802.3协议解读 06：117章节 RS 和 200GMII / 400GMII I

117. 用于 200 Gb/s 和 400 Gb/s 操作的协调子层（RS）和媒体无关接口（200GMII 和 400GMII） I

• [117.1.0 概述](#117.1.0 概述)
• • [（1）200GMII / 400GMII](#（1）200GMII / 400GMII)
  • （2）RS
  • • [a. 结构和功能](#a. 结构和功能)
    • [b. 发送/接收 与 lane 的对应关系](#b. 发送/接收 与 lane 的对应关系)
    • [c. 延迟约束](#c. 延迟约束)
• [117.1.7 200GMII/400GMII 信号到 PLS 服务原语的映射](#117.1.7 200GMII/400GMII 信号到 PLS 服务原语的映射)
• • [117.1.7.1 PLS_DATA.request（数据发送请求）](#117.1.7.1 PLS_DATA.request（数据发送请求）)
  • [117.1.7.2 PLS_DATA.indication（数据接收标志）](#117.1.7.2 PLS_DATA.indication（数据接收标志）)
  • [117.1.7.3 PLS_CARRIER.indication（载波指示）](#117.1.7.3 PLS_CARRIER.indication（载波指示）)
  • [117.1.7.4 PLS_SIGNAL.indication（信号有效标志）](#117.1.7.4 PLS_SIGNAL.indication（信号有效标志）)
  • [117.1.7.5 PLS_DATA_VALID.indication（数据有效标志）](#117.1.7.5 PLS_DATA_VALID.indication（数据有效标志）)
• 总结

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摘要：此专栏主要解读 IEEE 802.3 中与光模块有关的章节。本文主要关注协议文档的 117 章关于 200 Gb/s 和 400 Gb/s 的 RS 层和 MII 层的介绍。不仅是对文档的简单翻译，还会剖析协议规定背后的深层含义。为了方便与协议文档内容对应，本文的章节编号与协议文档保持一致。

这一章节主要介绍200G和400G的RS层和MII层，可以结合本专栏另一篇文章《802.3协议解读 02：116章节 200 Gb/s 和 400 Gb/s 网络介绍 II》来协助理解。

117.1.0 概述

协调子层（Reconciliation Sublayer, RS）和 200G / 400G 媒体无关接口（Media Independent Interface, MII），位于 MAC 和 PCS 之间，如图117-1所示。

（1）200GMII / 400GMII

协议中提及"200GMII 和 400GMII 是 MAC 子层与物理层设备（PHY）之间的"可选逻辑接口"，关键词是"可选"和"逻辑接口"。

• 逻辑接口：不是物理引脚，而是芯片内部模块之间的抽象连接。可以把它想象成一个标准化的数据交接协议，不关心具体用几根线、什么电压。
• 可选：标准要求"如果没有 MII，行为上要表现得像实现了 MII 一样"。这意味着，无论芯片内部怎么设计，对外表现必须与标准定义的 GMII 行为一致，方便不同厂家互通。

在这里引用本专栏另一篇文章《802.3协议解读 02：116章节 200 Gb/s 和 400 Gb/s 网络介绍 II》中的内容来理解 200GMII / 400GMII 接口。

1. GMII 的"物理形态"问题
   协议规定 200GMII 和 400GMII 都采用 64 位宽的并行数据通路，时钟速率极快：
   • 200GMII 时钟：200 Gb/s ÷ 64 bit = 3.125 GHz
   • 400GMII 时钟：400 Gb/s ÷ 64 bit = 6.25 GHz

因为时钟速率极快，所以几乎不采用"物理接口"，也就是说，200GMII 和 400GMII 通常都集成在 ASIC 芯片或 FPGA IP 核内，只是以"逻辑互联"的概念存在，而非电路上的可见接口。尽管如此，我们可以借助速率较低的 GMII 接口（例如 GMII、RGMII、SGMII）来理解。

所以，我们可以将 200GMII 接口理解为数据位宽为 64 位（TX63:0、RX63:0），时钟速率为 3.125GHz 的接口。同理，400GMII 可理解为数据位宽为 64 位，时钟速率为 6.25GHz 的接口。这两种接口不以物理形式存在，而是以"逻辑互联"的概念集成在 ASIC 芯片或 FPGA IP 核内。

