Interlaken技术新一代数据包互连协议白皮书Word格式文档下载.docx
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该白皮书概述Interlaken的特点和实施案例研究。
2.0设计目标
2.1协议描述
传统上,具有千兆位级吞吐量的器件的数据总线速率约为每管脚100Mbps。
差分信号技术将该带宽增加了接近10倍,达至每对管脚800Mbps,从而使器件的吞吐量达到10Gbps。
具有时钟和数据恢复功能的新串行技术,又将带宽增加了10倍,达至每对管脚6Gbps,从而使器件的数据流速率达到数十Gbps。
相比之前的协议,该协议可减少了90%的IO管脚和PCB线路。
该协议利用最先进的串行技术,以实现通信系统器件间基于包传输模式的,高速、健壮、灵活的接口,实现通信系统器件之间的包传输。
2.2带宽围
Interlaken不存在固有上限,但主要用于10Gbps至100Gbps的连接。
如此宽的带宽围,令该协议可适用于多项应用,并允许后向兼容多代设备。
Interlaken适用于在以下设备中实施:
具有多个10Gbps端口的MAC、OC-768SONETframer、下一代100Gb以太网集成电路和100Gbpsswitchfabric与包处理器。
2.3扩展性
Interlaken具有在不同数量的通道上运行的能力,从而可实现其扩展性。
以下两个参数决定了连接带宽的大小:
1.接口的串行通道数量
Interlaken接口可使用任意数量的串行(或“通道”)。
有效带宽与通道数量直接相关。
例如,如图1所示,当按相同的单通道速度运行时,8-通道接口可承载的有效载荷是4通道接口的两倍。
2.各通道的频率
有效带宽还与各通道比特率直接成比例。
例如,若通道数相同,3.125Gbps端口可承载6.25Gbps端口一半的有效载荷。
由于可通过增加通道数量或单通道比特率提高带宽,Interlaken是一个非常易于扩展的接口。
例如,如图2所示,容量为40Gbps的IC可使用8通道与其它的40GbpsIC连接,使用4通道与20GbpsIC连接,以及使用2通道与10Gbps设备连接。
因此,不同容量的IC可实现互操作,从而实现后向兼容。
2.4灵活性
Interlaken可在不同数量的通道上运行,为器件互连提供高度的灵活性。
单个物理接口中不同容量的IC可分成多个低速的物理接口。
例如,如图3所示,8个物理通道可组成一个40Gbps接口、2个20Gbps接口,或4个10Gbps接口。
因此,根据该示例,高带宽的IC可连接至多个低带宽IC,从而增加系统的端口数量。
2.5通道化
在许多应用中,必须在物理接口中提供多个逻辑通道。
例如,不同的通道可用于承载发送到不同的物理端口、SONET逻辑通道的通信业务,或者承载不同优先级的通信业务。
Interlaken旨在为256个通道提供固有支持,通过使用双用通道字段扩展,最多可扩展至64K个通道,从而满足大多数应用要求。
2.6弹性
任何一种串行都会出现比特误差。
Interlaken每次传输都采用强大的循环冗余校验(CRC)保护,以避免加扰导致的误码增生,从而将比特误差的影响降至最低。
每一个串行的运行状况都可持续透明地监控。
3.0功能性
3.1数据条带化,实现扩展性
接口数据分割方式决定接口提高带宽的难度。
Interlaken基于分布在所有通道上的8字节字传输。
通道数量越多,在各间隔之间传输的字就越多。
由于按8字节步进传输,且接口支持多个通道,因此可显著提高带宽。
3.2可突发,实现低延时
通过接口传输数据包有两种基本方法;
交错传输与非交错传输。
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非-交错数据包传输
数据包的传输始终是在另一个通道开始传输前完成(见图5)。
由于要发送全长型数据包,因此数据包在一个通道传输的同时,接口两端的缓冲器必须能够接受其它通道上的数据。
由于完整的数据包在发送时没有分割,因此在接收端无需重新组合数据包。
数据包交错传输:
各通道在转移至下一个通道前,只传输数据包的小块碎片(见图6)。
一旦出现数据,便以小突发方式传输,可将缓冲器-容量需求减至最少,从而减少接口延时。
Interlaken必须支持非交错传输与交错传输,这一点非常重要,因为不同的应用,需要选择最合适的传输方式。
3.3通道化
Interlaken设计可轻松支持多通道或多端口应用。
突发控制字包含一个通道域,该域就是正在通过接口传输数据的通道或者端口的ID号。
通过该机制,Interlaken可支持多种应用。
在低价值但仍普遍存在的应用中,单端口或单通道在接口传输,每次传输突发一次,而通道字段始终设置为相同的值。
更为典型的应用可能属24-端口以太网MAC。
在该情况下,各端口上的通信量可使用Interlaken接口特有的通道ID发送。
在最末端,通过使用结合标准的8-位通道字段的双用字段,可支持能支持数千个通道的应用。
这样,该协议最高可支持64K个通道。
即便是对于诸如高度通道化的SONET/SDH接口等最苛刻的应用,这也足以应对。
突发控制字的组成如图7所示(突出显示通道与双用字段)。
