トラフィックがなくても光信号が途切れないのはなぜか？
確立済みの1000BASE-Xリンクでは、フレーム間にアイドル・オーダードセットが送信されます。これらのパターンは、クロック再生とコードグループの境界合わせの維持に役立ちます。
シリアル化
PCSがバイトを符号化した後、モジュールがシリアル信号を光に変換します。
境界合わせ
コンマを認識し、後続のコードグループが妥当かを確認して同期を確立します。
観測
PCSではアイドル・オーダードセットが流れますが、通常のパケットキャプチャに表示されるのは受信側に引き渡されたフレームだけです。
機能を示す模式図であり、製品の回路図や実測波形ではありません。
01 · PHYの条件をそろえる
1000BASE-Xモードであることと、光モジュールに互換性があることを確認します。
02 · 観測結果を分けて扱う
光パワー、符号化状態、フレームカウンタは区別して扱います。
03 · 試験を再現できるようにする
番号付きフレームを使い、同じ時間区間の観測結果を比較します。
ベンチ検証チェックリスト
- 両端のポートモードとモジュールの識別情報を記録します。
- 基準となる光パワーと、参照可能なエラーカウンタの値を記録します。
- 番号付きのテストフレームを送り、カウンタの増分を比較します。
- PCS診断機能を使ってオーダードセットを直接識別します。
トラフィックを生成する機器を切り離しても、ギガビット光回線で接続された2台の産業用スイッチのリンクは維持されます。光ファイバーに信号が流れていても、パケットキャプチャにはフレームが1つも表示されないことがあります。確立済みの1000BASE-Xリンクでは、送信側がフレーム間に規定のアイドル・オーダードセットを送信します。対向側は受信信号からクロックを再生し、識別可能なパターンを使ってコードグループの境界を合わせます。これにより、次のフレームが到着したときに読み取ることができます。
3つのインターフェースを通る信号をたどる
FCTELのDINレール取付型マネージド産業用スイッチは、ギガビットSFPアップリンクを備える機器の一例です。製品仕様には、伝送メディアとして1000BASE-SXと1000BASE-LXが記載されています。本ガイドでは、この種の1000BASE-Xインターフェースが通常のデータ転送状態にある場合を扱います。SFPはモジュールのフォームファクターを示します。モジュールを交換する前に、両端の動作モードと互換性のあるモジュールを確認してください。
フレームを送信する際、MACは物理符号化副層（PCS）にフレームのバイト列を渡します。PCSは、データと制御情報をシリアルリンクに適したコードグループで表します。モジュールは電気シリアル信号を光に変換します。対向側では、信号を電気信号に戻し、サンプリングクロックを再生し、コードグループの境界を合わせて復号し、受信フレームをMACに渡します。図では分かりやすさのためにこれらの機能を分けて示しています。実際のハードウェアでは、複数の機能が1つのチップに統合されている場合があります。
光パワーメーターとパケットキャプチャでは観測点が異なります。光パワーメーターは、一定時間にわたって到達する光のパワーを測定します。一般的なネットワークアダプターが通常キャプチャするのは、すでに受信回路を通過したフレームです。どちらの観測方法でも、受信側が途中のコードグループを正しく認識したかどうかは分かりません。キャプチャに何も表示されなくても光信号は存在し得ます。また、光パワーの測定値だけでは、正しく復号されたことは確認できません。
1データバイトの伝送になぜ10ビット必要なのか
8b/10b符号化では、8データビットを10ビットのコードグループに対応付けます。エンコーダーは、規定の対応関係に基づいてコードグループを選びます。同じビット値の連続長を制限することで、受信側がサンプリングクロックの再生に利用できる信号遷移を確保します。また、長期的な1と0の個数差を制御し、受信回路でのベースラインの変動を抑えるのに役立ちます。
シリアルリンクでは、8データビットごとに伝送路上で10ビットを送信します。したがって、フレーミングとアイドルのオーバーヘッドを無視すると、1 Gb/sのデータレートに対応するシリアル伝送速度は1.25 Gb/sです。伝送路上の2値シンボルはそれぞれ1ビットを運ぶため、シンボルレートも1.25 GBdです。ヘッダー、フレーム間ギャップ、上位層プロトコルのオーバーヘッドを含めると、アプリケーションのスループットはMACのデータレートを下回ります。
エンコーダーは、送信済みの1と0の累積的な偏りを表すランニングディスパリティを追跡します。一部のキャラクタには正と負の形式があり、現在のディスパリティによって使用できる形式が決まります。1と0の数が等しいコードグループも、符号化規則に従わなければなりません。受信側は、無効なコードグループやディスパリティ違反を報告できます。ただし、干渉によって有効なコードグループが別の有効なコードグループに変わることもあるため、受信フレームの検査にはフレームチェックシーケンス（FCS）が引き続き必要です。
受信側はどのようにアイドルを認識し、コードグループの境界を見つけるのか
すべてが0のビット列には、受信側が追跡できる信号遷移がありません。また、サンプリングしたままのビット列だけでは、10ビットごとのグループがどこから始まるかを判別する手段が必要です。1000BASE-Xのアイドル・オーダードセットは、規則に適合する2つのコードグループで構成されます。一般的なアイドルの1つである/I2/では、制御キャラクタK28.5に続いてデータキャラクタD16.2が送られます。/I1/では、K28.5の後にD5.6が続き、ランニングディスパリティへの影響が異なります。
