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  • 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...

    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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  • 注:汽车以太网深度好文,翻译自TI(德州仪器) 汽车以太网白皮书,值得一看随着越来越多的电子控制单元(ECU)在车辆中实施,汽车电气系统的复杂性不断增加。这些ECU在更广泛的层面上共享实时数据,从而增加了对网络...

    注:汽车以太网深度好文,翻译自TI(德州仪器) 汽车以太网白皮书,值得一看

    随着越来越多的电子控制单元(ECU)在车辆中实施,汽车电气系统的复杂性不断增加。这些ECU在更广泛的层面上共享实时数据,从而增加了对网络带宽的需求。

    为了解决带宽问题,汽车公司与领先的集成电路(IC)制造商和系统开发商合作,为汽车通信网络建立了全新的以太网标准。

    电气和电子工程师协会(IEEE)802.3bw标准(也称为100BASE-T1,以前称为BroadR-Reach)是一种100 Mbps汽车以太网标准,旨在提高数据吞吐量,满足强大的汽车排放标准,并减少布线及汽车网络的重量和成本。

    与传统以太网标准10BASE-T和100BASE-TX相比,100BASE-T1通过使用叠加、特定编码和加扰方案等基本原理,可降低电磁干扰(EMI),布线重量,成本以及节省空间。

    多年来,汽车电气系统变得更加复杂,主要受信息娱乐系统,先进的驾驶员辅助系统(ADAS),动力传动系和车身电子设备的推动。由于当今车辆中的各种电子控制单元(ECU)之间共享大量的实时数据和固件/软件,这些系统需要更快的通信网络。

    IEEE 802.3bw(100BASE-T1)是汽车公司与领先的集成电路(IC)制造商和系统开发商共同开发的新物理层(PHY)通信协议。100BASE-T1是一种可行的解决方案,可通过单对非屏蔽双绞线电缆以100 Mbps的通信速度满足更大的带宽需求。通过使用叠加,编码和加扰方案(以及一些无源组件)等技术,与传统的快速以太网(100BASE-TX)解决方案相比,100BASE-T1可降低电磁干扰(EMI),布线重量,成本和占用空间。本文的目的是进行调查

    基于汽车网络中数据类型的汽车系统中100BASE-T1的可能用例,并介绍物理层如何创建符合汽车标准的网络以太网标准。

    汽车以太网

    尽管以太网是商业和工业应用中流行的长期通信协议,但直到100BASE-T1问世之后,它才在汽车工业中得到广泛采用。

    一些车辆使用100BASE-TX作为车载诊断(OBD)扫描工具。但是,100BASE-TX无法在汽车生态系统中发展,因为它需要两根双绞线,并且不符合严格的CISPR(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques)25 Class5发射极限值[1]。

    100BASE-T1的开发是为了满足汽车系统的需求。它只需要一根单对非屏蔽双绞线,以100 Mbps的速度传输和接收数据,通信距离至少为15 m。100BASE-T1排放曲线保持不变

    根据CISPR 25 Class 5 Annex G带状线方法和其他汽车排放标准,如开放联盟的TC8 [1],[2],[3]。

    100BASE-T1将车载生态系统标准化为网络体系结构,简化ECU之间的整体通信,甚至可能消除对较旧或不太流行的协议的需求,如MOST总线或FlexRay总线。

    100BASE-T1可通过单对非屏蔽双绞线电缆使用以太网协议的音频视频桥接(AVB)集合,实现车辆内音频,视频,联网汽车,固件/软件和校准数据的通信。由IEEE时间敏感网络任务组开发的AVB标准集具有低且确定性的延迟,同步节点和流量整形[1],[4]。这些方面对于在汽车系统中传递各种类型的信息非常重要,并使100BASE-T1能够承载具有各种优先级的不同类型的数据(低数据速率和高优先级与高数据速率和低优先级,以及时间同步)。

    用于音频和视频数据的以太网

    与AVB配对的100BASE-T1可以传输音频和视频数据。这为信息娱乐和ADAS域中的以太网创造了机会。AVB仅为音频和视频数据指定一定量的带宽。分区的带宽量可由原始设备制造商(OEM)调整和选择。通常,为音频和视频流分配75 Mbps带宽,其余为25 Mbps用于数据流[4]。

    表1显示了使用公式1基于两个通道的采样率和位深度所需的音频所需带宽:

    Bit rate=Sampling rate × Bit depth × Number of channels (1)

