116.3 服务接口规范方法与表示法116.3.1 子层间服务接口1什么是“服务接口”2什么是原语116.3.2 子层间服务接口的实例前缀区分不同层的接口实例实例举例116.3.3 子层间服务接口原语的语义116.3.3.1 IS_UNITDATA_i.request116.3.3.2 IS_UNITDATA_i.indication116.3.3.3 IS_SIGNAL.indication总结摘要此专栏主要解读 IEEE 802.3 中与光模块有关的章节。本文主要关注协议文档的 116 章关于 200 Gb/s 和 400 Gb/s 的介绍。不仅是对文档的简单翻译还会剖析协议规定背后的深层含义。为了方便与协议文档内容对应本文的章节编号与协议文档保持一致。这一节开始讲 200G/400G 物理层内部的服务接口规范就是各个子层之间的“数据交接”和“状态沟通”定义一个统一的标准术语方便描述和验证。116.3.1 子层间服务接口1什么是“服务接口”服务接口不是物理引脚也不是寄存器而是两个子层之间的一种约定上层通过请求request把数据交给下层下层通过“指示”indication把数据或状态交给上层。可以把这个理解为函数调用或者API。这里的服务接口规范遵循 1.2.2 中的定义。打个比方MAC层是经理PCS层是组长PMA层是员工。经理要发一份文件他不需要直接跑到员工面前而是通过“服务接口”比如公司内部的工单系统发起一个“发送请求”。员工完成后通过同一个系统回复”发送完成指示“。服务接口定义的就是这个工单系统的格式和内容。2什么是原语原语primitive就是服务接口上定义的基本操作或信息。在这里有三个下标的含义因为 200G/400G 是多通道lane的。比如400G的PCS可能有8个 PCS lane每个 lane 独立传输数据流。i 就是通道编号从0 到n-1。这样用一套原语就能够描述所有通道而不用为每个通道定义不同的信号名。数据单元data units这里的”数据单元“不是指完整的以太网帧而是物理层内部处理的数据块比如经过编码后的码块。所以 IS_UNITDATA_i.request 的意思是“把第 i 路的数据块交给下一层”而不是“发送一个完整的帧”。116.3.2 子层间服务接口的实例前缀区分不同层的接口实例同一个原语比如 IS_UNITDATA_i.request可以在不同子层之间使用实际中需要指明是哪两个子层之间的。所以就为原语添加了一个前缀。标准定义了三种前缀实例举例在 116.3.3 小节中图116-2和图116-3分别展示了 200GBASE-R 和 400GBASE-R 的子层间服务接口的示例。在这里只简单列举 PMD 服务接口实例的原语标识如下所示。PMD:IS_UNITDATA_i.request —— PCS 请求 PMD 发送第 i 路数据单元。PMD:IS_UNITDATA_i.indication —— PMD 向 PCS 上传第 i 路数据单元。PMD:IS_SIGNAL.indication —— PMD 向 PCS 上报“链路状态发生变化”。116.3.3 子层间服务接口原语的语义这一小节介绍 116.3.2 小节中三个服务接口原语的具体含义和用法。在这里先展示200GBASE-R和400GBASE-R的内部子层服务接口框图如下所示。116.3.3.1 IS_UNITDATA_i.request如图 116-2 和图 116-3 左边红色虚线框所示IS_UNITDATA_i.request其中 i 0 到 n – 1的意思是数据单元流从一个子层向下一个较低子层传输其中 n 是并行数据单元流的数量。一个通道就是一个数据单元流所以n 也是 PMD 通道lane的数量。在 200G/400G 中数据是并行在多条 lane 上同时传输的。比如 400GBASE-FR4 光模块使用 4 个光 lane那么 n4i 从 0 到 3分别代表 4 个独立的符号流。语义IS_UNITDATA_0.request(tx_symbol)IS_UNITDATA_1.request(tx_symbol)…IS_UNITDATA_n–1.request(tx_symbol)代表第 n-1 个通道传输的符号流tx_symbol 可以是二值0或1也可以是四值0、1、2或3这对应不同的调制和编码方式二值0/1对应NRZ或PAM2信号一个符号携带1个比特。