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  • 以太网mdi
    2021-01-17 15:19:06

    技术领域

    本实用新型涉及电子技术领域,尤其涉及一种以太网的SerDes接口与MDI接口转换模块。

    背景技术

    SerDes接口以及MDI接口均为以太网中常用的接口,二者通常会组合使用,在组合使用的场景中,需要设计相应的转换电路。现有技术中,转换电路需要采用多个芯片进行组合,且芯片之间采用高速信号线互联,导致转换电路设计难度较大。

    实用新型内容

    针对上述现有技术中的不足,本实用新型提供一种以太网的SerDes接口与MDI接口转换模块,该模块将多个芯片封装在一起,并采用双列直插的针脚,使得该模块使用简单,降低了电路板的设计复杂度。

    为了实现上述目的,本实用新型提供一种以太网的SerDes接口与MDI接口转换模块,其特征在于包括电源组件、以太网收发模块、变压器以及控制模块;其中:

    所述电源组件与3.3V电源引脚连接,用于向以太网收发模块以及所述控制模块供电;

    所述以太网收发模块与以太网SerDes接口连接;

    所述变压器与所述以太网收发模块以及以太网电接口MDI连接;所述变压器还与POE引脚连接;

    所述控制模块与所述以太网收发模块电性连接,用以控制所述以太网收发模块;所述控制模块连接有以太网管理接口MDIO以及太网管理接口MDIO的地址选择接口ADR;

    所述电源组件、以太网收发模块、变压器以及控制模块通过注胶的方式封装成注胶块;所述电源引脚、所述以太网SerDes接口、所述以太网电接口MDI、所述POE引脚、所述以太网管理接口MDIO、所述地址选择接口ADR均包括一个或者若干个针脚;各所述针脚插设在所述注胶块中,呈双列直插排列。

    本实用新型的进一步改进在于,所述以太网收发模块还与ACT引脚以及Link引脚连接;所述ACT引脚以及LINK引脚用于和相应的提示灯连接。

    本实用新型的进一步改进在于,所述POE引脚与48V电源连接或者作为POE电源输出端。

    本实用新型的进一步改进在于,所述以太网SerDes接口的工作模式包括SGMII模式、1000Base-X模式以及100Base-FX模式。

    本实用新型的进一步改进在于,所述以太网电接口MDI的工作模式包括100Base-TX和1000Base-T。

    本实用新型的有益技术效果为:该转换模块将多个芯片封装在一起,并采用双列直插的针脚,使得该模块可即插即用,可减少电路板的尺寸,还可降低电路板的设计复杂度。应用过程中,该模块的外围电路简单,功耗低,尺寸小,适用于各种通信设备。

    附图说明

    图1为本实用新型SCM模块的原理图;

    图2为本实用新型SCM模块的立体视图;

    图3为本实用新型SCM模块的针脚编号图;

    图4为SCM模块的一个具体应用示意图;

    图5为SCM模块的另一个具体应用示意图。

    具体实施方式

    下面根据附图1,给出本实用新型的较佳实施例,并予以详细描述,使能更好地理解本实用新型的功能、特点。

    请参阅图1所示,本实用新型的实施例包括一种以太网的SerDes接口与MDI接口转换模块(下文简称为SCM模块),其包括电源组件1(POWER)、以太网收发模块2(Transceiver)、变压器3(Transform)以及控制模块4(Controller)。电源组件1、以太网收发模块2、变压器3以及控制模块4均采用现有的元件进行实现,不依赖特定的软件。

    具体的,电源组件1与3.3V电源引脚连接,用于向以太网收发模块2以及控制模块4供电。以太网收发模块2与以太网SerDes接口连接。变压器3与以太网收发模块2以及以太网电接口MDI连接,此外变压器3还与POE引脚连接。

    3.3V电源引脚电源输入,用于电源输入,用作本实施例转换模块的工作电源。

    POE引脚可工作在不同模式,对于PSE端是48V电源输入,对于PD端是POE电源输出。在使用过程中,POE引脚根据被配置的工作模式与48V电源连接或者作为POE电源输出端。

    以太网SerDes接口的工作模式包括SGMII模式、1000Base-X模式以及100Base-FX模式。以太网SerDes接口包括两组差分信号引脚,两组差分引脚分别用作接收和发射。

    此外,以太网收发模块2还与ACT引脚以及Link引脚连接。ACT引脚以及LINK引脚用于和相应的提示灯连接。ACT引脚用于输出以太网电接口指示灯信号,其中MDI接口的物理连接正常时指示灯长亮,收发数据时指示灯闪亮。

