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自20世紀(jì)80年代以來，以太網(wǎng)一直是一項基礎(chǔ)技術(shù)。早期，工作站和個人電腦使用同軸電纜以10Mbps速率的共享局域網(wǎng)連接到現(xiàn)場服務(wù)器。此后，以太網(wǎng)不斷發(fā)展，不僅支持雙絞線和光纖布線，速率也從100Mbps發(fā)展到100Gbps，甚至是最新的1.6Tbps標(biāo)準(zhǔn)。
隨著以太網(wǎng)速度的提高，其應(yīng)用越發(fā)多樣化，從音、視頻流到多房間音頻、工控網(wǎng)絡(luò)，甚至車載網(wǎng)絡(luò)。這一進展對數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的安全可靠性要求。尤其是對丟失和延遲特別敏感的數(shù)據(jù)流來說，定義服務(wù)質(zhì)量是至關(guān)重要的。
本文將深入探討為什么需要1.6T數(shù)據(jù)傳輸、IEEE802.3dj小組的標(biāo)準(zhǔn)化工作、對1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)組件的概述以及處理所有這些數(shù)據(jù)所需的以太網(wǎng)控制器的FEC考慮因素等內(nèi)容。
我們?yōu)槭裁葱枰绱烁叩膫鬏斔俣龋?/strong>
以太網(wǎng)的發(fā)展主要有兩個維度：
1.
傳輸和存儲海量數(shù)據(jù)的性能得到了提升；
2.
網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測性和可靠性得到了提高，即使是要求最苛刻的控制系統(tǒng)也能被滿足。
如今，互聯(lián)網(wǎng)的帶寬估計可達到500Tbps，這對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的后端流量提出了驚人的要求。雖然數(shù)據(jù)中心內(nèi)的總流量已經(jīng)能夠達到每秒太比特的水平，但是單個服務(wù)器還無法達到這個速度。
單個設(shè)備的處理能力是有限的，即使使用了最先進的處理器或?qū)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/557/" target="_blank">機器學(xué)習(xí)優(yōu)化的加速器，其性能也會受限于芯片的實際制造尺寸。然而，一旦多個芯片聯(lián)合起來，我們便有可能極大地擴展計算能力。因此，太比特級速度和極低延遲的新一代以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，讓這一技術(shù)突破成為可能，處理器間通信成為了1.6T以太網(wǎng)的首個應(yīng)用場景。繼這一代應(yīng)用之后，預(yù)計數(shù)據(jù)中心將推出交換機間的直連技術(shù)，實現(xiàn)高性能處理器和內(nèi)存資源的集中利用，大幅提升云計算的擴展性和運行效率。
802.3dj：為1.6T以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)
要實現(xiàn)有效通信，網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點都必須遵守同一套標(biāo)準(zhǔn)所定義的規(guī)則。電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）自成立以來一直負(fù)責(zé)制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。目前，802.3dj小組正在制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的最新版本，其中概述了以每秒200G、400G、800G和1.6T速度運行的物理層和管理參數(shù)。
1.6Tbps的以太網(wǎng)MAC數(shù)據(jù)傳輸速率需滿足以下條件：
MAC層的最大誤碼率(BER)為10-13
可選16和8通道附件單元接口(AUI)，適用于芯片到模塊(C2M)和芯片到芯片應(yīng)用(C2C)，使用112G和224G SerDes。
在物理層方面，1.6Tbps的傳輸規(guī)格包括：
在每個方向上傳輸8對銅雙軸電纜，傳輸范圍至少為1米；
在8對光纖上傳輸，最長可達500米
在8對光纖上傳輸，最長可達2千米
預(yù)計該標(biāo)準(zhǔn)將于2026年春季確定。不過，我們預(yù)計2024年底即可完成基線功能。
1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)剖析
