以太網(wǎng)是過去 40 年來我們一直依賴的通信主力。從高速交易數(shù)據(jù)中心到本地的 Wi-F i熱點，以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)都是我們所使用的技術(shù)的基礎(chǔ)。消費者已經(jīng)期望著實時，不間斷地訪問基于云端的服務(wù)，例如社交媒體，串流影音視頻，電子商務(wù)，在線銀行等。而實際上，”云”即代表著一個數(shù)據(jù)中心的全球網(wǎng)絡(luò)，不斷努力以提供更多的帶寬和更少的中斷，以便執(zhí)行更多的業(yè)務(wù)來可以為更多的客戶提供更多的服務(wù)。

自從2002年批準了 IEEE 802.3ae10Gb/s 規(guī)格以來，以太網(wǎng)領(lǐng)域迅速擴展，成功地部署了 25G/s 和 100Gb/s 的數(shù)據(jù)速率（IEEE 802.3by – 2016），現(xiàn)在成功利用脈沖幅度實現(xiàn)了50GbE 調(diào)制 x4（PAM4），聚合后為 100/200 和 400Gb/s（IEEE 802.3cd – 2018）。采用已廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)的各個方面，IEEE 標準組織繼續(xù)擴展以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率，以支持以更少的端口數(shù)來實現(xiàn)更大帶寬的需求.

這些進步帶來了在 #NextEraEthernet 生態(tài)系統(tǒng)中建立物理鏈接的一系列新挑戰(zhàn)。在開始任何通信之前，必須使用匹配的配置來設(shè)置鏈接端點。這可以是固定設(shè)置來進行，但是在某些情況下，端點間相互 “協(xié)商” 以找到兩端均支持的最佳配置，這動作稱為“自動協(xié)商”.

對于數(shù)據(jù)中心中大多數(shù)設(shè)置于機架內(nèi)的通信應(yīng)用，銅電纜線 – 直接連接電纜（DAC）– 為事實上的標準應(yīng)用，因為它們是在短距離，高速通信中最為經(jīng)濟及高效率的解決方案。當(dāng)使用DAC時，最重要的是要微調(diào)發(fā)送信號端的特性以通過鏈路進行傳輸。為此，端點通過交換訓(xùn)練序列 (Training) 數(shù)據(jù)包執(zhí)行“鏈接訓(xùn)練 (Link Training)”。

正如 AN (Auto-Negotiation) 的過程所指出的那樣，鏈路訓(xùn)練有許多重要的新功能，可以實現(xiàn)最佳的幀 (Frame) 傳輸。今天觀察到的一個常見問題為 : 從 AN 完成到 TS 開始的過渡中 , 存在簡單的時序不匹配。如果經(jīng)過了太多時間，則鏈接將超時并再次恢復(fù)為 AN。為了確定這些交互符合相關(guān)的規(guī)范 , 這需要新的方法和工具。

NRZ和PAM4線路代碼

許多以太網(wǎng)連接都基于不歸零（NRZ）線路代碼，該代碼每個時鐘符號傳送1位。到目前為止，此速度已用于高達25 Gbps的SerDes速度。當(dāng)前標準定義的100 Gbps以太網(wǎng)連接聚合在四個25 Gbps SerDes上，甚至更老的標準也定義了在10 Gbps SerDes上發(fā)送100GbE。通過以更多25 Gbps SerDes的較高倍數(shù)發(fā)送信號，可以實現(xiàn)更高的傳輸速率。

但是減少頻譜帶寬和減少用于信號的SerDes數(shù)量的愿望為高速信號帶來了新的線路代碼：PAM4（脈沖幅度調(diào)制），它通過使用4個信號電平在單個符號中編碼兩位。這樣可以提供53.125 Gbps的SerDes，其符號率（或波特率）為26.5625 GBaud。為簡單起見，這些通常稱為50 Gbps或25 GBaud SerDes。圖1說明了NRZ和PAM行代碼之間的區(qū)別。

