以太网被广泛应用于每一台计算机和复杂的硬件板或系统中，主要用于连接机箱外部的设备，但也有时用于内部连接。互联网是通过城市、国家和全球范围内的互联网骨干链路连接的所有本地以太网网络。以太网由IEEE 802.3标准定义，其速度和“介质”类型（如光纤、同轴电缆、背板等）由相关修订文件（如802.3X）规定。这些文件可以从电气和电子工程师学会（IEEE）购买。
以太网协议
FIGURE 3.1 Layered Ethernet model.
最左边的是OSI7层模型，以太网接口采用分层架构设计，以便于设备之间的通信。以下是与以太网接口相关的主要组件和功能概述。
分层结构
-
下层
- 由物理元素组成，如电缆、板设计和芯片设计。
- 实现在硬件中，包括交换机和路由器ASIC（应用专用集成电路）。
-
上层
- 通常在以太网MAC（媒体访问控制）或控制器芯片中以硅实现。
- 这些芯片通常通过PCIExpress连接到处理器，允许软件通过内存映射读/写事务访问寄存器。
关键组件
-
MAC和PHY接口
- MAC与PHY（物理层，Physical Layer Transceiver）芯片之间的接口通常是MII（媒体独立接口）或C2C（芯片对芯片）接口。
- 有时，MAC和PHY集成在一个单独的芯片中，称为网络接口控制器（NIC） 或者说网卡。
-
以太网交换芯片
- 包含多个端口（每个端口都有自己的MAC和PHY），并增加了用于数据包转发的逻辑。
MAC地址
- 每个MAC或端口在制造时被分配一个唯一的6字节MAC地址，该地址存储在EEPROM中，并在启动时加载。这就是我们常说的物理地址。
IP地址
- IP地址用于标识计算机或计算机上的以太网端口，通常在运行时动态分配，用于在网络间路由数据。
物理层细分
物理层分为三个子层：
-
PMD（物理媒介依赖子层）
- 直接连接到外部线路，包括I/O缓冲电路和半模拟电路。
-
PMA（物理媒介附加子层）
- 负责串行化、时钟/数据恢复以及基于FIFO的时钟域隔离。
-
PCS（物理编码子层）
- 处理编码、MII/C2C链路数据包处理和去偏移。
切换与路由
-
切换(Switching)（第2层或L2）
- 根据MAC地址将以太网数据包从一个端口传送到另一个端口。
- 交换机会根据设备的MAC地址逐步建立知识。
-
路由(Routing)（第3层或L3）
- 基于IP地址路由数据包，需要更复杂的逻辑来解码更高层次的数据包抽象。
- 相较于交换机，路由器维护的路由信息量更大。
网络处理
- 交换机通常同时处理数据中心中的几十台服务器，而路由器则管理数百台服务器，将流量聚合到更少的电缆上。
- 整个互联网中，交换机数量往往多于路由器。
- 一些现代交换机（如脊骨交换机）具备L3路由能力。
结论
理解以太网接口的分层结构以及MAC、PHY的角色，以及切换与路由之间的区别，对于掌握网络通信的运作至关重要。这种分层方法使网络设计具有灵活性和可扩展性。
不同以太网端口类型的功能和应用——外部和背板接口
TABLE 3.1 External Ethernet Port Types
| Standard | TX Lanes | RX Lanes | Baud Rate | Modulation | Bandwidth per Direction |
|---|---|---|---|---|---|
| 100BASE-TX | 1 | 1 | 125 Mbit/s | NRZI | 125 Mbps |
| 1000Base-T | 2 | 2 | 125 Mbit/s | PAM5 | 500 Mbps |
| 1000Base-TX | 1 | 1 | 250 Mbit/s | PAM5 | 500 Mbps |
| 1000Base-KX | 1 | 1 | 1000 Mbit/s | NRZ | 1000 Mbps |
| 1000Base-X | 1 | 1 | 1000 Mbit/s | NRZ | 1000 Mbps |
| 2.5GBase-T | 2 | 2 | 200 Mbit/s | PAM16 | 1250 Mbps |
| 10GBase-T | 2 | 2 | 800 Mbit/s | PAM16 | 5000 Mbps |
| 25GBase-T | 2 | 2 | 2000 Mbit/s | PAM16 | 12500 Mbps |
| 10GBase-BX4 | 4 | 4 | 3125 Mbit/s | NRZ | 10 Gbps |
| 10GBase-KR | 1 | 1 | 10 Gbit/s | NRZ | 10 Gbps |
