以太網(wǎng)物理層器件

1、以太網(wǎng)知識(shí)講座（3）物理層器件王廷堯，馬克城（天津光電通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)恒光科技有限公司；天津 300211）摘 要：系統(tǒng)地介紹了以太網(wǎng)的基本要領(lǐng)介質(zhì)接入控制和物理層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以太網(wǎng)信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)組成及主要性能，以及以太網(wǎng)信號(hào)在PDH、SDH/SONET中的傳輸?shù)鹊?。由于以太網(wǎng)中的各種設(shè)備必需通物理層接口器件才能與網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)相連，因此本部分主要介紹物理層器件。關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；物理層；接口1 物理層器件物理層器件（PHY:Physical Layer Interface Devices）是將各網(wǎng)元連接到物理介質(zhì)上的關(guān)鍵部件。負(fù)責(zé)完成互連參考模型（OSI）第I層中的功能，即為鏈路層實(shí)

2、體之間進(jìn)行bit傳輸提供物理連接所需的機(jī)械、電氣、光電轉(zhuǎn)換和規(guī)程手段。其功能包括建立、維護(hù)和拆除物理電路，實(shí)現(xiàn)物理層比特(bit)流的透明傳輸?shù)取?通常物理層的功能均被集成在一個(gè)芯片之中，但有的芯片也將部分鏈路層的功能集成進(jìn)來，如物理介質(zhì)接入控制（MAC:Media Access Con-brol）子層的功能等。其MAC/Repeater接口在10Mbit/s、100Mbit/s兩種速率下有10/100MII、100M符號(hào)、10M串行和鏈路脈沖幾種模式。1.1 PHY的結(jié)構(gòu) 如圖1所示，物理層包括四個(gè)功能層和兩上層接口。兩個(gè)層接口為物理介質(zhì)無關(guān)層接口（MII）和物理介質(zhì)相關(guān)層接口（MDI），在

3、MII的上層是邏輯數(shù)據(jù)鏈路層（DLL），而MDI的下層則直接與傳輸介質(zhì)相連。 以下對(duì)四個(gè)功能層和兩個(gè)層接口分別進(jìn)行介紹。1.2 MII MII滿足ISO/IEC 8802-3和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的要求，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?0Mbit/s，100Mbit/s、1000Mbit/s和10Gbit/s，有對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)鐘。MII接口主要由與鏈路層之間的端口（MAC-PHY）和與站管理實(shí)體（STA:Station Management Entity）之間的端口（STA-PHY）兩部分組成?！盎究刂啤奔拇嫫鳎∕andatory “Basic Control”Registers）、狀態(tài)寄存器

4、（Status Re-gisters）和專用擴(kuò)展寄存器ICS（Specifie Extended Registers）幾部分。（2）管理信號(hào)幀結(jié)構(gòu) 管理接口是一個(gè)雙向串行接口，用于交換PHY與STA之間的配置、控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用定義的寄存器集實(shí)現(xiàn)PHY和STA的數(shù)據(jù)交換。STA可以啟動(dòng)所有的處理功能。ISO/IEC、IEEE對(duì)串行管理數(shù)據(jù)流定義了相關(guān)管理幀結(jié)構(gòu)和協(xié)議（管理信號(hào)幀的結(jié)構(gòu)已在第一講中討論）。1.3 物理編碼子層 物理編碼子層（PCS）有兩個(gè)對(duì)外接口，一是與MII的接口，二是與物理介質(zhì)連接子層（PMA：Physical Medium Attachment Sublayer）的接口。

5、PCS子層遵循ISO/IEC 8802.3和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，功能包括對(duì)信號(hào)的編譯碼、收發(fā)處理、管理和控制等。這里可用100Base-TX速率來討論P(yáng)CS子層要完成的功能。（1）100Mbit/s PCS發(fā)送子層 PCS發(fā)送10Base-TX的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行4B/5B編碼，即是將4bit數(shù)據(jù)組成的奈培（nib）變換成由5bit數(shù)據(jù)組成的碼字。4B/5B編碼的目的就是將數(shù)據(jù)包的起始符、幀結(jié)束、空載與控制功能等符號(hào)都編成碼組進(jìn)行傳輸。將4B碼的nib映射入5B碼字的過程是按IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行的。每個(gè)MAC/Repeater幀的前16nib(164=64bit)表示幀前序（Fra

