光纤收发器课题研究1Word下载.docx
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2.4产品特性5
2.5芯片结构6
2.6功能介绍6
2.6.1指示灯功能6
2.6.2开关功能7
2.6.3四种工作模式7
2.6.4LinkFaultPassThrough功能8
3光纤收发器实际问题分析10
3.1拓扑结构10
3.2问题的发现10
3.3问题的初步分析10
3.4研究此问题的必要性10
3.5半双工冲突检测机制11
3.5.1CSMA/CD的原理11
3.5.2冲突的发生11
3.5.3冲突的检测12
3.6关闭端口流控进行pairport测试13
3.6.1关闭端口流控进行测试的原因13
3.6.2光纤收发器RJ45口工作在半双工时能否检测到冲突14
3.6.3四种情况测试分析14
3.7光纤收发器问题总结30
4新增测试用例31
4.1LinkFaultPassThrough功能测试31
4.2拨动开关测试31
4.3工作模式测试32
1光纤收发器简介
1.1光纤收发器的背景
随着信息化建设的突飞猛进,人们对于数据、语音、图像等多媒体通信的需求日益旺盛,以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。
但是传统的5类线电缆只能将以太网电信号传输100米,在传输距离和覆盖范围方面已不能适应实际网络环境的需要。
与此同时,光纤通信以其信息容量大、保密性好、重量轻、体积小、无中继、传输距离长等优点得到了广泛的应用,光纤收发器正是利用了光纤这一高速传播介质很好的解决了以太网在传输方面的问题。
在一些规模较大的企业,网络建设时直接使用光纤为传输介质建立骨干网,而内部局域网的传输介质一般为铜线,如何实现局域网同光纤主干网相连呢?
这就需要在不同端口、不同线形、不同光纤间进行转换并保证链接质量。
光纤收发器的出现,将双绞线电信号和光信号进行相互转换,确保了数据包在两个网络间顺畅传输,同时它将网络的传输距离极限从铜线的100米扩展到100公里(单模光纤),突破了电缆传输距离短的限制。
使用光纤收发器构造网络能够节省网络投资。
使用光纤收发器是现在在网络设备光口价格昂贵的情况下,一种符合网络现状的良好的远距离传输解决方案。
1.2光纤收发器的定义
光纤收发器又叫光电转换器,是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元。
一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中,同时在帮助把光纤最后一公里线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用。
时下由于国内各大运营商正在大力建设小区网、校园网和企业网,因此光纤收发器产品的用量也
在不断提高,以更好地满足接入网的建设需要。
1.3光纤收发器的分类
观察角度的不同使人们对光纤收发器有着不同的认识,分类方式也有着一定的区别。
按传输速率分为:
单10M、100M的光纤收发器;
10/100M自适应的光纤收发器;
1000M光纤收发器。
按工作方式分为:
工作在物理层的光纤收发器;
工作在数据链路层的光纤收发器;
从结构角度来看分为:
桌面式(独立式)光纤收发器,
机架式光纤收发器。
按接入光纤的不同又分为:
多模光纤收发器;
单模光纤收发器。
此外还有单纤光纤收发器和双纤光纤收发器,内置电源光纤收发器和外置电源光纤收发器以及网管型光纤收发器和非网管型光纤收发器。
1.4光纤接口连接器的种类
光纤接口连接器,也就是接入光模块的光纤接头,也有很多种,且相互之间不可以互用。
常见的光纤接口主要有ST、SC、FC三种。
这三种光纤接头是早期不同企业开发形成的标准,使用效果一样,但却各有优缺点。
ST、SC连接器接头常用于一般网络。
ST头插入后旋转半周有一卡口固定,缺点是容易折断;
SC连接头直接插拔,使用很方便,缺点是容易掉出来;
FC连接头一般电信网络采用,有一螺帽拧到适配器上,优点是牢靠、防灰尘,缺点是安装时间稍长。