使用PAM4信令，可以用八個50 Gbps SerDes實現(xiàn)400GbE接口，可以用四個50 Gbps SerDes實現(xiàn)200GbE接口。也定義了具有兩個50 Gbps SerDes的新版本100GbE接口和具有一個50 Gbps SerDes的50GbE接口。

圖2表示新的IEEE標準802.3bs和802.3cd中定義的接口。大部分基于PAM4線路代碼；但是，還定義了一個400GE接口，該接口使用帶有NRZ線路代碼的16-25 Gbps SerDes。該配置適用于光學(xué)互連，并未被廣泛采用。

使用 PAM4 線路代碼傳輸 50 Gbps 的信息所需的帶寬大約與 NRZ 線路代碼發(fā)送的 25 Gbps 的帶寬相同。但是，如圖 1 所示，PAM4 信號電平是 NRZ 信號電平的三分之一。這意味著 PAM4 信噪比（SNR）顯著降低，這將導(dǎo)致比 NRZ 編碼信號更多的錯誤。

為了對此進行補償，在指定 PAM4 信令的標準中，必須使用強大的前向糾錯（FEC）。必須與 PAM4 線路代碼一起使用的 FEC 是 Reed-Solomon RS（5440、5140）“ KP ” RS-FEC。RS-FEC 和 BASE-R FE C變體可能會或可能不會應(yīng)用于基于傳統(tǒng) NRZ 的信號，具體取決于 AN 期間表示的適用支持操作。

Auto negotiation – AN 自動協(xié)商功能

自動協(xié)商最初是為高達 1G 的雙絞線以太網(wǎng)設(shè)計的。除了為鏈路參與者交換速度功能外，AN 還演變?yōu)楫?dāng)今的以太網(wǎng)，其中包括用于建立可靠且一致的連接的其他配置信息。AN 允許鏈路末端的設(shè)備協(xié)商通用的傳輸參數(shù)功能，例如速度和雙工模式，交換擴展的頁面信息和媒體信令支持。以更高的速度發(fā)出信號，可能需要選擇 FEC。

IEEE 已為基于 NRZ 的 25/50/100GbE 定義了自動協(xié)商，以包括許多配置參數(shù)，如圖 3 所示。對于基于 PAM 4 的 200GE，100GE 和 50GE 電接口，只有速度本身可以自動協(xié)商，因為 KP RS-FEC 是強制性的，而雙工模式則無關(guān)。電接口由相應(yīng)的 IEEE 802.3 和以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟規(guī)范定義，其中包括自動協(xié)商的擴展定義。

自動協(xié)商在 IEEE 802.3 條款 73 中定義，該條款在 IEEE 802.3cd 和以太網(wǎng)協(xié)會 400GBASE-CR8 / KR8 規(guī)范中進行了更新。他們將以下基于 PAM4 的速率添加到可以自動協(xié)商的速率中：

? 400 G，8通道：400GBASE-KR8或400GBASE-CR8

（最高優(yōu)先級）–僅以太網(wǎng)聯(lián)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，并未為光接口定義自動協(xié)商。僅針對銅纜( -CR）和電氣背板（-KR）定義。這適用于IEEE 802.3條款73（范圍從 1G 到 200G）和以太網(wǎng)協(xié)會 400GBASE-CR8 / KR8 規(guī)范中定義的所有速率.

使用傳統(tǒng)的物理層檢查工具和技術(shù)，我們可以確定 SERDES 是否驅(qū)動正確的電信號并在規(guī)格參數(shù)之內(nèi)，進行時序計算并大致了解被檢查設(shè)備的物理健康狀況。但是，傳統(tǒng)的信號完整性測試工具無法 “顯示” 基本和擴展頁面信息的內(nèi)容（如圖5所示），這些信息在鏈接啟動期間由組件共享。如果存在建立鏈接的問題，而這些問題是 AN 不一致的結(jié)果，則工程師實際上是盲目的，并且無法確定原因.