    控制模块4与以太网收发模块2电性连接,用以控制以太网收发模块2的工作方式。控制模块4连接有以太网管理接口MDIO以及太网管理接口MDIO的地址选择接口ADR。用户可以通过以太网管理接口MDIO直接访问控制模块4的内部寄存器,一般给高级用户使用。地址选择接ADR,用于MDIO配置多个产品的地址识别。

    在本实施例中,电源组件1、以太网收发模块2、变压器3以及控制模块4通过注胶的方式封装成注胶块5;电源引脚、以太网SerDes接口、以太网电接口MDI、POE引脚、以太网管理接口MDIO、地址选择接口ADR、ACT引脚以及Link引脚均包括一个或者若干个针脚6。各针脚6插设在注胶块5中,呈双列直插排列。如图3所示,为本实施例的SCM模块的针脚编号图。各针脚6的具定义用如表-1和表-2所示。

    表-1 SCM模块的针脚定义图

    表2 SCM模块的针脚定义图(续)

    图4所示为本实施例SCM模块的一个具体应用示意图。本实施例中,两个SCM模块的MDI接口工作在1000Base-X模式,与设备上的RJ45插口连接,两个设备的RJ45插口通过线缆进行连接;本实施例中,两个SCM的模块的以太网SerDes接口工作在SGMII模式。

    图5所示为本实施例SCM模块的另一个具体应用示意图。本实施例中,两个SCM模块的MDI接口与设备上的RJ45插口连接,两个设备的RJ45插口通过线缆进行连接;本实施例中,两个SCM的模块的以太网SerDes接口工作在SGMII模式。两个设备分为PSE端和PD端。

    在PSE端,48V电源通过PSE模块后输入至SCM模块,3.3V单独提供。在PD端,SCM模块输出POE电源至PD模块,PD完成48V/3.3V的电源转换后输出3.3V电源至SCM模块和其他电路。因此在PD端不需要单独的电源,可节省硬件成本。

    以上结合附图实施例对本实用新型进行了详细说明,本领域中普通技术人员可根据上述说明对本实用新型做出种种变化例。因而,实施例中的某些细节不应构成对本实用新型的限定,本实用新型将以所附权利要求书界定的范围作为本实用新型的保护范围。

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  • MDI/MDIX接口

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       MDI/MDIX is a type of Ethernet port connection using twisted pair cabling. The MDI (for medium dependent interface) is the component of the media attachment unit (MAU) that provides the physical and electrical connection to the cabling medium. An MDIX (for MDI crossover) is a version of MDI that enables connection between like devices. MDI ports connect to MDIX ports via straight-through twisted pair cabling; both MDI-to-MDI and MDIX-to-MDIX connections use crossover twisted pair cabling.   

      MDI 和 MDIX 是两种接口,MDI和MDI,MDI-X和MDI-X用交叉线连接。MDI和MDI-X用直连线连接。
       相同端口交叉线连接,不同端口直连线连接。

      交叉线的顺序(从左到右):
            一头线序A: 绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕
          另一头线序B: 橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕

      直连线(从左到右):
        两头一样,都是线序A;
        或者都是线序B
     
      至于原理,象下图这样
     (以太网的网线用的是差分线,收用2根,发用2根,下面的图把它简化了)


      现在的交换机等网络设备都有 智能MDI/MDIX识别技术,也叫端口自动翻转(Auto MDI/MDIX),可以自动识别连接的网线类型。用户不管采用直连线或者交叉网线,均可以正确连接设备。




    再来张IEEE 802.3标准的图,画的挺好,第一个用的是交叉线,第二个用的是直连线


    展开全文
  • 以太网及网络工作原理二

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    2、以太网工作原理

    2.2、以太网数据帧

    OSI数据链路层作为七层模型的第2层负责把上面传的数据封装经物理层传出去,也就是在整个数据进行打包的最后一道工序,好比打包完成准备装车发送一样。数据帧是什么结构?有什么功能?
    以太网数据帧EthernetⅡ帧,以太网中大多数的数据帧使用的是EthernetⅡ格式。
    前导码:由7字节同步码和1字节帧开始定界符组成。7字节同步码作用使接收端的适配器在接收 MAC 帧时能够迅速调整时钟频率,使它和发送端的频率相同,这个比方作练习乐器时,先调好节拍器,心中嘀···嗒···嘀···嗒数好节拍。

    以太网数据帧前导码

    1字节帧首定界符,SFD的值为10101011,作用:作为帧开始的信号,SFD提醒接收站,这是最后一次进行同步的机会,最后两个比特提醒接收方准备接收,接下来的字段是目的地址。

