UDP_千兆光通信（一）

fpga小白历险记

已于 2025-01-13 10:39:22 修改

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文章标签： udp 网络协议网络

于 2025-01-12 09:07:07 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/lzr232/article/details/145058267

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所学习的千兆以太网模型如下图所示：
在这里插入图片描述
在进行UDP千兆光通信学习之前，需要先学习一下网络通信系统的7层模型（OSI七层模型）。（该文章仅用于记录本人的学习过程）
本篇旨在解释该UDP——千兆以太网通信框架SFP为什么需要与G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII ip核连接；

一、OSI七层模型

OSI（Open System Interconnect）七层模型是一种将计算机网络通信协议划分为七个不同层次的标准化框架。每一层都负责不同的功能，从物理连接到应用程序的处理。这种模型有助于不同的系统之间进行通信时，更好地理解和管理网络通信的过程。
在这里插入图片描述

应用层（Application Layer）：
这是网络体系结构中的最顶层，提供用户接口和应用程序之间的通信服务。在这一层，用户可以访问各种网络应用程序，如电子邮件、文件传输和远程登录。
表示层（Presentation Layer）：
该层负责数据的格式化、加密和压缩，以确保数据在不同系统之间的交换是有效的和安全的。它还提供了数据格式转换和语法转换的功能。
会话层（Session Layer）：
会话层管理应用程序之间的通信会话，负责建立、维护和终止会话。它还提供了数据的同步和检查点恢复功能，以确保通信的完整性和持续性。
传输层（Transport Layer）：
传输层为应用程序提供端到端的数据传输服务，负责数据的分段、传输控制、错误恢复和流量控制。它主要使用 TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）来实现这些功能。
网络层（Network Layer）：
网络层负责数据包的路由和转发，以及网络中的寻址和拥塞控制。它选择最佳的路径来传输数据包，以确保它们能够从源主机到目标主机进行传输。
数据链路层（Data Link Layer）：
负责将原始比特流转换为数据帧，并检测和纠正传输中出现的错误。
它还控制访问物理媒介的方式，以及数据帧的传输和接收。
包含两个子层：逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）。
物理层 PHY（Physical Layer）：
负责在设备之间传输原始比特流。
定义了硬件连接、电压电平、线缆规格等物理特性。
示例：以太网电缆、光纤。

二、千兆以太网PHY组成

在这里插入图片描述
以太网物理层(简称PHY)是一个抽象层，负责传输和接收数据。PHY对传输的数据帧进行编码，并按照特定的操作调制速度、传输媒体类型和支持的链路长度对接收的帧进行解码。

PCS、PMA、PMD组成了物理层（PHY）结构。

1.PCS（Physical Coding Sublayer,物理编码子层）

PCS（Physical Coding Sublayer,物理编码子层），PCS主要包括线路编码和CRC校验编码。

PCS 主要负责数据的编码和解码，确保数据能够在物理层和数据链路层之间高效、可靠地传输。以下是 PCS 的主要功能和特点：

①. 数据编码和解码

PCS 将来自 MAC 层的数据帧转换为适合在物理媒介上传输的形式，并执行相应的编码和解码操作。

常见的编码方案包括：

8B/10B 编码：将 8 位数据映射到 10 位符号，增加了冗余位以提高信号完整性并支持直流平衡。
64B/66B 编码：用于更高速率的应用，如 10Gbps 及以上，提供更高的编码效率和更好的错误检测能力。
NRZ（Non-Return-to-Zero，非归零码）：用于高速串行通信。

②. 错误检测和纠正

PCS 提供了多种机制来检测和纠正传输过程中可能出现的错误。
它通常使用循环冗余校验（CRC）来检测错误，并通过冗余位或纠错码来纠正某些类型的错误。
在某些情况下，它还可以执行前向纠错（FEC，Forward Error Correction），进一步提高数据传输的可靠性。

③. 帧对齐和同步

PCS 负责确保发送端和接收端之间的帧对齐和时钟同步。
它会插入特定的控制字符（如 K 字符）来帮助接收端识别帧边界，并保持时钟同步。
这对于确保数据的正确性和完整性至关重要，尤其是在高速传输中。

④. 流量控制

PCS 可以支持流量控制机制，例如暂停帧（Pause Frame），以防止接收端缓冲区溢出。
这有助于在网络负载较高时维持稳定的传输性能。

⑤. 接口标准

PCS 遵循特定的接口标准，例如：

SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）：用于千兆以太网的 MAC 层和 PHY
层之间的串行接口。
XAUI（10-Gigabit Attachment Unit Interface）：用于 10Gbps 以太网的接口。
XGMII（10-Gigabit Media Independent Interface）：用于 10Gbps 以太网的并行接口。

⑥. 与其他子层的关系

PCS 位于 PMA 之上，MAC 层之下。它处理从 MAC 层接收到的数据帧，并将其转换为适合在物理媒介上传输的形式。
PMA 处理更底层的信号特性，如电压电平和定时参数，而 PMD 则专注于媒介特定的信号传输。

