Informatique-Industrielle

Assurer l’interopérabilité Ethernet des systèmes ATCA, AMC et MicroTCA

Les spécifications AdvancedTCA, AdvancedMC et MicroTCA sont bâties sur des technologies d’interconnexion série telles que PCI Express, Ethernet… . Ethernet est omniprésent, mais certains paramètres sont susceptibles d’affecter l’interopérabilité des composants.
Par Gene Juknevicius,
GE Fanuc Embedded Systems
Les spécifications AdvancedTCA®, AdvancedMC™ et MicroTCA™ sont bâties sur des technologies d’interconnexion série telles que PCI Express™, Ethernet, SATA, SAS, InfiniBand® et Serial RapidIO. Ethernet est omniprésent et bien connu, mais un certain nombre de paramètres sont susceptibles d’affecter l’interopérabilité des composants de l’écosystème. Les interfaces SGMII et SerDes par exemple sont très similaires et par conséquent sujettes à confusion. Les mécanismes d’auto-négociation et les réglages de configuration manuelle des liaisons jouent un rôle crucial dans l’établissement d’un lien valide pour l’échange de données entre deux périphériques Ethernet.
Lors de la création des standards ATCA (voir encadré), le comité PICMG® a complété certaines des spécifications Ethernet de l’IEEE avec des spécifications électriques additionnelles, afin de l’adapter à la connectivité de carte à carte. Comme la plupart des spécifications PICMG ne concernent pas les problèmes d’auto-négociation, il est important de déterminer les passages qui les concernent et de comprendre comment ils s’appliquent aux produits AdvancedTCA, AdvancedMC et MicroTCA .
Les standards Ethernet sont définis par l’IEEE, et la partie spécifique qui nous intéresse est contenue dans la spécification IEEE 802.3 qui définit les fonctions MAC (Media Access Control) et de couche physique (PHY). La structure en couches de la spécification permet de modifier la couche physique en fonction du medium utilisé, sans toucher à la couche MAC. La figure 1 montre les relations entre ces différentes couches fonctionnelles.
La couche physique possède de nombreuses incarnations ; les plus utilisées aujourd’hui sont 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 100BASE-FX, 1000BASE-SX et la famille10GBASE-X. Dans le cas des systèmes AdvancedTCA, AdvancedMC et MicroTCA, le medium est constitué par des pistes sur des modules à circuits imprimés et sur le fond de panier connectant ces modules. Ce modèle d’utilisation induit des contraintes spécifiques sur la technologie d’interconnexion. Par exemple,
• La distance entre endpoints est assez courte, en général de moins de 1 m.
• Les broches des connecteurs reliant les modules au fond de panier sont en nombre limité.
• Les signaux ne quittant pas le boîtier ne sont pas obligatoirement isolés.
• La compatibilité avec la base installée n’est pas obligatoire.
En raison de ces contraintes particulières, les couches physiques prévues pour fonctionner sur un medium à base des paires torsadées habituelles ne conviennent pas. Pour répondre à ce problème, le comité PICMG a défini deux nouvelles options PHY : 1000BASE-BX et 10GBASE-BX4.
1000BASE-BX utilise deux paires différentielles à 1,25 GBaud, une pour la transmission et une pour la réception. 10GBASE-BX4 utilise huit paires différentielles (quatre pour la transmission et quatre pour la réception), chacune fonctionnant à 3,125 Gbaud. Les deux couches physiques 1000BASE-BX et
10GBASE-BX4 sont utilisées par les systèmes AdvancedTCA, AdvancedMC et MicroTCA.
Il est important de noter que la spécification IEEE 802.3ap, actuellement en cours de définition, définit des connexions Ethernet à 1 Gbit/s et 10 Gbit/s sur des pistes de fond de panier (1000BASE-KX et 10GBASE-KX4) et règlementent les mécanismes d’auto-négociation entre les deux. Dans cette spécification IEEE 802.3ap, l’auto-négociation franchit une nouvelle étape, incluant la négociation dynamique et un choix de couches PHY à 1 Gbit/s et 10 Gbit/s. L’auto-négociation, telle que définie par la future spécification IEEE 802.3ap, sort du cadre de ce document.
La couche physique 1000BASE-BX
La couche physique 1000BASE-BX a été bâtie à partir de la définition de la couche 1000BASE-X. La figure 2 montre les couches Ethernet et indique l’origine de 1000BASE-BX. Selon la spécification PICMG 3.1, il s’agit en fait d’une interface SerDes connectant l’interface PMA (Physical Medium Attachment) avec des transceivers pour fibres optiques. Il faut bien voir que du point de vue électrique, l’interface SGMII est très similaire à l’interface SerDes. Les deux font appel à l’encodage 8B/10B, et utilisent un lien série avec horloge intégrée. Mais, comme on le voit sur la figure 2, ces deux interfaces occupent des places différentes dans la pile de protocoles Ethernet et ne peuvent pas être mixées.
