了解以太网术语 – 数据速率、互连介质和物理层

作者:Rita Horner,Synopsys高级技术营销经理

以太网协议连接已经广泛应用于我们周围的大量事物或设备中。过去,以太网用在局域网 (LAN) 和城域网 (MAN) 中,而如今,由于以太网的普及和多种优势,例如巨大的生态体系和日益增长的规模经济,它越来越多地用在存储和汽车等市场中。

集成电路 (IC) 设计师正努力将以太网功能集成到设计中,利用以太网IP解决方案满足目标应用的要求。

然而,由于其独特的系统命名方法,以太网这些标准命名使人解读困难。PCI Express、串行ATA (SATA) 和USB等串行接口的每个数据速率都有一个规范,而以太网针对相同的数据速率有多个不同规范。例如,10GBASE-ER和10GBASE-KR是10 Gbps以太网规范,但它们描述的是不同的互连介质接口。截止到2016年,千兆以太网的类型有至少二十种,而且IEEE 802.3标准已经定义了近30个不同的万兆以太网规范。随着更多以太网接口的部署,设计师需要了解以太网规范术语。本文采用千兆和万兆作为参考而定义了以太网术语,旨在帮助设计师为自己的目标应用选择正确的规范。

以太网数据速率

串行数据通信由通过互连介质每次传输一个的数据位组成。数据速率指每秒传输的位数(位或bps),因此,如果位时间是1纳秒 (ns),则数据速率是每秒10亿位(1000 Mbps或1 Gbps)。位速率一般定义为实际数据速率;然而,在串行传输中,数据速率是总传输位数的子集。为了实现目标数据速率,线速率或物理层总数据速率会增加。在以太网中,要实现有效的1 Gbps吞吐量,实际线速率是1.25 Gbps,而在万兆以太网吞吐量中,线速率是10.3125 Gbps。

以太网速度是没有数据开销的实际数据吞吐速率,不包括控制位、源地址、目标地址和其他非数据位。实际数据吞吐速率也是以太网控制器的运行速率,也称为介质访问控制 (MAC) 或以太网MAC。

以太网互连介质

图1显示了五种主要以太网互连介质。以太网介质可能仅包含印刷电路板 (PCB) 走线对,每端连接两个IC中的每个PHY,或者可能包括额外的设备,例如连接器、电缆(光缆或铜缆)和收发器。

图1:以太网互连介质实例

图1:以太网互连介质实例

两个以太网PHY间的介质可以是机械和电气或光学介质。驱动每种介质的PHY可能具有相同的吞吐数据速率,但根据介质接口的不同,采用的规范不同。

机械和电气介质是铜缆(双绞线或双轴电缆),或者配有多个连接器的背板。由于电缆、连接器和背板特征的不同,每个接口的PHY规范可能要依赖需要不同规范的介质而定。

光学介质采用光收发器在光纤两端进行电信号与光信号和电信号间的转换。两种主要的光学收发器类型是单模光纤 (SMF) 和多模光纤 (MMF),分别支持多种不同波长 (λ)、光纤类型和电缆距离。

以太网物理层

IEEE 802.3标准将千兆或万兆以太网PHY定义为三个构件的组合:

1. 物理介质相关 (PMD)
2. 物理介质连接 (PMA)
3. 物理编码子层 (PCS)

PHY通过介质相关接口 (MDI) 连接互连介质,并通过介质无关接口 (MII) 连接数据链路层中的MAC,如图2所示。

图2:千兆和万兆以太网物理与数据链路层

图2:千兆和万兆以太网物理与数据链路层

特定速度的MII是一种可选接口,为不同的PHY实体提供了一种架构实施方式,尤其是在MAC与芯片外的PHY连接时。MII接口是一种芯片对芯片的接口,而没有机械连接器。千兆MAC或中继器可通过千兆介质无关接口(GMII) 连接千兆PHY,而万兆MAC可通过可选的万兆MII (XGMII) 连接万兆PHY。

以太网术语

以太网术语基于互连数据速率 (R)、调制类型 (mTYPE)、介质长度 (L) 和对PHY的PCS编码 (C) 模式的参考。当多个通道聚合时,这还包括聚合通道数量 (n) 的额外信息。如果参考通道数量,则假设为单通道接口。以太网术语中使用的R mTYPE L C n参数定义如下:

  1. 数据速率 (R):
    • 1000 → 1000 Mbps或1 Gbps;兆位单位从数据速率参考中移除
    • 10G → 10 Gbps
    • 10/1G → Gbps下行,1 Gbps上行
  2. 调制类型 (mTYPE):BASE → 基带
  3. 介质类型/波长/距离 (L):
    • B → 双向光纤,上行(D) 或上行 (U) 限定符不对称
    • C → 双轴铜缆
    • D → 并行单模 (500 m)
    • E → 超长光波长λ (1510/1550 nm) / 距离 (40 km)
    • F → 光纤 (2 km)
    • K → 背板
    • L → 长光波长λ (~1310 nm) / 距离 (10 km)
    • P → 无源光纤,带有单个或多个下游 (D) 或上游 (U) 不对称限定符,而且带有4B/5B或8B/10B的外部来源编码 (X)
    • RH → 采用PAM16编码的红色LED塑料光纤和不同发射功率的光纤
    • S → 短光波长λ (850 nm) / 距离 (100 m)
    • T → 双绞线
  4. PCS编码 (C):
    • R → 扰码 (64B/66B)
    • X → 外部来源编码 (4B/5B, 8B/10B)
  5. 通道数 (n):
    • 空白,无通道数 → 默

例如,10GBASE-KR是10 Gbps (10G) 数据速率基带 (BASE) 规范,采用一个背板 (K) 介质,并在单通道配置中使用64B/66B (R) 编码模式。这是一种纯电气规范,全面定义了兼容以太网规范的PHY的特性和特征。

10GBASE-KX4是用于背板的10 Gbps基带规范;然而,在聚合的4通道配置中,它采用8B/10B (X) 编码。即使10GBASE-KX4和10GBASE-KR都是10 Gbps电气接口,它们却描述了不同的PHY。10GBASE-KX4 PHY在4通道中以10GBASE-KR的1/4速率运行,以达到相同的吞吐量。

与此类似,尽管10GBASE-ER是10 Gbps基带规范,但它并不是10GBASE-KR或10GBASE-KX4这样的电气描述。10GBASE-ER是超长距离 (E) 单模光收发器规范,采用64B/66B (R) 编码,能够达到40 km的光缆距离。10GBASE-ER主要描述光收发器的要求,而不提供驱动收发器的PHY的电气要求。

因此,区分IEEE 802.3标准中定义的光收发器规范和电气规范之间的差别非常重要。

总结
1000BASE-X或10GBASE-R的名称仅提供数据速率和编码模式信息,而不规定接口介质。如果知道如何使用全名对以太网术语进行解读(10GBASE-KR或10GBASE-ER),IC设计师在选择适用的介质时就不会混淆。千兆以太网规范可能不同,但只要正确定义了互连介质,您就可以为下一代产品选择正确的规范。Synopsys的DesignWare®以太网IP解决方案支持大量的以太网规范和数据速率。

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