| 10GBase-R | 1 | 1 | 10 Gbit/s | NRZ | 10 Gbps |
| 10GBase-CR | 1 | 1 | 10 Gbit/s | NRZ | 10 Gbps |
| 25GBase-KR | 1 | 1 | 25 Gbit/s | NRZ | 25 Gbps |
| 40GBase-KR4 | 4 | 4 | 10 Gbit/s | NRZ | 40 Gbps |
| 56GBase-KR | 1 | 1 | 28 Gbit/s | PAM4 | 56 Gbps |
| 100GBase-KR | 1 | 1 | 112 Gbit/s | PAM4 | 112 Gbps |
| 100GBase-KR4 | 4 | 4 | 25 Gbit/s | NRZ | 100 Gbps |
| 200GBase-KR4 | 4 | 4 | 56 Gbit/s | PAM4 | 200 Gbps |
| 400GBase-KR | 4 | 4 | 112 Gbit/s | PAM4 | 200 Gbps |
-
-KR 类型：这些是使用差分对和DFE均衡的端口，通常用于板载或背板连接。" -KR4 "版本使用四个通道，表示总带宽而非信号速率。
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-Base-T 和 Base-TX 类型：这些端口主要用于机箱外部连接，但也可在内部使用。它们使用RJ45连接器、变压器和双绞线电缆，支持两对或四对差分线。变压器可能内置在连接器中（称为“MagJack”）。RJ45连接器有金属外壳，有八个接触点用于四对差分线。10/100Meg版本只使用四个引脚。
-
XAUI：这是MAC到PHY接口，有时在背板上使用，替代KR。
-
Base-SR 和 Base-LR：光学端口类型。
-
Base-CR：用于数据中心机架的双绞铜缆，长度为1到3米，可插入与LR和SR相同的插槽
MAC-PHY接口
以太网端口的组织结构如下：
Host ← → MAC ← → PHY ← → Port ← → Ethernet connectivity (line)
每个以太网芯片都有一个面向CPU的主机端和一个面向外部电缆的线路端。这些模块可以在单个芯片上实现。主机可以是处理器、FPGA，或在交换ASIC中的一些数据移动逻辑。MAC-Host接口通常是PCIe或内部接口。
- MAC：媒体访问控制器（Media Access Controller）
- PHY：物理层设备（Physical Layer Device）
以TI DP83867系列芯片为例，如下图9-1清晰展示例应用连接图。
- RJ-45: 常见的以太网物理接口（Port），用于网络连接。
- DP83867 PHY芯片: 典型的物理层收发器，最大支持1000 Mbps（即1 Gbps）。它集成了PMD子层，支持10BASE-Te、100BASE-TX和1000BASE-T以太网协议。
- 处理器: 通常包含以太网MAC（介质访问控制），负责数据链路层的功能。
工作流程：
- 处理器通过RGMII接口与DP83867 PHY芯片直连，进行数据传输。
- DP83867将处理器传来的数据转换为以太网信号，并通过RJ-45接口发送到网络中。
- 在一般情况下，网卡直接结合了MAC和PHY功能，处理器则可以通过标准接口与网卡通信，实现网络连接。
图 9-1. Typical DP83867 Application
如果MAC和PHY在不同的芯片上，则它们之间有两个接口：一个是数据平面接口，另一个是用于配置PHY寄存器的控制平面慢接口。数据平面接口称为媒体独立接口（MII），有时也称为C2C或短芯片到芯片链接（Chip-to-Chip Link）。
控制平面接口
控制平面接口通常采用MDIO（管理数据输入/输出）链接，该链接由一个时钟线（MDC）和一个数据线（MDIO）组成，运行频率可达数兆赫。在某些情况下，也可以使用I2C总线。无论哪种方式，都需要上拉电阻。
在IEEE 802.3以太网标准中定义了两种MDIO接口变体：
- 第22条款：用于1 Gigabit PHY芯片。
- 第45条款：用于10 Gigabit或更高速的设备。
需要注意的是，上拉电阻的值通常应较低，但建议查阅PHY的数据手册或参考设计原理图以获取具体要求。
MDIO接口可以由MAC或交换ASIC控制，也可以由本地主处理器控制。通常，PHY寄存器的配置由运行在主处理器上的软件决定，或者由简单交换机ASIC内部的嵌入式ARM处理器来进行配置。
