以太网链路扩展方法和设备与流程

电气和电子工程师协会(ieee)标准协会出版了以太网ieee标准ieeestd802.3-2015，这对于本申请所属领域的普通技术人员将是熟悉的。该标准为通过同轴电缆、双绞线电缆、光纤电缆和电子背板，以1mb/s至100gb/s的选定速度为局域网(lan)操作提供通用介质访问控制规范。为了支持多段网络上的共享访问，该标准规定在高达1000mb/s的运行速度下使用中继器。高速运行似乎仅构想到用于不方便的有限长度的点对点通信链路。长度限制是由信道非理想性(诸如，色散和加性噪声)的存在所施加的。

这种仅支持点对点链路的选择使协议能够包括用于优化高速通信的自动协商和训练阶段。自动协商阶段使端节点能够交换关于其能力的信息，并且训练阶段使得端节点能够以对抗信道非理想性的方式适配发射侧和接收侧均衡滤波器两者。两个阶段都受到严格的时序要求的约束，并且它们都不能考虑任何中间设备或滤波器。

至少在原理上，链路扩展器(也称为信号重调器)、重定时器、或中继器，是众所周知的。理想情况下，这种设备仅作为链路端节点之间的导管运行，支持符合标准的网络操作，而不会作为网络中的附加节点出现。我们不知道任何现有的链路扩展方法或设备能够令人满意地实现以太网链路以10gb/s或更高速率运行的理想状态。

技术实现要素：

因此，本文公开了以太网链路扩展方法和设备。在一个说明性实施例中，以太网链路扩展器包括物理介质附连(pma)电路，每个电路具有与在通信阶段序列中的相应节点通信的发送器和接收器，该序列至少包括自动协商阶段和后续训练阶段，这些阶段针对两个pma电路同时发生。在自动协商阶段，pma电路以直通模式工作，使扩展器对两个节点透明。在训练阶段，pma电路独立操作，部分地基于所接收的反向信道信息和本地确定的训练状态信息将训练帧发送到它们各自的节点。

说明性以太网链路扩展方法包括用于自动协商的第一通信阶段和用于训练的后续通信阶段，以供与第一节点通信的第一pma电路和与第二节点通信的第二pma电路使用。在第一阶段，第二pma电路的发送器耦合到第一pma电路的接收器以重新发送从第一节点接收的通信，并且第一pma电路的发送器耦合到第二pma电路的接收器以重新发送从第二节点接收的通信。在第二阶段，每个pma电路中的训练控制器生成用于相应发送器的训练帧以发送到相应节点，帧部分地基于从它们各自的接收器接收的反向信道信息和本地生成的训练状态信息。

前述实施例中的每一个可以单独或组合地实现，并且可以以任何合适的组合来用以下特征中的任何一个或多个来实现：(1)第二pma电路的发送器在自动协商阶段通过片上模拟信号线耦合到第一pma电路的接收器。(2)第二pma电路的发送器在自动协商阶段通过模拟-数字转换器和数字-模拟转换器之间的数字信号总线耦合到第一pma电路的接收器。(3)第一pma电路的发送器和第二pma电路的发送器各自包括发送滤波器，其根据在训练阶段期间分别从第一节点和第二节点接收的反向信道信息进行适配。(4)第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器各自包括滤波器适配电路，其产生滤波器系数更新并检测滤波器收敛。(5)第一pma电路的发送器和第二pma电路的发送器中的至少一个包括训练控制器，该训练控制器向第一节点和第二节点中的至少一个提供反向信道信息。(6)训练控制器仅在第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器都检测到滤波器收敛时确认滤波器收敛。(7)第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器各自包括检测器。(8)当任一检测器检测到自动协商阶段结束时，扩展器发起训练阶段。(9)检测器针对指示训练帧的高频内容来监视接收信号的频谱。(10)检测器解码来自自动协商帧的信息以检测所述结束。(11)第一pma电路和第二pma电路中的每一个包括多个发送器-接收器对，以支持第一节点和第二节点之间的多个通信通道。(12)在自动协商阶段，将第二pma电路的发送器耦合到第一pma电路的接收器包括：(a)数字化从第一节点接收的通信以获得接收信号样本；(b)将总线上的接收信号样本传送到第二pma电路的发送器；以及c)将接收信号样本转换为模拟电子发送信号。(13)在训练阶段期间，分别根据从第一节点和第二节点接收的反向信道信息，适配第一pma电路的发送器和第二pma电路的发送器中的每一个中的发送滤波器。(14)在第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器中的每一个中利用滤波器适配电路产生滤波器系数更新并检测滤波器收敛。(15)利用第一pma电路的发送器和第二pma电路的发送器中的每一个中的训练控制器向第一节点和第二节点提供反向信道信息。(16)仅当第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器都检测到滤波器收敛时，利用每个训练控制器确认滤波器收敛。(17)当第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器中的任一个检测到自动协商阶段的结束但是在第一pma电路的接收器和第二pma电路的接收器都检测到自动协商阶段的结束之前时，发起训练阶段。(18)针对高频内容来监视接收信号的频谱，以检测自动协商阶段的所述结束。(19)解码来自自动协商帧的信息以检测所述结束。