La couche physique 10GBASE-BX4
La couche physique 10GBASE-BX4 est une adaptation de la spécification 10 Gigabit Attachment Unit (XAUI) de la couche 10GBASE-X. XAUI supporte des transmissions à 10 Gbaud sur quatre paires différentielles dans les deux directions (transmission et réception.) La figure 3 montre l’emplacement de la couche logique XAUI dans la pile Ethernet. Il est important de noter que la figure 3 est une représentation logique de sous-couches de la spécification IEEE. Par exemple, la sous-couche supérieure XGXS pourrait être conçue de manière à remplir les fonctions PCS (Physical Coding sublayer) et PMA. Auquel cas, XAUI se connecte directement aux transceivers pour fibre optique (10GBASE-LX4), et la position logique des couches SerDes et XAUI dans la pile de protocoles Ethernet est équivalente.
La fonction d’auto-négociation Ethernet
Le mécanisme d’auto-négociation d’Ethernet est défini dans la spécification IEEE 802.3. Fondamentalement, il permet la sélection dynamique de paramètres de manière à éviter des conflits. Au moment de la publication de la norme PICMG 3.1 (voir encadré), l’IEEE n’avait pas commencé officiellement à travailler à la définition d’une norme Ethernet sur fond de panier et d’une auto-négociation associée. Néanmoins, de par l’utilisation de la définition 1000BASE-X enrichie de spécifications électriques additionnelles, le PICMG a adopté le mécanisme d’auto-négociation de 1000BASE-X. Selon ce mécanisme, les périphériques sélectionnent dynamiquement les options des paramètres suivants :
• Duplex (half duplex ou full duplex)
• Contrôle de flot (pause symétrique, pause asymétrique, pas de contrôle de flot)
• Notification de la défaillance d’un des partenaires
• Information sur l’état de l’échange
Différents médias utiliseront différentes méthodes de messagerie pour échanger l’information d’auto-négociation. 1000BASE-X pratique des échanges en utilisant ses structures de réseau internes (mode in-band) avec les réglages /C/ définis pour l’encodage 8B/10B. Comme 1000BASE-BX ne supporte que les débits de 1 Gbit/s, la négociation n’est pas applicable aux débits. D’autres informations sur les capacités des équipements peuvent cependant être échangées et donner lieu à une négociation. Durant la phase d’auto-négociation, les dispositifs interconnectés échangent ces listes de capacités selon un ordre de priorités, et sélectionnent le dénominateur commun le plus élevé.
Réglages d’auto-négociation recommandés pour AdvancedTCA, AdvancedMC et MicroTCA
La spécification IEEE définit des moyens de désactiver l’auto-négociation et de configurer manuellement les paramètres des liaisons tels que la vitesse, le mode duplex et le contrôle de flot. C’est ici qu’apparaissent la plupart des problèmes d’interopérabilité. Il est important de noter que si l’un des périphériques désactive l’auto-négociation, son partenaire dans la connexion doit faire de même. Si l’auto-négociation n’est désactivée que d’un côté, la liaison ne pourra probablement pas s’établir.
Comme la spécification PICMG ne donne aucune recommandation sur l’opportunité de désactiver l’auto-négociation de la couche 1000BASE-X, les fournisseurs sont libres de le faire ou non. S’il l’auto-négociation doit être désactivée, il faut au moins se mettre d’accord sur les réglages manuels des liaisons tels que le contrôle de flot. Les réglages manuels ne font pas partie du standard en cours, et la spécification IEEE quant à elle recommande de conserver l’auto-négociation. Ce mécanisme apporte un meilleur moyen de parvenir à la configuration de liaison désirée que la force brute. Il permet de contrôler la nature des paramètres qui seront présentés au partenaire engagé dans la communication. Si par exemple, un composant standard est utilisé pour implémenter la couche 1000BASE-BX, son protocole PHY supporte probablement plusieurs options de vitesse. Comme seule la vitesse de 1000 Mbit/s est applicable à un médium 1000BASE-BX, l’idée est de rendre les autres options de vitesse inactives dans le registre de présentation du protocole d’auto-négociation. Cela permet de mettre en œuvre l’auto-négociation, tout en s’assurant que seul le mode opératoire supporté sera issu des négociations.
D’une manière plus spécifique, pour la couche 1000BASE-BX utilisée dans les systèmes ATCA,
AMC et MicroTCA, les paramètres suivants devraient apparaître dans le registre d’auto-négociation :
• Les options de vitesse : uniquement 1000 Mbit/s.
• Le mode opératoire : full duplex
• Les options de contrôle de flot supportées.
