第一章前言光纖加密中的光纖通信標(biāo)準(zhǔn)1000BASE-X概述從傳統(tǒng)百兆速率的以太網(wǎng)發(fā)展到如今千兆甚至萬(wàn)兆以太網(wǎng),主要變化是在PHY層（物理層）。在MAC層中,為適應(yīng)千兆速率,還引入了載波擴(kuò)展和幀突發(fā)等機(jī)制。千兆以太網(wǎng)的介質(zhì)主要是光纖和銅線,都是專用傳輸介質(zhì)。1000BASE-X是一種基于ANSIX3.230-1994（光纖通道物理和信令接口）開(kāi)發(fā)的物理層標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)使用與光纖通道相同的8B/10B編碼。在IEEE802.3協(xié)議中，規(guī)定了1000BASE-X標(biāo)準(zhǔn)下物理層通信的所有物理編碼子層（PCS）和物理介質(zhì)連接（PMA）子層的相關(guān)規(guī)范。在1000BASE-X標(biāo)準(zhǔn)下中有三個(gè)實(shí)施例：1000BASE-CX，1000BASE-LX和1000BASE-SX。1000BASE-CX定義了在單一銅介質(zhì)上兩對(duì)150Ω平衡銅纜的相關(guān)規(guī)范，1000BASE-LX定義的是在長(zhǎng)波長(zhǎng)光下一對(duì)光纖的傳輸規(guī)范，1000BASE-SX則是定義的是在短波長(zhǎng)光下一對(duì)光纖的傳輸規(guī)范。千兆以太網(wǎng)PHY層結(jié)構(gòu)圖2.13顯示了1000BASE-X在OSI模型下的結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)接口包含了兩個(gè)層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層中定義了數(shù)據(jù)傳送和接收所需要的線路狀態(tài)、光電信號(hào)等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口；數(shù)據(jù)鏈路層提供尋址機(jī)制、差錯(cuò)檢測(cè)、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。PHY層又包含了RS（調(diào)和子層）、PCS(物理編碼子層)、PMA（物理介質(zhì)連接子層）、PMD（物理介質(zhì)相關(guān)子層）。PCS、PMA有1000BASE-X和I000BASE-T兩種。每種物理介質(zhì)有各自的PMD子層。圖2.131000BASE-X的結(jié)構(gòu)關(guān)系線路編碼機(jī)制在介紹PHY（物理編碼子層）之前，引入一個(gè)概念——線路編碼機(jī)制。線路編碼機(jī)制將輸入原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮掌骺山邮盏臄?shù)據(jù)格式，同時(shí)保證數(shù)據(jù)流中有足夠的時(shí)鐘信息提供給接收端的時(shí)鐘恢復(fù)電路。線路編碼技術(shù)提供了一種將數(shù)據(jù)對(duì)齊到字節(jié)/字的方法，可以保持良好的直流平衡，增加了數(shù)據(jù)的傳輸距離，提供了更為有效的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。除此之外，線路編碼技術(shù)也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘修正、塊同步、通道綁定和將帶寬劃分到子信道等。線路編碼技術(shù)主要有兩種：數(shù)值查找表機(jī)制和自修改數(shù)據(jù)流（擾碼）。目前常用的有8B/10B編碼和64B/66B編碼。8B/10B編碼是由IBM公司的AlWidmer和PeterFranaszek在1983年提出的一種數(shù)據(jù)傳輸編碼標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在各大高速串行總線中得到了應(yīng)用，例如IEEE1394b、SATA、PCI-Express、XAUI、RapidIO、USB3.0、Aurora等。PCS使用該線路編碼技術(shù)用以改善鏈路上傳輸?shù)男畔⒌膫鬏斕匦?。圖2.14顯示的是PCS參考框架下編碼數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流走向。線路總傳輸?shù)木幋a可確保足夠的信息，使接收端可以做相應(yīng)的時(shí)鐘恢復(fù)。