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    根据表1,100BASE-T1可轻松支持44.1 kHz,48 kHz甚至96 kHz采样音频的带宽要求,每个采样的位深度高达32位。例如,典型的CD以44.1kHz采样,每个采样的位深度为16位。高分辨率音频通常以96 kHz采样,每个采样的位深度为24位。100BASE-T1链接完全支持这两者。

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    另一方面,视频传输需要更多带宽。表2显示了几种不同的视频格式(蓝光光碟、DVD等)带宽要求。表2还估算了不同媒体格式,分辨率和帧速率所需的视频带宽量。

    根据表2中的数据,AVB的75 Mbps带宽与100BASE-T1配对应该能够处理信息娱乐域中的几个视频通道。尽管如此,在ADAS(智能驾驶辅助系统)应用中,来自摄像机的未压缩视频数据可以很容易超过1 Gbps的带宽要求[8]。除非视频在传输之前被压缩,否则100BASE-T1并不合适进行传输未压缩视频数据。此外,通过以太网传输的视频需要微控制器(MCU)来执行视频压缩并为以太网通信提供媒体访问控制(MAC)层。由于摄像机在主计算设备上提供高达数千兆位的未压缩数据,因此100BASE-T1不是正确的解决方案。但是,当在相机(例如智能备份相机)中集成MCU时,100BASE-T1是视频通信的可行选择。

    车联网应用

    100BASE-T1不限于AVB应用。车辆内的关键连接是远程信息处理控制单元(TCU),其控制对车辆的无线跟踪和通信。

    从TCU到汽车网关的通信(将车辆中的各种通信域彼此连接起来 - 见图1)可以访问云,便于各种ECU的无线软件/固件更新。

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    100BASE-T1需要考虑的一个重要因素是TCU中实现的一些汽车4G长期演进(LTE)调制解调器可以在300-400 Mbps的速率运行,这就是为什么1000BASE-T1以及多千兆位解决方案是不可避免的。

    固件/软件和校准数据

    使用100BASE-T1以太网时,固件/软件更新和校准速度更快,减少了车辆更新的停机时间。大多数车辆都有一个100BASE-TX OBD端口,用于读取诊断数据和更新或刷新软件/固件。

    通过将100BASE-T1中的各种ECU连接到带有OBD端口的中央网关,可以比使用各种通信总线的现有解决方案更快地进行更新; 控制器局域网(CAN)以1 Mbps的速度运行,CAN灵活的数据速率(CAN-FD)以大于2 Mbps的速度运行,而FlexRay的运行速率为10 Mbps [1],[4]。100BASE-T1还可以在接近制造完成时促进ECU的校准。使用100BASE-T1以太网传输数据有助于缩短校准时间,从而缩短整体制造时间。

    100BASE-T1 PHY基础知识

    “汽车中的以太网”部分讨论了100BASE-T1的优势以及通常在汽车网络中传输的数据类型。下一节将从PHY的角度深入讨论100BASE-T1,阐明100BASE-T1如何满足汽车系统对低EMI,低成本,减少布线重量和更高带宽的要求。100BASE-T1采用独特的4位至3位(4B3B),3位至2位三对(3B2T)和3级脉冲幅度调制(PAM3)编码方案,与快速以太网相比,可实现更低的发射。100BASE-T1 PHY在通过单对非屏蔽双绞线传输之前执行所有必要的加扰和编码。

    00BASE-T1在MAC中是透明的,因为现有的媒体独立接口(MII)没有改变。目前有100种主要的xMII用于100BASE-T1:

    • MII:

    - 4-bit-wide data interface

    - Receive and transmit controls

    - Receive and transmit clocks

    • Reduced Media Independent Interface (RMII):

    - 2-bit-wide data interface

    - Receive and transmit controls

    - Single clock reference

    • Reduced Gigabit Media Independent Interface

    (RGMII):

    - 4-bit-wide data interface

    - Receive and transmit controls

    - Receive and transmit clocks

    • Serial Gigabit Media Independent Interface

    (SGMII):

    - 2-pin low-voltage differential signaling (LVDS)

    receive path

    - 2-pin LVDS transmit path

    图2显示了MAC和PHY的信号连接,具体取决于接口。在从MAC接收数据之后,以太网PHY对数据进行编码,加扰和串行化[5]。这些过程为PHY的模拟前端准备数据,然后将数据传输到单双非屏蔽绞线电缆上,并传输到链路伙伴。

