100Base-TX以太网物理层一致性测试技术研究

杨 洋，韩 璐，沈小青，顾卫红

(中国卫星海上测控部, 江苏 江阴 214431)



100Base-TX以太网物理层一致性测试技术研究

杨 洋，韩 璐，沈小青，顾卫红

(中国卫星海上测控部, 江苏 江阴 214431)

随着通信技术的不断发展以及网络使用需求的不断增长，网络设备的稳定性及安全性直接关系着互联网技术的使用质量；依据《IEEE 802.3-2000和ANSI X3.263-1995标准》对以太网物理层的相关要求，对100Base-TX型网络接口物理层一致性测试项目进行研究，设计了一套100Base-TX网络接口物理层一致性测试方法，通过测试验证表明该方法简单有效，能满足物理层一致性测试相关需求。

网络接口;物理层;一致性;测试

0 引言

以太网物理层定义了数据传送与接收所需要的电信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路特性等，为网络数据传输提供物理媒介、并且向数据链路层提供物理链接功能和标准接口[1]。由于网络底层设计有差错控制机制，普通情况下数据通信出现的错误和冲突能够被及时修正、不容易被察觉，但当网络通信要求接近于理论设计上限时，物理层出现的轻微故障会对网络通信产生较为明显的影响。以太网接口的物理特性对网络性能的影响在越是在关键的时刻越起着重要的作用，十分值得广泛的关注和重视[2-3]。

本文通过研究网络设备测试模式控制方法、示波器测试模板编辑方法以及示波器触发设计方法，设计了一套100Base-TX网络接口物理层一致性测试方法，通过测试验证表明该方法简单有效，能满足物理层一致性测试相关需求。

1 以太网物理层特征信号分析

对以太网物理层信号特征进行深入研究，是开展以太网物理层一致性测试技术的前提条件，也是测试技术研究的重要理论基础。依据IEEE802.3协议规范[4]，100BASE-TX以太网在强制100 M全双工通信模式下，输出差分信号技术指标特征要求如下：

差分输出电压：950～1 050 mV；

过冲：正过冲或负过冲<5%并且在8 ns内衰减到<1%；

信号对称测试：0.98<正过冲/负过冲<1.02；

上升与下降时间测试：3 ns<上升，下降时间<5 ns(10%～90%)；

上升与下降时间对称测试：正脉冲上升与下降时间之差<0.5 ns,负脉冲上升与下降时间之差<0.5 ns。

信号眼图模板满足ANSI X3.263-1995标准中对眼图模型的要求，要求间图1。

图1 100Base-TX眼图测试模板要求

2 物理层测试模式设置方法研究

根据《IEEE Std 802.3-2000》协议要求，开展对100Base-TX网络物理层一致性测试要求捕获0x55码型信号进行时域测试，112 ns宽度脉冲信号进行幅度域测试。其中0x55码型可在网络空闲状态下，通过设置数字示波器触发方式，捕获“01010101”连续4 个MLT-3 跳变所对应的脉冲波形(即0x55码型)，测试码型如图2所示。

图2 0X55码型特征信号

在网卡实际电路中，112 ns宽度脉冲信号通常不可能产生。对于无法捕获112 ns宽度脉冲问题，业界有着不同的测试意见，其中泰克公司建议捕获80 ns宽度脉冲信号进行指标测试，Cisco公司要求捕获16 ns宽度脉冲信号进行指标测试。本文通过研究发现：在网络空闲状态下，96 ns宽度的脉冲信号非常容易获得，采用96 ns替代112 ns脉冲信号作为测试信号也最为接近《IEEE Std 802.3-2000》协议对测试的要求。捕获96 ns脉冲信号首先需要将待测网口的Scramble功能关闭，强制待测网口发出Idal空闲信号进行测试，也就是设置网卡进入百兆全双工(100M Full duplex)模式。

2.1 测试模式操作系统直接设置方法

多数以太网卡支持通信速率自适应或固定模式，可以通过操作系统对网卡状态寄存器设置网卡通信模式，将待测网卡强制设置为百兆全双工(100M Full duplex)模式。

设置方法以Windows xp操作系统下网络工作模式设置为例：

打开系统设备管理器->点击展开“网络适配器”选项->点击“待测网卡”选择属性选项->点击“高级”状态栏选择“速度和双工”选项->在“值”选项中选择网络工作模式为“100Mbps全双工”。方法如图3所示。