這樣的編碼形式同時(shí)還極大地增加了檢測(cè)在信息的發(fā)送和接收期間可能發(fā)生的種種單個(gè)或多個(gè)比特發(fā)生錯(cuò)誤的可能性。另外，傳輸?shù)木幋a數(shù)據(jù)中的某些特殊碼組包含一個(gè)特定且易于識(shí)別的比特位，可幫助接收端實(shí)現(xiàn)碼組對(duì)齊。8B/10B編碼具有很高的傳輸密度，是一種游程長(zhǎng)度受限且dc均衡的碼組。圖2.14PCS參考框架8B/10B編碼有兩種類型的數(shù)據(jù),一種是用于數(shù)據(jù)的256個(gè)碼組，我們稱為D碼組；第二種是由12個(gè)特殊碼組組成，主要是在數(shù)據(jù)流中可以作為傳輸中幀起始、幀結(jié)束、傳輸空閑等狀態(tài)標(biāo)識(shí)，稱為K碼組。D碼組編碼時(shí),首先將8位數(shù)據(jù)分為5位和3位兩部分。這樣碼組可用Dx.y的形式表示,x表示5位數(shù)據(jù),y表示3位數(shù)據(jù)。編碼時(shí)分別進(jìn)行5B/6B編碼和3B/4B編碼。圖2.15描述了8B到10B編碼對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2.15編碼對(duì)應(yīng)關(guān)系8B/10B編碼中有兩個(gè)重要的概念，不均等性（disparity）和極性偏差（runningdisparity，RD）。（1）不均等性（disparity）:所有傳輸個(gè)數(shù)中1比0多的個(gè)數(shù)，或者0比1多的個(gè)數(shù)。例如：所有總共傳輸碼組中1比0一共多2個(gè)，則disparity=+2；所有總共傳輸碼組中0比1一共多2個(gè)，則disparity=-2；（2）極性偏差（runningdisparity，RD）:反映當(dāng)前極性情況，只有兩種（+1,-1）例如：所有總共傳輸碼組中1比0一共多2個(gè)，則RD=+1（positive+);所有總共傳輸碼組中0比1一共多2個(gè)，則RD=-1(negative-);在電源打開(kāi)后或者退出測(cè)試模式后，傳輸者將會(huì)假定其初始化極性偏差為negative（-），在任何碼組傳輸上，傳輸者會(huì)基于傳輸碼組的內(nèi)容計(jì)算出新的極性偏差值。在表2.1中顯示的是部分D碼組的編碼表。表中最右兩豎列對(duì)應(yīng)著基于當(dāng)前極性偏差（CurrentRD-或者CurrentRD+）下D碼組編碼后輸出的十位有效碼組。表2.2中顯示的是K碼所對(duì)應(yīng)的編碼表。表2.1D碼編碼表碼組名稱八位字節(jié)數(shù)值八位bitsHGFEDCBA當(dāng)前RD-當(dāng)前RD+D0.0000000000010011101000110001011D1.0010000000101110101001000101011D2.0020000001010110101000100101011D3.0030000001111000110111100010100D4.0040000010011010101000010101011D5.0050000010110100110111010010100D6.0060000011001100110110110010100D7.0070000011111100010110001110100D8.0080000100011100101000001101011D9.0090000100110010110111001010100D10.00A0000101001010110110101010100D11.00B0000101111010010111101000100D12.00C0000110000110110110011010100表2.2K碼編碼表碼組名稱八位字節(jié)數(shù)值八位bitsHGFEDCBA當(dāng)前RD-當(dāng)前RD+K28.01C00011100001111010011000001011K28.13C0011110000111110011100000110K28.25C0101110000111101011100001010K28.37C0111110000111100111100001100K28.49C1001110000111100101100001101K28.5BC1011110000111110101100000101K28.6DC1101110000111101101100001001K28.7FC1111110000111110001100000111K23.7F71111011111101010000001010111K27.7FB1111101111011010000010010111K29.7FD1111110110111010000100010111K30.7FE1111111001111010001000010111在1000BASE-X中，只使用了部分特殊碼組，見(jiàn)表2.3。