附图说明

在附图中：

图1示出了说明性通信网络。

图2是说明性扩展以太网链路的框图。

图3是说明性以太网链路扩展器的框图。

图4是说明性pma电路接收器的框图。

图5是说明性pma电路发送器的框图。

图6是说明性以太网链路扩展方法的流程图。

然而，应理解，附图和详细说明中所给出的特定实施例不限制本公开。相反，它们为普通技术人员提供用于辨别包含在所附权利要求书的范围内的替代形式、等效物和修改的基础。

具体实施方式

所公开的装置和方法在其进行操作的较大环境的上下文中进行最佳理解。相应地，图1示出了说明性通信网络100，其包括经由路由网络106耦合的移动设备102和计算机系统104a-c。路由网络106可以是或者包括例如互联网、广域网或局域网。在图1中，路由网络106包括设备项目108的网络，诸如交换机、路由器等。设备项目108经由在各个网络部件之间传输数据的点对点通信链路110互相连接，并且连接至计算机系统104a-c。网络106中的至少一些链路110是以10gb/s或更高、符合ieee标准802.3-2015操作的高速以太网链路。

图2是可以表示图1中的一个或多个链路110的说明性高速以太网链路的框图。所展示的实施例包括经由以太网链路扩展器206与第二节点204(“节点b”)通信的第一节点202(“节点a”)。节点a和节点b每个可以是例如设备项目108、计算机系统104a-c或具有高速以太网端口并且分开大于标准规定的点对点链路长度限制的距离的其他发送/接收设备中的任何一个。节点也可以是交换机或其他电信系统中的集成电路(ic)芯片。所示链路包括从节点a延伸到扩展器206的四个双向通信通道208和从节点b延伸到扩展器206的四个通信通道210。每个双向通道代表两个沿相反方向运行的单向通道。根据该标准，这些单向或双向通道可以通过不同的双绞线、电背板迹线、铜传输线或光纤传输，或者它们可以多路复用到共用的电/光导体上。

以太网标准根据开放系统互连(osi)模型的分级层指定节点操作，特别关注最下面的“物理”层，“物理”层提供节点和通信介质之间的连接的电气和物理规格(例如，管脚布局、线路阻抗、信号电压和时序)、通信介质的布置(例如，网络拓扑结构)以及通信介质本身的电气和物理规格(例如，铜缆或光纤电缆中的导体排列、衰减限制、传播延迟、信号歪斜)。物理层负责通过通信介质，采用单工、半双工或全双工模式传输和接收原始比特流。

根据适用的条款，以太网标准将物理层划分为至少三个子层：物理介质相关(pmd)子层、物理介质连接(pma)子层和物理编码子层(pcs)。pmd子层指定发送/接收的信道信号与对应的比特(或数字符号)流之间的收发器转换。pma子层操作在条款之间变化，但是通常指定(潜在的)通道重新映射、符号编码/解码、成帧和八位字节/符号同步。在实践中，pmd和pma子层之间的描述可以是不确定的，并且两个子层更适当地被视为组合子层。pcs子层提供加扰/解扰、数据编码/解码、块和符号重新分配、对准标记插入/移除、以及块级通道同步和去歪斜。可选的前向纠错(fec)子层可以驻留在pma和pcs子层之间，以提供例如reed-solomon编码/解码，其分布具有跨通道的受控冗余性的数据块。如果存在，则fec子层提供至少一些否则分配给pcs子层的功能，例如编码/解码，对准标记插入/移除，以及块级通道同步和去歪斜。