图3 网卡百兆全双工模式寄存器设置方法

2.2 测试模式“诱骗式”设置方法

对无法强制设置通信速率的以太网卡，本文通过使用“诱骗式”设置方法将网卡通信速率强制为百兆全双工模式。

其工作原理为：以太网组网设备之间通信基本都采用自协商模式，其原理是通过某个网络设备将自己所支持的工作模式的信息发送到网络上的接收端，并接收对端可能发送过来的相应信息，从而解决双工模式和10 M/100 M/1 000 M速率的自协商问题。它允许设备双方用一种方式“商讨”可行的传输速率，然后选择其中可接受的最高速率。

“诱骗式”设置方法为：使用一块能够强制设置通信速率的以太网卡，向被测网卡(DUT)的RX 端输入强制100 M全双工速率的Idle 信号，被测网卡(DUT)依据通信速率自协商模式以及速率并行检测机制，会认为网络完整并同步100 M全双工速率，此时被测网卡的TX 端就会发出同步100 M全双工Idle码流，从而方便测试中可捕获96ns宽度的脉冲。

电路连接示意如图4所示。

图4 “诱骗式”方法示意图

3 物理层一致性特征信号测试方法研究

3.1 测试夹具选择

《IEEE Std 802.3-2000》标准中对测试夹具负载要求为：满足100 Ω±0.2%的电阻器且在频率≤100 MHz时，串联感抗≤20 nH、并联容抗≤2 pF。为保证使用测试夹具满足标准要求，且夹具的“阻抗-频率”特性曲线平坦，标准建议使用下图所示电路结构及采用的元器件符合相应技术指标。

图5 测试夹具电路结构

3.2 测试仪器选择

在《IEEE Std 802.3-2000》标准中，要求被测试端口输出信号的最小上升时间为3.0 ns。因此，所选用的测试仪器必须有足够的带宽及采样率。

本文设计使用带宽2.5 GHz的实时示波器和带宽3.5 GHz差分探头组合作为测试仪器，2.5 GHz的实时示波器脉冲快沿建立时间为160 ps、3.5 GHz差分探头脉冲快沿建立时间为110 ps，测试仪器+被测信号脉冲快沿建立时间为：

对上升/下降时间的测试误差在0.01ns左右(约为0.3%)，完全满足测试精度的要求，且根据计量测试经验值，选用10倍于信号频率的采样率进行测试，测试误差为0.5%左右。本文选择的测试系统采样率符合要求。

3.3 示波器触发方式设计

(2)将“无障碍网络课程”打造成特色。目前国内所有残障人士几乎都是在专门的学校接受教育。但是这种教育并不是终身的，而无障碍网络课程则使他们能够继续学习。因此，应该将无障碍网络课程打造成特色，一方面可以满足障碍人士终身学习的需求，另一方面还可以利用网络课程给他们颁发相应的证书。

对于以太网卡通用参数测试，待测信号唯一特征为96ns脉宽，本文使用示波器“脉宽”触发方式对96ns脉宽信号进行稳定触发，并通过垂直偏置和局部放大观察待测参数细节，确保测试数据准确。触发模式设置方法如下：

将触发模式选择为“脉宽触发方式”，使用指定时间范围以内触发模式，对正电压96ns脉宽信号的捕获，设置触发电平为500mV、脉宽范围选择94.0～98.0ns、触发延迟为0ns、正极性电压。

对于占空比失真项目测试，待测信号唯一特征为‘01010101’连续4个MLT-3 跳变脉冲波形，本文使用可视化触发设计完成对特定波形的匹配触发捕获，触发方式设计界面如下图所示，分别通过6个信号关键特征点的匹配窗触发特定波形。

图6 可视化触发方式设计示意图

4 测试试验

搭建测试环境，设置示波器触发模式，使用“脉冲宽带触发”模式用于稳定捕获96 ns脉冲波形[5]。

4.1 信号幅度及过冲测试

其中“差模输出电压”、及“信号幅度对称度”项目测试使用示波器自动测量(Measure)功能中峰值电压high/low测量功能及通过|+Vout/-Vout|数据计算完成，“波形过冲”测量在示波器稳定捕获96 ns脉冲波形后，设置垂直偏置用于观察波形顶(底)部波形细节(其中正电压选择700～1 050 mV偏置范围、负电压选择-700～-1 050 mV偏置范围)，使用示波器自动测量(Measure)功能中+Overshoot/-Overshoot参数测量完成。测试界面如图7所示。

