電腦網路與連結技術:第九章 Gigabit Ethernet 網路連結  上一頁           下一頁

 

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9-5  Gigabit Ethernet 通訊結構

 

9-4 Gigabit Ethernet 網路通訊架構圖。其中主要分為兩大類:IEEE 802.3z1000Base-X)和 802.3ab1000BaseT)。1000BaseT 1999 IEEE 所制定的標準。以下分別敘述其特性。

 

9-4 Gigabit Ethernet 通訊架構

 

9-5-1 8B/10B 編碼

 

1000Base-XIEEE 802.3z)實體層採用 ANSI X3T11 Fiber Channel 的傳輸規格,如圖 9-5 所示。802.3z 捨棄100BaseX802.3x)所採用 4B/5B 之編碼技巧,因為 4B/5B 編碼技巧在高速傳輸上,不容易保持直流平衡;並採用 8B/10B 編碼,8B/10B 編碼法保證傳送之位元有足夠的訊號轉換頻率,以便接收端能從中『復原時序』(Clock Recovery),來保持直流平衡。8B/10B 編碼亦增加可偵測出一個或多個位元傳送錯誤的能力。並且,編碼中有『特殊群碼』(Special Code-Group)以區分『資料群碼』(Data Code-Group),這些特殊群碼可作為控制使用而不會和資料群碼混淆。8B/10B 編碼法可歸類下列優點:

9-5 1000BaseX 實體層規格

 

簡單的說,8B/10B 編碼法就是 8 位元的資料(28)用 10 位元的符號表示(210)。亦即,在 1024 個符號組合中找出 256 種較適合的資料,和一些控制符號表示,如表 9-5 9-6 所示(在本章最後)。假設要編碼的資料為:A, B, C, D, E, F, G, H 之位元序列,為方便起見,我們用 Dx.y 來代表『資料群碼』(Data Code-group),以 Kx.y 表示『特殊群碼』(Special Code-group),其中 x EDCBA 的十進位值;而 y HGF 的十進位值。表 9-5 9-6 為正確的編碼,如果接收端所收到的位元字串不在這兩個表內,表示位元已發生錯誤。表中第一個欄位為『群組名稱』(Code-group Name),第二個欄位是位元組值(00 ~ FF),第三個欄位為 8 個位元值。第四(RD+)和第五欄位(RD-)為編碼後的 10 位元值,但到底是編碼 RD+ RD- 必須視前一資料編碼的結果來決定。前一資料編碼也就是目前傳送中的資料,依據目前傳送中數據的『執行中偏差值』(Running Disparity, RD)。RD 值如果為正,則本次編碼採用 RD+ 欄位的值;如果 RD 值為負,則本次編碼採用 RD- 欄位的內容。以 D0.000)為例,如果目前傳送的數據的 RD 值為負(RD-)則傳送 1001110100;否則(RD+)傳送 0110001000

一個群碼的『執行中偏差值』(Running Disparity, RD)應如何計算?我們將 10 位元的編碼數據區分為二個『子區塊』(Sub-block)。前 6 個位元(abcdei)為前區塊(Front Sub-block, FSB);而後 4 個位元(fghi)為後區塊(Rear Sub-Block, RSB)。FSB6 位元)的 RD 值和目前傳送中的數據(RD 值)有關聯;而 RSB4 位元)的 RD 值和本數據的 FSB RD 值相關聯。首先,子區塊的 RD 值計算如下:

9-6 執行中偏差值(RD)計算關係

 

我們用圖 9-6 來說明 RD 值的計算情形,本次欲傳送之 RD+ RD- 由上一筆(目前傳送中)的 RSB RD 是正或負來決定;而本筆數據之 FSB6 位元)的 1 數量多於 0 的數量,則 RD 值為正;否則為負。如果 1 的數量等於 0 的數量,則 RD 值不變,亦是等於上一筆 RSB4 位元)的 RD 值。本筆數據的 RSB 計算方式也是相同,如果 1 的數量等於 0 的數量,則它的 RD 值等於 FSB 的值。這個偏差值隨著傳送中的數據變化,因此稱之為『執行中偏差值』(Running Disparity, RD)。如果接收端所收到的數據沒有依照這個規則變化,或所收到的數據並不在表 9-5 內,則判斷資料在傳輸中已發生錯誤。

另一個重點,如果 1 的數量等於 0 的數量的子區塊都屬於沒有偏差,但為了限制子區塊間 1 的數量和 0 的數量的偏差值,8B/10B 編碼法中規定,000111 0011 只能在該子區塊之前的偏差值為正時才能發生。相同的,111000 1100 只能在該區塊之前的偏差值為負時才能產生。

