第一章前言光纖加密理論基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u31077光纖加密理論基礎(chǔ)綜述 1277481.1密碼學(xué) 147841.2分組密碼 2168691.2.1分組密碼的整體結(jié)構(gòu) 3118141.2.2分組密碼的工作模式 469601.3AES算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 782841.3.1群（Group） 7181561.3.2有限域 882461.3.3有限域上的運(yùn)算 881541.4AES算法 9263921.4.1字節(jié)替換 10176201.4.2行移位 12162381.4.3列混淆 13188511.4.4輪秘鑰加變換 13237201.4.5秘鑰拓展 13285741.5光纖通信標(biāo)準(zhǔn)1000BASE-X 14286361.5.1千兆以太網(wǎng)PHY層結(jié)構(gòu) 15113151.5.2線路編碼機(jī)制 16180891.5.31000BASE-X的物理編碼子層PCS 21135121.5.41000BASE-X的物理介質(zhì)連接子層PMA 23281821.5.51000BASE-X的物理介質(zhì)相關(guān)子層PMD 24170481.5.6RS子層和GMII 24光纖加密通信技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了較好的發(fā)展，比如中科大量子通信技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跨城域之間的保密通信。由于其依賴于相關(guān)光學(xué)設(shè)備及高成本、高復(fù)雜度，目前商用還不具備一定的普遍性。本章將分為兩個(gè)部分進(jìn)行描述：分別為密碼學(xué)相關(guān)知識(shí)和光纖通信相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。在密碼學(xué)介紹中AES算法進(jìn)行詳細(xì)闡述；在光纖通信知識(shí)的介紹中，重點(diǎn)對(duì)光以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理，并對(duì)所使用的物理層編碼技術(shù)理論做詳細(xì)分析，為第三章的以太網(wǎng)芯片設(shè)計(jì)做相關(guān)理論鋪墊。密碼學(xué)密碼學(xué)是一門研究保密通信的理論原理和破譯加密算法的一門學(xué)科。在保密通信為目的的情況下，對(duì)鏈路傳輸信息進(jìn)行某種秘密變換用來(lái)防止未得到授權(quán)的第三方對(duì)信息進(jìn)行竊取。在現(xiàn)代社會(huì)，密碼學(xué)已經(jīng)成為保護(hù)我們數(shù)據(jù)和信息不可或缺的有效武器。目前該學(xué)科由密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)兩部分組成，兩者在密碼學(xué)上相互對(duì)立又互相促進(jìn)。密碼編碼學(xué)的核心任務(wù)是尋求并設(shè)計(jì)出高安全性的加密算法，對(duì)信息做到較好的保護(hù)。而密碼分析學(xué)與其剛相反，研究的是如何對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并破譯該密碼。兩者多年以來(lái)一直處于對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系，一次次的攻擊和破譯的同時(shí)也極大的推動(dòng)了密碼學(xué)自身的發(fā)展。通常一個(gè)完整的加密系統(tǒng)有以下基本幾個(gè)部分構(gòu)成：明文、加密算法、密鑰、密文和對(duì)應(yīng)的解密算法。其中明文是待加密的數(shù)據(jù)或消息，是加密算法的輸入；加密算法是對(duì)明文進(jìn)行一系列替代和變換的過(guò)程；密鑰是加密算法使用的外部參數(shù)，也屬于算法的輸入部分；密文是算法的輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)前數(shù)據(jù)在看似隨機(jī)的雜亂消息中隱藏了明文的數(shù)據(jù)；解密算法是將密文和密鑰作為輸入，輸出初始明文的過(guò)程，可以理解為是加密算法的逆運(yùn)算。分組密碼對(duì)稱密碼大體可以分為分組密碼和序列密碼兩種。兩者的主要區(qū)分是數(shù)據(jù)密碼轉(zhuǎn)化算法對(duì)處理明文信息的方式不同。分組密碼是通過(guò)將明文序列劃分成若n個(gè)分組x=(x0,x1，...，xn?1)，每個(gè)分組在秘鑰k=(y0分組密碼的基本要求是輸入明文序列能夠在密鑰的控制下在一個(gè)足夠安全和較大的置換的情況下得到密文文組。