协议提到 200GMII / 400GMII 具有以下特性：

• 200GMII 支持 200 Gb/s 的速率；400GMII 支持 400 Gb/s 的速率。
• 数据和定界符（标记帧开始/结束）与时钟基准同步。
• 它们提供独立的 64 位宽发送和接收数据通路。
• 它们仅支持全双工操作。

（2）RS

a. 结构和功能

RS 是翻译官，负责两个方向的转换，以及监控链路状态：

• 发送方向：MAC 通过 PLS 原语，以串行比特流的形式给出以太网帧；RS 把它切成 64 位宽的并行数据块，交给 PCS。
• 接收方向：PCS 把并行数据交给 RS，RS 拼回完整的帧，再通过PLS原语，以串行比特流的形式交给 MAC。
• 监视链路状态：如果接收方向发现链路不可靠（比如光信号丢失、误码严重），RS 会通过发送方向把这个故障信息传回给远端的 DTE，让对端设备知道"我这里收不到了信号"。

PLS（Physical Layer Signaling，物理层信令子层） 是 IEEE 802.3 以太网标准中定义的一个概念子层，它位于 MAC 子层和物理介质之间，是物理层最靠近 MAC 的那一部分。在早期的 10M/100M 以太网中，PLS 是实实在在的物理层子层，负责比特流的传输、载波侦听、冲突检测等。在 200G/400G 时代，PLS 的功能被抽象化，更多地体现为一组服务原语，而实际的物理层工作由 PCS、PMA、PMD 等子层完成。MAC 层就是通过 PLS 原语与 RS 交互。

在这里，我们借助 81.3 章节来理解 RS 的结构。

在发送方向上：

在接收方向上：

b. 发送/接收 与 lane 的对应关系

协议规定 64 个 TXD 和 8 个 TXC 信号应组织成八个数据通道（lane），64 个 RXD 和 8 个 RXC 信号也同样如此（见表 81--2）。

1. 8 个通道的分配方案

   发送方向有 64 根数据线 TXD<63:0> 和 8 根控制线 TXC<7:0>。接收方向有 64 根数据线 RXD<63:0> 和 8 根控制线 RXC<7:0>。这 64 根数据线被平均分成 8 组，每组 8 根，对应一个 lane（通道）。所以：

   lane 0 使用 TXD<7:0> 和 TXC<0>

   lane 1 使用 TXD<15:8> 和 TXC<1>

   ......

   lane 7 使用 TXD<63:56> 和 TXC<7>

   每个 lane 在一个时钟周期内传输 1 个字节（8 比特），同时有 1 位控制信号。

2. 公共时钟

   • 发送方向：所有 8 个 lane 共用 TX_CLK。每个 TX_CLK 上升沿，8 个 lane 同时送出各自的 8 位数据和控制位，合起来就是 64 位数据 + 8 位控制。
   • 接收方向：所有 8 个 lane 共用 RX_CLK，由 PHY 从接收数据中恢复。

3. 轮询（round-robin）分配字节

   MAC 层是以字节（octet）为单位产生数据的。RS 要把这些字节依次分配到 8 个 lane 上，规则是：

   第 1 个字节 → lane 0

   第 2 个字节 → lane 1

   第 3 个字节 → lane 2

   ...

   第 8 个字节 → lane 7

   第 9 个字节 → 回到 lane 0

   依此类推。

4. 控制字符（定界符和空闲字符）

   除了数据字节，接口上还要传输一些控制信息，比如：

   • 定界符：标记帧的开始（Start）和结束（Terminate）。
   • 帧间空闲字符（Idle）：帧与帧之间填充，保持数据流连续。
   • 错误指示（Error）：表示传输出错。
     这些控制字符也是以字节为单位，放在 lane 上。

c. 延迟约束

MAC Control、MAC 和 RS 的最大累积延迟（链路一端的发送和接收延迟之和）应满足表 117--1 中规定的值，保证 PAUSE 流量控制能及时生效，避免接收方缓冲区溢出。

117.1.7 200GMII/400GMII 信号到 PLS 服务原语的映射

RS负责将 200GMII / 400GMII提供的信号映射到PLS服务原语，也就是将200GMII/400GMII传过来的数据，转化成MAC层能理解和接收的数据。协议定义了五个PLS原语，分别是：