我們來深入了解下1.6Tbps以太網(wǎng)子系統(tǒng)的組件，尤其是一些用于在ASIC或ASSP硅芯片中實現(xiàn)以太網(wǎng)接口的元件。
圖2：1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)組件的示意圖
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
最頂層是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，既可以安裝在客戶端機器上，也可以安裝在電腦或文件服務(wù)器上。它們既是所有以太網(wǎng)流量的來源，也是其目的地。但以太網(wǎng)橋或第二層交換機比較特殊，按照802.1d的定義規(guī)則，它是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的中間點。
隊列連接
各個應(yīng)用程序或?qū)嵗ㄟ^一個或多個隊列與以太網(wǎng)控制器相連接。隊列很可能正在緩沖與應(yīng)用程序之間的流量，平衡客戶端與服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)性能。為實現(xiàn)最高性能，網(wǎng)絡(luò)速度應(yīng)與流量產(chǎn)生或消耗的速度相匹配。這樣，我們就能最大限度地減少數(shù)據(jù)包在應(yīng)用程序之間端到端交換時的延遲。
控制器、物理層和布線
以太網(wǎng)控制器通常由一個MAC和一個PCS組成，但一般我們會稱之為“以太網(wǎng)MAC”。在PCS下方是附件單元接口(AUI)——有些讀者可能還記得工作站背面的D型連接器，AUI電纜就插在上面。在今天的以太網(wǎng)中，這種接口依然存在，并且速度更快了。最后，在堆棧的更下面，我們可以找到負(fù)責(zé)控制和管理網(wǎng)絡(luò)物理元素的模塊，這些模塊可能是光纖、銅纜或者背板。
1.6T以太網(wǎng)控制器：深入了解MAC、PCS和高級FEC機制
如圖3所示，在應(yīng)用程序和隊列下面是介質(zhì)訪問控制器（MAC）。MAC負(fù)責(zé)管理以太網(wǎng)成幀——查看源地址和目標(biāo)地址、管理幀的長度、在必要時添加填充（在有效載荷很短的情況下）以及添加/檢查幀校驗序列(FCS)，以確保幀的完整性。
圖3：MAC幀格式和長度：八進制分解
MAC的變體可分為兩大類：
一、網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)中的MAC
這種MAC位于客戶端、服務(wù)器或路由器中的網(wǎng)卡上。它們在有效載荷向下和向上傳遞堆棧時，通過添加和刪除以太網(wǎng)的特定任務(wù)來完成終止以太網(wǎng)層的重要任務(wù)。其中一個不可或缺的功能是添加和檢查幀校驗序列（FCS），以確保數(shù)據(jù)完整性。如果在接收時檢測到任何損壞，幀將被丟棄。此外，網(wǎng)卡中的MAC將檢查幀的目標(biāo)地址，確保在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)準(zhǔn)確傳輸。有效載荷很可能是一個IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）數(shù)據(jù)包。
NIC以前是一種插入式網(wǎng)卡，因此被稱為"網(wǎng)絡(luò)接口卡"。網(wǎng)卡執(zhí)行MAC、PCS和PHY，而隊列和任何其他智能功能則由主機處理器處理。如今，我們看到的智能網(wǎng)卡可以卸載許多網(wǎng)絡(luò)功能，但仍保持相同的MAC層。
二、交換/橋接MAC
交換或橋接MAC采用了不同的方法。在這里，整個以太網(wǎng)幀在MAC和上層之間傳遞。MAC負(fù)責(zé)添加和檢查FCS，并為支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控（RMON）收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從概念上講，以太網(wǎng)交換機可被視為為此目的而設(shè)計的專用應(yīng)用程序。盡管以太網(wǎng)交換機主要由硬件實現(xiàn)，以保證最佳線速性能，但其每個端口都包含一個專用的MAC。盡管這些端口可能以不同的速度運行，但任何速率適應(yīng)都是在MAC層以上的隊列中進行管理的。
圖4：MAC、PCS和PMA與AUI連接示意圖
從基本編碼到RS-FEC
對于較低的以太網(wǎng)速率，物理編碼子層(PCS)只需對數(shù)據(jù)流進行編碼，即可開始檢測數(shù)據(jù)包，并確保信號平衡，即使在長的0或1數(shù)據(jù)流中也是如此。然而，隨著以太網(wǎng)速度的提高，PCS的復(fù)雜性也在增加。如今，由于每個物理鏈路上都有高速信號，因此有必要使用前向糾錯（FEC）來克服固有的信號衰減，即使在很短的鏈路上也會遇到這種情況。