6、me Preamble）。PCS將前二個(gè)nb用數(shù)據(jù)流起始標(biāo)幟符/J/K/代替，并在幀結(jié)束時(shí)加入數(shù)據(jù)流結(jié)束標(biāo)幟符/T/R/，用于表示包的結(jié)束(ESD:End-of-Stream Delimiter)。4B/5B編碼器同樣在包之間充滿間隔空信號(hào)（Idle Period）。用間隔空（Idle）符號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。表2即是4B/5B編碼表。編碼后的符號(hào)送入后面的擾碼器。PCS發(fā)送的子層4B/5B編碼，有32種5bit的編碼組合，其中16種5bit組合用于表示原16捉nib(4bit)的組合；另16種5bit組合，IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義了6種用于控制使用的組合，還有10種認(rèn)為非法的組合。IEEE定義的6種

7、控制碼組是： a./H/表示一個(gè)發(fā)送差錯(cuò)； b./I/表示一個(gè)IDLE空載； c.兩個(gè)碼組表示數(shù)據(jù)流啟始標(biāo)幀符（SSD）； d./J/和/K/； e.兩個(gè)碼組表示數(shù)據(jù)流結(jié)束標(biāo)幟符（ESD）； f./T/和/R/； （2）10Mbit/s的PCS發(fā)送子層 按ISO/IEC、IEEE標(biāo)準(zhǔn)的要求，10Mbit/s 的PCS發(fā)送子層采用Manchester編碼，即利用數(shù)據(jù)與時(shí)鐘相“異或”，使數(shù)據(jù)每bit的前一半取數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼，后一半取數(shù)據(jù)的原碼，從而保證躍變沿總是發(fā)生在每bit的中央處。Manchester編碼器在數(shù)據(jù)包結(jié)束后加入一個(gè)起始空脈沖（SOI:Start of Idle Pulse）。在編碼過

8、程中與包之間的間隔則不進(jìn)行編碼，由鏈路脈沖填充。Manchester編碼過程的時(shí)間關(guān)系如圖2所示。從MAC/Repeater接口來的4bit的nib流或串行bit流，利用Manchester編碼進(jìn)行編碼。編碼的邏輯是： a.二進(jìn)制NRZ數(shù)據(jù)“1” 當(dāng)碼元（bit）周期前半周期時(shí)取負(fù)值； 當(dāng)碼元（bit）周期后半周期時(shí)取正值。b.二進(jìn)制NRZ數(shù)據(jù)“0” 當(dāng)碼元（bit）周期前半周期時(shí)取正值； 當(dāng)碼元（bit）周期后半周期時(shí)取負(fù)值。 使用Manchester編碼的優(yōu)點(diǎn)，一是每個(gè)bit周期可有一編碼時(shí)鐘；二是不必考慮數(shù)據(jù)本身是“0”還是“1”，增加了數(shù)據(jù)的躍變沿。但它的缺點(diǎn)是編碼后的數(shù)據(jù)率增加了一倍

9、。 PCS子層還可完成碰撞檢測，即在數(shù)據(jù)傳輸和接收同時(shí)發(fā)生時(shí)，需按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和根據(jù)工作模式進(jìn)行處理。在半雙工工作模式下，發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生檢測信號(hào)（COL:Collision Detection Signal），而在全雙工工作模式下，不產(chǎn)生COL。CS接收子層 （1）PCS接收子層的功能 PCS接收子層主要完成以下功能： a.串/并變換； b.載波檢測； c.4B/5B或Manchester譯碼； d.碼組成幀。 即PCS接收子層狀態(tài)機(jī)連續(xù)接收從PMA來的數(shù)據(jù)，將其由串行變換為并行，以及成幀和譯碼，之后送到MAC/Pepeater接口。接收狀態(tài)機(jī)則在接收和數(shù)據(jù)狀態(tài)判斷之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換并連續(xù)這個(gè)過程，直到

