發布日期：2022-07-14 點擊率：18
系統中的以太網PHY主要用于提供局域網和廣域網之間的數據分組傳輸的物理連接。IEEE802.3標準定義了多種用于傳送分組數據的以太網接口,但最常用的仍是通過5E類雙絞銅線以及單?；螂p模光纖傳輸的接口。市場上最流行的以太網接口是10BAST-T銅介質接口,其常見用于PC機、LAN交換機、服務器以及家庭寬帶設備,如同軸線纜調制解調器和DSL調制解調器。
隨著分組數據網絡的發展,業界又推出了幾種新興接口以滿足不斷增長的帶寬需求。在現有網絡中,100base-TX銅介質的使用僅次于10base-T,其可傳輸的最大分組數據流量是10base-T的10倍。在跨距超過銅線所能達到的情況,還可以使用100base-FX光纖。2000年以后,由于銅介質的1000base-T PHY和光纖介質的1000base-X PHY的采用,以太網PHY芯片廠商成功進入千兆以太網的領域。盡管如此,現有的分組數據系統只支持10base-T、100base-TX和/或100base-FX接口,并仍在今天的以太網中廣泛使用。
設備供應商面臨的挑戰
制造分組數據處理設備的供應商必須爭取設備能連接到各種新型的以太網介質接口,同時還要保持與10base-T、100base-TX和100base-FX傳統產品的連通性。為了向終端用戶提供足夠的靈活性,供應商提出了利用現有以太網PHY技術的創新方法,比如一些設計系統的設備供應商可能會在一個底座中同時提供10/100/1000base-T銅介質PHY和1000base-X光纖介質PHY,而有些供應商則生產模塊化的底座系統以允許終端用戶購買各種與底座系統兼容的子模塊,然后根據不同網絡接口類型進行更換和配置?？墒?由于這種方法要求供應商和用戶必須應付額外的硬件,增加了復雜性,同時也增加了產品定購和用戶安裝方面的支持成本。
銅介質以太網網絡
雖然1000base-T千兆以太網應用越來越廣泛,但10base-T和100base-TX銅介質PHY仍是網絡硬件中最主流的兩種網絡接口。因此,千兆銅介質PHY廠商開發的芯片必須能夠支持三種銅線速度:10base-T、100base-TX和1000base-T。(見圖1)幸運的是,IEEE802.3標準第28款定義的PHY到PHY鏈路自動協商和并行檢測機制的使用已經十分普及。自動協商實際上就是主動的介質接口選擇,即兩個銅介質的以太網PHY彼此通過線纜進行通信,并確定兩個PHY間的最高速度及雙工設置。當自動協商失敗時,符合第28款定義的PHY就會啟用并行檢測機制以嘗試鏈接沒有自動協商功能的傳統10base-T或100base-TX PHY。
以太網光纖網絡
除了銅介質外,另一種媒質是光纖。與銅介質網絡不同的是,光纖以太網絡在自協商或檢測和響應不同的光纖鏈路帶寬速度方面還沒有已定義好的規范。雖然IEEE802.3第37款定義了1000base-X的自動協商功能,但這僅用于1000base-X的雙工發現和遠程故障指示。自動協商也沒有包含100base-FX的內容。因此,設備供應商通常將每個小型可插拔(SFP)端口固定為一種光纖速度,如僅為1000base-X或僅為100base-FX。這意味著單個SFP插槽不能處理不同類型SFP。當需要支持多種光纖速度時,通常是將不同的基于光纖的子模塊換插到底座的專用開放式槽道來實現各種光纖速度模式。最近,開發出了一個光纖介質PHY可以同時支持1000base-X和100base-FX的系統,但供應商必須通過定制的MAC ASIC以硬件方式實現,用戶必須人工改換軟件配置參數以使系統識別出光纖SFP在1000base-X和100base-FX之間的轉換。
圖1:10/100/1000base-T銅介質PHY。
支持銅介質的SFP端口
隨著1000base-X光纖產量的提高,一些供應商開始提供只支持SFP插槽(沒有銅介質RJ45接口)的底座系統。但這些供應商及其用戶一直在尋求能夠在這些底座盒上提供銅介質端口,而無需在PCB板上專門安裝整個銅介質PHY和RJ45插孔。隨著時間的推移,10/100/1000base-T銅介質SFP被成功開發了出來。這些銅介質SFP(也被稱為三速銅介質SFP)可以插入原本僅為光纖設備設計的新型多端口底座,從而只需插入一個或多個這些SFP模塊就可支持10/100/1000base-T銅介質的接入。雖然這不是最具性價比的方法,因為它要求購買這種SFP,并且減少了可用于光纖的SFP端口,但它確實有市場需求,像數據服務器或LAN交換機等銅介質系統用這種方法就可以接入這種底座盒。
雙介質千兆以太網PHY
過去幾年,銅和光纖數據分組系統已經開始趨于融合。另外,具有24-48個銅端口和2-4個光纖上行端口的系統在當前的數據網絡系統市場上發展得非常迅速。為了適應這一市場趨勢,業界開發出了雙介質千兆以太網PHY,以同時支持10/100/1000base-T銅介質和1000base-X光纖(見圖2)。由于無需板上分立的1000base-X PHY,這種雙介質PHY有助于減少芯片數量和材料成本。另外一個優點是,如果芯片廠商提供的銅介質PHY和雙介質千兆以太網PHY具有管腳到管腳和軟件寄存器的兼容性,那么設備供應商就可以使用相同的PCB和軟件,從而允許他們能輕松開發出兩種庫存單位(SKU)來完善他們的產品。第一個SKU只支持10/100/1000base-T,第二個SKU具有雙介質PHY和組裝的SFP插槽以支持1000base-X光纖連接。雙介質千兆以太網PHY通常能夠自動檢測連接的介質類型,然后自動在銅和光纖接口之間進行切換。然而,第一代雙介質PHY也存在一些缺點。