与每个子层(以及osi模型中的每个较高层)相关联的电路增加了每个设备的以太网连接的协议栈的面积和功率要求，并且加剧了通信链路延迟。虽然这种情况对于节点来说基本上是不可避免的，但是对于系统中的每个链路扩展器施加这些损害是非常不期望的。以下以太网链路扩展器设备和方法试图排除用于实现pcs子层和osi模型的任何更高层的任何电路。所公开的扩展器设备和方法中的至少一些将其电路限制为仅实现以太网标准的pmd和pma子层所必需的电路。如下所述，通过使扩展器能够在链路建立过程的不同阶段在透明和不透明模式之间切换，可以实现这种理想。因此，以太网链路的端节点(节点a和b)在不知道可能存在的任何中间扩展器设备的情况下进行符合标准的操作，从而克服了标准所施加的链路长度限制。

图3是具有两个pma电路300的说明性扩展器206的高级框图，一个pma电路300用于经由通信通道208与节点a通信，一个pma电路300用于经由通信通道210与节点b通信。pma电路300每个都具有用于每个通信通道的收发器，在每个pma电路内产生四个发送器-接收器对。例如，接收器301和发送器302经由通道1与节点a通信，而接收器311和发送器312通过通道1'与节点b通信。通道2-4和2'-4'被相似地支持。集成控制器350提供芯片级支持功能(例如，电压调节、时钟生成、用于编程和测试的mdio/i2c总线接口)和固件编程的微控制器，微控制器具有用于协调和控制pma电路300的操作的寄存器。

在正常操作阶段，即在建立链路并且在节点之间传送数据之后，扩展器300如下操作。接收器301经由通道1接收来自节点a的信道信号，将信道信号转换为数字接收信号，或者更确切地说，表示通过通道1传送的数据的帧同步和符号同步的比特流。接收器301将该数字接收信号提供给发送器312，发送器312将该数字接收信号转换为经由通道1'发送到节点b的信道信号。因此，相对于通道1上的接收信道信号的信噪比，增强了通道1'上的发送信道信号的信噪比。接收器311和发送器302执行用于从节点b到节点a的通信的相同操作。其余的发送器和接收器对于剩余的通信通道类似地操作。注意，如果通信通道能够以所描述的方式独立操作，则可以有利地简化实现。

但是，为了达到正常运行阶段，标准要求链路通过自动协商阶段和后续训练阶段。自动协商阶段使端节点能够交换关于其能力的信息，并且训练阶段使得端节点能够以对抗信道非理想性的方式适配发射侧和接收侧均衡滤波器两者。两个阶段都受到严格的时序要求的约束，并且标准不能考虑任何中间设备或滤波器的可能性。

标准规定终端节点通过发送和接收关于两个节点的相应能力、接收信息的确认、和仲裁过程的结果的自动协商信息帧来发起每个通信通道的建立，以选择给定节点各自能力最佳的一组通信参数。为了符合标准，扩展器最初不知道端节点的相应能力，必须强制多轮自动协商以确保节点选择最佳的一组通信参数。(扩展器将实现pma和pcs子层，其与每个端节点进入第一轮自动协商以确定它们各自的能力，然后进入第二轮，其中扩展器将其自身伪装成作为另一端节点的每个端节点。应注意，如果存在多个扩展器，则还需要额外的轮次。与此同时，训练阶段的时间限制可能会导致链路故障。)

然后，优选地，扩展器不参与自动协商过程，而是以直通(“透明”)模式操作，以将从每个节点接收的自动协商帧重新发送到其他节点。在至少一些“分组嗅探”实施例中，控制器350监视在每个通道上接收的自动协商帧的内容，从每个通道的嵌入控制代码确定何时选择过程完成并结束自动协商阶段。(并非独立地处理通信通道，一些替代实施例仅在第一通道上执行自动协商过程并将协商的通信参数应用于所有通信通道。任何一个通道上的后续故障都会触发所有通道的自动协商过程的重新启动。)

然而，值得注意的是，即使在考虑信道衰减和使用未经训练的均衡滤波器之后，自动协商帧也由具有大间隔(在信号空间中)的低速率信道符号形成。因此，这些帧不受相同的链路长度限制，并且可以在明显更大的距离上精确地解码。因此，扩展器206的其他“非解码”实施例仅传递传送自动协商帧的信道信号波形，而没有定时恢复、解调和/或解码。可以提供放大和滤波，或者在一些情况下，提供模拟数字转换，然后以适合于以足够保真度通过波形的分辨率进行数字模拟转换。这些实施例可以监视所接收的信道信号的频谱内容和/或其他特性，以检测何时结束自动协商阶段。(例如，训练帧将具有自动协商帧中不存在的高频频谱内容。)