四值0/1/2/3对应PAM4信号一个符号携带2个比特。为什么会有两种可能 因为不同的子层之间接口速率不同。例如在 PCS 和 PMA 之间如果 PMA 使用 50G PAM4 电信号则每个 lane 的符号是四值的PAM4 的 4 个电平。在 PMA 和 PMD 之间如果光口使用 NRZ如 400GBASE-SR16 的 25G NRZ则符号是二值的。何时生成原语不是按需触发的而是持续不断地发送。物理层一旦启动就会一直以固定速率产生符号流无论上层是否有有效数据。空闲时发送的是空闲符号idle symbols有数据时发送的是数据符号。速率为标称信令速率比如每个 lane 25G 或 50G 波特率。接收效果标准不规定接收方具体怎么做只说“由接收子层定义”。这给了实现自由度只要行为符合规范即可。116.3.3.2 IS_UNITDATA_i.indication如图 116-2 和图 116-3 右边红色虚线框所示IS_UNITDATA_i.indication其中 i 0 到 n – 1的意思是数据单元流从一个子层向较高子层传输其中 n 是并行数据单元流的数量。同样地n 也是 PMD 通道lane的数量。语义IS_UNITDATA_0.indication(rx_symbol)IS_UNITDATA_1.indication(rx_symbol)…IS_UNITDATA_n–1.indication(rx_symbol)代表第 n-1 个通道传输的符号流与 tx_symbol 类似rx_symbol 可以是二值0或1也可以是四值0、1、2或3这对应不同的调制和编码方式见上一小节在此不赘述。何时生成与request类似indication按标称信令速率持续发送。接收效果与request类似由接收子层定义。为什么200G的PMA是8:n而400G的PMA是16:n在 100G 以太网时代已经定义了 4 个 PCS lanes每个 lane 运行在约 25.78125 Gb/s这是经过 64B/66B 编码后的速率原始数据 25 Gb/s。当速率提升到200G、400G时沿用了100G的技术方案只是简单地将 lane 的数量翻倍100G → 4 lanes200G → 8 lanes400G → 16 lanes。PMA 的作用之一就是通道映射和复用。它可以将多个 PCS lanes 合并或拆分成实际物理层需要的 lane 数量。例如400GBASE-FR4物理层只有 4 个光 lane每个 100G PAM4n 就等于 4。但 PCS 有 16 个逻辑 lane。PMA 需要将 16 个逻辑 lane 映射到 4 个物理 lane即 16:4 映射。每个物理 lane 承载 4 个逻辑 lane 的数据通过 PAM4 调制每个符号 2 比特再加上 FEC 等处理。116.3.3.3 IS_SIGNAL.indication如图 116-2 和图 116-3 中间蓝色虚线框所示用来向较高层传递接收过程的状态。该原语由接收过程生成用于将严重错误条件例如未接收到有效信号传达给下一个较高子层。语义IS_SIGNAL.indication(SIGNAL_OK)专门用来向上一级报告“接收是否正常”。SIGNAL_OK FAIL表示下层检测到严重问题比如光信号丢失、时钟失锁、数据流完全无效。此时下层提供的 rx_symbol 是无效的未定义上层应该忽略这些数据。SIGNAL_OK OK表示下层认为接收链路基本正常但不保证数据完全正确可能仍有误码。真正验证数据正确性由上层如 PCS 的 FEC 和 CRC完成。何时生成IS_SIGNAL.indication只在状态发生变化时生成不会每周期都发。比如光模块从“有光”变成“无光”就会触发一次 FAIL 上报恢复后触发 OK 上报。这避免了不必要的通信开销。接收效果与 request / indication 类似由接收子层定义。总结本文围绕 IEEE 802.3 第 116 章系统梳理了 200G/400G 物理层子层间的服务接口规范先阐明服务接口与三种原语IS_UNITDATA_i.request、IS_UNITDATA_i.indication、IS_SIGNAL.indication的基本概念再通过前缀区分不同子层的接口实例最后逐一剖析各原语的语义、生成时机与接收效果。理解这套接口约定是掌握多通道高速以太网数据流与状态传递机制的关键。欢迎有疑问的小伙伴在评论区留言讨论。