10、發(fā)生下述情況之一時(shí)為止： 數(shù)據(jù)流結(jié)束標(biāo)幟符（ESD，即/T/R/符號(hào)）； 有差錯(cuò)發(fā)生； 過早結(jié)束（空號(hào)）。 依據(jù)ESD，接收狀態(tài)機(jī)返回到Idle狀態(tài)時(shí)，ESD并沒有被送入MAC/Pepeater接口，因此檢測出的差錯(cuò)將迫使接收狀態(tài)機(jī)宣告接收錯(cuò)，并等待后面符號(hào)。若接收狀態(tài)機(jī)檢出“過早結(jié)束信號(hào)（Prematureend）”，同樣也要宣告接收錯(cuò)，而返回Idle狀態(tài)。 （2）100Mbit/s的PCS接收子層4B/5B譯碼器4B/5B編碼，因此在收端必須利用4B/5B譯碼器進(jìn)行譯碼，即將5B碼組映射成4B碼。4B/5B譯碼器的輸入嚴(yán)自解擾器（Descrambler）。按表3所示，將5bit碼組變換為4

11、bit的nib。4B/5B譯碼器應(yīng)首先將SSD幀符（/J/K/符號(hào)）拆除并用兩個(gè)4B數(shù)據(jù)“5”nb(/5/符號(hào))來代替，對(duì)ESD幀符（/T/R/符號(hào)）也需被拆除并用兩個(gè)4B數(shù)據(jù)“0”nib（/I/符號(hào)）代替。（3）10Mbit/s PCS接收子層Manchester譯碼 Manchester譯碼器將從雙絞線對(duì)接收到的Manchester編碼信號(hào)變換為原NRZ信號(hào)，并將空載開始脈沖 （SOI:Start of Idle）拆除。在發(fā)送端，NRZ數(shù)據(jù)S被Manchester編劇驪，即MS=SC（C為時(shí)鐘）。在收端，MS數(shù)據(jù)重新被譯碼為S，即圖3、圖4即為ML2653型10Base-T物理接口芯片發(fā)收

12、Manchester信號(hào)編譯碼的一時(shí)圖。PCS子層提供CRS載波檢測信號(hào)（Carrier Sense Signal）和碰撞檢出信號(hào)（Collision Detection Signal），用這兩個(gè)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)MII接口的控制與管理。1.4 PMA子層 PMA與PCS及PMD子層相連，因此必須有兩個(gè)接口；一個(gè)是到上邊PCS子層的接口，另一個(gè)是到下邊PMD子層的接口。PMA子層主要功能是： （1）鏈路監(jiān)測（Link Monitoring）； （2）載波檢測（Carrier Dete-cting）； （3）MRZI編/譯碼（NRZI En-coding/Decoding）； （4）發(fā)送時(shí)鐘合成（T

13、ransmit Clock Synthesis）； （5）接收時(shí)鐘恢復(fù)（Receive Clock Recovery）。A發(fā)送子層PMA發(fā)送子層（PMA Transmit Sublayer）從PCS子層接收串行比特流并且將其變換為NRZI格式（10Mbit/s不用），然后將其送入物理介質(zhì)相關(guān)子層（PMD）。 PMA使用數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）合成技術(shù)，從時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)接口得到需要發(fā)送的時(shí)鐘脈沖，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘接口的安排，得到不同的發(fā)送時(shí)鐘值。 在PMA發(fā)送子層需進(jìn)行NRZI（Non Return to Zero Invertel）編碼，這是一種兩電平的單極性（O和V）編碼。用兩電平之間的躍變表示數(shù)據(jù)“1

14、”，無躍變表示“0”。在這里NRZI編碼為將數(shù)據(jù)變換成MLT-3編碼作了準(zhǔn)備。具體實(shí)例如圖5所示。A接收子層 PMA接收子層主要完成下面兩個(gè)功能： （1）NRZI譯碼（NRZI Dcoding）（10Mbit/s不用） 即將從PMD子層接收的串行bit流進(jìn)行NRZI譯碼，并將其變換成單極性的二進(jìn)進(jìn)PCS子層。 （2）接收時(shí)鐘恢復(fù)（Receive Clo-ck Recovery） 將接收時(shí)鐘恢復(fù)是由PLL完成的，此PLL鎖定于從PMD子層接收據(jù) 串行數(shù)據(jù)流上。PLL自動(dòng)同步于串行數(shù)據(jù)流并從中提取時(shí)鐘，最后將恢復(fù)時(shí)鐘和NRZI譯碼后的數(shù)據(jù)流送到PCS子層。當(dāng)PMA接收子層沒有檢出任何接收信號(hào)時(shí)，P

