以太网知识讲座物理层器件

以太网知识讲座()——物理层器件以太网知识讲座（3）——物理层器件2010-05-2513:24（天津光电通信产业集团恒光科技有限公司；天津300211）摘要：系统地介绍了以太网的基本要领介质接入控制和物理层标准规范，以太网信号的帧结构、网络硬件设备、网络组成及主要性能，以及以太网信号在PDH、SDH/SONET中的传输等等。由于以太网中的各种设备必需通物理层接口器件才能与网络传输介质相连，因此本部分主要介绍物理层器件。关键词：以太网；物理层；接口1物理层器件物理层器件（PHY:PhysicalLayerInterfaceDevices）是将各网元连接到物理介质上的关键部件。负责完成互连参考模型（OSI）第I层中的功能，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理连接所需的机械、电气、光电转换和规程手段。其功能包括建立、维护和拆除物理电路，实现物理层比特(bit)流的透明传输等。通常物理层的功能均被集成在一个芯片之中，但有的芯片也将部分链路层的功能集成进来，如物理介质接入控制（MAC:MediaAccessCon-brol）子层的功能等。其MAC/Repeater接口在10Mbit/s、100Mbit/s两种速率下有10/100MII、100M符号、10M串行和链路脉冲几种模式。1.1PHY的结构如图1所示，物理层包括四个功能层和两上层接口。两个层接口为物理介质无关层接口（MII）和物理介质相关层接口（MDI），在MII的上层是逻辑数据链路层（DLL），而MDI的下层则直接与传输介质相连。以下对四个功能层和两个层接口分别进行介绍。1.2MIIMII满足ISO/IEC8802-3和IEEE802.3标准的要求，支持以太网数据传输的速率为10Mbit/s，100Mbit/s、1000Mbit/s和10Gbit/s，有对应的运行时钟。MII接口主要由与链路层之间的端口（MAC-PHY）和与站管理实体（STA:StationManagementEntity）之间的端口（STA-PHY）两部分组成。1.2.1MAC-PHY端口这是MAC与PHY器件之间的接口，包括同步收发接口和介质状态控制接口。在介质状态控制接口中有载波读出信号（CRS:CarrierSenseSignal）和碰撞检测信号（COL:CollisionDetectionSignal）等。1.2.2STA-PHY端口STA-PHY作为MII接口的一部分，用于在STA和PHY器件之间交换有关控制、状态和配置方面的信息。为此，ISO/IEC、IEEE规范了这个双线串行管理接口的相关协议及管理信息帧的结构和管理寄存器的标准。（1）管理寄存器按标准，管理寄存器集（ManagementRegisterset）包括强制性“基本控制”寄存器（Mandatory“BasicControl”Registers）、状态寄存器（StatusRe-gisters）和专用扩展寄存器ICS（SpecifieExtendedRegisters）几部分。（2）管理信号帧结构管理接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的配置、控制和状态数据，利用定义的寄存器集实现PHY和STA的数据交换。STA可以启动所有的处理功能。ISO/IEC、IEEE对串行管理数据流定义了相关管理帧结构和协议（管理信号帧的结构已在第一讲中讨论）。1.3物理编码子层物理编码子层（PCS）有两个对外接口，一是与MII的接口，二是与物理介质连接子层（PMA：PhysicalMediumAttachmentSublayer）的接口。PCS子层遵循ISO/IEC8802.3和IEEE802.3标准，功能包括对信号的编译码、收发处理、管理和控制等。这里可用100Base-TX速率来讨论PCS子层要完成的功能。1.3.1PCS在100Mbit/s与10Mbit/s下的工作模式一般称10Base-T为以太网，10Base-TX为快速以太网，两者信号的速率，执行的协议以及采用的传输介质均有所不同。PCS子层对于10Base-TX信号进行4B/5B编译码、扰码（Serambled）和MLT-3编码，将信号交换为62.5MHz的三元数据，然后通过隔离变压器送入5类双绞线电缆或者比5类双绞线电缆更好地电缆线路中传输。对于10Base-T信号则需进行曼乇斯特（Manchester）编译码和相关的处理。对10Base-TX信号和10Base-T信号处理的功能比较如表1所示。1.3.2PCS发送子层这里讨论10Mbit/s和100Mbit/s两种情况。PCS发送子层的功能是编码、碰撞检测与并/串变换等。（1）100Mbit/sPCS发送子层PCS发送10Base-TX的数据需要进行4B/5B编码，即是将4bit数据组成的奈培（nib）变换成由5bit数据组成的码字。4B/5B编码的目的就是将数据包的起始符、帧结束、空载与控制功能等符号都编成码组进行传输。将4B码的nib映射入5B码字的过程是按IEEE802.3标准规范进行的。每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit)表示帧前序（FramePreamble）。PCS将前二个nb用数据流起始标帜符/J/K/代替，并在帧结束时加入数据流结束标帜符/T/R/，用于表示包的结束(ESD:End-of-StreamDelimiter)。4B/5B编码器同样在包之间充满间隔空信号（IdlePeriod）。用间隔空（Idle）符号实现数据流的连续性。表2即是4B/5B编码表。编码后的符号送入后面的扰码器。PCS发送的子层4B/5B编码，有32种5bit的编码组合，其中16种5bit组合用于表示原16捉nib(4bit)的组合；另16种5bit组合，IEEE标准定义了6种用于控制使用的组合，还有10种认为非法的组合。IEEE定义的6种控制码组是：a./H/表示一个发送差错；b./I/表示一个IDLE空载；c.