Ethernet 구현을 위한 FPGA 내부 구성 및 주요 용어

1.  개요

본 글에서는 이더넷 주요 용어와 이더넷을 FPGA 내부 구현시, 무엇으로 구성하는지에 대해 정리하였다.

Ethernet은 IEEE 802.3 표준에 정의된 Media Access Control 규격 중 1개이다. 이더넷은 우리 일상샐활에서 매우 많이 사용된다. 이더넷은 초창기 10/100/1000 Mbps에서 10Gbps 그리고 100Gbps 전송속도를 지원할 정도까지 발전해왔다. 이더넷이 현재까지 많이 사용되고 발전되었던 이유는 기존에 사용하고 있던 선로(구리선, 광섬유)를 변경하지 않으며, 데이터 전송속도를 높여왔기 때문이다. 물론 데이터 전송속도가 10Gbps를 넘어가는 순간부터, 구리선으로(RJ 45커넥터) 이더넷통신을 하는 경우 전송 가능 거리가 줄어든다. RJ 45 커넥터를 가진 구리선이 당장 사라지지 않겠지만 추후 10Gbps 이상의 전송속도가 일상인 시대에는 가정내에서도 광섬유 케이블을 사용하는 것을 피할 수 없을 것이다.

 

현재 RF 45 커넥터 구리선으로 10Gbps 이더넷 통신이 가능하다. (광섬유는 당연히 가능)

※ RJ 45 커넥터 규격으로 UTP(Unshielded Twisted Pair), FTP(Foil screened Twisted Pair), STP(Shielded Twisted Pair)이 있다. UTP가 일상에서 흔하게 사용하는 규격이다. 구리선 내부에 차폐가 얼마가 잘되어 있는지에 따라 분류된다. 차폐가 우수할수록 더 먼거리, 더 높은 전송 속도로 이더넷 통신이 가능하다. 차폐정도는 UTP < FTP < STP이다.

※ UTP에서 차폐 정도, 전송 손실에 따라 규격이 나뉘며, 전송 가능거리는 다음과 같다.

 

 

 

2.  AMD FPGA에서 이더넷 구현

 

위 그림은 OSI 모형(Open Systems Interconnection Reference Model)이다. 

 

본 글에서 다루는 부분은 OSI 7 계층 중 Data Link, Physical이다.

 

※ OSI 모형:  국제표준화기구(ISO)에서 개발한 모델로, 컴퓨터 네트워크 프로토콜 디자인과 통신을 계층으로 나누어 설명한 것

 

 

 

 

위 그림은 1Gbps, 10Gbps 이더넷 구성도이다. 구성부분의 명칭이 서로 다르지만 크게 보면 MAC layer, PHY layer로 구성되며, 공통으로 필요한 6가지 부분 중 주요 용어에 대해 정리하였다.

※ 10Gbps보다 높은 25Gbps, 100Gbps 이더넷 통신도 위와 같은 Mac, PHY layer 구조로 구성되어 있다.

 

 

 

1. MAC [Media Access Control]

OSI 계층의 DATA Link 부분

2. MII [Media Independent Interface]

SGMII, XGMII, GMII와 같은 규격이 있다. MII는 데이터 링크계층(MAC)과 물리계층(PHY) 사이에서 동작하는 논리 interface이다. MAC과 PHY간 데이터 전송을 위한 표준 인터페이스

 

3. PCS/PMA [Physical Coding Sublayer/Physical Media Attachment]

PCS : 물리계층의 서브계층으로 데이터를 전송하기 전에 부호화(encoding)/frame 동기화를 담당한다. Ex) 8b/10b, 64b/66b와 같은 부호화 방식으로 데이터를 신뢰성 있게 전송

PMA : 물리계층에서 실제전송매체(광섬유, 구리섬유)와 인터페이스를 관리한다. 데이터 serial, deserial을 수행하여 데이터를 전송 가능하도록 변환한다.

PCS/PMA 역할 : 데이터를 인코딩하고 전송매체에 적합한 신호로 변환

4. Clock

주로 156.25MHz 클럭을 받아 사용한다. PCS/PMA 부분이 어떻게 구현되어 있는가에 따라 Clock 주파수를 높이거나 줄이는 것을 결정하고, Clock이 필요한 곳에 공급한다.

 

5. GTY/GTH

GTY/GTH는 AMD FPGA 제품 내부에 포함된 고속 transceiver이다. PCS/PMA에서 만든 데이터를 실제 전기적 신호로 생성하는 부분이다.

 

6. Medium

GTY/GTH에서 출력된 전기 신호를 외부로 전달할 때, 어떤 물리적 커넥터로 전달할지 사용자는 선택할 수 있다. 주로 SFP+와 RJ45가 있다.

 

SFP+[Small Formfactor Pluggable Plus] : SFP+는 모듈형 인터페이스로, 사용자는 SFP+ to RJ45, SFP+ to optical 중 1개를 선택하여 광섬유 또는 구리케이블로 이더넷 통신을 할 수 있다.

최대전송 속도: 10Gpbs, 전송 매체: 광섬유(긴 거리전송)/구리케이블(짧은거리 저비용)

 

 

RJ 45 : 구리 케이블로만 데이터를 전송하는 표준 이더넷 커넥터

최대 전송속도: 1Gbps or 10Gbps임. 일반적으로 1Gbps 이내의 이더넷에 사용함.

 

※ 10Gbps 초과 속도를 지원하는 커넥터로 QSFP+[40Gbps], QSFP28[100Gbps], CFP[400Gbps]