這些特殊碼組和數(shù)據(jù)碼組通過(guò)一定方式結(jié)合構(gòu)成了有序集。有序集是作為控制命令或傳遞狀態(tài)信息，包括配置集合、空閑集合、幀封裝集合等。見(jiàn)表2.4。配置集合用于鏈路的自動(dòng)協(xié)商；空閑集合在幀間隙使用；幀封裝特殊碼組用于幀的起始、結(jié)束、載波擴(kuò)展、以及中繼器作錯(cuò)誤廣播。有序集合中的配置集合和空閑集合都是以特殊碼組K28.5開(kāi)始，后面接一些碼組。comma字串中不是含有b’0011111就是含有b’1100000。在傳輸期間，/I/和/C/有序集和指定的相關(guān)協(xié)議來(lái)確保comma+傳輸中有比comma-等效或者更好的頻率，這么做是確保與通用組件的兼容性。所以在鏈路啟動(dòng)時(shí)可以用這種特殊碼組實(shí)現(xiàn)位同步。表2.31000BASE-X使用的特殊碼組特殊碼組名稱RD(-)碼值RD(+)碼值K28.50011111011100000101K23.71110101000001010111K27.71101101000010010111K29.71011101000100010111K30.70111101001000010111表2.41000BASE-X使用的有序集集合代碼有序集名稱集合長(zhǎng)度集合組成備注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空閑集合12K28.5/D5.6只用I1，I2備用I2空閑集合22K28.5/D16.2R載波擴(kuò)展集合1K23.7S幀起始集合1K27.7T幀結(jié)束集合1K29.7Y錯(cuò)誤傳播集合1K30.71000BASE-X的物理編碼子層PCS1000BASE-X模式下的PCS上層是GMII接口(千兆位媒體獨(dú)立接口)，它提供了相關(guān)1000Mb/sPHY的實(shí)現(xiàn)，并提供了與協(xié)調(diào)子層的統(tǒng)一接口。在1000BASE-X模式下的PCS可以完成以下功能：（1）將GMII數(shù)據(jù)八位字節(jié)編碼（解碼）為十位碼組或有序集（8B/10B），并與基礎(chǔ)PMA進(jìn)行通信。（2）生成載波偵聽(tīng)和沖突檢測(cè)指示，以供PHY的半雙工客戶端使用。（3）管理自動(dòng)協(xié)商過(guò)程，并在準(zhǔn)備好使用PHY時(shí)通過(guò)GMII通知發(fā)送方。圖2.16所示的是1000BASE-X下PCS內(nèi)部的功能結(jié)構(gòu)以及與GMII,MDI之間的連接關(guān)系。圖中我們可以清晰的看到在PCS內(nèi)部有五個(gè)部分：發(fā)送模塊（TRANSMIT），接收模塊（RECEIVE），自動(dòng)協(xié)商模塊（AUTO-NEGOTIATION），同步模塊（SYNCHRONIZATION），載波偵聽(tīng)模塊（CARRIERSENSE）。圖2.161000BASE-XPHY的功能框圖。下面分別介紹PCS層中這些模塊的基本功能。（1）發(fā)送模塊主要功能是將來(lái)自MAC（這里是GMII接口）待發(fā)送的八位數(shù)據(jù)TXD并行數(shù)據(jù)以及TX_EN，TX_ER，GTX_CLK，根據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)則編碼成相應(yīng)的發(fā)送碼組發(fā)送都PMA。發(fā)送模塊可分為兩種類型進(jìn)程，分別為有序集進(jìn)程和碼組進(jìn)程。起始初始化過(guò)程中，判斷目前自動(dòng)協(xié)商進(jìn)程xmit的標(biāo)志位信息。如果處在配置狀態(tài)，則根據(jù)有序集走向進(jìn)行后續(xù)自動(dòng)協(xié)商步驟。如果該標(biāo)志位表示的是空閑狀態(tài)，發(fā)送進(jìn)程后續(xù)有序集就會(huì)發(fā)送/I/命令。/I/提供了一個(gè)連續(xù)填充模式來(lái)確立和保持時(shí)鐘同步。/I/由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)傳輸?shù)?I1/或者/I2/有序集組成。判斷當(dāng)前發(fā)送/I1/還是/I2/與當(dāng)前所處的極性偏差有關(guān)。如果當(dāng)前處于正極性偏差時(shí)（positive+)，則發(fā)送/I1/；如果當(dāng)前處于負(fù)極性偏差時(shí)(negative-)，則發(fā)送/I2/。（2）接收模塊主要功能是將同步后的10位并行數(shù)據(jù)，根據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)則解碼成八位的RXD數(shù)據(jù)，將RXD<7:0>，RX_DV，RX_ER，RX_CLK通過(guò)GMII接口向上層結(jié)構(gòu)傳輸。（3）自動(dòng)協(xié)商模塊是根據(jù)自協(xié)商基本原理完成一個(gè)端到端接口匹配的一個(gè)功能。