圖2:第一代雙介質PHY。
第一代雙介質PHY的局限性
首先,雙介質千兆以太網PHY只能支持一個活動的介質連接接口,要么是銅端口,要么是光纖端口。這就要求開發新的LED方案和方法,因為當銅線和光纖被同時插入同一雙介質PHY端口時,系統必須能指示哪個端口是活動的。例如,一些第一代雙介質PHY提供完全可編程的LED,從而允許電路板設計師在系統的機箱面板上提供最佳的介質指示方案。這些PHY還可以包含寄存器狀態位或中斷引腳以指示雙介質PHY從一個介質接口切換到另一個接口。
與IEEE802.3第28款中定義的10base-T、100base-TX和1000base-T銅介質端口中的自動協商不同,沒有通用規范為10/100/1000base-T銅介質和1000base-X光纖介質之間的連接提供選擇。因此每個以太網PHY廠商必須建立檢測機制,以便實現自動介質選擇功能,同時保持與現已部署的傳統以太網產品的互操作性。這種檢測機制必須連續監視光纖和銅介質接口,即使其中一個接口已經被激活。它必須能夠檢測來自光纖接口的能量,同時也能查看經由雙絞線插入到活動的銅鏈路對端的脈沖。只要有一種狀態被檢測到,自動介質選擇功能就能將控制權轉移到正確的介質接口上,并允許它開始與線纜另一端的鏈接。
在介質端口選好后,如果鏈路斷開就必須啟動相同的檢測功能,然后將系統返回到雙介質檢測模式。在銅和光纖同時插入的情況下,應該有一個輔助決策以確定哪個介質可獲得鏈接優先權。一般來說,當兩種介質同時插入時光纖是優先的。大多數這種雙介質PHY允許用戶通過軟件寄存器控制以強制選擇介質接口類型。
在SFP互操作性方面,第一代雙介質千兆以太網PHY的最大限制是沒有100base-FX光纖和10/100/1000base-T銅介質SFP的連接支持。這就不可避免產生新的問題,即那些用第一代雙介質千兆以太網PHY做設計的設備供應商要么阻止其不支持的插入到現有SFP插槽的介質速度,要么額外制造可換插的底座子卡以支持100base-FX和10/100/1000base-T銅介質SFP模式。解決這種特殊限制的最佳方法是讓以太網PHY能夠支持所有這些通用介質接口模式,包括:10base-T、100base-TX、100base-FX、1000base-T、1000base-X和三速銅介質SFP。
第二代雙介質PHY及其優點
為了便于描述,圖3給出了第二代雙介質千兆以太網PHY的內部框圖。
圖3:具有六個以太網接口的Vitesse VSC8658雙介質以太網PHY。
第二代雙介質PHY能夠支持以太網拓撲中的六種通用以太網接口,克服了前述第一代雙介質千兆以太網PHY的限制。這種PHY允許設備供應商給每個雙介質端口配備單個RJ45銅插孔和一個SFP插槽,BOM上的器件數量與使用第一代雙介質千兆以太網PHY時一樣多。這樣的集成避免使用不同的底座模塊,并允許設備供應商在原本僅支持1000base-X SFP的光纖SFP插槽可以支持100base-FX、1000base-X和三速銅介質模塊。
一些千兆以太網芯片廠商采用額外措施以降低客戶的系統物料(BOM)成本,他們在串并/并串轉換器(SerDes)MAC和光纖介質接口上集成了銅介質側電阻和交流耦合電容。
如果第一代和第二代雙介質千兆以太網PHY也是管腳和寄存器兼容的,供應商就可以通過采用相同的系統硬件和供應不同的軟件封裝來啟動或取消雙介質模式等功能,甚至取消對100base-FX和銅SFP的支持,來提供額外的SKU。在支持1000base-X和銅介質SFP的基礎上,為支持雙介質千兆以太網PHY的系統添加100base-FX支持而進行的軟件修改是很少的。
接口檢測和連接
像第一代雙介質PHY一樣,第二代雙介質PHY也必須能夠通過軟件寄存器映射功能和/或信號檢測來實現系統在不同接口模式間的切換。它可以利用第一代PHY所用的方案,但它必須具備其他方法來區分1000base-X、100base-FX以及銅介質SFP。總之,必須有一種方法用來檢測到底是何種類型的SFP模塊被插到SFP端口。現有兩種方法可以達到這一目的。
一種方法是分析被加在SFP插槽的波形的頻率。然而,這種檢測方法有局限性,因為100base-FX SFP的工作頻率比1000base-X SFP的低,但銅介質SFP卻和1000base-X SFP工作在相同的頻率和電壓水平。當檢測到該波形頻率時,可以通過分析字節數據流來判斷到底是1000Mbps、100Mbps還是10Mbps。
另外一種檢測何種SFP模塊被插入SFP插槽的方法是在SFP模塊插入時監視SFP的串行管理接口。這樣,通過讀取SFP的標識符,管理系統可以將PHY設置成正確的接口種類以匹配SFP。如果沒有執行SFP檢測,將導致PHY和SFP之間的速率失配,LED指示也將失效。第二代雙介質PHY必須滿足所有這些要求,以便向設備供應商提供足夠的靈活性,并將它在系統中實現。
即使市場已對新興以太網介質接口的有需求,但芯片廠商和設備供應商必須在支持新的接口標準的同時考慮支持傳統的設備。因此,使用第二代雙介質以太網PHY這樣的器件是實現靈活性的同時仍能降低系統BOM成本的最好方法。
作者:Jason Rock
高級應用工程師
Vitesse半導體公司