两个码组表示数据流启始标帧符（SSD）；d./J/和/K/；e.两个码组表示数据流结束标帜符（ESD）；f./T/和/R/；（2）10Mbit/s的PCS发送子层按ISO/IEC、IEEE标准的要求，10Mbit/s的PCS发送子层采用Manchester编码，即利用数据与时钟相“异或”，使数据每bit的前一半取数据的补码，后一半取数据的原码，从而保证跃变沿总是发生在每bit的中央处。Manchester编码器在数据包结束后加入一个起始空脉冲（SOI:StartofIdlePulse）。在编码过程中与包之间的间隔则不进行编码，由链路脉冲填充。Manchester编码过程的时间关系如图2所示。从MAC/Repeater接口来的4bit的nib流或串行bit流，利用Manchester编码进行编码。编码的逻辑是：a.二进制NRZ数据“1”当码元（bit）周期前半周期时取负值；当码元（bit）周期后半周期时取正值。b.二进制NRZ数据“0”当码元（bit）周期前半周期时取正值；当码元（bit）周期后半周期时取负值。使用Manchester编码的优点，一是每个bit周期可有一编码时钟；二是不必考虑数据本身是“0”还是“1”，增加了数据的跃变沿。但它的缺点是编码后的数据率增加了一倍。PCS子层还可完成碰撞检测，即在数据传输和接收同时发生时，需按标准规范和根据工作模式进行处理。在半双工工作模式下，发生碰撞时产生检测信号（COL:CollisionDetectionSignal），而在全双工工作模式下，不产生COL。1.3.3PCS接收子层（1）PCS接收子层的功能PCS接收子层主要完成以下功能：a.串/并变换；b.载波检测；c.4B/5B或Manchester译码；d.码组成帧。即PCS接收子层状态机连续接收从PMA来的数据，将其由串行变换为并行，以及成帧和译码，之后送到MAC/Pepeater接口。接收状态机则在接收和数据状态判断之间进行转换并连续这个过程，直到发生下述情况之一时为止：数据流结束标帜符（ESD，即/T/R/符号）；有差错发生；过早结束（空号）。依据ESD，接收状态机返回到Idle状态时，ESD并没有被送入MAC/Pepeater接口，因此检测出的差错将迫使接收状态机宣告接收错，并等待后面符号。若接收状态机检出“过早结束信号（Prematureend）”，同样也要宣告接收错，而返回Idle状态。（2）100Mbit/s的PCS接收子层4B/5B译码器4B/5B编码，因此在收端必须利用4B/5B译码器进行译码，即将5B码组映射成4B码。4B/5B译码器的输入严自解扰器（Descrambler）。按表3所示，将5bit码组变换为4bit的nib。4B/5B译码器应首先将SSD帧符（/J/K/符号）拆除并用两个4B数据“5”nb(/5/符号)来代替，对ESD帧符（/T/R/符号）也需被拆除并用两个4B数据“0”nib（/I/符号）代替。（3）10Mbit/sPCS接收子层Manchester译码Manchester译码器将从双绞线对接收到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载开始脉冲（SOI:StartofIdle）拆除。在发送端，NRZ数据S被Manchester编剧骊，即MS=S⊕C（C为时钟<Clock>）。在收端，MS数据重新被译码为S，即图3、图4即为ML2653型10Base-T物理接口芯片发收Manchester信号编译码的一时图。PCS子层提供CRS载波检测信号（CarrierSenseSignal）和碰撞检出信号（CollisionDetectionSignal），用这两个控制信号实现对MII接口的控制与管理。1.4PMA子层PMA与PCS及PMD子层相连，因此必须有两个接口；一个是到上边PCS子层的接口，另一个是到下边PMD子层的接口。PMA子层主要功能是：（1）链路监测（LinkMonitoring）；（2）载波检测（CarrierDete-cting）；（3）MRZI编/译码（NRZIEn-coding/Decoding）；（4）发送时钟合成（TransmitClockSynthesis）；（5）接收时钟恢复（ReceiveClockRecovery）。1.4.1PMA发送子层PMA发送子层（PMATransmitSublayer）从PCS子层接收串行比特流并且将其变换为NRZI格式（10Mbit/s不用），然后将其送入物理介质相关子层（PMD）。PMA使用数字锁相环（PLL）合成技术，从时钟标准接口得到需要发送的时钟脉冲，并根据标准时钟接口的安排，得到不同的发送时钟值。在PMA发送子层需进行NRZI（NonReturntoZeroInvertel）编码，这是一种两电平的单极性（O和V）编码。用两电平之间的跃变表示数据“1”，无跃变表示“0”。在这里NRZI编码为将数据变换成MLT-3编码作了准备。具体实例如图5所示。1.4.2PMA接收子层PMA接收子层主要完成下面两个功能：（1）NRZI译码（NRZIDcoding）（10Mbit/s不用）即将从PMD子层接收的串行bit流进行NRZI译码，并将其变换成单极性的二进进PCS子层。（2）接收时钟恢复（ReceiveClo-ckRecovery）将接收时钟恢复是由PLL完成的，此PLL锁定于从PMD子层接收据串行数据流上。PLL自动同步于串行数据流并从中提取时钟，最后将恢复时钟和NRZI译码后的数据流送到PCS子层。当PMA接收子层没有检出任何接收信号时，PMA利用发送时钟作为PLL的参考标准时钟。在100Base-TX信号情况下，恢复出25MHz的时钟。而在10Base-T信号时时钟信号则是2.5MHz。PMA接收子层的链路监视功能（LinkMoni-toringFunction）可以来监视接收时钟PLL。若接收时钟PLL没有捕获锁定的串行数据流，则产生一个差错信号。在一般情况下，PMA链路监视功能块连续统计与其连接的链路状态。若没有检出接收信号或者PLL误帧，则宣告接收