟,它越來越多地用在存儲和汽車等市場中。集成電路 (IC) 設計師正努力將以太網功能集成到設計中,利用以太網IP解決方案滿足目標應用的要求。

然而,由于其獨特的系統命名方法,以太網這些標準命名使人解讀困難。PCI Express、串行ATA (SATA) 和USB等串行接口的每個數據速率都有一個規范,而以太網針對相同的數據速率有多個不同規范。例如,10GBASE-ER和10GBASE-KR是10 Gbps以太網規范,但它們描述的是不同的互連介質接口。截止到2016年,千兆以太網的類型有至少二十種,而且IEEE 802.3標準已經定義了近30個不同的萬兆以太網規范。隨著更多以太網接口的部署,設計師需要了解以太網規范術語。本文采用千兆和萬兆作為參考而定義了以太網術語,旨在幫助設計師為自己的目標應用選擇正確的規范。

以太網數據速率

串行數據通信由通過互連介質每次傳輸一個的數據位組成。數據速率指每秒傳輸的位數(位或bps),因此,如果位時間是1納秒 (ns),則數據速率是每秒10億位(1000 Mbps或1 Gbps)。位速率一般定義為實際數據速率;然而,在串行傳輸中,數據速率是總傳輸位數的子集。為了實現目標數據速率,線速率或物理層總數據速率會增加。在以太網中,要實現有效的1 Gbps吞吐量,實際線速率是1.25 Gbps,而在萬兆以太網吞吐量中,線速率是10.3125 Gbps。

以太網速度是沒有數據開銷的實際數據吞吐速率,不包括控制位、源地址、目標地址和其他非數據位。實際數據吞吐速率也是以太網控制器的運行速率,也稱為介質訪問控制 (MAC) 或以太網MAC。

以太網互連介質

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

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圖1:以太網互連介質實例

兩個以太網PHY間的介質可以是機械和電氣或光學介質。驅動每種介質的PHY可能具有相同的吞吐數據速率,但根據介質接口的不同,采用的規范不同。

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

光學介質采用光收發器在光纖兩端進行電信號與光信號和電信號間的轉換。兩種主要的光學收發器類型是單模光纖 (SMF) 和多模光纖 (MMF),分別支持多種不同波長 (λ)、光纖類型和電纜距離。

以太網物理層

IEEE 802.3標準將千兆或萬兆以太網PHY定義為三個構件的組合:
1、物理介質相關 (PMD)
2、物理介質連接 (PMA)
3、物理編碼子層 (PCS)

PHY通過介質相關接口 (MDI) 連接互連介質,并通過介質無關接口 (MII) 連接數據鏈路層中的MAC,如圖2所示。

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圖2:千兆和萬兆以太網物理與數據鏈路層

特定速度的MII是一種可選接口,為不同的PHY實體提供了一種架構實施方式,尤其是在MAC與芯片外的PHY連接時。MII接口是一種芯片對芯片的接口,而沒有機械連接器。千兆MAC或中繼器可通過千兆介質無關接口(GMII) 連接千兆PHY,而萬兆MAC可通過可選的萬兆MII (XGMII) 連接萬兆PHY。

以太網術語

以太網術語基于互連數據速率 (R)、調制類型 (mTYPE)、介質長度 (L) 和對PHY的PCS編碼 (C) 模式的參考。當多個通道聚合時,這還包括聚合通道數量 (n) 的額外信息。如果參考通道數量,則假設為單通道接口。以太網術語中使用的R mTYPE - L C n參數定義如下:

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

2、調制類型 (mTYPE):BASE → 基帶

3、介質類型/波長/距離 (L):
B → 雙向光纖,上行(D) 或上行 (U) 限定符不對稱
C → 雙軸銅纜
D → 并行單模 (500 m)
E → 超長光波長λ (1510/1550 nm) / 距離 (40 km)
F → 光纖 (2 km)
K → 背板
L → 長光波長λ (~1310 nm) / 距離 (10 km)
P → 無源光纖,帶有單個或多個下游 (D) 或上游 (U) 不對稱限定符,而且帶有4B/5B或8B/10B的外部來源編碼 (X)
RH → 采用PAM16編碼的紅色LED塑料光纖和不同發射功率的光纖
S → 短光波長λ (850 nm) / 距離 (100 m)
T → 雙絞線

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

5、通道數 (n):
空白,無通道數 → 默認為1-通道
4 → 4-通道

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

10GBASE-KX4是用于背板的10 Gbps基帶規范;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速率運行,以達到相同的吞吐量。

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

因此,區分IEEE 802.3標準中定義的光收發器規范和電氣規范之間的差別非常重要。

總結

1000BASE-X或10GBASE-R的名稱僅提供數據速率和編碼模式信息,而不規定接口介質。如果知道如何使用全名對以太網術語進行解讀(10GBASE-KR或10GBASE-ER),IC設計師在選擇適用的介質時就不會混淆。千兆以太網規范可能不同,但只要正確定義了互連介質,您就可以為下一代產品選擇正確的規范。

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