    目标MAC地址:是目的MAC地址。DestinationMAC字段长度为6个字节,标识帧的接收者,接收方的网络适配器的物理地址(MAC 地址)。

    源MAC地址:发送方的标识,SourceMAC字段长度为6个字节网络适配器的物理地址(MAC 地址)。

    类型字段:于标识数据字段中包含的高层协议,该字段长度为2个字节。类型字段取值为0x0800的帧代表IP协议帧;类型字段取值为0806的帧代表ARP协议帧。

    数据:也称为效载荷,表示交付给上层的数据。以太网帧数据长度最小为 46 字节,最大为 1500 字节。如果不足 46 字节时,会填充到最小长度。最大值也叫最大传输单元(MTU)。

    来自应用层数据在传输层分段,网络层分组,添加目标MAC地址和源MAC地址及类型后封装成的数据。

    帧校验序列 FCS:检测该帧是否出现差错,占 4 个字节(32 比特)。发送方计算帧的循环冗余码校验(CRC)值,把这个值写到帧里。接收方计算机重新计算 CRC,与 FCS 字段的值进行比较。如果两个值不相同,则表示传输过程中发生了数据丢失或改变。这时,就需要重新传输这一帧。

    在这里插入图片描述
    查看网络抓包的EthernetⅡ帧,通过上图我们能看到EthernetⅡ帧的结构。

    常见帧的类型字段:

    序号类型字段
    10x0800 表示该帧的上层封装的是IP协议
    20x0806 表示该帧的上层封装的是ARP协议
    30x86DD 表示该帧的上层封装的是IPv6协议
    40x8847(单)/8848(组)表示该帧的上层封装的是MPLS协议
    50x8864/8864 表示该帧的上层封装的是PPPoE协议
    60x8809 表示该帧的上层封装的是LACP协议

    2.3、数据帧传输

    EthernetⅡ帧报文加入源MAC地址和目的地址,实现在以太网的通信,MAC地址是厂商在生产设备时,写入网卡的编号到芯片里,用于标识硬件设备。交换机转发过滤表中收录通过的数据信号中的MAC地址,对应数据帧的出入接口。

    当目的地址与交换机的转发过滤表MAC地址符合时,就允许数据帧从对应接口接收或转发,没有就放弃,MAC地址的第一字节的第8比特是0表示是唯一的目的地址,一对一发送,也就是单播。
    MAC地址格式

    MAC地址的第一字节的第8比特是1表示是组播,组播是有选择性的广播,不是对全体传送数据,而是对加入的组播的多个节点发送数据。

    目的MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF时,表示对以太网内所有节点都发送,称为广播。广播方式会产生大量流量,导致带宽占率过高,会挤占其它通信的通过带宽。

    以太网网卡的工作原理:从PCI总线接收到IP数据包,重新打包成最大1518B,最小64B的帧。添加源MAC地址和数据包里面的协议类型(IPv4类型、IPv6类型、ARP类型等),然后查找目标MAC地址,发出一个ARP包,其MAC帧的目标地址是广播地址,获得对应IP的MAC地址,加入帧。
    网卡自动识别所连接的交换机,按照物理层的编码规则(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去。

    在这里插入图片描述
    总结:EthernetⅡ帧工作在2层,第三层是路由器使用IP地址,设定好起点和终点,第二层数据帧的MAC地址的设定,则是整个线路中每个区间(节点之间)的起点和终点。这对于后面理解每一跳很重要。

    MAC流程图

    2.4、交换机的工作原理

    交换机收到这个数据帧,把数据帧中的源MAC地址与收到这个帧的端口(端口编号)与MAC地址记录表里面去,然后交换机把该数据帧从与目标MAC地址对应的端口发送出去。如果找不到目标MAC地址,就向所有的端口发送(不包括源端口),以广播方式发送,其它主机网卡收到这一数据帧后,读取目标MAC地址与的MAC地址对比,不是就丢弃,如果是就回应自己的MAC地址,交换机收录接收的MAC和对应端口号。

    在这里插入图片描述交换机三种交换模式

    • Cut-Through(快速交换)

      交换机接收到前目的地址即开始转发过程
      延迟小
      交换机不检测错误

    • Store-and-Forward(存储转发)

      交换机接收完整的数据帧后开始转发过程
      延迟取决于数据帧长度
      交换机检测错误,错误的包将被丢弃

    • Fragment-free(分段过滤)

      交换机接收完数据包的前64字节(一个最短帧长度),然后根据头信息查表转发
      交换机检查前64字节的错误,一旦发现错误将丢弃。

    交换机节点端口的协商技术
    终端设备的网卡自动与交换机接口进行协商,我是采用100 Base-TX全双工方式,你呢?交换机接口收到,都采用是快速以太网IEEE802.3u就按照100 Base-TX这个标准发送数据,如果不是,采用最低标准。

