Interfacce indipendenti dal mezzo: il lato elettrico della porta

Tra il MAC Ethernet all’interno di un ASIC di switch o di un controller NIC e il mezzo — doppino di rame, fibra, backplane — si trova un’interfaccia elettrica standardizzata. L’IEEE chiama questa famiglia interfacce indipendenti dal mezzo (MII): al MAC non importa se il lato opposto è un PHY in rame, una gabbia SFP o un modulo da 400G, purché parli l’interfaccia concordata. Ogni generazione di Ethernet ne ha aggiunta una: MII e RMII per 10/100, GMII/RGMII/SGMII per gigabit, XGMII/XAUI/XFI/SFI per 10G, e la famiglia AUI (CAUI-4, 400GAUI-8, 800GAUI-8) per tutto ciò che è seguito. Questa sezione le spiega dal punto di vista del ricetrasmettitore — cosa arriva alla gabbia, cosa deve emulare un SFP in rame e perché una porta «in modalità sbagliata» rifiuta un modulo perfettamente funzionante.

Stack di livelli MAC → xMII → PCS → PMA/AUI → PMD per una porta PHY in rame, un modulo ottico pluggable e un SFP in rame

Perché esiste questa suddivisione

Livello	Si trova in	Interfaccia verso il livello successivo
MAC (framing, indirizzi)	ASIC di switch, controller NIC, SoC	sottolivello di riconciliazione → xMII
PCS (codifica: 8b/10b, 64b/66b, FEC)	ASIC/controller per i pluggable; chip PHY per il rame	PMA
PMA / SerDes	SerDes dell’ASIC o del PHY	lane AUI verso il modulo o il mezzo
PMD (laser, driver in rame)	modulo ricetrasmettitore o chip PHY	fibra / cavo

Per l’ottica pluggable, il PCS e il SerDes restano nell’host; il modulo riceve lane seriali (SFI, CAUI-4, 400GAUI-8) e le converte in luce. Per il rame, un chip PHY svolge PCS+PMA+PMD e parla con il MAC tramite un’interfaccia parallela (RGMII) o seriale (SGMII). Un SFP in rame mette quel PHY dentro il modulo, quindi la gabbia deve portargli SGMII o 1000BASE-X (SGMII e gigabit seriale).

