以太网络自动协商与信号链路训练对于 NRZ及PAM4的应用-云帆兴烨
以太网是过去 40 年来我们一直依赖的通信主力。从高速交易数据中心到本地的 Wi-F i热点，以太网的结构都是我们所使用的技术的基础。消费者已经期望着实时，不间断地访问基于云端的服务，例如社交媒体，串流影音视频，电子商务，在线银行等。而实际上，”云”即代表着一个数据中心的全球网络，不断努力以提供更多的带宽和更少的中断，以便执行更多的业务来可以为更多的客户提供更多的服务。
自从2002年批准了 IEEE 802.3ae10Gb/s 规格以来，以太网领域迅速扩展，成功地部署了 25G/s 和 100Gb/s 的数据速率（IEEE 802.3by – 2016），现在成功利用脉冲幅度实现了50GbE 调制 x4（PAM4），聚合后为 100/200 和 400Gb/s（IEEE 802.3cd – 2018）。采用已广泛应用于生态系统的各个方面，IEEE 标准组织继续扩展以实现更高的数据速率，以支持以更少的端口数来实现更大带宽的需求.
这些进步带来了在 #NextEraEthernet 生态系统中建立物理链接的一系列新挑战。在开始任何通信之前，必须使用匹配的配置来设置链接端点。这可以是固定设置来进行，但是在某些情况下，端点间相互 “协商” 以找到两端均支持的最佳配置，这动作称为“自动协商”.
对于数据中心中大多数设置于机架内的通信应用，铜电缆线 – 直接连接电缆（DAC）– 为事实上的标准应用，因为它们是在短距离，高速通信中最为经济及高效率的解决方案。当使用DAC时，最重要的是要微调发送信号端的特性以通过链路进行传输。为此，端点通过交换训练序列 (Training) 数据包执行“链接训练 (Link Training)”。
正如 AN (Auto-Negotiation) 的过程所指出的那样，链路训练有许多重要的新功能，可以实现最佳的帧 (Frame) 传输。今天观察到的一个常见问题为 : 从 AN 完成到 TS 开始的过渡中 , 存在简单的时序不匹配。如果经过了太多时间，则链接将超时并再次恢复为 AN。为了确定这些交互符合相关的规范 , 这需要新的方法和工具。
NRZ和PAM4线路代码
许多以太网连接都基于不归零（NRZ）线路代码，该代码每个时钟符号传送1位。到目前为止，此速度已用于高达25 Gbps的SerDes速度。当前标准定义的100 Gbps以太网连接聚合在四个25 Gbps SerDes上，甚至更老的标准也定义了在10 Gbps SerDes上发送100GbE。通过以更多25 Gbps SerDes的较高倍数发送信号，可以实现更高的传输速率。
但是减少频谱带宽和减少用于信号的SerDes数量的愿望为高速信号带来了新的线路代码：PAM4（脉冲幅度调制），它通过使用4个信号电平在单个符号中编码两位。这样可以提供53.125 Gbps的SerDes，其符号率（或波特率）为26.5625 GBaud。为简单起见，这些通常称为50 Gbps或25 GBaud SerDes。图1说明了NRZ和PAM行代码之间的区别。
使用PAM4信令，可以用八个50 Gbps SerDes实现400GbE接口，可以用四个50 Gbps SerDes实现200GbE接口。也定义了具有两个50 Gbps SerDes的新版本100GbE接口和具有一个50 Gbps SerDes的50GbE接口。
图2表示新的IEEE标准802.3bs和802.3cd中定义的接口。大部分基于PAM4线路代码；但是，还定义了一个400GE接口，该接口使用带有NRZ线路代码的16-25 Gbps SerDes。该配置适用于光学互连，并未被广泛采用。
使用 PAM4 线路代码传输 50 Gbps 的信息所需的带宽大约与 NRZ 线路代码发送的 25 Gbps 的带宽相同。但是，如图 1 所示，PAM4 信号电平是 NRZ 信号电平的三分之一。这意味着 PAM4 信噪比（SNR）显着降低，这将导致比 NRZ 编码信号更多的错误。
为了对此进行补偿，在指定 PAM4 信令的标准中，必须使用强大的前向纠错（FEC）。必须与 PAM4 线路代码一起使用的 FEC 是 Reed-Solomon RS（5440、5140）“ KP ” RS-FEC。RS-FEC 和 BASE-R FE C变体可能会或可能不会应用于基于传统 NRZ 的信号，具体取决于 AN 期间表示的适用支持操作。
Auto negotiation – AN 自动协商功能
自动协商最初是为高达 1G 的双绞线以太网设计的。除了为链路参与者交换速度功能外，AN 还演变为当今的以太网，其中包括用于建立可靠且一致的连接的其他配置信息。AN 允许链路末端的设备协商通用的传输参数功能，例如速度和双工模式，交换扩展的页面信息和媒体信令支持。以更高的速度发出信号，可能需要选择 FEC。
IEEE 已为基于 NRZ 的 25/50/100GbE 定义了自动协商，以包括许多配置参数，如图 3 所示。对于基于 PAM 4 的 200GE，100GE 和 50GE 电接口，只有速度本身可以自动协商，因为 KP RS-FEC 是强制性的，而双工模式则无关。电接口由相应的 IEEE 802.3 和以太网技术联盟规范定义，其中包括自动协商的扩展定义。
自动协商在 IEEE 802.3 条款 73 中定义，该条款在 IEEE 802.3cd 和以太网协会 400GBASE-CR8 / KR8 规范中进行了更新。他们将以下基于 PAM4 的速率添加到可以自动协商的速率中：
• 400 G，8通道：400GBASE-KR8或400GBASE-CR8
（最高优先级）–仅以太网联盟
• 200 G，4通道：200GBASE-KR4或200GBASE-CR4
• 100 G，2通道：100GBASE-KR2或100GBASE-CR2
• 50 G，1通道：50GBASE-KR或50GBASE-CR R
如上所述，并未为光接口定义自动协商。仅针对铜缆( -CR）和电气背板（-KR）定义。这适用于IEEE 802.3条款73（范围从 1G 到 200G）和以太网协会 400GBASE-CR8 / KR8 规范中定义的所有速率.
使用传统的物理层检查工具和技术，我们可以确定 SERDES 是否驱动正确的电信号并在规格参数之内，进行时序计算并大致了解被检查设备的物理健康状况。但是，传统的信号完整性测试工具无法 “显示” 基本和扩展页面信息的内容（如图5所示），这些信息在链接启动期间由组件共享。如果存在建立链接的问题，而这些问题是 AN 不一致的结果，则工程师实际上是盲目的，并且无法确定原因.