ot;display: block;">新興以太網(wǎng)接口標準已經(jīng)建立。芯片廠商和設備供應商如今必須設法在最新一代產(chǎn)品中支持這些接口標準,同時還要支持傳統(tǒng)的設備。本文將介紹第二代雙介質以太網(wǎng)物理芯片(PHY)如何滿足這種靈活性要求,同時還能保持系統(tǒng)BOM成本持續(xù)降低。
系統(tǒng)中的以太網(wǎng)PHY主要用于提供局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)奈锢磉B接。IEEE802.3標準定義了多種用于傳送分組數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)接口,但最常用的仍是通過5E類雙絞銅線以及單模或雙模光纖傳輸?shù)慕涌凇Ｊ袌錾献盍餍械囊蕴W(wǎng)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡的發(fā)展,業(yè)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(xiàn)有網(wǎng)絡中,100base-TX銅介質的使用僅次于10base-T,其可傳輸?shù)淖畲蠓纸M數(shù)據(jù)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(wǎng)PHY芯片廠商成功進入千兆以太網(wǎng)的領域。盡管如此,現(xiàn)有的分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)只支持10base-T、100base-TX和/或100base-FX接口,并仍在今天的以太網(wǎng)中廣泛使用。
設備供應商面臨的挑戰(zhàn)
制造分組數(shù)據(jù)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(wǎng)介質接口,同時還要保持與10base-T、100base-TX和100base-FX傳統(tǒng)產(chǎn)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(xiàn)有以太網(wǎng)PHY技術的創(chuàng)新方法,比如一些設計系統(tǒng)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(chǎn)模塊化的底座系統(tǒng)以允許終端用戶購買各種與底座系統(tǒng)兼容的子模塊,然后根據(jù)不同網(wǎng)絡接口類型進行更換和配置。可是,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(chǎn)品定購和用戶安裝方面的支持成本。
銅介質以太網(wǎng)網(wǎng)絡
雖然1000base-T千兆以太網(wǎng)應用越來越廣泛,但10base-T和100base-TX銅介質PHY仍是網(wǎng)絡硬件中最主流的兩種網(wǎng)絡接口。因此,千兆銅介質PHY廠商開發(fā)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(xié)商和并行檢測機制的使用已經(jīng)十分普及。自動協(xié)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(wǎng)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(xié)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(xié)商功能的傳統(tǒng)10base-T或100base-TX PHY。
以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡
除了銅介質外,另一種媒質是光纖。與銅介質網(wǎng)絡不同的是,光纖以太網(wǎng)絡在自協(xié)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(guī)范。雖然IEEE802.3第37款定義了1000base-X的自動協(xié)商功能,但這僅用于1000base-X的雙工發(fā)現(xiàn)和遠程故障指示。自動協(xié)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(xiàn)各種光纖速度模式。最近,開發(fā)出了一個光纖介質PHY可以同時支持1000base-X和100base-FX的系統(tǒng),但供應商必須通過定制的MAC ASIC以硬件方式實現(xiàn),用戶必須人工改換軟件配置參數(shù)以使系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)。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(fā)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(shù)據(jù)服務器或LAN交換機等銅介質系統(tǒng)用這種方法就可以接入這種底座盒。
雙介質千兆以太網(wǎng)PHY
過去幾年,銅和光纖數(shù)據(jù)分組系統(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)在當前的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)市場上發(fā)展得非常迅速。為了適應這一市場趨勢,業(yè)界開發(fā)出了雙介質千兆以太網(wǎng)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(shù)量和材料成本。另外一個優(yōu)點是,如果芯片廠商提供的銅介質PHY和雙介質千兆以太網(wǎng)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(fā)出兩種庫存單位(SKU)來完善他們的產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(xié)商不同,沒有通用規(guī)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(wǎng)PHY廠商必須建立檢測機制,以便實現(xiàn)自動介質選擇功能,同時保持與現(xiàn)已部署的傳統(tǒng)以太網(wǎng)產(chǎn)品的互操作性。這種檢測機制必須連續(xù)監(jiān)視光纖和銅介質接口,即使其中一個接口已經(jīng)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(jīng)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(tài)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(tǒng)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(yōu)先權。一般來說,當兩種介質同時插入時光纖是優(yōu)先的。大多數(shù)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(wǎng)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(chǎn)生新的問題,即那些用第一代雙介質千兆以太網(wǎng)PHY做設計的設備供應商要么阻止其不支持的插入到現(xiàn)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(wǎng)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(yōu)點
為了便于描述,圖3給出了第二代雙介質千兆以太網(wǎng)PHY的內部框圖。
圖3:具有六個以太網(wǎng)接口的Vitesse VSC8658雙介質以太網(wǎng)PHY。
第二代雙介質PHY能夠支持以太網(wǎng)拓撲中的六種通用以太網(wǎng)接口,克服了前述第一代雙介質千兆以太網(wǎng)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(shù)量與使用第一代雙介質千兆以太網(wǎng)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(wǎng)芯片廠商采用額外措施以降低客戶的系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)PHY的系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)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(qū)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(xiàn)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(jié)數(shù)據(jù)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(jiān)視SFP的串行管理接口。這樣,通過讀取SFP的標識符,管理系統(tǒng)可以將PHY設置成正確的接口種類以匹配SFP。如果沒有執(zhí)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(tǒng)中實現(xiàn)。
即使市場已對新興以太網(wǎng)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(tǒng)的設備。因此,使用第二代雙介質以太網(wǎng)PHY這樣的器件是實現(xiàn)靈活性的同時仍能降低系統(tǒng)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
