6.9.3 万兆位以太网物理层工作原理

作者: 王达 出处:电子工业出版社 　2007-07-13 10:16　   砖    好    评论  条 　进入论坛

阅读提示：《网管员必读——网络基础（第2版）》共分9章，分别介绍计算机网络概述、数制、网络通信基础、网络通信协议、IP协议基础、局域网基础、互联网及其应用基础、网卡、交换机和路由器基础、交换机和路由器技术。本节介绍的是万兆位以太网物理层工作原理。

6.9.3  万兆位以太网物理层工作原理
在万兆位以太网中，在协议结构上最主要的区别就是体现在物理层，不仅出现了多种新型物理接口，还在工作原理上与以前版本以太网差别很大。下面进行简单的介绍。
由于10Gbps以太网实质上是高速以太网，所以为了与传统的以太网兼容必须采用传统以太网的帧格式承载业务。为了达到10Gbps的高速率，并采用OC-192c帧格式传输，就需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能。同时，由于以太网的原设计是面向局域网的，网络管理功能较弱，传输距离短，并且其物理线路没有任何保护措施。当以太网作为广域网进行长距离、高速率传输时必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网的传输是异步的，在接收端实现信号同步比较困难。因此，如果以太网帧要在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。
以太网一般利用物理层中特殊的10B（Byte）代码实现帧定界的。当MAC层有数据需要发送时，PCS子层对这些数据进行8B/10B编码，当发现帧头和帧尾时，自动添加特殊的码组SFD（帧起始定界符）和EFD（帧结束定界符）；当PCS子层收到来自底层的10B编码数据时，可很容易地根据SFD和EFD找到帧的起始和结束从而完成帧定界。但是SDH中承载的千兆位以太网帧定界，不同于标准的千兆位以太网的帧定界，因为复用的数据已经恢复成8B编码的码组，去掉了SFD和EFD。如果只利用千兆位以太网的前导（Preamble）和帧起始定界符（SFD）进行帧定界，由于信息数据中出现与前导和帧起始定界符相同码组的概率较大，采用这样的帧定界策略可能会造成接收端始终无法进行正确的以太网帧定界。为了避免上述情况，10G以太网采用了HEC（Header-Error-Check，头部错误检测）策略。
IEEE802.3 HSSG小组为此提出了修改千兆位以太网帧格式的建议，在以太网帧中添加了长度域和HEC域。为了在定帧过程中方便查找下一个帧位置，同时由于最大帧长为1 518字节，则最少需要11位（211=2048），所以在复接MAC帧的过程中用两个字节替换两个字节作为长度字段，然后对这8个字节进行CRC-16校验，将最后得到的两个字节作为HEC插入SFD之后。
10G WAN物理层并不是简单地将以太网MAC帧用OC-192c承载。虽然借鉴了OC-192c的块状帧结构、指针、映射以及分层的开销，但是在SDH帧结构的基础上做了大量的简化，使得修改后的以太网对抖动不敏感，对时钟的要求不高。具体表现在：减少了许多开销字节，仅采用了帧定位字节A1和A2、段层误码监视B1、踪迹字节J0、同步状态字节S1、保护倒换字节K1和K2以及备用字节Z0，对没有定义或没有使用的字节填充00000000。减少了许多不必要的开销，简化了SDH帧结构，与千兆位以太网相比，增强了物理层的网络管理和维护，可在物理线路上实现保护倒换。其次，避免了繁琐的同步复用，信号不是从低速率复用成高速率流，而是直接映射到OC-192c净负荷中。
10G以太局域网和10G以太广域网（采用OC-192c）物理层的速率不同，10G以太局域网的数据率为10Gbps；而10G以太广域网的数据率为9.58464Gbps（SDH OC-192c，是PCS层未编码前的速率）。但是两种速率的物理层共用一个MAC层，MAC层的工作速率为10Gbps。采用什么样的调整策略将10Gbps MII接口的10Gbps传输速率降低，使之与物理层的传输速率9.58464Gbps相匹配，是10G以太广域网需要解决的问题。目前将10Gbps速率适配为9.58464Gbps的OC-192c的调整策略有3种。
 在GMII接口处发送HOLD信号，MAC层在一个时钟周期停止发送；
 利用“Busy idle”，物理层向MAC层在IPG期间发送“Busy idle”，MAC层收到后，暂停发送数据。物理层向MAC层在IPG期间发送“Normal idle”，MAC层收到后，重新发送数据；
 采用IPG延长机制：MAC帧每次传完一帧，根据平均数据速率动态调整IPG间隔。
 关于以太网IEEE 802.3ae，万兆位以太网帧最小为64字节，最大可达到1 518字节。

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