分組密碼構(gòu)成的密碼系統(tǒng)需要滿足以下條件：（1）Feistel結(jié)構(gòu)對(duì)于所有的密鑰，都有相對(duì)應(yīng)的加解密算法設(shè)計(jì)方式，且明文只能用通過(guò)同一密鑰才能完成加解密操作；（2）Feistel結(jié)構(gòu)加解密過(guò)程對(duì)密鑰依賴程度高，且十分敏感。（3）Feistel結(jié)構(gòu)已知密文且未得到秘鑰的情況下，求解相對(duì)應(yīng)的明文序列是不可行的；已知明文和相應(yīng)的密文來(lái)破譯其密鑰是十分困難的。分組密碼的整體結(jié)構(gòu)目前分組密碼有兩種常用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別是Feistel網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和SP結(jié)構(gòu)[20]。其中Feistel結(jié)構(gòu)是由密碼學(xué)設(shè)計(jì)者H.Feistel在設(shè)計(jì)Lucifer時(shí)發(fā)明的，它采用了對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，是一種常見(jiàn)典型的迭代密碼。（1）Feistel結(jié)構(gòu)在密碼學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多算法都采用了Feistel結(jié)構(gòu)。其中比較典型的有DES算法。正是由于當(dāng)年DES加密算法的廣泛應(yīng)用，使得具有Feistel結(jié)構(gòu)的分組密碼在很長(zhǎng)一段時(shí)間廣泛流行。該結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是加解密操作有很大的相似性，且已被證明具有較好的安全性。將長(zhǎng)度為2n比特的輸入字符分成長(zhǎng)度各n比特的左半部分L0和右半部分R0，F(xiàn)eistel中一輪迭代結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，通過(guò)下列算式可計(jì)算出輸出的左半部分L1LR⊕表示兩個(gè)比特字符串的異或操作，F(xiàn)：{0，1}圖2-1Feistel結(jié)構(gòu)（1）SP結(jié)構(gòu)SP中的S的意思是替換(Substitution)，P是指置換(Permutation)。SP的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.2。SP結(jié)構(gòu)較為容易理解，S一般被稱為混淆層，例如2.3.1章中要介紹的S盒就是起到替換作用，將一個(gè)域內(nèi)的元素通過(guò)一定的映射關(guān)系，變成另一個(gè)元素從而達(dá)到混亂的效果；P一般被稱為擴(kuò)散層，主要起擴(kuò)散作用。P盒不改變輸入字符串序列的0,1比特?cái)?shù)目，僅對(duì)0,1比特?cái)?shù)據(jù)的位置進(jìn)行變換從而達(dá)到擴(kuò)散效果。和Feistel結(jié)構(gòu)相比，SP結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是擴(kuò)散速度更快，更適合在高頻高速的硬件中實(shí)現(xiàn)。圖2-2SP型結(jié)構(gòu)分組密碼的工作模式在實(shí)際應(yīng)用中，不同應(yīng)用場(chǎng)景下所需分組密碼機(jī)制的安全性以及不同長(zhǎng)度的明文數(shù)據(jù)使得產(chǎn)生了各種密碼算法的工作模式。目前己經(jīng)提出了許多種分組密碼的工作模式，比如電子本模式(EBC)、密碼反饋模式(CFB)、計(jì)數(shù)器模式(CTR)、輸出反饋模式(OFB)、、密碼分組鏈接模式(CBC)、擴(kuò)散密碼分組鏈接模式(PCBC)和明文差分密文分組鏈接模式(CBCPB)等，但其中最基本的常用模式有以下四種，即EBC、CFB、CBC、OFB模式。（1）電子本(ECB)模式電子本(ECB)模式是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的分組密碼工作模式。加/解密設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)如圖2-3和2-4所示，將明文序列進(jìn)行分組后作為加密算法的輸入，算法的輸出數(shù)據(jù)即為分組密文，解密的步驟也相類似。ECB模式中的數(shù)據(jù)各個(gè)分組之間沒(méi)有反饋，互不干擾，所以也稱為分組密碼工作模式中的一種標(biāo)準(zhǔn)模式，得到較為廣泛的應(yīng)用。圖2-3ECB模式的加密框圖圖2-4ECB模式解密框圖（2）輸出反饋(OFB)模式輸出反饋(OFB)模式的加/解密框圖如圖2-5和2-6所示，該模式下首先通過(guò)加密初始向量IV得到一個(gè)密鑰流，再將得到的密鑰流與明文按位模2加運(yùn)算，即可得到密文，同理解密的過(guò)程也是同樣的步驟。