10G以太网的UTOPIA接口设计与实现

以太网以其成本低、高可靠性、安装简便、维护容易和易扩展等优点成为非常流行的局域网技术。从1973年问世至今，以太网不断改进，速率等级从10Mbps、100Mbps提高到1000Mbps，应用范围从局域网扩展到城域网。由于汇聚的1000Mbps需要更高速率的以太网技术，于是10G以太网应运而生。10G以太网标准IEEE802.3ae的基础上，添加了广域网接口，不仅继承了以太网技术，而且提高了MAC（Media Access Control,介质访问控制层）子层速率到10Gbps，使得局域网用户更有效地使用多媒体以及其它数据应用。这种技术能够应用到多种类型的网络，并能利用统一的以太网技术建立范围更广阔的网络。10G以太网有以下主要特点：

（1）网络连通性、可靠性和可扩展性高；

（2）只支持全双工模式，传送媒体只能是光纤；

（3）不使用载波侦听多路访问和冲突检测协议；

（4）使用64B/66B和8B/10B两种编码方式；

（5）具有支持局域网和广域网的接口，网络范围扩展到10km。

1 10G以太网协议层结构

10G以太网基于下面的技术：位于OSI模型中数据链路层的MAC层，以及介于MAC层和物理层的XGMII（10G Media Independent Interface,10G介质无关接口）。物理层又包括PCS（Physical Coding Sublayer,物理编码子层）、PMA（Physical Media Attachment，牧师介质附属子层）、PMD（Physical Media Dependent,物理介质相关子层）。

图1是10G以太网的协议结构。其中LLI（Logical Link Control,逻辑链路控制层）在网络层和介质访问控制之间提供选择。MAC层负责对网络的访问、MAC寻址、帧类型识别等与帧相关的操作。Reconciliation（适配层）是MAC层和物理层之间的通路。XGMII在MAC层和物理层之间提供了一个标准接口，使得MAC层能适应不同的物理层。PCS（Physical Coding Sublayer,物理编码子层）主要负责对来自MAC层数据的编码和解码。PMA（Physical Media Attachment,物理介质附属子层）负责把编码转换为适应物理层传输的比特流，同时完成数据解码的同步。PMD（Physical Media Dependent，物理介质相关子层）负责信号的传送包括信号的放大、调制和波的整形。不同的PMD设备支持不同的物理介质。MDI（Media Dependent Interface,介质相关接口）定义了对应于不同的物理介质和PMD设备所采用的连接器类型。10G以太网协议在XGMII接口下增加WIS子层（WAN Interface Sublayer,广域网接口子层），可以让10G以太网帧能够在目前广域网中广泛使用的SONET/SDH体系中传输。

2 帧格式

10G以太网的MAC帧不必像千兆以太网那样拆分/封装帧结构，更适合高速交换。图2为10G以太网的MAC帧格式。为了在现有的广域网上传输10G以太网帧，MAC层还负责把10Gbps速率匹配成9.058464Gbps速率。

图2

3 UTOPIA接口实现

3．1 UTOPIA接口

UTOPIA（Universal Test & Operations PHY Interface for ATM）接口是ATM论坛定义的一个重要的设备内部接口，是物理层与上层逻辑边界的具体物理实现。目前有四个等级的UTOPIA规范，本文采用的UTOPIA leve14协议，它支持点对点的高速互联。其数据宽度可以是32比特、16比特或者8比特，基本的接口工作速率可达415MHz。除了数据信号，还有时钟信号和控制信号。控制信号控制数据或控制字是否在数据总线上传输。流控、寻址和其他控制功能均通过数据总线带内传输，减少了接口信号线的数量。由于对称性，UTOPIA level4协议非常适合链路层端对端通信。当数据包在物理层和链路层传输时，发送方向（Tx）指从链路层到物理层，反之为接收方向（Rx）。图3是UTOPIA接口示意图，显然它是物理层和链路层之间的数据传输通道，并可在芯片内部实现。

3．2 UTOPIA接口实现

UTOPIA接口的信号采用图2所示的MAC帧格式，帧长度从64字节到1518字节。图4是10G以太网的UTOPIA接口功能模块图，分为数据接收端口和发送端口。发送端口从链路层发送下行数据到物理层，接收端口从物理层发送数据到链路层。端口的地址部迟疑不决宽度为8比特。接收端口有32比特的rx_data信号、rx_ctrl控制信号和rx_clk时钟信号，发送端口有32比特的tx_data信号、tx_ctrl时钟信号。

接收方向的模块主要完成以太帧的接收，并根据MAC控制帧进行流量控制。来自XGMII接口的数据首先送入“帧类型检查”模块，此模块分辨帧的类型，判断接收的数据是帧头还是帧尾，并把要送入FIFO的域值送入“接收数据选择”模块。为了在FIFO中实现数据首单元的对齐，采用了“数据调整器”。如果选择存储转发工作模式，调整整齐的数据将进入“数据缓存器”模块。此模块缓存收到的数据帧的目的地址、源地址、长