分组嗅探实施例可以从嵌入的控制代码确定协商的操作参数，而非解码扩展器实施例可以根据训练帧的频谱特性确定协商的操作参数。如果协商的操作参数在扩展器的能力范围内，则扩展器相应地配置接收器和发送器并开始训练阶段。对于10gbase-kr，培训阶段的详细信息可以在ieeestd802.3第72条中找到。对于100gbase-kp4，详细信息在ieee802.3第94条中。如果自动协商阶段成功，则终端节点在自动协商阶段期间仍然不知道任何中间链路扩展器。然而，如果端节点协商不能被支持的速度，则至少一些链路扩展器实施例将这种情况视为错误条件并暂时禁用发送器，从而中止链路建立过程。

自动协商阶段之后是随后的训练阶段，其中每个端节点发送和接收训练信息帧。这些帧包括宽带训练序列、训练状态信息、和反向信道信息，其他节点可以采用宽带训练序列来适配其接收滤波器，接收节点使用反向信道信息来调整其发射滤波器。标准链路长度限制适用于训练序列，并且无论如何，还应训练扩展器的发送和接收过滤器。因此，扩展器参与训练阶段，伪装成每个通信通道上的端节点。因此，例如，接收器301和发送器302参与与节点a的训练阶段，同时接收器311和发送器312参与与节点b的训练阶段。除了训练阶段的同步性质之外，节点a和节点b训练彼此独立地进行。如果在节点a链路上比在节点b链路上更快地进行训练(反之亦然)，则扩展器可以在经过充分训练的链路上延长训练过程，直到完成对两个链路的训练，使得节点a和节点b训练阶段基本上同时结束。

如前所述，一些扩展器实施例协调所有通道的操作，使得所有通道的训练阶段同时开始和结束。其他实施例使得通道能够独立操作，并且对于每个通道，提供节点a和节点b链路的协调。随着每个通道(或所有通道)的训练阶段结束，扩展器将通道置于正常操作模式，其可替代地称为帧转发阶段。在帧转发阶段，扩展器从终端节点恢复在给定通道上接收的每个帧的符号或比特，并将它们作为相应通道上的再生帧重新发送到其他端节点。因此，扩展器可以以非常小的延迟和低功率开销在端节点之间传送数据。

图4示出了适用于pma电路300的说明性接收器301。通道输入(ch_in)节点从换能器(例如，光电二极管)或直接从信道通道导体接收模拟电信号，并将其提供给低噪声放大器(lna)402。lna402提供高输入阻抗以最小化信道负载并放大接收的电信号以驱动连续时间线性均衡器(ctle)滤波器404的输入。在正常操作期间，ctle滤波器404提供连续时间滤波以按自适应方式对信号频谱进行整形，以减小信道脉冲响应的长度，同时最小化前导码间干扰(isi)。判决反馈均衡器(dfe)406对经滤波的信号进行操作以校正尾随isi并检测每个发射的信道位或符号，由此产生解调的数字数据流。一些实施例采用过采样。时钟和数据恢复(cdr)电路408从经滤波的信号和/或数字数据流中提取时钟信号，并将其提供给dfe406以控制符号检测的定时。串并转换电路410将数字数据流比特或符号分组为块，以使得能够使用较低的时钟速率用于随后的芯片上操作。在正常操作期间，多路复用器412将块放置在数字接收总线(rxd)上，以便由发送器(例如，发送器312)重传到远程端节点。

在自动协商阶段期间，图示的lna402将放大的接收信号提供给模拟数字转换器(adc)420。adc420数字化接收信号，可选地具有采样率和分辨率，以提供足够的重建而无需定时恢复。多路复用器412将接收信号的数字样本放置在rxd总线上以便在另一链路上重传。检测器422监视接收信号以检测自动协商阶段的结束和/或训练阶段帧的开始。替代地，可以通过正常操作信号路径(402-404-406-410)与未经训练的(默认)滤波器传递自动协商阶段信号并且可以采用分组信息提取器442监视自动协商帧的内容以检测自动协商阶段的结束。

在训练阶段期间，lna402将接收的信号提供给ctle滤波器404、dfe406和s2p电路410。滤波器适配电路440测量dfe406中的决策元件的输入和输出之间的误差，根据关于自适应滤波的文献中的公知技术采用该误差，以确定对ctle滤波器404、dfe406、和发送滤波器506中的系数的调整(下面进一步讨论)，并确定是否已实现收敛。包括发送滤波器系数调整和收敛状态的本地生成的信息(local_info)被提供给本地发送器(例如，发送器302)。如下文中讨论的，本地发送器通过反向信道将发送滤波器调整和收敛状态传送到本地端节点。在那种情况下，接收的信号包括来自本地端节点的反向信道信息。分组信息提取器442检测反向信道信息(back_info)并将其传递给本地发送器(例如，发送器302)。一旦实现收敛，接收器301就准备好开始正常操作。