    交换机自适应技术
    这个技术对于一些分不清用平行线还是用交差线的网友,就省了很多麻烦。一般我们常同种设备用交差线,比如主机与主机,交换机与交换机之间。不同设备用平行线,如主机与交换机、主机与路由器、路由器与交换机之间。
    现在一些新的交换机采用智能MDI/MDIX,端口MDI/MDIX自动适应能自动识别平行线与交差线,用户不管采用普通网线或者交叉网线均可以正确连接设备。

    交换机MDI端口类型
    MDI是指通过收发器发送的100BASE-T信号,即100BASE-TX、FX、T4或T2信号。MDI端口需要分清双绞线的接法。

    2.5、网线的分类

    交叉网线接法和平行网线的接法
    平行网线接法
    交叉网线接法网线以CAT作为前面标识,后面部分UTP表示非屏蔽、FTP表示单屏蔽、SFTP表示双屏蔽。

    我们常见的有四种,五类网线、超五类网线、六类网线、超六类网线,通过标识来识别CAT.5五类网线、CAT.6六类网线,在标识里带e的就超类,CAT.5e超五类网线、超六类网线的标识多了一个a,CAT.6ae超六类网线。
    在这里插入图片描述

    这几种线的不同之处:标准的超五类网线线径是0.51毫米,六类网线线径是0.57mm,超六类网线的线径则是0.58mm,超七类网线的线径则是0.62mm。超六类网线中有一根塑料的十字骨架用分隔4组芯线,减少线对之间的信号串扰。、FTP表示单屏蔽、SFTP表示双屏蔽,也是用来隔离信号的干扰,确保数据准确、安全地传输。
    网线芯线线径的粗细有什么好处?芯线的铜芯越粗它的电阻就越小,传输效率就越高。五类网线的适用性看下图:

    类型5类线超5类线6类线超6类线7类线
    作用用于百兆网络用于千兆网络稳定千兆网络支持万兆网络稳定万兆网络
    传输频率100MHZ100MHZ250MHZ500MHZ600MHZ
    最大传输速度100Mbps1000Mbps1000Mbps10000Mbps10000Mbps

    2.6、千兆以太网

    千兆以太网已经发展成为主流网络技术,取代ATM技术,成为城域网建设的主力军。

    IEEE802.3工作组建立了802.3z和802.3ab千兆位以太网工作组,其任务是开发适应不同需求的千兆位以太网标准。该标准支持全双工和半双工1000Mbps,相应的操作采用IEEE 802.3以太网的帧格式和CSMA/CD介质访问控制方法。

    以吉比特每秒速率进行以太网帧传输技术的术语,由IEEE 802.3-2005标准定义。千兆以太网和大量使用的以太网与快速以太网完全兼容,并使用了原以太网标准所规定的全部技术规范,其中包括CSMA/CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE802.3标准中所定义的管理对象。作为以太网的一个组成部分,千兆以太网也支持流量管理技术,它保证在以太网上的服务质量,这些技术包括IEEE 802.1P第二层优先级、第三层优先级的QoS编码位、特别服务和资源预留协议(RSVP)。

    2.6.1、千兆位以太网标准主要四种类型的传输介质

    • 单模光纤;
    • 多模光纤上的长波激光(称为1000BaseLX)、多模光纤上的短波激光(称为1000BaseSX);
    • 1000BaseCX介质,该介质可在均衡屏蔽的150欧姆铜缆上传输。
    • 1000BASE-T

    单模光纤使用1000BASE-LX,LX 代表长波长,长波长激光(1310nm)的单模光缆标准时,使用8B/10B编码解码方式,最大传输距离为5000米。

    多模光纤使用1000BASE-LX多模式光纤和1000BaseSX多模式光纤方式,其中1000BaseSX中,短波长激光(850nm),芯线为50微米时传输距离550米。

    1000BASE-CX对应于802.3z标准,采用的是150Ω平衡屏蔽双绞线(STP)。最大传输距离25米,使用9芯D型连接器连接电缆。1000BASE-CX采用8B/10B编码方式。1000BASE-CX适用于交换机之间的连接,尤其适用于主干交换机和主服务器之间的短距离连接。

    1000BASE-T 1Gbit/s 使用超五类非屏蔽双绞线或6类非屏蔽双绞线,最大的传输距离100米。00BASE-T不支持8B/10B编码方式,而是采用更加复杂的编码方式。