TABLE 3.2 Mac-PHY Interface Data Plane Portion Types
| 名称 | 参数 |
|---|---|
| MII | 原始介质无关接口，它是一个4位并行CMOS总线，包含系统信号、25MHz时钟、一组接收信号和一组发送信号。它是一种时钟转发接口，详见时序分析章节。 |
| RMII | 简化的介质无关接口，具有2位并行总线和与MII不同的时钟方式。 |
| GMII | 千兆介质无关接口，类似于MII，具有8位宽的数据和125MHz的时钟。 |
| RGMII | 简化千兆介质无关接口，类似于GMII，但具有4位总线和复用的系统信号。 |
| SGMII | 串行千兆介质无关接口，这是一种串行接口，以625MHz的双数据率和差分信号进行传输，具有一条TX和RX数据通道，以及TX和RX时钟。这支持带有外部1Gig SFP（1000Base-X）接口的PHY。 |
| HSGMII | 高速串行千兆介质无关接口，类似于SGMII，但支持2.5Gig SFP。 |
| QSGMII | 四路串行千兆介质无关接口，传输4个外部1Gig以太网端口的数据，适用于四端口PHY芯片，使用一条5…10Gbit/s SERDES链接的一条通道（一对RX差分对和一对TX差分对）。这允许MAC仅为4个1000Base-T端口占用4个引脚，而在PHY上需要4x8=16个引脚。基本上，它像是一个扇出或端口扩展接口。 |
| XGMII | 10千兆介质无关接口，支持10Gbit外部端口，是一个32位并行接口，具有2组，像MII一样具有时钟转发功能，运行在156MHz双数据率下。 |
| XAUI | 10千兆附加单元接口，具有4条常规SERDES通道，每条通道3.1Gbps。 |
| XLAUI | 40千兆附加单元接口，具有4条常规SERDES通道，每条通道10Gbps。IEEE802.3ba-附录83A描述了SERDES SI通道。也适用于单通道10G类型。 |
| CAUI-4 | 100千兆附加单元接口，具有4条常规SERDES通道，每条通道25Gbps。IEEE802.3bm-附录83D描述了SERDES SI通道。也适用于单通道25G类型。 |
| 400GAUI-8-C2C | 400千兆附加单元接口，具有8条常规SERDES通道，每条通道53Gbps PAM4。IEEE802.3bs-附录120D描述了SERDES SI通道。 |
| 800GAUI-8-C2C | 800千兆附加单元接口，具有8条常规SERDES通道，每条通道106Gbps PAM4。 |
以太网光端口
最常见的光学端口类型列在表3.3中。处理器端或控制平面链接使用I2C通信，每个模块响应相同的地址A0。由于所有端口具有相同的地址，因此它们需要独立的I2C总线。在低端消费级交换机中，I2C可以由交换芯片主控，而在高端机箱中则可以由主处理器主控。
-
插拔式光学收发模块：这些模块用于将板载电气SERDES信号转换为光纤信号，主要用于1Gbps以上的外部以太网端口。
-
I2C管理链接：每个模块使用相同的I2C地址（A0），但由于地址相同，需要独立的I2C总线，主控可以是低端交换芯片或高端主处理器。
-
连接要求：只有在ASIC的数据手册明确提及电气接口标准（如XLAUI、SFI）时，才能直接将光学端口连接到交换ASIC；否则需要一个PHY或变速器作为两者之间的桥接。图3.2显示了一个虚拟的电路板框图，其中包含多种类型的外部光学、板载和MAC-PHY接口，以及它们通常的使用方式。
-
插入损耗和回波损耗：芯片与光模块之间的插入损耗和回波损耗要求应根据特定标准（如SFF、OSFP和QSFP-DD）获取，这些值通常在6dB到13dB之间。如果没有找到确切的标准，可以使用相同速度的类似标准，或者使用不同速度但其限制线按照正确的波特率进行缩放的标准。
-
光纤标准：在同一模块类型内，插拔式光学收发模块的光纤侧可以遵循不同的标准。 例如QSFP100模块的100GBase-SR4短距离100m电缆标准，每个方向有四根多模光纤，并且在MTP光连接器中有八个光耦合器。100GBase-LR4长距离标准，是一种长距离10公里的电缆，使用细单模光纤，具有单个TX和单个RX光纤，同时将四束激光通过波长分复用（WDM）技术复用到单根光纤上。任何光学纤维连接至少都包含一根发射光纤和一根接收光纤。
FIGURE 3.2 General use of on-board Ethernet electrical interfaces (sketch).