輸出反饋模式本質(zhì)上是一種同步流密碼，該模式通過(guò)不斷反饋加密初始向量IV來(lái)生成密鑰流，再將密鑰流與明文進(jìn)行異或操作即可生成密文，解密過(guò)程則將密鑰流與密文異或即可生成明文。圖2-5OFB模式加密框圖圖2-6OFB模式解密框圖（3）計(jì)數(shù)器(CTR)模式計(jì)數(shù)器(CTR)模式的加/解密框圖如圖2-7和2-8所示。該模式與上述輸出反饋模式一樣，也是一種同步流密碼。不同的是，CTR模式使用的計(jì)數(shù)器數(shù)值為分組的序號(hào)值，一般從0或1開(kāi)始逐步累加。通常，通過(guò)在明文和從安全偽隨機(jī)數(shù)生成器獲得的密鑰流之間執(zhí)行異或操作來(lái)實(shí)現(xiàn)加法流密碼。同樣的，密文與加法流密碼相異或即可得到明文。圖2-7CTR模式加密框圖2-8CTR模式解密框圖AES算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)在介紹AES算法之前，首先介紹該算法的基本數(shù)學(xué)理論，重點(diǎn)介紹群（Group），域，有限域相關(guān)知識(shí)，為之后的硬件可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)算法及優(yōu)化打下基礎(chǔ)。群（Group）群[22]（Group）指的是由元素集合P以及集合P內(nèi)任意兩個(gè)元素的聯(lián)合操作?的集合。群有以下的特征：（1）群操作?是封閉形式的。即對(duì)所有的x,y∈p，x?y∈p都成立。（2）群操作滿足基本的結(jié)合律，即對(duì)所有的x,y,z∈p，x?（y,z）=（x?y）?z都成立。（3）存在一個(gè)元素1∈p，對(duì)所有的x∈p，1?x=x?1都成立，我們將該元素1稱為單位元。（4）群內(nèi)的任一元素x∈p，都存在一個(gè)元素x?1∈p，使得x?x?1=滿足上述幾種性質(zhì)的代數(shù)系統(tǒng)我們稱之為群，記作｛p,?｝。（5）群操作滿足如果滿足交換律：對(duì)所有的x，y∈p，都有x?y=y?x，則群P操作滿足交換律。如果群P滿足基本的交換律，稱P為交換群或阿貝爾群。綜上所述，群（Group）是一個(gè)操作和與之對(duì)應(yīng)逆向操作的一個(gè)集合總稱。如果該操作是一個(gè)加法過(guò)程，則其逆向操作就是一個(gè)減法過(guò)程；如果該操作是一個(gè)乘法過(guò)程，相對(duì)應(yīng)的其逆向操作是一個(gè)除法過(guò)程。為了能設(shè)計(jì)一種能夠同時(shí)支持四種基本加減乘除運(yùn)算的結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)造一個(gè)同時(shí)包含加法和乘法群的集合，并將其定義為域(field)。有限域有限域常用GF(P)的形式來(lái)表示，其中P表示在該域中元素的個(gè)數(shù)。在AES算法中所用的有限域?yàn)镚F(28)由b7b其中bi∈GF2，0≤i≤7。因此，GF28有限域上的運(yùn)算AES算法引入了有限域GF(2在有限域GF(2（1）加法運(yùn)算加法運(yùn)算用符號(hào)⊕來(lái)表示，表示有限域GF(2（x10010111⊕097⊕（2）乘法運(yùn)算乘法運(yùn)算定義為：假設(shè)A(x),B(x)∈GF(2m)我們定義一個(gè)元素C(x),C(x)=A(x)?B(x)modP(x)。在AES相關(guān)規(guī)定中定義了其不可約的多項(xiàng)式為P(x)=計(jì)算過(guò)程為：x==x此時(shí)我們得到的多項(xiàng)式的度大于8，故將其對(duì)P(x)進(jìn)行取模運(yùn)算，即：x13+x11在做有限域GF(2AES算法AES算法屬于對(duì)稱密碼的一種類型，也是一種分組密碼。目前主要有AES-128、AES-192和AES-256三種密鑰長(zhǎng)度[26]。以AES-256算法舉例說(shuō)明，其分組密碼長(zhǎng)度為256位，密鑰長(zhǎng)度也為256位，若分組或密鑰不足256位時(shí)，將按照相應(yīng)的規(guī)則將長(zhǎng)度補(bǔ)齊為256位。在AES算法中，有多次循環(huán)交替的操作稱為輪變換。輪變換又可分為以下幾個(gè)類型，分別稱為初始輪、重復(fù)輪和最終輪。每一輪迭代變換中又包括：字節(jié)替換（SubBytes）、行移位(ShiftRows)、列混淆（MixColumn）和輪密鑰加（AddRoundkey）幾個(gè)子步驟。字節(jié)替換指的是利用字節(jié)替換表(S盒)，根據(jù)S盒中對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性代換；行移位又稱為行移位變換，指的是通過(guò)對(duì)以字節(jié)為基礎(chǔ)單位的數(shù)據(jù)矩陣陣列進(jìn)行有序的循環(huán)錯(cuò)位排序；列混淆同樣也是一種線性變換，是指將列混淆矩陣陣列與數(shù)據(jù)矩陣陣列，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算；輪密鑰加又稱秘鑰加法層，是AES加密中輪迭代運(yùn)算的最后一層，指的是將列混淆得到的數(shù)據(jù)矩陣陣列與子密鑰矩陣陣列做加法運(yùn)算（按位的異或運(yùn)算），得到的結(jié)果作為下一輪迭代的輸入狀態(tài)矩陣。