    2.6.2、千兆以太网传输速率

    千兆以太网传输速率1Gbps,bps是数据传输速率的常用单位(又称为比特率每秒多少比特)。数字信息流的基本单位是bit(比特),时间的基本单位是s(秒)。

    1字节(Bytes)=8比特(bit)
    1Mbit/s=1024Kbit/s=1024/8KBytes/s=128KBytes/s

    千兆网比原以太网与快速以太网具有带宽更高,千兆网络的理论带宽是以Gbps进行网络传输,网络中常用理论上传输数据的最高速率来作为带宽,指在单位时间(一般指的是1秒钟)内能传输的数据量。可以想象成为一根水管,直径越大越好,单位时间内通过的水流就越多。

    在实际用户使用中,很多软件使用的是以字节为单位,所以在显示时会出现与接入速度不同。运营商使用的是bps(每秒多少比特)这个单位以比特计算传输速率,用户的软件比如下载软件使用字节(每秒多少字节)来运算,根据1字节等于8比特(1Byte=8bit)来计算,这个公式为:

    宽带理论速率Bytes/s=bps/8s (1Bps每8秒传送1Byte数据)
    1000Mbps的理论下载速度是:
    1000Mbps / 8 =125MBytes/s

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  • 以太网规范

    千次阅读 2018-08-11 13:50:02
    标准以太网规范 10Base-5、10Base-2 10Broad36 10Base-T 10Base-F 物理层结构 介质连接单元(MAU, Medium Attachment Unit) 介质相关接口(MDI, Medium Dependent Interface) 连接单元接口(AUI, Attachment Unit ...

    概述

    以太网标准有十兆、百兆、千兆、和万兆之分,其规范都是IEEE 802.3家族标准。

    标准以太网最初使用同轴电缆作为传输介质(总线拓扑),为了节省成本,后来又开发了基于双绞线的以太网规范(这个时段一般使用集线器作为连接设备),再后来为了提高传输距离又诞生了光纤以太网规范。

    虽然现在10Mbps的标准以太网规范已经不常使用了,但后面所有的以太网标准都是基于这个来改进开发的,所以还是有必要了解一下该规范。


    标准以太网规范

    标准以太网,即十兆以太网。其规范中主要包括:50Ω粗同轴电缆连接的10Base5(IEEE 802.3),使用50Ω细同轴电缆连接的10Base2(IEEE 802.3A),使用75Ω同轴电缆的10Broad36(IEEE 802.3B),使用双绞线的10Base-T(IEEE 802.3I)和使用光纤的10Base-F(IEEE 802.3J)

    这些规范名称是有含义的,对于同轴电缆作为传输介质的10Mbps以太网规范,其名称格式如下:<传输速率(Mbps)><传输模式><最大段长度(百米)>。

    如10Base-5,即使10Mbps速率,基带传输,介质最长为500米。

    10Base-5、10Base-2

    这两个规范都是在使用阻抗为50Ω同轴电缆作为传输介质的总线型拓扑结构网络,且采用基调传输模式的曼彻斯特编码。两者主要区别在于10Base-5使用粗同轴电缆,而10Base-2使用细同轴电缆,它们之间的最大单段距离为500m和180m。

    10Broad36

    这是在IEEE 802.3中唯一针对宽带系统(如有线广播,有线电视)的规范,在采用阻抗为75Ω同轴电缆的总线型拓扑结构网络中使用,它也采用几代传输模式的曼彻斯特编码,最大的段距离为3.6km。

    10Base-T

    该规范应用于使用双绞线作为传输介质的星型拓扑网络中,是当时以太局域网中应用最广泛的以太网规范。它也采用基带传输模式的曼彻斯特编码,最大段距离为100m。

    10Base-F

    该规范使用光纤作为传输介质,包括10Base-FL、10Base-FB和10Base-FP三种字规范,均采用基带传输模式的曼彻斯特编码,但设计用途上各不相同。

    • 10Base-FL

      设计用于当时的光纤中继器间连接(FOIRL, Fiober OpticInterRepeater Link)协议协同工作,其目的就是替代FOIRL,与FOIRL协同时单段光纤段距离为1000m,纯10Base-FL段距离为2000m。

    • 10Base-FB

      用于光纤骨干网(Fiber-Backbone)中同步信令的传输,用于将其他网段通过中继器连接到本地网络,单段光纤段距离为2000m。这个协议是用于集线器、交换机、光纤中继器间的连接的。

    • 10Base-FP

      用于连接无源光纤(Fiber-Passive)器件的以太网子规范,可以无需中继器即可连接大量用户(通过集线器、交换机)组成星型拓扑网络,单段光纤段距离为500m。该协议用于用户与集线器和交换机间的链接。