TABLE 3.3 Common Optical Pluggable Module Types
| 模块名称 | 速率 | 通道 | 适用标准 | 电气接口 | SERDES通道 |
|---|---|---|---|---|---|
| SFP | 1Gbit/s | 单通道（一个RX和一个TX差分对） | INF-8074 | 1000Base-X，单通道1Gbps NRZ | - |
| SFP+ | 10Gbit/s | 单通道 | SFF-8083 | SFI，单通道10Gbps NRZ | 描述于SFF-8418 |
| SFP28 | 28Gbit/s | 单通道 | - | - | 通常沿频率轴缩放SFF-8418 10Gig通道规格 |
| QSFP+ | 40Gbit/s | 4条10Gbit/s通道 | SFF-8436 | XLPPI，4条10Gbps NRZ | 可使用SFF-8418或IEEE802.3ba-annex86A |
| QSFP28 | 100Gbit/s | 4条28Gbit/s通道 | SFF-8665 | CPPI，4条25Gbps NRZ | 在IEEE802.3bm-annex83E中称为CAUI4-C2M |
| QSFP-DD | 400Gbit/s | 8条53Gbit/s PAM4通道 | QSFP-DD . com | 400GAUI-8-C2M，8条53Gig PAM4 | 来自IEEE802.3bs-annex120C |
| OSFP | 400Gbit/s | 8条53Gbit/s PAM4通道 | osfpmsa.org | 400GAUI-8-C2M，8条53Gig PAM4 | 与QSFP-DD相同 |
| OSFP800G | 800Gbit/s | 8条106Gbit/s PAM4通道 | osfpmsa.org | 800GAUI-8-C2M，8条106Gig PAM4 | 来自IEEE802.3df |
Base-T型以太网耦合
以太网端口类型如 1000Base-T 或 10GBase-T 设计为采用变压器（磁性）耦合和隔离。这种设计确保了：
- 长电缆支持：提高了长距离信号的完整性。
- 静电放电保护（ESD保护）：提供与电静电放电的隔离。
- 阻抗转换：将扭绞对的阻抗从 75 欧姆转换为板上 50 欧姆单端。
以太网磁性模块
市场上有多种类型的以太网磁性模块，包括单个、双通道、四通道和八通道配置。每个端口包含四个差分对，命名为 MDI[0:3]，每对需要一个变压器。
- 双磁性：指的是两组四个变压器，总共八个变压器。
- 以太网变压器：这些不是通用变压器，而是专门为以太网应用设计的，可以用于千兆或100兆选项。
- Magjacks：一种流行的解决方案，用于提供外部1Gig以太网端口，这种连接器是带有内置磁性组件的RJ45连接器（每个端口四个）。
以太网磁性组件类型
市场上有不同类型的以太网磁性组件，具体取决于其绕组数量。选择哪种类型取决于PHY芯片，可以在芯片的数据手册或参考设计中查找。
关键特征：
- 带中心抽头的变压器：通常包括共模电感。
- 中心抽头连接：
- 通常直接连接到 VCC 或通过去耦电容连接到PHY侧的 GND。
- 在线路侧，中心抽头连接到75欧姆AC终端。
阻抗考虑：
- Base-T阻抗：75欧姆线路阻抗。
- PHY侧接口：通常具有100欧姆差分接口。
- 接口数量：
- 一个Base-T接口中有四个差分对。
- Base-TX接口通过两个对进行支持。
1Gig Base-T Ethernet 的交流耦合
- 交流耦合：允许芯片之间的连接，而无需内部接口使用变压器。变压器仅在外部和外板接口中必需，以符合IEEE规范。
- 参考设计：检查每个芯片的参考设计，以查看RJ45变压器中心抽头引脚是连接到 VDD 还是 GND：
- 如果连接到电源，则在该芯片所在的AC电容一侧需要一个感应上拉电阻。
- 使用变压器时，中心抽头应根据芯片的参考设计连接到 GND 或电源/VDD。
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