K28.5の形式の1つである0011111010では、先頭の0011111がコンマパターンです。これが、受信側で境界を合わせるための識別可能な目印になります。受信側は、同期処理の一環として後続のコードグループも確認します。クロック再生は信号をいつサンプリングするかを決め、コンマによる境界合わせは得られたサンプルをどこでグループに区切るかを決めます。再生クロックが安定していても、グループの境界がずれていることはあります。
次のフレームが到着すると、PCSはその開始を制御キャラクタで示します。フレームの終わりは終端キャラクタで示し、その後、該当するアイドルシーケンスに戻ります。通常のパケットキャプチャでは、これらの物理層の制御キャラクタはEthernetフレームとして表示されません。この例は確立済みのリンクを対象としています。リンク設定のネゴシエーション中には、アプリケーショントラフィックがない間でも、設定用オーダードセットが送信されることがあります。
3つの観測点でリンクを確認する
互換性のある光モジュールを使用し、ポートモードを確認したうえで、他のネットワークから切り離したベンチ試験環境を構成します。短い光パッチコードを使って安定したリンクを確立します。最初はテストトラフィックを発生させず、Link表示と受信光パワーを記録します。モジュールとホストの両方が対応していればデジタル診断機能を使用し、そうでなければ現場の手順に従って適切な光パワーメーターを使用します。フレームカウンタはPCSのアイドル・オーダードセットをフレームとして数えません。ただし、機器が独自に管理トラフィックを生成する場合があります。
次に、A側から少数の番号付きフレームをまとめて送信します。送信カウンタと受信カウンタの増分を比較し、B側のキャプチャでシーケンス番号を照合します。バースト送信後もリンクが維持され、トラフィックカウンタの値が増えなくなった場合、その観測結果はPCSがアイドルを送信していることと矛盾しません。送信されたオーダードセットを特定するには、1000BASE-X対応のベンチ測定器またはPCS診断機能を使用します。一般的なキャプチャ用アダプターでは、この観測はできません。
途絶が繰り返される場合は、同じ時間区間の光パワー、リンク状態の変化、参照可能なエラーカウンタの値を記録します。光パワーの低下とともに同期が失われたり、リンク状態が繰り返し変化したりする場合は、コネクタ、光ファイバーの接続方向、モジュール、ポート速度を確認します。光パワーが安定しているのに物理層の符号化エラーが増える場合は、モジュールの種類、リンク品質、ポート設定を確認します。リンク状態と符号関連のカウンタが安定しているのにフレームエラーや破棄が増える場合は、受信エラーと送信側での破棄を区別し、どの入力ポートで最初にエラーが記録されるかを確認します。各カウンタの意味と集計範囲は、機器の資料を参照してください。利用できないカウンタがあると、その項目は観測できません。
ベンチ試験を再現できるように記録する
図のテストフレーム17について、送信時刻、送信側と受信側のシーケンス番号、両端のポート状態を記録します。送信前に基準値を記録し、送信後はカウンタの増分を比較して、過去のエラーが今回の試験結果に含まれないようにします。アプリケーションが送信を報告しているのに、光アップリンクの送信カウンタが期待どおりに増えない場合は、テストフレームの入力ポートと転送先の判定を確認します。A側のアップリンクがフレームを送信しているのにB側のキャプチャに現れない場合は、キャプチャとは別にB側の入力カウンタを確認します。ネットワークアダプター通過後のキャプチャフィルタリングによって、フレームが表示されないこともあります。
モジュールを交換する際は、一度に変更する要素を1つに絞ります。ポートモードと光ファイバーはそのままにし、互換性が確認されているモジュールに交換して同じ試験を繰り返します。次の要素は、必要な場合にのみ変更します。こうすることで、違いがモジュールの組み合わせに起因するのか、リンク条件に起因するのかを判断するための記録が残ります。フレーム17とタイムラインは説明用の例であり、特定製品の実測値や性能を示すものではありません。
対象とする物理層の範囲を明確にする
1000BASE-Tは、銅線上で異なる物理層の仕組みを使用します。同じフォームファクターのモジュールやマルチレート対応ポートでも、異なるモードで動作することがあります。光が受信されていること、パネルのLink表示、PCS同期、業務通信のフレームが正しく届くことは、それぞれ別の観測結果です。モジュールの識別情報、ポートモード、試験シーケンスと併せて、個別に記録してください。そうすることで、モジュールや光ファイバーの交換後に、リンクのどの部分が復旧したかを判断できます。
出典と適用範囲
AMD/Xilinx PG047 — 1000BASE-X（付録C） · IEEE 802.3 — K28.5 · FCTELのギガビット光スイッチの仕様（中国語）
以下の中国語技術記事から翻訳： 中国語の原文記事を読む.
よくある質問
ギガビット光ポートはフレーム間に無信号になるのか？
確立済みの1000BASE-Xリンクでは、アイドル・オーダードセットが送信され続けます。
K28.5のコンマにはどのような役割があるのか？
受信側がコードグループの境界を見つけるための、識別可能なビットパターンを提供します。
通常のパケットキャプチャでアイドルのコードグループを確認できるのか？
通常は確認できません。1000BASE-X対応の測定器またはPCS診断機能を使用してください。