⑦. 应用场景

PCS 广泛应用于各种网络设备中，如交换机、路由器、NIC（网络接口卡）等。
它是实现高效、可靠的数据传输的关键组件，特别是在高速以太网应用中。

2. PMA（Physical Medium Attachment,物理媒介适配层）

PMA（Physical MediumAttachment,物理媒介适配层），PMA子层主要用于串行化和解串。PMA子层中集成了SERDES，发送和接收缓冲，时钟发生器及时钟恢复电路。SERDES是一个串并转换器。

位于 PMD（物理介质相关子层）之上，PCS之下。PMA 主要负责处理与传输媒介无关的信号特性，确保数据能够在不同类型的物理媒介上可靠传输。以下是 PMA 的主要功能和特点：

①. 信号编码和解码

PMA 负责将来自更高层次的数据流转换成适合在物理媒介上传输的形式，并执行相应的编码和解码操作。

常见的编码方案包括：

NRZ（Non-Return-to-Zero，非归零码）：用于高速串行通信。
8B/10B 编码：将 8 位数据映射到 10 位符号，增加了冗余位以提高信号完整性并支持直流平衡。
64B/66B 编码：用于更高速率的应用，如 10Gbps 及以上。

②. 信号调理

PMA 处理信号的电压电平、频率、定时参数等，确保信号能够在选定的物理媒介上稳定传输。

它还负责生成和恢复时钟信号，确保发送端和接收端的时钟同步。

③. 串行化和解串行化（SerDes）

在高速应用中，PMA 经常使用 SerDes 技术将并行数据转换为串行数据进行传输，反之亦然。

这种技术减少了引脚数量，简化了 PCB 设计，同时提高了信号的质量和可靠性。

④. 错误检测和纠正

PMA 提供基本的错误检测机制，例如通过校验和或循环冗余校验（CRC），确保数据在传输过程中没有被损坏。

在某些情况下，它还可以执行简单的错误纠正操作，但这通常是在更高层次完成的。

⑤. 接口标准

PMA 遵循特定的接口标准，例如：

SGMII（Serial Gigabit Media Independent Interface）：用于千兆以太网的 MAC 层和 PHY
层之间的串行接口。
XAUI（10-Gigabit Attachment Unit Interface）：用于 10Gbps 以太网的接口。
XFI（10-Gigabit Serial Interface）：用于 10Gbps 以太网的串行接口。

⑥. 与其他子层的关系

PMA 位于 PCS（Physical Coding Sublayer，物理编码子层）之下，PMD 之上。PCS 负责更高层次的数据编码和帧结构，而 PMD 则专注于媒介特定的信号传输。

在某些设计中，PMA 和 PMD 可能会被集成在一起，形成一个整体模块，以简化设计和降低成本。

⑦. 应用场景

PMA 广泛应用于各种网络设备中，如交换机、路由器、NIC（网络接口卡）等。

它是实现高速、长距离传输的关键组件，特别是在光纤通信中。
总结来说，PMA 子层是以太网物理层中的重要组成部分，负责处理与传输媒介无关的信号特性，确保数据能够在不同类型的物理媒介上高效、可靠地传输。如果您有更多具体问题或需要进一步的技术细节，请随时告知。

3. PMD（Physical Media Dependent,物理介质相关子层）

PMD（Physical Media Dependent,物理介质相关子层），一般用光模块代替实现光电/电光转换。

以下是 PMD 的主要功能和特点：

①. 信号传输

PMD 子层负责将电信号转换为适合在特定物理媒介上传输的形式。例如，在光纤中，它会将电信号转换为光信号；而在双绞线中，则保持电信号形式。

它还负责接收来自物理媒介的信号，并将其转换回电信号供上层处理。

②. 媒介特性

PMD 子层根据所使用的物理媒介类型（如单模光纤、多模光纤、屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线等），调整信号的电压电平、频率、定时参数等。

它确保信号能够在选定的物理媒介上稳定传输，减少噪声和干扰的影响。

③. 接口标准

PMD 子层遵循特定的接口标准，例如：

1000BASE-X：用于千兆以太网，支持多种光纤媒介。

100BASE-FX 和 100BASE-TX：分别用于百兆以太网的光纤和双绞线。

10BASE-FL 和 10BASE-T：分别用于十兆以太网的光纤和双绞线

④. 与其他子层的关系

PMD 子层位于 PMA（Physical Medium Attachment，物理介质连接子层）之下。PMA 负责更高级别的信号处理，如编码和解码，而 PMD 则专注于媒介特定的信号传输。

在某些情况下，PMA 和 PMD 可能会被集成在一起，形成一个整体模块。

⑤.应用场景

在 SFP 模块中，PMD 子层决定了模块支持的物理媒介类型和传输距离。例如，一个支持 1000BASE-LX 的 SFP 模块可以在单模光纤上实现长距离传输，而 1000BASE-SX 模块则适用于多模光纤的短距离传输。

SFP在udp千兆以太网通信中相当于PMD层，所以需要使用1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII IP核为特定的设备提供1/2.5G速率下的PCS/PMA的物理子层，用以组成完整的PHY层。

若有不对的地方，欢迎大家讨论