與其他高速以太網(wǎng)變體的PCS一樣，1.6T以太網(wǎng)采用了里德-所羅門前向糾錯（RS-FEC）技術(shù)。這種方法建立的編碼字由514個10位符號組成，編碼成544個符號塊，因此帶寬開銷為6%。這些FEC編解碼字分布在AUI物理鏈路上，因此每個物理鏈路（1.6T以太網(wǎng)為8個）不會攜帶整個編解碼字。這種方法不僅能提供額外的錯誤突發(fā)保護，還能在遠(yuǎn)端解碼器上實現(xiàn)并行化，從而減少延遲。
圖5：1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)的控制器、物理層和電纜組件示意圖
在1.6T以太網(wǎng)中實現(xiàn)最佳比特誤碼率
雖然以太網(wǎng)PHY層包括PCS，但通常將PCS與以太網(wǎng)控制器內(nèi)的MAC聯(lián)系起來。物理介質(zhì)附件（PMA）具有齒輪箱和SerDes，可將以太網(wǎng)信號傳輸?shù)絺鬏斖ǖ郎?。對?.6T以太網(wǎng)，8個通道以212Gbps的速度運行，F(xiàn)EC編碼擴展率為6%。值得注意的是，PMA的上半部分位于控制器內(nèi)，然后將比特流交給AUI。PHY的每個物理鏈路都使用4級脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）。這種方法為每個傳輸符號編碼兩個數(shù)據(jù)位，與傳統(tǒng)的非歸零（NRZ）傳輸相比，帶寬增加了一倍。發(fā)送器采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)對數(shù)據(jù)進行調(diào)制，而遠(yuǎn)端接收器則使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和DSP來提取原始信號。
以太網(wǎng)PCS在以太網(wǎng)鏈路端到端使用的數(shù)據(jù)流中增加了FEC，在長距離以太網(wǎng)鏈路中通常稱為"外部FEC"。IEEE正在為單個物理線路定義額外的糾錯級別，以實現(xiàn)更長的傳輸距離。在需要糾錯的地方，光收發(fā)器模塊將支持這種額外的糾錯（可能是一種漢明碼）。圖6顯示了使用串聯(lián)FEC擴展傳輸距離時增加的開銷。
讓我們看一下圖6中的系統(tǒng)示例，其中MAC和PCS的光發(fā)射器和接收器被一段光纖隔開：
圖6：用一段光纖分隔MAC和PCS光TX/RX的示意圖
在與光模塊相連的鏈路上，PCS的誤碼率為10^-5，加上在光鏈路上引入的額外誤碼。如果我們只在該系統(tǒng)中端對端實施單個RS-FEC，則產(chǎn)生的誤碼率將無法滿足10^-13以太網(wǎng)要求。該鏈路將被歸類為不可靠鏈路。另一種方法是在每一跳上實施單獨的RSFEC，RSFEC將進行三次編碼和解碼。一次在發(fā)送PCS，然后在光模塊，最后在從光模塊到遠(yuǎn)程PCS的遠(yuǎn)端鏈路。這樣做的成本很高，而且會增加端到端延遲。
將串聯(lián)漢明碼FEC集成到光鏈路中是一種最佳解決方案，既能滿足以太網(wǎng)要求，又能很好地處理光連接中遇到的隨機誤差。內(nèi)部FEC層將線路速率從212Gbps提高到226Gbps，因此SerDes必須能夠支持這一線路速率。
從發(fā)送到接收：了解以太網(wǎng)應(yīng)用中的延遲狀況
簡單地說，以太網(wǎng)延遲是指從一個應(yīng)用程序通過以太網(wǎng)傳輸信息到另一個應(yīng)用程序接收信息之間的延遲。往返延遲測量的是從發(fā)送信息到收到響應(yīng)所需的時間。當(dāng)然，這種延遲取決于遠(yuǎn)端應(yīng)用程序的響應(yīng)時間，在考慮以太網(wǎng)延遲時，可以忽略這一點，因為它是以太網(wǎng)的外部延遲。以太網(wǎng)延遲的組成部分包括發(fā)送隊列、信息處理時間、傳輸持續(xù)時間、介質(zhì)穿越時間、信息接收時間、結(jié)束處理時間和接收隊列中的時間。
圖7：描述完整1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)和延遲路徑的示意圖
在關(guān)注最大限度減少以太網(wǎng)子系統(tǒng)（特別是以太網(wǎng)接口級，而非整個網(wǎng)絡(luò)）中的延遲時，考慮具體情況至關(guān)重要，例如，當(dāng)數(shù)據(jù)包源和數(shù)據(jù)包匯以匹配的高數(shù)據(jù)速率運行時。相反，在中繼連接（如交換機之間的連接）中，由于較慢的客戶端鏈路會產(chǎn)生較明顯的延遲，因此延遲就不那么重要了。同樣，在處理較長距離時，距離造成的固有延遲將占主導(dǎo)地位。