1.5光纤收发器的基本特点
光纤收发器通常具有以下基本特点:
1.提供超低时延的数据传输。
2.对网络协议完全透明。
3.多采用专用ASIC(特定用途集成电路)芯片实现数据线速转发。
可编程ASIC将多项功能集中到一个芯片上,具有设计简单、可靠性高、电源消耗少等优点,能使设备得到更高的性能和更低的成本。
4.设备多采用1+1的电源设计,支持超宽电源电压,实现电源保护和自动切换。
5.支持超宽的工作温度范围。
6.支持齐全的传输距离(0~120公里)
1.6光纤收发器相对光口交换机的优势
目前提到光纤收发器,人们常常不免会将光纤收发器与带光口的交换机进行比较,下面主要谈一下光纤收发器相对于光口交换机的优势。
首先,光纤收发器加普通交换机在价格上远远比光口交换机便宜,特别是有些光口交换机在加插光模块后会损失一个甚至几个电口,这样可以使运营商在很大程度上减少前期投资。
其次,由于交换机的光模块大多没有统一标准,因此光模块一旦损坏就需要从原厂商用相同的模块更换,这样给后期的维护带来很大的麻烦。
但光纤收发器不同厂商的设备之间在互连互通上已没有问题,因此一旦损坏也可以用其他厂商的产品替代,维护起来非常容易。
还有,光纤收发器比光口交换机在传输距离上产品更加齐全。
当然光口交换机在很多方面上也具有优势,如可统一管理、统一供电等,这里就不再讨论了。
2MC100CM_110CS_111CS_112CS2.0系列光纤收发器
2.1研发背景
之前我司百兆光纤收发器采用的是Realtek的芯片RT8305SC,功能有限,切换成IC+的IP113芯片后,可以实现LinkFaultPassThrough及FarEndFault功能,提升产品形象,增强产品市场竞争力。
同时,由于我司以前的光纤收发器采用的5V/2V的电源适配器,因没有其他机型共用,采购量小,成本较高,切换成多机型共用的线性电源适配器能够降低成本。
所以,为了增强我司光纤收发器的市声竞争力,研发了光纤收发器的新产品——MC100CM(欧)2.0,MC110CS(欧)2.0,MC111CS(欧)2.0和MC112CS(欧)2.0。
2.2产品介绍
此系列光纤收发器为非管理型光纤收发器,可以实现双绞线与光纤介质的转换,其中双绞线的RJ45口支持10/100M全/半双工模式,光纤口支持100M全双工模式。
芯片主要采用IC+的IP113C方案,增加了LinkFaultPassThrough及FarEndFault功能。
此款芯片包含一个两口的交换控制器,一个快速以太网收发器和两个进行信号转换的PHY。
芯片中的收发器运用了数字信号处理中先进的0.25-um技术,降低了噪声,提高了系统性能。
此系列光纤收发器支持存储转发模式、C-T模式及为了获得低时延的纯转发模式。
可以传送高达1600字节的过长数据包,并且支持IEEE802.3x中规定的全双工流控及半双工CSMA/CD背压流控。
指示灯会根据功能的不同而闪断。
2.3命名规则
我司此系列光纤收发器分为单模光纤收发器和多模光纤收发器,其命名规则如下:
2.4产品特性
1、以太网10/100BASE-TXto100BASE-FX光纤介质转换器。
2、100BASE-FX端口处有一个PHY。
3、两口的交换控制器。
1)可以传输所有没有地址和CRC校验的包。
(可选)
2)支持CT模式以低延迟转发帧。
3)支持极低延迟的纯数据转发模式。
4)支持802.3x全双工流控和半双工背压流控。
5)带宽控制。
6)转发最大帧长为1600比特的包。
7)随意转发残帧。
4、数据缓存为128Kb。
5、支持自动反转功能。
6、支持LinkFaultPassThrough功能。
7、支持FarEndFault功能。
8、有一个监查定时器用来监控内部的转发错误。
2.5芯片结构
光纤收发器包括三个基本功能模块:
光电介质转换芯片、光信号接口(光收发一体模块)和电信号接口(RJ45),如果配备网管功能则还包括网管信息处理单元。
2.6功能介绍
2.6.1指示灯功能
指示灯:
Name
Status
PWR
On
电源开
Off
电源关