    物理层结构

    在IEEE 802.3以太网中,MAC子层是直接与物理层连接的。标准以太网的物理层包含以下三个部分:MAU、AUI、PLS。

    其结构见下图:

    介质连接单元(MAU, Medium Attachment Unit)

    MAU是网络接口用来直接与传输介质链接的那部分结构,发挥作用的是其内的收发器(transceiver)芯片。在该部分中又包括了物理介质连接(PMA, Physical Medium Attachment)介质相关接口(MDI, Medium Dependant Interface)两个子层,在网络接口和传输介质之间提供机械链接和电气特性接口

    介质相关接口(MDI, Medium Dependent Interface)

    负责网络接口和传输介质的连接,其实就是网络接口连接器。它定义了电缆的连接器,以及电缆两段负载的特性。因为标准以太网有多种不同的传输介质类型,所以也就对应有多种连接器。

    粗同轴电缆的MDI称为插入式分接头。实物见下图:

    细同轴电缆的MDI称为BNC连接器。实物见下图:

    BNC

    双绞线的MDI称为RJ-45连接器。实物见下图:

    RJ45

    光纤以太网的MDI有ST或SC两种。实物见下图(1为ST,2为SC):

    ST

    SC

    连接单元接口(AUI, Attachment Unit Interface)

    AUI是网络接口收发器上的电缆,它定义的是将MAU和PLS子层相连电缆的机械和电气特性,同时定义了通过该电缆交换的信号的特性。AUI上的信号有4种:

    1. 发送曼彻斯特编码
    2. 接收曼彻斯特编码
    3. 冲突信号
    4. 电源信号

    有时候PLS子层和PMA子层处于同一个DTE设备中,这时就不需要AUI和MAU了,但与同轴电缆的MDI子层还是需要的。

    物理层信号子层(PLS, Physical Layer Signaling)

    PLS是为MAC子层服务的,是在网卡中实现的(PMA和MDI是在收发器中实现)。它主要负责负责对物理层信号进行处理,具体包括编码、解码和载波侦听服务。


    快速以太网规范

    100Mbps的快速以太网(Fast Ethernet)是由10Mbps标准发展而来的,其协议标准为1995年发布的IEEE 802.3u(100Base)

    IEEE 802.3u在MAC子层仍采用了在IEEE 802.3标准中的CSMA/CD作为介质访问控制协议,并保留了MAC和LLC帧格式。但是为了实现100Mbps的传输速率,在物理层做了一些重要的改进:如采用更高效的4B/5B编码而不是曼彻斯特编码。

    快速以太网也定义了几种因介质不同的规范,有100Base-TX、100Base-T4、100Base-FX。其命名和上述提到的也类似,不同在于TX表示两对芯线双绞线、T4表示四对芯线双绞线,FX表示两条光纤。

    100Base-TX

    该规范采用两对芯线的双绞线电缆(5类、超5类屏蔽或非屏蔽双绞线),其中一对用于发送,另一对用于接收。该标准直接取代10Base-T和10Base-2规范。

    该规范的MDI连接器有两种:对于非屏蔽的双绞线(UTP)是8个引脚的RJ-45连接器;对于屏蔽双绞线(STP)是IBM的STP连接器。

    对于非屏蔽双绞线,规范只使用四对芯线中的两对,另外两对没有使用。根据EIA/TIA-568B布线标准,其RJ-45连接器与8条芯线的定义和连接如下表:

    引脚号功能颜色
    1发送+橙白色
    2发送-橙色
    3接收+绿白色
    4保留
    5保留
    6接收-绿色
    7保留
    8保留

    100Base-TX也支持特征阻抗为150Ω的5类屏蔽双绞线,这种线使用D型连接器。直通线与DB-9连接器上引脚和芯线连接如下表所示:

    引脚号功能颜色
    10公共地线电缆外壳
    1接收+橙色
    2保留
    3保留
    4保留
    5发送+红色
    6接收-黑色
    7保留
    8保留
    9发送-绿色

    线缆又有直通线和交叉线,直通线(级间连接,如PC到集线器、交换机,交换机到路由器等)两端同时使用TIA/EIA-568B标准,而交叉线(同级连接,如PC到PC)则是两端各使用A和B标准。

    交叉线两端的引脚和芯线连接如下表所示:

    引脚号UTP端AUTP端BSTP端ASTP端B
    1橙白色绿白色橙色红色
    2橙色绿色
    3绿白色橙白色
    4
    5红色橙色
    6绿色橙色黑色绿色
    7
    8
    9绿色黑色
    10公共地线公共地线