此外，值得注意的是，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）解決的是確定性延遲問題。在這種情況下，關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的最大延遲上限已被確定，尤其是對于低速網(wǎng)絡(luò)或共享基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，這并不意味著我們應(yīng)該忽視其他情況下的延遲。最大限度地減少延遲仍然是一個不變的目標(biāo)。首先，端到端的累計延遲會隨著每一次連續(xù)跳轉(zhuǎn)而增加。其次，延遲的增加往往表明控制器中增加了電路或處理功能，這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加。
延遲洞察：剖析以太網(wǎng)子系統(tǒng)層
首先，我們拋開任何隊列延遲不談，假設(shè)從應(yīng)用程序到以太網(wǎng)控制器之間有一條清晰的路徑，沒有任何帶寬競爭。帶寬差異會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包排隊延遲，當(dāng)延遲至關(guān)重要時，應(yīng)避免這種情況。當(dāng)數(shù)據(jù)包通過傳輸控制器時，以太網(wǎng)幀會即時建立或修改。值得注意的是，線路編碼和傳輸FEC階段不需要大量存儲。
傳輸報文處理延遲取決于具體的實現(xiàn)方式，但可以通過良好的設(shè)計實踐將其最小化。傳輸信息所需的時間取決于以太網(wǎng)速率和幀大小。對于1.6T以太網(wǎng)，傳輸一個最小大小的數(shù)據(jù)包需要0.4ns-基本上是2.5GHz時鐘每跳動一下就傳輸一個以太網(wǎng)幀。標(biāo)準(zhǔn)最大以太網(wǎng)幀的傳輸時間為8ns，巨型幀的傳輸時間延長至48ns。
考慮到穿越介質(zhì)的時間，光纖延遲大約為每米5ns，而銅纜稍快，為每米4ns。雖然信息接收時間與發(fā)送時間相同，但由于這兩個過程同時進行，因此通常會被忽略。
大部分延遲發(fā)生在接收器控制器上
即使是最優(yōu)化的設(shè)計，RSFEC解碼器造成的延遲也是不可避免的。開始糾錯時，必須接收并存儲4個編碼字，以1.6Tbps的速率計算，這需要12.8ns的時間。隨后的流程，如執(zhí)行FEC算法、糾錯（必要時）、緩沖和時鐘域管理，都會進一步增加控制器的接收延遲。雖然FEC編解碼存儲時間是一個恒定因素，但信息接收過程中的延遲與具體實施有關(guān)，但可以通過良好的數(shù)字設(shè)計實踐進行優(yōu)化。
從本質(zhì)上講，由于FEC機制和物理距離或電纜長度，存在固有的、不可避免的延遲。除了這些因素外，良好的設(shè)計實踐在最大限度地減少以太網(wǎng)控制器造成的延遲方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。利用集成的完整解決方案（包括MAC、PCS和PHY）以及專業(yè)的設(shè)計團隊，可為最高效、低延遲的實施鋪平道路。
?總結(jié)?
1.6Tbps以太網(wǎng)可滿足帶寬最密集、時延最敏感的應(yīng)用需求。隨著224GSerDes技術(shù)的出現(xiàn)以及MAC和PCSIP的開發(fā)，可提供符合不斷發(fā)展的1.6T以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的完整現(xiàn)成解決方案。控制器延遲在1.6Tbps應(yīng)用中至關(guān)重要。除了協(xié)議和糾錯機制造成的固有延遲外，IP數(shù)字設(shè)計還必須由專業(yè)設(shè)計團隊精心設(shè)計，以防止數(shù)據(jù)通路增加不必要的延遲。
經(jīng)過硅驗證的解決方案需要優(yōu)化的架構(gòu)和精確的數(shù)字設(shè)計，強調(diào)能效并減少硅足跡，從而使1.6T數(shù)據(jù)速率成為現(xiàn)實。新思科技經(jīng)過硅驗證的224G以太網(wǎng)PHYIP為1.6TMAC/PCS的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。利用領(lǐng)先的設(shè)計、分析、仿真和測量技術(shù)，新思科技將繼續(xù)提供卓越的信號完整性和抖動性能，以及包括MAC+PCS+PHY在內(nèi)的完整以太網(wǎng)解決方案。
審核編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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