15、MA利用發(fā)送時(shí)鐘作為PLL的參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。在100Base-TX信號(hào)情況下，恢復(fù)出25MHz的時(shí)鐘。而在10Base-T信號(hào)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)則是2.5MHz。 PMA接收子層的鏈路監(jiān)視功能（Link Moni-toring Function）可以來監(jiān)視接收時(shí)鐘PLL。若接收時(shí)鐘PLL沒有捕獲鎖定的串行數(shù)據(jù)流，則產(chǎn)生一個(gè)差錯(cuò)信號(hào)。在一般情況下，PMA鏈路監(jiān)視功能塊連續(xù)統(tǒng)計(jì)與其連接的鏈路狀態(tài)。若沒有檢出接收信號(hào)或者PLL誤幀，則宣告接收通道差錯(cuò)。1.5 PMD子層 這里主要介紹100Base-TX速率下的雙絞線對(duì)物理介質(zhì)相新天地子層（TP-PMD：Twisted-Pair Physical Media

16、Dependent）。按照ISO/IEC IEEE的標(biāo)準(zhǔn)，100Base-TX TP-PMD具有數(shù)據(jù)流擾碼/解憂和三電平、多躍變沿MLT-3編譯碼功能及對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行直流恢復(fù)和自血壓計(jì)勻衡。 數(shù)據(jù)流的擾碼器/解擾器 通常，數(shù)字傳輸系統(tǒng)的魯棒性（Robustness）依賴于數(shù)字信號(hào)源的統(tǒng)計(jì)特性。例如，接收時(shí)鐘是從接收數(shù)據(jù)提取得來的，長串“0”和“1”可能引起同步的丟失。為了使定時(shí)恢復(fù)電路處于同步狀態(tài)，數(shù)據(jù)信號(hào)必須包含足夠的躍變沿。 IEEE 802.3u協(xié)議允許出現(xiàn)一些重復(fù)的數(shù)據(jù)圖形，這些重復(fù)的圖形在線路信號(hào)的功率頻譜密度分布中出現(xiàn)能量峰值，其不連續(xù)的頻譜分量是有害的，必須將其抑制掉。 利用擾碼

17、（Scrambling）技術(shù)擴(kuò)展這些圖形從而抑制掉這些不連續(xù)峰值分量達(dá)20dB25Db。這是因?yàn)樵谝欢ㄖ芷跁r(shí)間內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性使得數(shù)據(jù)信號(hào)有均勻功率輸出。這樣，峰值能量被消除，從而改善了發(fā)送性能。 在發(fā)端TP-PMD子層對(duì)4B/5B編碼信號(hào)進(jìn)行擾碼。擾碼器（Scrambler）將普通的NRZ bit流利用鍵控、模2加的方法產(chǎn)生一個(gè)被擾碼的數(shù)據(jù)流。其工作過程是：一個(gè)11bit的線性反饋移位寄存器（LFSR:Linear Feedback Shift Register）的輸入是第11bit和第9bit的模2加（Exclusive-OR），移位寄存器中至少包含有一個(gè)非零bit，基們生的偽隨機(jī)序列可

18、以與需要擾碼的信號(hào)相加，最后得到已擾碼的信號(hào)（10Mbit/s不用擾碼）。 解擾器（Descrambler）的作用是將被擾碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，恢復(fù)成原NRZI數(shù)據(jù)信號(hào)。在數(shù)據(jù)解擾前，應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)解擾器同步，一旦建立了解擾器同步，在給定的期間內(nèi)，只要檢出足夠擾碼空載圖形“1”的個(gè)數(shù)，即在1ms時(shí)間內(nèi)至少應(yīng)檢出25個(gè)連續(xù)解擾空信號(hào)“1”，就能保持同步狀態(tài)。若在1ms時(shí)間內(nèi)沒有檢出25個(gè)連續(xù)解擾空信號(hào)“1”“1”，而無躍變沿表示“0”“0”或連“1”序列，使得數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生直流分量，變壓器的隔直也會(huì)引起信號(hào)“基線”的漂移，即“基線”10m、100的5類非屏蔽雙絞線電纜或100m、150“基線漂移校正電路”