图5示出了适用于pma电路302的说明性发送器302。在正常操作期间，解复用器502和多路复用器503将从由rxd总线传送的远程端节点将信道位或符号的块提供给并串转换(p2s)电路504。p2s电路将块转换为数字数据流。发送滤波器506，也称为预加强滤波器，将数字数据流转换为具有频谱整形的模拟电信号，以对抗信道劣化。驱动器508放大模拟电信号以驱动信道输出(ch_out)节点。

在自动协商阶段期间，所示的解复用器502指示从远程端节点接收的并且经由rxd总线传送到数字模拟转换器(dac)520的所接收的自动协商信号的数字样本。dac520将数字样本转换为再现接收的自动协商信号的模拟电信号。驱动器508放大模拟电信号以驱动通道输出(ch_out)节点。如果从接收器中省略adc路径(图4)，也可以从发送器中省略dac路径。正常操作路径可以与未经训练(默认)的发送过滤器一起使用。作为另一替代方案，可切换的片上模拟信号线可将用于本地端节点的lna402耦合到用于远程端节点的驱动器508。

在训练阶段期间，多路复用器503阻挡来自rxd总线的信息，而是向p2s电路504提供来自训练控制器540的训练帧。训练控制器540基于收敛状态和从本地接收器(例如，接收器301)接收的发送滤波器系数调整(local_info)来生成训练帧。应注意，即使在本地接收器指示已经发生滤波器收敛之后，训练控制器540也可以延长训练阶段以与远程端节点(例如，接收器311)的接收器协调训练阶段定时。训练帧还包括由ieeestd802.3的相关部分指定的训练序列。

训练控制器540还接收由本地接收器从本地端节点发送的接收训练帧中提取的反向信道信息(back_info)。训练控制器将相应的调整应用于发送滤波器506的系数。在训练阶段结束时，多路复用器503开始将rxd块转发到p2s电路504。

图6是说明性以太网链路扩展方法的流程图。它开始于框602，技术人员或用户通过中间链路扩展器连接以太网链路的端节点。当每个端节点通电时，或者此后定期通电时，发起自动协商阶段以建立链路。在框604中，扩展器在自动协商阶段期间隐藏自身，将从每个端节点接收的信号透明地传递到其他端节点。信号可以作为模拟信号通过扩展器；作为模数转换和数模转换波形，或作为解调和重调制数据帧。换句话说，第二pma(物理介质连接)电路的发送器耦合到第一pma电路的接收器，以重传从第一节点接收的通信；并且第一pma电路的发送器耦合到第二pma电路的接收器，以重传从第二节点接收的通信。

在自动协商阶段期间，扩展器监视所接收的信号，直到在块606中检测到自动协商阶段的结束。如前所述，扩展器可以通过解码来自在端节点之间交换的自动协商帧的信息和/或通过针对训练序列典型的高频内容监视频谱来执行该检测。在从给定通道上的任一端节点检测到自动协商阶段的结束之后，在框608中扩展器同时在该通道上为两个端节点发起训练阶段。用于第一和第二pma电路中的每一个的训练控制器部分地基于来自相应pma电路的本地接收器的反向信道信息和训练状态信息生成训练帧，用于由相应pma电路的发送器进行传输。

对于两个端节点同时执行训练阶段，如果必要则延长训练阶段，直到在框610中为两个端节点训练链路，指示可以为两者结束训练阶段。然后，扩展器将该通道上的训练阶段的结束发信号通知两个端节点，并在框612中进入帧转发阶段。

在块612的帧转发阶段，扩展器解调信道数据帧以从每个端节点提取信道比特或符号。然后重新调制信道比特或符号以便发送到另一个端节点，从而避免了对pcs子层的任何需要，从而最小化等待时间和功耗，同时对链路鲁棒性的损害最小。在一些扩展器实施例中，扩展器监视均衡错误级别，或执行校验和计算以检测错误。如果检测到故障，则在方框614中，扩展器暂时禁用该通道的发送器以强制重新启动链路，然后从方框604开始重复该方法。

对本领域技术人员来说，一旦完全了解以上公开内容，则众多其替代形式、等效物和修改方案将变得显而易见。例如，前面的描述集中于在端节点之间仅采用一个链路扩展器的实现，但是如果在端节点之间依次提供多个扩展器，则所公开的原理仍然适用。旨在将权利要求书解释为涵盖包含在所附权利要求书的范围内的所有这些替代形式、等效物和修改方案。