我們用傳送資料為 00 01 02 03 05 06 07 為例子來觀察 8B/10B 的編碼情形,其結果如表 9-1 所示。其中 D0.0D1.0D2.0D3.0 D6.0 都選用 RD-;而 D4.0D5.0 D7.0 則選用 RD+

9-1 RD 值計算範例

上筆

RD

D0.0 (00) RD-

D1.0 (01) RD-

D2.0 (02) RD-

D3.0 (03) RD-

RSB

FSB

RD

RSB

RD

FSB

RD

RSB

RD

FSB

RD

RSB

RD

FSB

RD

RSB

RD

-

100111

-

0100

-

011101

+

0100

-

101101

+

0100

-

110001

-

1011

+

上筆

RD

D4.0 (04) RD+

D5.0 (05) RD+

D6.0 (06) RD-

D7.0 (07) RD+

RSB

FSB

RD

RSB

RD

FSB

RD

RSB

RD

FSB

RD

RSB

RD

FSB

RD

RSB

RD

+

001010

-

1011

+

101001

+

0100

-

011001

-

1011

+

000111

+

0100

-

為了傳送端和接收端可以達到位元與群碼的同步,8B/10B 編碼法也規範了 8 種『順序集合』(Order-set)。順序集合可以是只有一個特殊群碼,或特殊群碼和資料群碼的組合,如表 9-2 所示。它可以包含一個、二個或四個群碼,但第一個群碼必須是特殊群碼。對於多群組的順序集合,第二個一定是資料群碼,此資料群碼用來區別其它的順序集合。如表 9-2 中,在傳送端和接收端通訊之前,先用組態(Configuration)來設定雙方的通訊模式(/C1/ /C2/)。傳送一個訊框時則用 /S/ /T/ 來表示訊框的開始和結束。/R/ 表示延伸載波,而 GMII 介面沒有資料傳送時,則傳送 /I/ 的順序集合碼。

9-2 順序集合

代碼

順序集合

群碼數

編碼

/C/

Configuration

 

/C1//C2/交替

/C1/

Configuration 1

4

/K28.5/D21.5/Config-Rega

/C2/

Configuration 2

4

/K28.5/D2.2/Config-Rega

/I/

IDLE

 

Correcting /I1/, Preserving /I2/

/I1/

IDLE 1

2

/K28.5/D5.6/

/I2/

IDLE 2

2

/K28.5/D16.2/

 

Encapsulation

 

 

/R/

Carrier_Extend

1

/K23.7/

/S/

Start_of_Packet

1

/K27.7/

/T/

End_of_Packet

1

/K29.7/

/V/

Error-Propagation

1

/K30.7/

a: 代表 Config-Req 值的兩個資料群碼

在圖 9-7 中,資料(8B)經過編碼後(10 B),再經過『序列器』(Serializer)處理成序列位元串列,再送往 FC-0Fiber Channel)轉換成訊號發送出去。接收端也必須經由『解序列器』(Deserializer)組合回原 10 位元碼。

 

9-7 序列器與解序列器

 

9-5-2 1000Base-X

 

1000Base-X 的實體層主要採用 ANSI-X3T11 光纖通道(Fiber Channel)的標準,其資料編碼方式採用 8B/10B 編碼技巧。主要有下列三種標準:

9-3 光纖媒介之距離規格

標準

光纖型態

直徑

(microns)

型式頻寬

(MHz × Km)

最小範圍

(Meters)

1000Base-SX

Multi-mode

62.5

160

2 to 220*

Multi-mode

62.5

200

2 to 275**

Multi-mode

50

400

2 to 500

Multi-mode

50

500

2 to 550***

1000Base-LX

Multi-mode

62.5

500

2 to 550

Multi-mode

50

400

2 to 550

Multi-mode

50

500

2 to 550

Single-mode

9

N/A

2 to 5000

Notes:

* TIA 568 佈線標準 160/500 MHz * Km

** ISO/IEC 11801 佈線標準 200/500 MHz * Km

*** ANSI 光纖通道規格 500/500 MHz * Km

 

9-5-3 1000BaseT

 

一般佈線環境還是使用Cat-5 UTP 雙絞線最為方便,而且可以延續 100BaseT 的使用環境,不必任何變更。UTP 的價格比光纖便宜許多,倘若一般環境都要使用光纖纜線,實務上的確有困難,也會限制 Gigabit Ethernet 網路的應用範圍。IEEE 802.3 工作小組有鑑於此,於 1999 年制定 1000BaseTIEEE 802.3ab)標準,其連線規格也儘量相容於 100Base-T