图7 信号幅度及过冲测试示意图

4.2 信号快沿测试

由于100Base-TX接口基于4B/5B信号编码方式，当出现下图所示信号波形时，示波器自动测量功能会误将“101”码型信号作为一个脉冲波形上升沿，出现测试错误。为避免以上错误并满足脉冲波形上升沿测试水平时基分辨率需求，在示波器稳定捕获96 ns脉宽待测信号后，需使用“垂直偏置+局部放大”方法准确测试波形上升沿及下降沿数据。

信号上升时间为0.0～5.0 ns，根据测试要求示波器水平时基分辨率应达到1～2 ns/div。示波器稳定捕获96 ns信号后，由于触发点位置在96 ns脉宽下降沿处，受示波器存储深度能力限制，在示波器水平时基分辨率1～2 ns/div条件下，无法直接通过延迟功能观察延迟或超前96 ns位置信号波形。调用示波器局部放大辅助功能，根据示波器主时基参数选择局部放大倍数，放大后的水平时基分辨率应控制在1～2 ns/div条件范围，将局部放大窗口调整至预观察波形细节处实现该参数的准确测试。测试界面如图8所示。

图8 信号快沿测试示意图

4.3 占空比失真测试

该项目测试需捕获‘01010101’连续4个MLT-3 跳变所对应的脉冲波形，分别测试出图8中的W1、W2、W3 的宽度值，并记录。使用可视化触发方式稳定捕获待测波形，由于占空比失真是指信号在传输过程中由于变形、时延等原因脉冲宽度所发生的变化，该变化使有脉冲和无脉冲持续时间的比例改变了。测试过程中应控制脉宽测量位置在脉冲的Vout/2上进行。测试界面如图9所示。

图9 占空比失真测试示意图

5 总结

物理层基于网络结构底层，负责网络电信号的发送、接收，当物理层性能状态出现问题时，通常容易导致网络出现设备通/断不连续、数据传输速率不满足指标要求、高速传输模式下丢包严重等故障现象。积极开展网络物理层一致性测试工作，可以通过检查网络设备的硬件参数状态，分析网络信号特征的完整性，判断被测设备状态是否满足通信指标要求，网络物理层诱发故障的可能。当系统网络互连性出现问题时，可以通过一致性测试结果来排除本段信号质量导致问题的可能性。此外在网络设备的日常维护过程中，通过定期进行物理层一致性测试，通过测试结果的比对来判断网络端口芯片是否存在参数飘移、性能老化现象，判断设备传输速率及质量是否满足通信要求。

[1] 罗 昶，黎连业.计算机网络故障诊断与排除[M].北京：清华大学出版社，2011，01-02.

[2] 泰克公司.眼图和抖动[J].现代电视技术，2006(1):99-100.

[3] 孙灯亮.数字示波器原理和应用.上海交通大学出版社[M].2012.

[4] IEEE Std 802.3, 2000 Edition Part 3:Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications[S].

[5] LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements[S]，2008.

Research on Consistency Testing Technology of 100Base-TX Ethernet physical layer

Yang Yang,Han Lu,Shen Xiaoqing,Gu Weihong

(China Satellite Maritime Telemetry and Telecontrol Department，Jiangyin 214431,China)

With the continuous development of communication technology and the increasing demand of network usage, the stability and security of network equipment directly related to the quality of Internet technology. According to the "《IEEE 802.3-2000 and ANSI X3.263-1995 standard》" requirements on Ethernet physical layer, to 100Base-TX Network Interface Physical Layer Conformance Test project research, design a network interface Physical Layer Conformance Test method, through test results show that the method is simple and effective, which can meet the requirements related to the physical layer conformance test.

network interface; physical layer; consistency; test

2016-03-12；

2016-05-18。

杨 洋(1983-),男,福建邵武人,硕士研究生,工程师,主要从事无线电计量方向的研究。

1671-4598(2016)09-0074-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.020

TP3

A