    MII/RMII/RGMII/SGMII 连接如下

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    例如,通过RGMII与MAC通信的100BASE-T1 PHY将接收以25 MHz(总共100 Mbps)计时的四个并行位。PHY将这四位转换为三位,并将时钟频率增加到33 1/3 MHz,以保持100 Mbps的比特率。(如果帧不能被3整除,则PHY会添加填充位以实现正确的转换。链接伙伴会在传输到MAC之前删除这些填充位。)使用每组三个比特,PHY基于表3中所示的符号映射生成三对(2T)。

    最后,使用三级脉冲幅度调制(PAM3)以66 2/3 MHz基频发送三对矢量(TA,TB)。图3显示了从MII转换为Medium的数据通过PHY的从属接口(MDI)。

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    通过单双非屏蔽绞线发送/接收数据

    100BASE-T1是物理全双工接口,可在同一对上进行发送和接收,与10BASE-T和100BASE-TX不同,后者的发送和接收位于专用对上。共享介质减少了车辆中的整体电缆重量,不仅降低了材料成本,还提高了燃料效率。物理全双工是通过叠加原理完成的。100BASE-T1 PHY集成了混合电路并使用回声消除功能来删除自己的发送信号,并从链接伙伴处提取接收到的信息。为此,一个PHY专用作主设备,另一个PHY专用于从设备。当两个100BASE-T1 PHY连接时,它们经过训练过程,导致被测设备(DUT)和链路伙伴以相同的相位以相同的频率发送信息。图4显示了PHY通信的简化框图。

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    DC隔离

    图5显示了如何实现100BASE-TX和100BASE-T1的DC隔离。100BASE-TX PHY通常使用变压器,其中心抽头(在PHY侧)与依赖于PHY的DC电压相连。变压器也使用Bob Smith终端(中心抽头,在连接器侧,通过电阻器接地)以帮助改善CM噪声滤波[12]。

    100BASE-T1采用更简单的方法,仅使用两个电容器。与带变压器的应用相比,这两个电容器提供直流隔离并减小了解决方案尺寸。图6显示了一个典型的100BASE-T1电路实现。

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    结论

    100BASE-T1是第一个满足车辆网络需求的汽车专用以太网标准。它基于10BASE-T,100BASE-TX和1000BASE-T中汲取的经验教训,以满足严格的汽车排放要求,布线重量,成本和占地面积。有关更多信息,请参阅采用TI DP83TC811S-Q1的各种应用示例,解决方案 - 原理图,布局和BOM。原始设备制造商将不可避免地决定如何以及在何处实施100BASE-T1。

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  • MDIMDI_X

    千次阅读 2017-07-01 13:38:41
    现在的设备已经可以自适应了。 MDIMDI-X只在级连是用的,如果口子是MDI则你需要用一根交叉线...路由器的以太网接口、主机的NIC (Network Interface Card)的接口类型MDI Hub(集线器)的接口类型MDI_X 交换机的...

    现在的设备已经可以自适应了。

     

    MDI和MDI-X只在级连是用的,如果口子是MDI则你需要用一根交叉线来连接2台交换机,如果是MDI-X则不需要用交叉线了,直通即可! 

    说白了  MDI--MDI交叉线   MDI---MDI_X 直通线

    路由器的以太网接口、主机的NIC (Network Interface Card)的接口类型MDI

    Hub(集线器)的接口类型MDI_X

    交换机的接口类型可以为MDI和MDI_X


        之前交换机设备上会有一个MDI/MDIX按钮,不过有的路由器也拥有此按钮,我们可以通过按该按钮在MDI和MDIX工作模式之间进行切换。从而实现了同样两个设备可以使用不同线序的网线来连接,正线和反线连接设备只需要通过MDI/MDIX按钮来切换就可以满足需求。当然在实际连接时我们可以先在MDI模式工作,如果网络有问题或者端口不激活再切换到MDIX模式即可。
       有的设备可以通过内部命令来完成端口在MDI和MDIX之间的切换工作。

        具体命令如下——[Quidway-Ethernet0/1]mdi{across|normal|auto}
        输入“mdiauto”就是启用Auto MDI/MDIX自适应功能,输入mdi across就是使用mdix连接模式,输入mdinormal就是使用常规的mdi连接模式。

     

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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A UTP端B STP端A STP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
    1 TX_D1+ 橙白色
    2 TX_D1- 橙色
    3 RX_D2+ 绿白色
    4 BI_D3+ 蓝色
    5 BI_D3- 蓝白色
    6 RX_D2- 绿色
    7 BI_D4+ 棕白色
    8 BI_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-CX 150Ω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-T 5类、超5类、6类或者7类双绞线 100m
    1000Base-TX 6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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