原语	含义
PLS_DATA.request	数据发送请求
PLS_DATA.indication	数据接收标志
PLS_CARRIER.indication	载波指示
PLS_SIGNAL.indication	信号有效标志
PLS_DATA_VALID.indication	数据有效标志

协议提及这些原语的使用方式和 81.1.7 节相同。因此我们需要参考该章节的内容，分别解释这五个原语的含义和作用。

117.1.7.1 PLS_DATA.request（数据发送请求）

1. 功能

   RS 通过 PLS_DATA.request 将 MAC 层的串行"逐bit发送请求"转换成 GMII 的 64 位并行数据和控制信号。

2. 语义

   PLS_DATA.request(OUTPUT_UNIT)

   PLS_DATA.request 由 MAC 子层生成。MAC 层是以串行比特流的方式工作的。每发出一个 PLS_DATA.request，就代表"我要发送一个比特"。这个比特值就是括号内的 OUTPUT_UNIT，这个值可以是：

   • ONE：发送 1
   • ZERO：发送 0
   • DATA_COMPLETE：表示"我的数据发完了，可以结束了"

3. 接收效果/工作方式

   RS 不是每收到一个比特就立刻发出去，因为 GMII 是 64位宽的，必须一次发 64 个比特。所以，RS 做的事情就是：

   

4. 前导码和 Start 控制字符

   以太网帧的开头是 7 个字节的前导码（preamble Data octet, Dp）+ 1 个字节的帧起始定界符（Start of Frame Delimiter, SFD）。在 GMII 上，前导码的第一个字节会被转换成一个 Start 控制字符（Start control character, S），用来标记帧的开始。这个 Start 字符必须对齐到 lane 0（也就是 TXD<7:0>），这样接收端的 PCS 才能正确识别帧边界。

5. Terminate 和 Idle 控制字符

   当 MAC 发出 DATA_COMPLETE（数据发完了），RS 会在最后一个数据字节之后插入一个 Terminate 控制字符，标记帧的结束。然后剩下的空闲位置填上 Idle 控制字符（表示"空闲"），保持数据流连续。

注意：Terminate 不一定刚好在 lane 7 结束。如果 Terminate 出现在 lane 0~6（即不是最后一个字节位置），那么它后面的 lane 都要填 Idle。

发送数据形式如下图所示。

117.1.7.2 PLS_DATA.indication（数据接收标志）

1. 功能

   RS 将 PHY 送来的 64 位并行数据和控制信号，还原成 MAC 能理解的串行"逐比特接收通知"（PLS_DATA.indication）。

2. 语义

   PLS_DATA.indication (INPUT_UNIT)

   PLS_DATA.indication (INPUT_UNIT) 由 RS 生成，INPUT_UNIT 的值可以是 1 或 0，表示单个比特。

   PHY 从介质收到数据后，通过 GMII 接口把数据以 64 位并行的形式交给 RS。RS 把这 64 位拆开，变成 64 个独立的比特，然后通过 PLS_DATA.indication 原语一个一个地通知 MAC："我收到了一个比特，值是 1（或 0 ）"。

3. 工作方式

   工作方式的简要示意图如下所示。

   

   接收到的数据形式如下图所示。

   

4. 错误处理和特殊控制字符

   • 错误指示：如果 RXC 指示某个字节有错误（比如传输中检测到误码），RS 可以按照 200GMII / 400GMII 的错误规则，更改传递给 MAC 的数据值，让 MAC 知道收到了错误帧（见 81.3.3）。
   • Sequence ordered sets：这是一种用于链路控制的有序集合（比如用于链路状态、时钟同步等），它们不是以太网帧数据。RS 不会把它们转换成 PLS_DATA.indication 给 MAC（见 81.3.4）。MAC 不需要关心这些底层控制信息。

5. 与发送方向的对称性

   对比 PLS_DATA.request 和 PLS_DATA.indication 可以发现，前者是作用在发送方向上，后者是作用在接收方向上，二者的工作模式具有对称性。如下图所示。

   