3.4流量控制
数据包接口所需的另一个重要工具是背压或流量控制。
由于Interlaken一般与线接口异步运行,且为许多通道承载数据包,因此,为防止缓冲器溢出,实现板载设备之间的速率匹配,必须进行某种流量控制。
Interlaken提供简单的开关指示(通常称为Xon/Xoff),指示传输端何时停止发送数据包。
Interlaken终端设备一般都带有单通道缓冲器,并具有可编程的流量控制阈值。
当缓冲器被填充至高于其阈值时,终端设备将Xoff发送至Interlaken源设备,指示该情况。
此时,源设备停止向该通道发送通信量。
类似地,一旦缓冲器排空至低于其阈值,终端设备向Interlaken源设备发送Xon,指示源设备再次开始向该通道发送通信量。
在设置缓冲器大小和阈值时,必须考虑通道速率、流量控制延时、源调度响应和其它因素。
如果阈值与缓冲器深度正确设置,将不会有数据包丢失在终端设备中,线路始终得到充分利用。
Interlaken有两种方法发送Xon/Xoff流量控制信息。
带流量控制是在突发控制字中执行(见图8),一般用于源设备与终端设备位于相同设备时的双向应用。
带外流量控制在简单的3-位总线上执行。
当应用为单向时,或源设备与终端设备不在同一设备中时,该控制更为有效。
图9显示带外流量控制总线。
3.5数据完整性
必须侦测出因潜在的串行器/解串器(SerDes)误码率而导致的错误,以防止系统传输已被破坏的数据包。
Interlaken采用CRC24多项式,以保护每一个数据包突发。
该多项式可检测Interlaken256字节以下突发的所有一位、双位、三位、四位错误及所有奇数错误。
CRC24还可检测出长度为24位以下的所有突发错误。
图10显示CRC24单个突发围(注意一个突发将在许多通道分割)。
3.6元帧
由于控制字与数据字在现有串行通道分割,因此各通道将这些字封装至其自带的“元帧”。
如图11所示,元帧包括同步字、扰频器状态字、跳脱字与诊断字。
3.7采用同步字,实现通道对齐
数据在一个Interlaken接口的所有通道一次性分割为8个字节。
为对齐接口接收端的数据,同步字同时在所有通道上发送。
作为元帧的一部分,同步字是一个唯一、规则的模型,它允许接收器在找到它后,校正所有通道。
同步字标记出所有通道共同的对齐点,从而使接收器可以校正通道。
可设定元帧同步字插入的频率。
3.8加扰
Interlaken使用扰频器为接收器提供充分的时钟转换,以便恢复传输时钟。
为防止接收器出现误码增殖,应选择置位/复位扰频器,自同步扰码器。
若同时出现误码增殖和许多SerDes通道数据分割,将很难确保充分检测出出错的数据包。
使用置位/复位扰频器,接收器端的误码将不会倍增,从而易于检测出错误。
由于Interlaken使用置位/复位扰频器,因此必须存在一种将接收器与扰频器状态同步的方法。
作为元帧扰频器状态字的一部分,扰频器状态字前置入接收器。
接收器使用恢复后的扰频器状态与其扰频器同步,然后解-扰数据流。
3.9跳脱字
在Interlaken转发器中,发送和接收接口的运行速度可能略微不同。
为适应这一情形,元帧包括一个或多个跳脱字。
如果发送接口的运行速度略低于接收接口,这些跳脱字可能会被删除。
反之,如果发送接口的运行速度略高于接收接口,可能会向元帧添加额外的跳脱字。
这可以让Interlaken补偿系统的时钟差异。
3.10调试与诊断
当接口由多个高速SerDes组成时,在最初启动以及调试故障接口时可能会带来许多问题。
侦探高速SERDES以除错,此举即便不是不可能,也是非常困难的。
所以基于SERDES的通信协议在设计时候就必须考虑除错能力,这非常关键。
Interlaken在每个SerDes通道上都具有置的测试模型和伪随机位序列(PRBS)性能,以提高各通道的测试和调试能力。
此外,该协议还可在元帧包含的数据的基础上计算单通道CRC32。
该功能可让个别SerDes通道免受错误影响。
Interlaken协议非常灵活,可删除通道束中长久存在的坏通道。
包括突发级CRC24(保护所有通道分割的数据)在,该功能全部适用。
图12显示CRC32元帧围(注意这是单通道围)。
3.11交流耦合
高速交流耦合SerDes接口带来许多电气方面的挑战。
挑战之一是必须保持线路直流平衡,以便接收器可正确解码高速流。
诸如8B/10B等编码可在非常短的时间保持直流的平衡(几个10B符号)。
诸如64B/66B等其他编码会对数据进行扰码,只能在统计上保持直流平衡。
如果编码不平衡,接收器端将出现偏移(称为基线漂移)。
此电压偏移与连接裕度有关,可能会导致线路出错。
模拟显示,使用类似64B/66B的编码,直流可能失衡数千位。
对于某些而言,由此造成的直流偏移可能不是问题,但是对于要求更高的来说,可能不能容忍这样的偏移。
由于Interlaken设计用于许多不同的应用,该编码(此处指64B/67B)中额外的倒置位已经添加入协议中,以便更好地控制直流平衡。
该额外的倒置位可以让协议将直流平衡保持在正负65位不等的围。
3.12知识产权核心
Interlaken发展成为开放
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