在自動(dòng)協(xié)商模式下，發(fā)送/接收端口會(huì)根據(jù)對(duì)端設(shè)備的相應(yīng)狀態(tài)，主要是對(duì)端的連接速度和雙工模式，自動(dòng)把本地端的速率調(diào)節(jié)至能達(dá)到的最高水準(zhǔn)，即線路兩端能達(dá)到的最快傳輸速率和雙工模式。當(dāng)自動(dòng)協(xié)商完成相關(guān)配置進(jìn)程后，xmit標(biāo)志位會(huì)顯示DATA（/D/）狀態(tài)，表示鏈路可以正常數(shù)據(jù)傳輸。在光纖建立連接的過(guò)程中，有兩種操作模式，一種是強(qiáng)制模式，一種是自協(xié)商模式。強(qiáng)制是人為控制操作收發(fā)端，手動(dòng)拉高Link信號(hào)，而自動(dòng)協(xié)商是兩端自動(dòng)匹配并建立連接。自協(xié)商模式和強(qiáng)制模式在傳輸過(guò)程中，兩者在建立物理鏈路時(shí)發(fā)送的碼組是不一樣的。強(qiáng)制模式發(fā)送的是/I/（IDLE）碼有序集；而自協(xié)商模式發(fā)送的是/C/（Configuration）有序集。當(dāng)兩端都通過(guò)寄存器配置為自協(xié)商模式時(shí)，互發(fā)/C/碼流，若接收到三個(gè)連續(xù)相同的/C/碼，且與本地端工作方式相匹配，則通過(guò)鏈路返回給對(duì)端一個(gè)具有Ack應(yīng)答位的/C/碼，對(duì)端接收并識(shí)別Ack應(yīng)答位后，如果匹配則認(rèn)為互通，將端口設(shè)置成UP狀態(tài)。（4）載波偵聽(tīng)模塊功能是在發(fā)送數(shù)據(jù)之前檢測(cè)一下當(dāng)前總線上是否有其他設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)。如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免與其他設(shè)備之間產(chǎn)生碰撞。在數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收過(guò)程中，載波偵聽(tīng)信號(hào)使能會(huì)一直打開(kāi)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送并且也沒(méi)有數(shù)據(jù)接收的情況下，載波偵聽(tīng)信號(hào)才會(huì)使能關(guān)閉。（5）同步模塊的主要工作是判斷當(dāng)前接收通道是否可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。若當(dāng)前接收通道無(wú)法正常同步，則PCS層會(huì)停止數(shù)據(jù)流操作。若接收端處在失去同步（LOSS_OF_SYNC）狀態(tài)，則會(huì)啟用同步進(jìn)程實(shí)現(xiàn)同步過(guò)程。1000BASE-X的物理介質(zhì)連接子層PMAPMA為PCS提供了一種獨(dú)立于介質(zhì)的方式，以支持對(duì)一系列面向串行位的物理介質(zhì)的使用。1000BASE-XPMA可以完成以下功能：（1）通過(guò)PMA服務(wù)接口在PCS和PMA之間映射發(fā)送和接收代碼組；（2）用于在底層串行PMD上進(jìn)行傳輸（接收）的代碼組的序列化（反序列化）；（3）從PMD提供的8B/10B編碼數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘；（4）通過(guò)PMD服務(wù)接口在PMA和PMD之間的發(fā)送和接收比特的映射；（5）PMD接口上的數(shù)據(jù)環(huán)回。1000BASE-X的物理介質(zhì)相關(guān)子層PMD1000BASE-X物理介質(zhì)相關(guān)子層（PMD）中，包括兩種類型1000BASE-LX（長(zhǎng)波長(zhǎng)激光）和1000BASE-SX（短波長(zhǎng)激光）的傳輸方式。PMD上接PMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)