19、恢復(fù)由變壓器隔去的波形直流分量。比較器將均衡后的信號(hào)變換回原數(shù)字電平供“鎮(zhèn)噪電路（Squelch Circutit）”1.6 鏈路完整性算法 10Mbit/s和100Mbit/s模式有不同的鏈路完整性算法（Link Integrity Algorithm）標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE802.3第14條款中規(guī)范了10Base-T鏈路完整性算法，使用的是所謂的規(guī)范鏈路脈沖（NLP:Normaal Link Pulses）。當(dāng)發(fā)送處于空載時(shí)，為了便于確定本地設(shè)備已經(jīng)成功地建立起與遠(yuǎn)端設(shè)備相連的鏈路（稱為鏈路通路狀態(tài)），發(fā)送NLP必須滿足在IEEE 802.3第14條款規(guī)范的要求。因?yàn)?00Base-TX定義了一

20、個(gè)獨(dú)立的激活空信號(hào)，而不需要像10Base-T那樣，定義一個(gè)半獨(dú)NLP。100Base-TX的空信號(hào)是：ILE=11。1.7 自動(dòng)協(xié)商子層 （1）功能 自動(dòng)協(xié)商子層（AN:Auto-Negotiation Sublayer）通常有以下功能： a.確定在鏈路段介質(zhì)或纜連接的另一端設(shè)備所具有的能力； b.宣布遠(yuǎn)端鏈路設(shè)備中上述能力； c.與鏈路遠(yuǎn)端設(shè)備交換彼此表征技術(shù)能力的數(shù)據(jù)參數(shù)，并且與遠(yuǎn)端鏈路設(shè)備建立協(xié)議，自動(dòng)選擇共有的最高性能工作模式。包括工作速率（10/100/1000Mbit/s）、傳輸介質(zhì)和半/全雙工模式。 自動(dòng)協(xié)商功能是在建立鏈路兩端設(shè)備中選擇共有的高性能工作的模式，其算法和鏈咱完整

21、性算法的區(qū)別在于：標(biāo)準(zhǔn)鏈路完整性算法僅用于建立來往遠(yuǎn)端設(shè)備的活動(dòng)鏈路，而自動(dòng)協(xié)商算法則是在選擇兩端共有的最高性能后，還要建立來往遠(yuǎn)端設(shè)備的激活鏈路。 （2）自動(dòng)協(xié)商子層的啟動(dòng) 在以下事件之一發(fā)生時(shí)，需啟動(dòng)自動(dòng)協(xié)商功能算法： a.設(shè)備選通自動(dòng)協(xié)商功能； b.設(shè)備進(jìn)入鏈路故障（Fail）狀態(tài)； c.自動(dòng)協(xié)商復(fù)位。 在ISO/IEC 8802-3標(biāo)準(zhǔn)的附錄28B中，列出了各種技術(shù)的優(yōu)先權(quán)順序，如以下所示：100Base-TX全雙工（最高優(yōu)先權(quán)）； 100Bae-T4； 100Base-TX半雙工； 10Base-T全雙工； 10Base-T半雙工（最低優(yōu)先權(quán)）。 一般地說，自動(dòng)協(xié)商執(zhí)行的過程要小于5

22、00ms，這與對(duì)端完成自動(dòng)協(xié)商鏈路的能力地勻。自動(dòng)協(xié)商過程的監(jiān)視器可以監(jiān)視自動(dòng)協(xié)商過程和鏈路是否建立。1.8 PHY器件小結(jié) PHY物理層器件應(yīng)滿足CSMA/CD以太網(wǎng)ISO/IEC 88-02-3、IEEE802.3的標(biāo)準(zhǔn)要求。前面分別詳細(xì)描述了MII接口、物理編碼子層（P-CS）、物理介質(zhì)連接子層（PMA）、物理介質(zhì)相關(guān)子層（PMD）以及自動(dòng)協(xié)商（Auto-Negotion）功能和原理?，F(xiàn)將各部分功能概括于表3之中，以進(jìn)行比較。參考文獻(xiàn)1 Cisco Systems Inc.Cisco Ether Channel White Paper Fast EtherChannel,1992.2 C

23、isco Systems Inc.Overview Cisco Fast Hub 400 10/100 Series.2001.3 Cisco Systems Inc.Cisco-Technology Brief Fast Ethernet 100-Mbps Solutions,1992.4 Cisco Systems Inc.Application note-Packet ov-er SONET/SDH,1992.5 National Semiconductor.DP83850C 100 Mbit/s TX/T4 Reperater Interface Controller.1998.7 National Semiconductor.DP838568 100Mbit/s Reperater Information Base.1997.8 National Semiconductor.DP83840A 100PHY.1998.9 National Semiconductor.DP83223 100Base-X Transce