117.1.7.3 PLS_CARRIER.indication（载波指示）

• 传统含义：告诉 MAC 介质上有没有人在传输数据。在半双工 CSMA/CD 中，MAC 发送前必须先检查载波，如果介质忙（CARRIER_ON），就推迟发送，避免冲突。

• 在 200G / 400G 中的情况

  因为只支持全双工，发送和接收是独立的通道，不存在冲突，所以正常情况下不需要载波侦听。但有两种可选功能会用到这个原语：

  1. EEE（节能以太网）
     当链路空闲时，PHY 可以进入低功耗状态（LPI）。此时如果 MAC 想发送数据，需要知道链路是否已经准备好。LPI_CARRIER_STATUS 为 TRUE 时，表示链路处于低功耗空闲状态，RS 会把 CARRIER_STATUS 设为 CARRIER_ON，通知 MAC"现在不能立即发送，需要等待唤醒"。这就是所谓的"载波侦听延迟"（carrier sense deferral）。
  2. 链路中断检测（Link Interruption）
     某些应用需要检测链路是否发生中断（比如用于快速保护倒换）。如果检测到链路中断（link_fault = Link Interruption），RS 也会把 CARRIER_STATUS 设为 CARRIER_ON，可能用于触发某种延迟或保护机制。

• 其他情况：CARRIER_STATUS 一律为 CARRIER_OFF，表示"载波关闭"，MAC 可以正常发送。

117.1.7.4 PLS_SIGNAL.indication（信号有效标志）

• 传统含义：告诉 MAC 物理层有没有检测到有效信号。如果光纤断了、对端关机了，这个原语会报告 SIGNAL_OK = FAIL，MAC 就知道链路不可用。
• 在 200G / 400G 中的情况：200 Gb/s 和 400 Gb/s 操作仅支持全双工操作。RS 从不生成此原语。

为什么？因为 200G / 400G 全双工链路的状态检测和故障报告可以通过其他机制完成，比如：

• 链路状态通过 PCS 层的同步状态、FEC 错误计数等来反映。
• 链路故障通过专门的控制字符（如 Sequence ordered sets）或管理寄存器上报，而不是用 PLS_SIGNAL.indication。

117.1.7.5 PLS_DATA_VALID.indication（数据有效标志）

这一小节讲的是 RS 如何告诉 MAC："现在收到的数据是不是一个有效帧的一部分？" 它通过 PLS_DATA_VALID.indication 这个原语来报告一个状态：数据有效（DATA_VALID） 或 数据无效（DATA_NOT_VALID）。

1. 功能
   MAC 层通过 PLS_DATA.indication 逐比特接收数据。但 MAC 需要知道：这些比特是真正的以太网帧数据，还是帧与帧之间的空闲填充？PLS_DATA_VALID.indication 就是用来回答这个问题的。
2. 语义
   PLS_DATA_VALID.indication (DATA_VALID_STATUS)
   DATA_VALID_STATUS 有两个值，分别是：
   • DATA_VALID：当前 PLS_DATA.indication 送来的比特属于一个有效的传入帧。
   • DATA_NOT_VALID：当前送来的比特不是有效帧数据（帧已结束，或者收到的是空闲/控制信息）。
3. 两种状态的转换
   下图展示了 DATA_VALID 和 DATA_NOT_VALID 两种状态之间转换的条件。

4. 这个原语只在状态变化时生成

   和 PLS_SIGNAL.indication 类似，PLS_DATA_VALID.indication 不是每个时钟周期都发，而是只在状态翻转时发一次。这样避免了频繁通信，也符合 MAC 的状态机设计：

   • 从无效变为有效：告诉 MAC "新帧开始了，准备接收"。
   • 从有效变为无效：告诉 MAC "帧结束了，或者出错了，停止接收"。

5. 打个比方

   把 MAC 想象成一个仓库管理员，RS 是门口保安。

   

总结

本文围绕 IEEE 802.3 第 117 章，梳理了 200GMII/400GMII 这一逻辑接口的特点，以及 RS 在 MAC 与 PCS 之间的转换与链路监控作用。通过 64 位并行数据通路、8 个 lane 的字节分配和五个 PLS 服务原语，可以完整理解 200G/400G 数据发送与接收的协作机制。欢迎有疑问的小伙伴在评论区留言讨论。