對(duì)于最終輪來(lái)說(shuō)，缺少列混淆這一步驟。這幾個(gè)步驟的大致關(guān)系如下（如圖2-9）。圖2-9AES加解密過(guò)程字節(jié)替換在AES加密算法迭代循環(huán)運(yùn)算過(guò)程中，第一步就是進(jìn)行字節(jié)替換操作，該操作是AES加密算法中唯一的非線性變換，該步驟在算法中輪迭代過(guò)程中需要重復(fù)使用[27]。字節(jié)替換過(guò)程如圖2-12所示，將A的每一個(gè)字節(jié)元素替換運(yùn)算后，輸出矩陣為B。圖2-10字節(jié)替換過(guò)程上述逆元映射和仿射映射步驟構(gòu)成我們整個(gè)AES算法的字節(jié)替換過(guò)程。兩個(gè)步驟包括兩個(gè)數(shù)學(xué)變換：首先在有限域GF(28)內(nèi)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行第一步乘法逆元映射。即求xmod(b式中ci是一個(gè)已經(jīng)確定的元素，數(shù)值為(&其中加密輪變換需要使用到字節(jié)替換，解密輪變換需要使用到逆字節(jié)替換。替換過(guò)程是將數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)16×16的代換表，如圖2-12所示，其中s為狀態(tài)矩陣。圖2-11S盒替換過(guò)程圖行移位在輪迭代過(guò)程中，步驟二和步驟三分別是行移位和列混淆。這兩步驟都在AES算法擴(kuò)散層中[28]。擴(kuò)散層的含義是指該層中數(shù)據(jù)的每一位帶來(lái)的影響都擴(kuò)散到整個(gè)態(tài)中，即下一個(gè)態(tài)的所有bit位數(shù)據(jù)都會(huì)受到上一個(gè)態(tài)的某一位數(shù)據(jù)的變化而帶來(lái)影響。行移位和列混淆步驟都是線性的，即D(A)+D(B)=D(A+B)。行移位操作的具體步驟是：首先輸入的狀態(tài)矩陣B的第一行保持不變，將第二行左移一個(gè)字節(jié)，第三行左移兩個(gè)字節(jié)，第四行左移三個(gè)字節(jié)，這樣得到了新的狀態(tài)矩陣C，如圖2.12所示。圖2.12行移位變換列混淆在完成字節(jié)替換和行移位后進(jìn)行列混淆操作。列混淆就是通過(guò)對(duì)輸入矩陣的列進(jìn)行重新加權(quán)排列，組合完成后生成新的輸出矩陣。列混淆從數(shù)學(xué)的角度可以看成是進(jìn)行一次矩陣乘法操作：將狀態(tài)矩陣s左乘列混淆矩陣，得到的結(jié)果即為列混淆變換后的數(shù)值，如式（2.8）所示。s解密步驟中逆列混合運(yùn)算也大致相同，只需要將列混淆矩陣更換成逆列混合矩陣即可，如式（2.9）所示。逆列混淆矩陣乘法表達(dá)式為：s列混淆操作的例子如式（2.10）所示:02輪秘鑰加變換輪密鑰加變換屬于密鑰加法層，也是輪迭代運(yùn)算的最后一層。它是將列混淆得到的狀態(tài)矩陣與對(duì)應(yīng)的16字節(jié)的子密鑰矩陣做加法運(yùn)算，即對(duì)兩個(gè)矩陣對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)按位異或運(yùn)算，獲得下一次輪迭代的輸入狀態(tài)矩陣。秘鑰拓展密鑰擴(kuò)展指的是通過(guò)特定遞歸運(yùn)算的方式，生成子秘鑰的過(guò)程。秘鑰擴(kuò)展首先需要人為輸入一個(gè)初始密鑰作為整個(gè)遞歸運(yùn)算的起始，在每輪擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)生成一組子密鑰[29]-[30]。令w[i]表示為密鑰矩陣k第i列的值，通過(guò)擴(kuò)展得到新遞歸出w[i]的值取決于w[i?1]和w[i?4]。密鑰擴(kuò)展具體運(yùn)算規(guī)則式見(jiàn)式（2.11）和（2.12），它們表示當(dāng)i不是4的整倍數(shù)時(shí)，只需要將w[i?1]和w[i?4]按位相異或便可以生成w[i]。當(dāng)i是4的整倍數(shù)時(shí)，還需要將w[i?1]通過(guò)函數(shù)g，再與w[i?4]按位相異或生成w[i]。ww以128位秘鑰的AES加密算法為例，共需要十次迭代循環(huán)，故需要11個(gè)子秘鑰，第一個(gè)自秘鑰為自定義輸入的一個(gè)初始秘鑰，秘鑰擴(kuò)展的具體過(guò)程如圖2.13。圖2.13128位密鑰的密鑰拓展光纖通信標(biāo)準(zhǔn)1000BASE-X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，