FX_
Link/Act
光纤口Link
Flashing
收发器正从光纤口接收或发送数据。
光纤口没Link
LFP
开启远程告警功能
关闭远程告警功能
TP_SPD
RJ45口的工作速率为100Mbps
RJ45口的工作速率为10Mbps或无链接。
TP_
FDX/Col
RJ45口工作在全双工。
有冲突碰撞
RJ45口工作在半双工。
RJ45口Link
收发器正从RJ45口接收或发送数据。
RJ45口没Link
2.6.2开关功能
光纤收发器的RJ45口可以工作在自动协商模式或强制协商模式,主要通过三个拨动开关(TP_AUTO/TP_DIS,TP_100M/TP_10M,TP_FDX/TP_HDX)来实现,下表显示了在开关拨到不同位置时RJ45口的协商情况:
光纤收发器
Smartbit
100F
100H
10F
10H
100M
FDX
AUTO
HDX
X
10M
DIS
2.6.3四种工作模式
此系列光纤收发器共有四种模式,可以按照不同的使用需求选择其中一种模式,我司此系列光纤收发器为了满足不丢包的需求强制在了存储转发模式。
四种模式如下:
1、存储转发模式(Storeandforwardswitchmode):
光纤收发器在完全收到一个帧后才开始转发。
转发延时取决于包长。
相当于交换机的存储转发模式。
2、C-T模式(Modifiedcut-throughswitchmode):
光纤收发器在收到一个帧的前64个字节后就开始转发。
此时RJ45端口被强制在100M模式。
时延大约为512比特的时间长度。
在这种模式下传输的最大包长可达1600比特。
3、直接转发模式(Convertermode):
在数据正在被接收的过程中就可以转发,两台光纤收发器通过MII信号相连接,不经过IP113C芯片中的Switch模块和缓存,以便获得最小的时延。
此时光纤收发器的RJ45口和光纤口应该工作在百兆全双工模式。
如果RJ45口连在半双工链路,要求非屏蔽双绞线和光纤的总长度应该小于60米以满足IEEE802.3中CSMA/CD协议的要求。
这种模式可以转发任意包长的帧。
注意:
在直接转发模式下光纤转发器会直接转发IEEE802.3中的pause帧。
在其它模式下,当内部缓存满时,会发出pause帧。
4、带有自动转换功能的转发模式(Convertermodewithauto-change-forwardfunction):
IP113C芯片如果检测到RJ45口和光纤口的速率匹配,就工作在3模式——直接转发模式;
IP113C芯片如果检测到RJ45口和光纤口的速率不匹配就会自动转换成1模式——存储转发模式。
2.6.4LinkFaultPassThrough功能
当LinkFaultPassThrough功能启动时,RJ45口会把连接状态通知给同一台光纤收发器的光纤口。
如果IP113C芯检测到RJ45口连接失败,本光纤收发器的光纤口会向远处的光纤收发器的光纤口发送一个无空闲信号,此时远处光纤收发器的光纤口在收到信号后会强制将RJ45口断开。
换句话说,这种机制会将本地RJ45口无连接的状态通知给远端光纤收发器的RJ45口,使其也断开连接。
LinkFaultPassThrough过程如图所示:
正常状态指示灯情况:
图表1
电口处断开指示灯情况:
光口处断开指示灯情况:
3光纤收发器实际问题分析
3.1拓扑结构
以100MH<
—>
100MF为例进行pairtport测试的测试拓扑如下:
3.2问题的发现
在上述测试拓扑下,当光纤收发器1的RJ45口工作在100MH模式,光纤收发器2的RJ45口工作在任意模式时,Smartbit的3320卡及3324卡进行pairport测试显示结果为不丢包,而3100卡显示结果却丢包。
3.3问题的初步分析
首先我们需要对问题进行定位,确定是光纤收发器的问题还是Smartbit的问题。
同样的光纤收发器,连在Smartbit的3320卡及3324卡显示结果为不丢包,而3100卡显示结果为丢包,可以知道此问题为Smartbit的问题。
那么是Smartbit的什么问题导致这种现象呢?