Une dernière remarque : la spécification IEEE 802.3ap est actuellement en cours de définition ; elle définit l’implémentation sur fonds de panier de réseaux Ethernet commutés à 1 Gbit/s et 10 Gbit/s ainsi que l’auto-négociatopn entre les deux. Ce mécanisme n’est pas commenté ici et nécessitera une adaptation de la part du PICMG car il entre directement en conflit avec la fonction E-Keying.
Références
IEEE 802.3-2002, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications.
IEEE 802.3ae-2002, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications.
Amendment: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for 10 Gb/s Operation
PICMG 3.1, Ethernet/Fibre Channel Over PICMG 3.0 Specification
ENCADRE
Les standards ATCA, µTCA et AMC
Officialisé en décembre 2002, le standard PICMG 3.0 ou AdvancedTCA (ATCA) est destiné aux châssis télécoms et se caractérise par ses hautes performances. Les caractéristiques mécaniques et électriques des cartes, des fonds de panier et des châssis, sont les suivantes :
Taille des cartes : hauteur 8U (322,25 mm) contre 6U pour VME et CompactPCI ; profondeur 280 mm
Espacement entre cartes : 1,2 pouces (3 cm, au lieu de 2 cm pour CompactPCI, ce qui autorise l’utilisation de microprocesseurs de prochaine génération)
Une interface Ethernet 10/100/1000 Mbit/s est dédiée à l’échange de messages de contrôle entre sous-systèmes (plan de contrôle).
Les échanges de données (plan de données) se font par liaisons série commutées sur le fond de panier, selon un protocole qui peut être au choix Ethernet/Fibre Channel (PICMG 3.1), Infiniband (PICMG 3.2), StarFabric (PICMG 3.3), PCI Express/ASI (PICMG 3.4), Serial RapidIO (PICMG 3.5)….
Il y a 8 paires différentielles par canal, soit quatre ports utilisant chacun deux paires différentielles pouvant atteindre 5 Gbit/s.
La topologie d’interconnexion sur le fond de panier est à double étoile, maillée ou à double maillage.
La capacité de bande passante totale du système est de 2,5 Terabit/s.
Les châssis supportent l’échange à chaud (hot swap) et la norme de gestion de système IPMI.
Modules AMC
Le PICMG a défini en 2004 le format AdvancedMC (Advanced Mezzanine Card ou AMC) pour créer des modules mezzanines pour cartes ATCA. Ces modules ont au départ des fonctions d’E/S mais il existe aussi des modules processeurs AMC, utilisables en coprocesseur ou pour le traitement des E/S. Une carte ATCA peut recevoir deux à quatre modules AMC, selon leur taille (simple ou double hauteur – soit 2U ou 4U ; et simple ou double largeur). Les dimensions des modules AMC sont plus importantes que celles des mezzanines de précédente génération de type PMC, et leurs performances aussi : interconnexions par liens Ethernet 1 Gbit/s ou 10 Gbit/s, PCI Express.., et support du hot swap et d’IPMI.

Lancé en 2006, MicroTCA est destiné aux équipements qui n’ont pas besoin des performances des systèmes ATCA et qui ont des contraintes d’encombrement. Définie à l’origine pour les équipements télécoms de périphérie, cette norme s’avère également intéressante pour les secteurs industriels, militaires, le médical et autres. La spécification définit un châssis 4U (pour cartes pleine hauteur) ou 2 U (pour cartes demi-hauteur), et un fond de panier dans lequel des modules AMC s’intègrent directement sans utiliser de carte porteuse. MicroTCA hérite d’ATCA avec son mode d’interconnexion des modules par liaisons série commutées, ses transferts de 1 Gbit/s à 10 Gbit/s et sa gestion système IPMI.
Légendes figures
Figure 1 : piles de protocoles fonctionnels Ethernet
Hôte
PCI-Express, SPI, etc..
Medium Access Protocol (MAC)
MII, GMII, SGMII, XGMII, etc
Sous-couches dépendant de la couche physique (PHY)
Paires torsadées, Fibre, Pistes PCB…
Medium de communication
Figure 2 : Position de SerDes dans la pile de sous-couches Ethernet
Hôte
PCI-Express
SPI, etc..
Medium Access Protocol (MAC)
GMII, RGMII, SGMII
Sous-couches dépendant de la couche physique (PHY)
Physical Coding Sublayer (PCS)
Physical Medium Attachment (PMA)
Exemple : sérialiseur, désérialiseur
Interface SerDes
Physical Medium Dependant (PMD)
Exemple : transceiver pour fibre
Fibre
Medium de communication
Figure 3 : Position de XAUI dans la pile de sous-couches Ethernet
Hôte
PCI-Express, SPI, etc..
Medium Access Protocol (MAC)
XGMII
XGXS
XAUI
XGXS
XGMII
Sous-couches dépendant de la couche physique (PHY)
Physical Coding Sublayer (PCS)
Physical Medium Attachment (PMA)
Physical Medium Dependant (PMD)
Fibre, câble twinax
Medium de communication

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