La scala

Interfaccia	Velocità	Forma	Segnali	Portata	Definita da	Utilizzo tipico
MII	10/100	parallelo a 4 bit @ 2,5/25 MHz	16–18	cm	IEEE 802.3 Cl. 22	MAC ↔ PHY legacy
RMII	10/100	2 bit @ 50 MHz	7–9	cm	RMII Consortium	SoC embedded ↔ PHY
SMII / SS-SMII	10/100	1 bit @ 125 MHz	2–3 per porta	cm	Cisco	PHY multiporta
GMII	1G (+10/100)	8 bit @ 125 MHz	24+	cm	Cl. 35	MAC ↔ PHY, oggi perlopiù on-chip
RGMII	1G (+10/100)	4 bit DDR @ 125 MHz	12	≤ 10–15 cm	HP/Marvell RGMII v1.3/2.0	SoC ↔ PHY in rame su switch/router piccoli
TBI / RTBI	1G	10 bit @ 125 MHz	20+	cm	Cl. 36	MAC ↔ SerDes esterno (legacy)
1000BASE-X (SerDes)	1G	1 lane 1,25 GBd, 8b/10b	2 coppie diff.	50 cm+	Cl. 36/37	ciò che porta una gabbia SFP a 1G
SGMII	10/100/1000	1 lane 1,25 GBd, 8b/10b	2 coppie (+ clock)	50 cm+	Cisco SGMII v1.8	MAC ↔ PHY in rame; MAC ↔ SFP in rame
2500BASE-X	2,5G	1,25 × la velocità di SGMII/1000BASE-X: 3,125 GBd	2 coppie	50 cm	de facto	SFP 2,5G, stick PON
QSGMII	4 × 1G	1 lane 5 GBd	2 coppie	50 cm	Cisco	ASIC ↔ PHY in rame quad
USXGMII	10M–10G	1 lane 10,3125 GBd, 64b/66b	2 coppie	30 cm	Cisco/Marvell	ASIC ↔ PHY mGig; SFP+ 10GBASE-T
XGMII	10G	DDR a 32 bit @ 156,25 MHz	74	< 7 cm	Cl. 46	on-chip
XAUI	10G	4 × 3,125 GBd, 8b/10b	8 coppie	50 cm	Cl. 47	moduli XENPAK/X2, PHY legacy
XFI / SFI	10G	1 × 10,3125 GBd, 64b/66b	2 coppie	20–30 cm	XFP MSA / SFF-8431	gabbia XFP / SFP+
10GBASE-KR	10G	1 × 10,3125 GBd	2 coppie	1 m di backplane	Cl. 72	backplane, PHY 10GBASE-T
25GAUI	25G	1 × 25,78 GBd NRZ	2 coppie	C2M	Annex 109A/B	gabbia SFP28
XLAUI / CAUI-10	40G / 100G	4 / 10 × 10,3125 GBd	8 / 20 coppie	C2C/C2M	Annex 83A/B	QSFP+ / CFP, CXP
CAUI-4	100G	4 × 25,78 GBd NRZ	8 coppie	C2M	Annex 83D/E	gabbia QSFP28
50GAUI-2 / -1	50G	2 × 26,5625 NRZ / 1 × 26,5625 GBd PAM4	4 / 2 coppie	C2M	Annex 135B–E	SFP56
100GAUI-4 / -2 / -1	100G	4 × NRZ / 2 × 53 GBd PAM4 / 1 × 106 GBd PAM4	—	C2M	Annex 135D–G, 120G	QSFP28 (varianti PAM4), QSFP112
200GAUI-8 / -4 / -2	200G	8 × 26,5 PAM4 / 4 × 53 / 2 × 106	—	C2M	Annex 120C–G	QSFP56, QSFP112
400GAUI-16 / -8 / -4	400G	16 × 25 NRZ / 8 × 53 PAM4 / 4 × 106 PAM4	—	C2M	Annex 120B–G	CFP8 / QSFP-DD, OSFP / QSFP112, OSFP
800GAUI-8 / -4	800G	8 × 106 PAM4 / 4 × 212 PAM4	—	C2M	802.3df / dj	OSFP, QSFP-DD800 / OSFP224, OSFP-XD

Dettagli: MII, RMII, GMII, RGMII, SGMII, 1000BASE-X, QSGMII, USXGMII, XGMII, XAUI, SFI e la famiglia AUI.

Dove si colloca ciascuna

Dispositivo	MAC → …	… → mezzo
Switch in rame 1G a 48 porte	ASIC → QSGMII → PHY quad	PHY → RJ45
Router piccolo / scheda SoC	SoC → RGMII o SGMII → PHY	PHY → RJ45; oppure SoC → 1000BASE-X/SGMII → gabbia SFP
Porta SFP+/SFP28 di switch o NIC 10G/25G	SerDes dell’ASIC → SFI / 25GAUI → gabbia	modulo → fibra o DAC
Porta QSFP28 100G	ASIC → CAUI-4 (4 × 25G) → gabbia	modulo → 4 λ o 4 fibre
Porta QSFP-DD / OSFP 400G	ASIC → 400GAUI-8 (8 × 50G PAM4) → gabbia	gearbox del modulo → 4 × 100G ottici
Porta OSFP 800G	ASIC → 800GAUI-8 (8 × 100G PAM4) → gabbia	modulo → 8 × 100G (DR8) o 4 × 200G
SFP 1000BASE-T in rame	host 1000BASE-X o SGMII → PHY del modulo	PHY → RJ45
SFP+ 10GBASE-T	host SFI (10GBASE-R) → PHY del modulo (classe USXGMII)	PHY → RJ45
Porta switch RJ45 multigig	ASIC → USXGMII → PHY mGig	2,5/5/10GBASE-T