由测试结果发现,当两台光纤收发器的两个RJ45口为100MH以外的任何模式时,用Smartbit的3320卡、3324卡及3100卡测试结果均不丢包。
而当其中一台光纤收发器的RJ45口工作在100MH模式,另一台光纤收发器的RJ45口工作在任意模式时,3320卡和3324卡的测试结果均不丢包,而3100卡的测试结果丢包。
由此推测Smartbit的3320卡、3324卡及3100卡半双工碰撞的某些机制不同导致出现了这种结果。
3.4研究此问题的必要性
此问题关系到Smartbit不同模块卡的半双工碰撞机制问题,不同的模块卡对同样的光纤收发器测试结果有较大的差异,使测试工程师不好根据测试结果对光纤收发器的一些性能做出准确的判断。
据了解同组内的同事在测交换机的一些性能时也出现在了由于不同模块卡半双工碰撞机制不一样而导致一个模块卡测试出现丢包,而另一个模块卡测试并不丢包的现象。
在与思博伦的技术人员沟通还不能解决此问题时,我们决定从测试的角度去认真的分析问题发生的可能原因,找出此原因,使测试工程师更加了解半双工碰撞及检测的机制,对测试结果能够做出一个准确的判断。
3.5半双工冲突检测机制
3.5.1CSMA/CD的原理
CSMA/CD即为带有冲突检测的载波侦听多路访问技术。
由于以太网局域网上的所有节点共享介质,这就导致了节点发帧时不能想发送就发送,而CSMA/CD算法决定了某一时刻谁能够在一条共享的物理信道上传送数据。
CSMA/CD工作流程简单来说即为先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发。
其流程图如下:
3.5.2冲突的发生
以太网上两个或多个节点都同时发送时就会发生冲突。
当多个节点都侦听到刚刚发送完的包的包结尾而且都有数据包要发送时就会发生。
它们几乎都会在同一时间看到当前包的结尾,但不可能完全在同一时刻,因为局域网上每个部件都有信号的延迟。
传播延迟是电信号或光信号通过一个部件的时间。
从人的角度看,电(或光)信号的传播是瞬时的,总是以光速运动。
但从电气设备的操作速度看,信号通过一个部件的时间不仅可以计算,而且还很长。
也就是说局域网上的两个或多个节点能够几乎同时开始发送数据,而互相并不知道为方的存在,所以它们各自开始发送从而造成冲突。
3.5.3冲突的检测
冲突检测是指发送节点在发送信号的同时,将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。
如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号,它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形,此时发送节点经过比较发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致,就表示总线上有多个节点在同时发送数据,表明发生冲突。
图1终端1检测到碰撞的情况
图2终端2检测到碰撞的情况
从图1可以看出,当帧2的第一个比特首先到达终端1,而终端1此时也有帧1在发送时,Smartbit1根据信号叠加原理就可以检测到冲突,在持续一个JAM时间后终端1停止发送。
在JAM时间(通常叫做一个JAM)段内数据继续发送以保证在冲突发生之后发送足够的数据最终让终端检测到冲突。
此时帧1变为残帧在网络中传输,如图2所示。
当残帧1的第一个比特到达终端2,而此时帧2还未发送完毕时,终端2就检测到冲突,在持续一个JAM时间后终端2停止发送。
并且此时帧2变为残帧。
由以太网中发送的最小合法帧长为64字节我们可以知道,这样可以保证在终端1检测到冲突后,并且在残帧1到达终端2时帧2一定还没有发送完毕,这样就导致终端2也一定也可以检测到冲突,从而使发送的帧2变为残帧。
总的来说也就是当网络中同时有两个帧在传输时,两端的节点都可以检测到冲突,并且两个帧均为变为残帧到达对方节点。
3.6关闭端口流控进行pairport测试
3.6.1关闭端口流控进行测试的原因
Smartbit的端口流控(PortSetup)决定其响不响应DUT发过来的pause帧,从而减缓发包速率。
上图为SmartWindow软件中关于端口流控的设置。
在上图测试拓扑模型下,我们发现,当光纤收发器1的RJ45口工作在100MH速率模式,而光纤收发器2的RJ45口工作在10M速率模式下时,由于此时光纤收发器2工作在存储转发模式,且光纤口为100M模式,RJ45口为10M模式,这必然导致此时光纤收发器2会向100M光纤链路发送pause帧来试图降低其发包速率,而此时光纤收发器1又工作在直通模式,会将此pause帧直接转发,并传送到Smartbit1。