    但目前的端口基本都支持电缆跳线自动翻转功能,这使的任何情况下基本都可以只使用直通网线。

    100Base-T4

    该标准是用来向下兼容早前安装的3类、4类非屏蔽双绞线(当然也支持5类及以上线)的,但它要使用双绞线中所有的8根芯线,这也就是T4的含义。

    它采用半双工交换方式,在4对芯线中,3对用于一起发送数据,第4对用于冲突检测(为了实现100Mbps传输速率)。其RJ45连接器引脚与芯线连接如下表:

    引脚号功能颜色
    1TX_D1+橙白色
    2TX_D1-橙色
    3RX_D2+绿白色
    4BI_D3+蓝色
    5BI_D3-蓝白色
    6RX_D2-绿色
    7BI_D4+棕白色
    8BI_D4-棕色

    而该规范的交叉线两端连接如下表所示:

    引脚号端A端B
    1橙白色绿白色
    2橙色绿色
    3绿白色橙白色
    4蓝色棕白色
    5蓝白色棕色
    6绿色橙色
    7棕白色蓝色
    8棕色蓝白色

    在100Base-T4中,原来的1、3和2、6两对芯线与100Base-TX一样,仍只能采用半双工传输,但另外两对芯线可以全双工传输,如下图:

    trans

    当发送数据到交换机或集线器时,1、3、4对双绞线用来传送数据,第2对用于冲突检测;而当工作站接收数据时,第2、3、4对双绞线用来传送数据,第1对用于冲突检测。也就是说每个方向传送都同时使用了3对双绞线来传送数据,这样一来,对于100Mbps的速率来说,每对双绞线传送速率只有33.33Mbps,更加容易实现。

    另外,100Base-T4规范采用的是8B/6T编码法,而不是其他快速以太网规范的4B/5B编码。

    100Base-FX

    该规范采用的是两条光纤(单工模式),一条发送一条接收(而新型光纤一条即可,其采用之前提过的波分复用来实现全双工)。该规范可以用的光纤有两类:

    1. 多模光纤,纤芯为62.5/125μm,采用基于LED的收发器将波长为820nm的光信号发送到光线上。当连在两个设置为全双工模式的交换机端口之间时,最大段距离有2km。
    2. 单模光纤,纤芯为9/125μm,采用基于激光的收发器将波长1300nm的光信号发送到光线上。单模光纤损耗小,较多模而言能传输更远的距离。

    物理层结构

    快速以太网与标准以太网在物理层结构上存在较大差异,其对比如下图:

    FastEthernet

    介质相关接口(MDI, Medium Dependent Interface)

    快速以太网规范中,该子层与标准以太网是一样的。它规定PMD子层和传输介质间的连接器类型,如100Base-TX的RJ-45连接器,100Base-FX的SC、ST连接器等。

    物理介质相关子层(PMD, Physical Media Dependent)

    这是快速以太网规范新增加的一层,位于收发器上。是物理介质直接相连的信号收发器和信号检测模块,主要提供收发、检测和编/解码等功能。

    发送信号时,将来自PMA的信号经过适当编码后发送;接收时解码后递交给PMA子层。

    物理介质连接子层(PMA, Physical Medium Attachment)

    负责完成链路检测、载波检测、非归零翻转(NRZI)编/解码、发送时钟合成和接收时钟恢复功能。

    物理编码子层(PCS, Physical Coding Sublayer)

    负责4B/5B编解码,但在100Base-T4中负责的是8B/6T编解码、碰撞检测、并串转换功能。

    介质无关接口(MII, Medium Independent Interface)

    该层在逻辑上与标准以太网的AUI接口对应,使MAC子层与传输介质无关。

    MII在发送和接收数据时由标准以太网AUI的一位位串行传输改为4位的并行传输,这样发送接收时钟频率只需要整个数据传输速率的1/4,即25Mhz,其好处是更容易实现和更稳定。

    协调子层(RS, Reconciliation Sublayer)

    该层替换标准以太网的PLS子层,其负责的功能也有所不同,它是将MAC子层的业务定义映射成MII接口的信号。


    千兆以太网规范

    该规范是将传输速率提升到1000Mbps的规范,即1Gbps,又称吉比特以太网。

    该规范基本保留了原有的以太网帧结构,同时也支持CSMA/CD介质访问控制技术,所以完全向下兼容,原有的以太网可以方便的升级到千兆以太网。

    它最早于1998年和1999年发布的IEEE 802.3z和802.3ab标准中,包括1000Base-LX、1000Base-SX、1000Base-CX、1000Base-T四个,前三个是802.3z标准规定的,而最后一个是802.3ab规定的。这四个规范支持不同类型的光纤和双绞线电缆。

    其整体体系结构如下图:

    GEthernet

    除了上述提到的IEEE发布的规范,在工业应用里还有非正式标准形式但广泛应用的千兆以太网规范:1000Base-LH、1000Base-ZX、1000Base-LX10、1000Base-BX10、1000Base-TX。

    因此,在千兆以太网中加起来一共有“九”种规范,根据采用的传输介质类型,总体上分为基于光纤和基于双绞线的两大类。

    1000Base-LX

    IEEE千兆以太网规范,以光纤作为传输介质,可以使用单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)。适用于50nm和62.5nm的多模光纤和9nm的单模光纤,它使用长波长激光,波长为1310nm。多模最大传输距离为550m,单模最大传输距离为5km,采用8B/10B数据编码方法,主要适用于校园网或城域网的主干网。

    1000Base-SX

    IEEE千兆以太网规范,以光纤作为传输介质。适用于线径为50nm和62.5nm的短波多模光纤。其中前者最大传输距离为550m,后者为275m。它也采用8B/10B数据编码方法,适用于楼宇网络系统的主干通路。

    1000Base-LH

    非标准的千兆以太网规范,采用的是波长为1300nm或1310nm的单模或多模长波光纤。它类似于1000Base-LX规范,但在单模优质光纤的最大传输距离可达10km,并且与1000Base-LX兼容。

    1000Base-ZX

    非标准的千兆以太网规范,采用的是波长为1550nm的单模超长波光纤,最大传输距离可达70km。

    1000Base-LX10

    非标准的千兆以太网规范,采用的是波长为1310nm的单模长波光纤,最大有效传输距离可达10km。

    1000Base-BX10

    非标准的千兆以太网规范,其两根光纤采用的传输介质类型不一,下行方向采用波长为1490nm的单模超长波光纤,上行方向采用1310nm的单模长波光纤,最大有效传输距离为10km。

    1000Base-CX

    IEEE千兆以太网规范,采用150Ω平衡屏蔽双绞线(STP)为传输介质(DB-9连接器),最大传输距离为25m,数据编码法为8B/10B,适用于数据中心设备间短距离连接,但不适用于数据中心与配线架的连接。

    1000Base-T

    IEEE千兆以太网规范,采用5类、超5类、6类、7类双绞线的全部四对芯线作为传输介质,对应标准为IEEE 802.3ab(与其他标准不一)。最大传输距离为100m。全部四对芯线都可以同时进行全双工数据收发,所以同级设备也无需制作交叉线。这是企业局域网最常用的千兆以太网标准。

    1000Base-TX

    非标准的千兆以太网规范,它是由TIA/EIA与1995年发布的,对应标准为TIA/EIA-854。

    尽管TX也基于四对双绞线,但采用的是快速以太网中100Base-TX类似的传输机制,即其中两对发送、两对接收。由于每对线缆本身不同时进行双向传输,因此串扰大大降低,其编码方式也为8B/10B。但由于线缆的使用效率降低了,所以要达到1000Mbps的速率就必须使带宽超过100MHz,也就是说只有6类及以上的双绞线系统才支持。

    规范之间的比较

    规范传输介质传输距离
    1000Base-CX150Ω双绞线25m
    1000Base-LX波长为1310nm的单模/多模光纤5km
    1000Base-SX波长为850nm的多模光纤275~550m
    1000Base-LH波长为1310nm的单模/多模光纤10km
    1000Base-ZX波长为1550nm的单模光纤70km
    1000Base-LX10波长为1300/1310nm的单模/多模光纤10km
    1000Base-BX10下行为波长1490nm的单模光纤、上行为波长1310nm的单模光纤10km
    1000Base-T5类、超5类、6类或者7类双绞线100m
    1000Base-TX6类或7类双绞线100m

    物理层结构

    尽管有几种规范不是IEEE发布的,但总的来说它们的体系结构是类似的。与标准、快速以太网物理层结构一样,整个体系差别主要体现在物理层和MAC子层,LLC子层基本保持一致。体系而言,千兆以太网和快速以太网差别不大,下图是它们之间的比较:

    GEthernetStruct

    它们之间的主要区别在RS和PCS子层之间接口发生了改变,主要是由快速以太网的MII接口扩展为MGII。其他各子层功能一致。

    GMII是从MII的4位并行扩展为8位并行,这样每根线芯只需要125MHz的时钟频率即可实现1000Mbps的速率。另外GMII不支持连接器,它内置成为了IC和IC间的接口。

    另外的区别则是PCS子层的编码不一,而且同为千兆以太网规范中的编码也有不一,1000Base-X子系列均使用8B/10B编码,1000Base-T则使用PAM-5编码。

    图片来自互联网及《深入理解计算机网络》

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