Gestione dei PHY rispetto ai moduli

	Chip PHY in rame	Modulo pluggable
Bus	MDIO/MDC (Clause 22: indirizzo a 5 bit, 32 registri a 16 bit; Clause 45: coppie dispositivo/registro per 10G+)	I²C a due fili (pagine A0h/A2h, CMIS) (Interfaccia a due fili)
Stato del collegamento	registro di stato del PHY (reg 1), in-band su RGMII/SGMII	pin e flag LOS/LOL, DDM
Strumenti Linux	`mii-tool`, `phytool`, `ethtool` (driver del PHY)	`ethtool -m`, i2c-dev (Strumenti NIC)
Particolarità dell’SFP in rame	il PHY interno al modulo è raggiungibile via I²C a un secondo indirizzo (ad es. 0xAC nei moduli basati su Marvell 88E1111) o tramite pagine del produttore — MDIO tunnelizzato	—

Perché è importante per il lavoro con i ricetrasmettitori

Modalità della gabbia. Una porta SFP 1G può essere in modalità 1000BASE-X o SGMII; un SFP in rame si comporta in modo diverso in ciascuna, e i client 10/100 funzionano solo in SGMII (o con un modulo che nasconde la differenza) (SGMII e gigabit seriale).
Velocità e codifica. Il modulo deve accettare la velocità di lane e la codifica dell’host: SFI a 10,3125 GBd, CAUI-4 a 25,78, 400GAUI-8 PAM4 — è ciò che dichiarano i codici di conformità e le applicazioni CMIS (Codici di conformità).
Chi ritemporizza. I moduli SFP+ sono spesso lineari/limiting con equalizzazione lato host; i moduli 25G+ portano CDR; i moduli PAM4 portano DSP; i moduli LPO tornano a essere lineari e dipendono dal SerDes dell’host (CDR, DSP e LPO).
Lane elettriche ≠ lane ottiche. 400G-FR4 usa 8 lane elettriche ed emette 4 lunghezze d’onda; il gearbox è nel modulo (XGMII, XAUI e la famiglia AUI).
Linux sceglie l’interfaccia dall’EEPROM. Il livello SFP del kernel legge i byte 3–10, 12 e 36 per decidere tra 1000BASE-X, SGMII, 2500BASE-X, 10GBASE-R — un byte di conformità errato fa collegare in modalità sbagliata un modulo altrimenti buono (Mappa di memoria).

Per approfondire

MII, RMII, GMII, RGMII — le interfacce parallele: pin, clock, modalità di ritardo RGMII, stato in-band, gestione del PHY via MDIO, guasti tipici.
SGMII, 1000BASE-X, QSGMII, USXGMII — interfacce seriali verso PHY e gabbie SFP: differenze di autonegoziazione, SFP in rame, 100BASE-FX, 2,5G, multigig, come Linux sceglie la modalità.
XGMII, XAUI, XFI/SFI e la famiglia AUI — da 10G a 800G: numero di lane, C2C rispetto a C2M, punti di conformità, corrispondenza con OIF CEI, mappatura da lane elettriche a ottiche, moduli ritemporizzati rispetto a lineari.

In CodingBox

I byte che CodingBox mostra sono la dichiarazione del modulo su quali interfacce host supporta: codici di conformità (1000BASE-T → rame capace di SGMII/1000BASE-X), bit rate nominale, byte di codifica (8b/10b rispetto a 64b/66b rispetto a PAM4), bit CDR e ID di interfaccia host CMIS. Modificarli cambia quale interfaccia proverà l’host (Check transceiver, Codici di conformità).

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