1000BaseT 提供半雙工(CSMA/CD)及全雙工 1000Mbps 的網路型態,同樣也採用ANSI/TIA/EIA 568-A 的佈線標準,以 Cat-5 UTP 作為傳輸線,RJ45 則為接續端子,而傳輸距離保持 100 公尺,但在同一碰撞網域下只允許連接一個訊號增益器(或集線器)。目前許多廠商也提供 Cat-5e(頻寬 100 MHz)、Cat-6(頻寬 250 MHz)、或 Cat-7(頻寬 600 MHz)的 UTP 纜線。1000BaseT 也使用如同 100BaseTx 的自動協商系統,為了簡化操作及快速進入現有的 Ethernet 系統上使用。一般廠商都有建立符合 100 1000 Mbps 實體層(PHY),可讓 1000 Mbps 的傳輸速率退回(fall back)到 100 Mps,這提供較彈性的方法來提昇系統。

在訊號傳輸方面,1000Base-T 採用四對雙絞線作傳送和接收,如圖 9-8 所示。每一對雙絞線的傳輸速率為 250 Mbps= 1000 Mbps ÷ 4),四對線同時作傳送或接收功能。在每對雙絞線上採用 5-水平基準的脈衝調幅調變(5-Level Pulse Amplitude Modulation, 5-level PAM)。5-level PAM 每個傳送符號可代表二個位元,因此,每對線傳送頻率為 125 MHz= 250 ÷ 2)。

9-8 1000Base-T 四對雙絞線工作模式

 

在四對 Cat-5 雙絞線上傳輸 1000 Mbps 所面臨的問題遠較 100 Mbps 的問題更為困難,尤其是纜線的電磁發射及電磁感應,更加挑戰設計者的功力,其分述如下:

 

9-9 NEXT FEXT 串音干擾現象

 

為了克服上述的挑戰,我們針對 1000BaseT 的設計提出下列策略:

以下分別敘述 1000BaseT 的製作方法:

 

(A) 全雙工傳輸

        傳送和接收資料以相反方向在每一對雙絞線上傳送,如圖 9-8 所示。利用混合器(Hybrid)來分離傳送和接收訊號,接收器將會過濾掉傳送訊號使不至於發生『回聲』現象,但也有可能傳輸訊號和接收訊號已發生交連偶合(Couple)而產生其它訊號。所產生的訊號,接收器無法將它過濾,而殘留在傳輸媒介上,混合器必須負責將這些訊號清除掉。

 

(B)階層脈衝振幅調變

        5 階層脈衝振幅調變』(5-level Pulse Amplitude Modulation, 5-level PAM可提升頻寬使用率。每一傳送符號有 5 種電位水準(-2, -1, 0, +1, +2)。因此,每一傳送符號可表示二個位元資料(4 個階層代表 2 個位元,另一階層代表 FEC 位元),如圖 9-10 所示。訊號變化率(symbols per second)是傳送頻寬(bits per second)的一半,也提高了頻寬的使用率。但是多層次的訊號方式必須有較高的訊號雜訊比(signal-to-noise ratio)才可以避免雜訊的干擾,也必須使用效率較高的多位元(Multi-bit)之 A/D D/A 轉換器,及品質較高的接收器。

9-10 二進位和 5-Level PAM 編碼

 

(C)順向錯誤修正

        『順向錯誤修正』(Forward Error Correction, FEC提供第二層次的編碼,其功能是保護傳送中的符號受到雜訊或串音干擾的復原。它是採用 4-Dimension 8-State Trellis Forward Error Correction 的技術,該技術可以提高訊號雜訊比,而被製作在 A/D D/A 轉換器的元件內。

 

(D) 脈衝整形

        傳送資料經過 5-Level PAM 編碼後,產生 5 種電位水平的脈衝訊號,在經過『脈衝整形』(Pulse Shaping)成為某一頻譜上的連續訊號(類比訊號),再發送到傳輸媒介上,如圖 9-11 所示。經過脈衝整形後可以提高訊號雜訊比率,在發送端和接收端都必須裝設數位訊號和類比訊號的組合器與濾波器。脈衝整形被使用在最小訊號損失能量的頻率上,並減少低頻和高頻訊號的成分,且具有拒絕高頻雜訊訊號的能力。其實,1000BaseT 所使用的頻譜和 100BaseTx 的頻譜相同。

9-11 1000BaseT 訊號編碼與脈衝整形