而在实际环境中经过测试发现,网卡和交换机在半双工的情况下都是不响应pause帧的,因此在上图的拓扑模型下,我们选择关掉Smartbit的端口流控进行pairport测试。
测试主要针对Smartbit端口一端为百兆半双工,而另一端分别为100MF、100MH、10MF、10MH这四种情况。
3.6.2光纤收发器RJ45口工作在半双工时能否检测到冲突
光纤收发器的光口强制工作在100MF模式,当光纤收发器的RJ45口工作在100MH模式时,由于两端速率模式相同,光纤收发器工作在直接转发模式,数据可以直接转发而不经过缓存,此时光纤收发器两端可以看作是一条物理链路,而介质访问规则应该在每个节点的MAC上实现,而MAC属于数据链路层,因此当光纤收发器工作在100MH模式时,其RJ45口是检测不到冲突的,与Hub类似。
但是,当光纤收发器的RJ45口工作在10MH模式时,由于光口与RJ45的速率不再配匹,光纤收发器便工作在存储转发模式。
此时和交换机中的存储转发模式基本一样,可知它是可以检测到冲突的。
3.6.3四种情况测试分析
由于测试时发现Smartbit的3320卡和3324卡的测试结果规律一样,因此,在以下四种情况下选用3320卡和3100卡的测试数据进行对比分析。
测试所选帧长为1518字节,发包个数为100000。
情况一:
100MH<
100MF
测试拓扑
3100卡和3200卡测试数据对比
SMB型号
3100
3320
工作模式
100MH
TxFrames
100000
RxFrames
90919
TxBytes
151800000
RxBytes
138015042
151845421
151870340
Collisions
9081
10046
UnderSize
pause
主要现象
3100卡100MF发往100MH的包丢包,且丢掉的包的个数恰好等于100MH收到的残帧个数及碰撞次数,但是100MH发往100MF的包并不丢包。
3320卡测试结果两端均不丢包,100MH处有碰撞,但却并没有收到残帧。
100MF处收到的字节数大于151800000。
总体分析
此种情况两台光纤收发器均工作在直接转发模式,这种模式下我们可以把Smartbit1到Smartbit2间的所有链路当作一条物理层链路,数据不经过缓存而直接转发。
从测试结果可以看到,两张模块卡测出的结果并不一样,3100的测试结果丢包,而3320卡的测试结果却不丢包。
到底是什么原因导致了这种现象呢?
我们发现当把3100卡的100MH端口和100MF端口直连时与加光纤收发器得到的现象一模一样,3320卡的100MH端口和100MF端口直连时与加光纤收发器得到的现象也一样。
这就充分证明了此种情况下的丢包是Smartbit的3100卡和3320卡的某些机制不同造成的。
IEEE802.3对于半双工下的碰撞检测过程如3.4.3节中所述,但对于检测到碰撞后如何处理残帧及残帧的计数机制目前并没有一个统一的标准,这就导致了Smartbit的3100卡和3320卡的对于残帧的处理机制及残帧的计数机制并不相同。
从结果上显示也就有了丢包和不丢包之分。
下面首先解释一下帧在不同的模块卡上的传输过程,及不同的模块卡对它的处理机制。
3100卡分析过程
3100卡的帧传输过程简化如下:
图3
图4
理论分析
由图3可知Smartbit2端口发往Smartbit1端口的帧2和Smartbit1端口发出来的帧1在Smartbit1端口可以检测到碰撞,3100卡检测到碰撞后直接认为帧2为残帧,不接收该帧,undersize直接计数,认为收到残帧。
此时,帧1的后半部分停止发送而Smartbit1紧随机后发了一个JAM信号,以使Smartbit1端口有充足的时间可以检测到碰撞,而帧1变为了残帧在网络中继续传输。
由图4可知,当此残帧1的第一个比特到达Smartbit2端口时,虽然此时帧2并没有发送完毕,Smartbit2端口会出现两信号叠加的情况,但是由于Smartbit2端口为100MF端口,全双工是不检测半双工碰撞的,因此帧2被当为一个好帧发了出去。
但是为什么3100卡的100MH端口显示结果为丢包呢?
这是因
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