以太網(wǎng)設(shè)備高溫流量測試丟包問題案例（晶振篇）
- 對某以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間的溫度循環(huán)測試， 利用SmartBits (SmartBits 設(shè)備， 是由Spirent公司開發(fā)的， 用千以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量測試的設(shè)備。）對設(shè)備連續(xù)地、全速率地發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包， 測試人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象， 設(shè)備在白天的測試中， 均無丟包現(xiàn)象， 夜間設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行， 但是第二天一早就會發(fā)現(xiàn)已發(fā)生丟包。
- 【討論】該設(shè)備的用戶接口是百兆以太網(wǎng)接口， 利用5類非屏蔽雙絞線與SmartBits連接， 由千 端口數(shù)目較多， 線纜布線較雜， 存在線纜被實(shí)驗(yàn)室管理員挪動(dòng)的可能， 在挪動(dòng)過程中， 可能導(dǎo)致丟數(shù)據(jù)包。 經(jīng)與管理員確認(rèn)， 這種可能被排除。
溫度循環(huán)測試是指， 通過對溫箱溫度曲線的控制， 以實(shí)現(xiàn)調(diào)整產(chǎn)品工作所處環(huán)境溫度 的目的。 在這個(gè)測試中， 溫度曲線如圖所示。
圖1 溫度曲線- 循環(huán)測試一個(gè)周期共26h Ch: 小時(shí)）， 分為六個(gè)階段。 第一階段是用4h均勻地從25°C降溫到-5°C, 第二階段是在-5°C保持 5h, 第三階段用4h均勻地從-5°C升溫到 25°C, 第四階 段用4h均勻地從25 °C升溫到55℃, 第五階段是在55°C保持5h, 第六階段是用4h從55'C 降溫到25°C。 在這個(gè)過程中，產(chǎn)品不間斷地全速運(yùn)行。
- 測試人員每天清早 9 點(diǎn)鐘開始一個(gè)周期的測試， 到下午 6 點(diǎn)下班前檢查丟包情況， 沒 有發(fā)現(xiàn)丟包， 第二天清早9點(diǎn)檢查， 發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。
頭天清早 9 點(diǎn)到下午 6 點(diǎn)， 循環(huán)測試正好完成了頭兩個(gè)階段， 從夜間到第二天早上 9點(diǎn)， 完成第三、 四、 五階段以及第六階段的一半， 即丟包現(xiàn)象總是發(fā)生在后四個(gè)階段。 而后四個(gè)階段有兩個(gè)特點(diǎn)： 一是升溫， 二是高溫。 - 在高溫55 °C下， 測量單板上與PHY相關(guān)的信號完整性和時(shí)序， 沒有發(fā)現(xiàn)問題。
- 利用SmartBits對以太網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行流量測試， 有兩個(gè)原因可能丟數(shù)據(jù)包： 一個(gè)是產(chǎn)品本身存在缺陷；另 一個(gè)是SmartBits的晶振頻率快于以太網(wǎng)產(chǎn)品上PHY使用的晶振。
- 在高溫下進(jìn)行大量測試后， 可基本排除產(chǎn)品缺陷造成丟數(shù)據(jù)包的可能性。 以下主要討論晶振快慢對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/strong>
圖2SmartBits 是用千以太網(wǎng)性能測試的設(shè)備， 在本案例中， 其作用是以線速 的速度產(chǎn)生以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包， 并發(fā)送給以太網(wǎng)交換機(jī)， 以太網(wǎng)交換機(jī) 收到數(shù)據(jù)包后， 在內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)， 最終又將所有數(shù)據(jù)包發(fā)回SmartBits。SmartBits通過檢測發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)目和接收的數(shù)據(jù)包數(shù)目是否相等， 來判斷是否發(fā)生了丟包。
如圖2所示， 假設(shè)SmartBits上的ICl是負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)包的芯片， 數(shù)據(jù)包到達(dá)以太網(wǎng)設(shè)備， 完成業(yè)務(wù)后，通過芯片PHY 1發(fā)送回SmartBits。 在這個(gè)過程中，SmartBits上的IC 1 是基于晶振OSC 1收發(fā)數(shù)據(jù)包， 而以太網(wǎng)設(shè)備的PHY 1是基千晶振OSC 2收發(fā)數(shù)據(jù)包，由于雙方采用的不是同一 顆晶振 ， 在頻率上必然有一定的差別。 假設(shè)OSC 1和OSC 2都是25MHZ（誤差士50ppm)的晶振(ppm指百萬分之一，此處，50ppm的誤差即 為50Hz), 雖然標(biāo)稱頻率和精度完全一 樣， 但實(shí)際振蕩頻率并不完全一樣。 利用頻率計(jì)測量， 在室溫下，OSC 1的頻率是25.000050mhz， 即25mhz （ 誤差+2ppm) : OSC 2的頻率是25.000100MHz, 即25MHz（誤差+ 4ppm)。OSC 2略微快千OSC 1即以太網(wǎng)設(shè)備上 PHY 1 的工作速率高千SmartBits 上 IC 1 的工作速率， 因此在常溫下， 以太網(wǎng)設(shè)備有能力將 SmartBits發(fā)送來的數(shù)據(jù)包接收下來， 并全部發(fā)回。
圖3白天的測試 從不丟包， 分析溫度循環(huán)曲線圖可知， 白天的測試包括常溫和低溫兩種情況，在測試中， 只有以太網(wǎng)設(shè)備被放置在溫箱中， 而SmartBits 一直工作在室溫環(huán)境， 在低 溫-5°C下測量OSC 2的頻率為25.000300MHz, 即25M比（誤差+12ppm), 高千OSCl室溫 下的頻率25M（誤差+2ppm),因此， 在低溫下， 以太網(wǎng)設(shè)備同樣有能力將SmartBits 發(fā) 送來的數(shù)據(jù)全部發(fā)回。
丟包現(xiàn)象都是發(fā)生在夜間， 夜間的測試包括低溫、 常溫、 高溫三個(gè)階段，通過前面的測試已經(jīng)證實(shí)， 低溫和常溫條件下，OSC2的頻率都快于OSC 1,因此主要考慮高溫的情況。在55°C, 測量 OSC 2的頻率為24.999825M：，即25MHz（誤差-7ppm), 慢于 OSC 1, 在這種情況下， 以太網(wǎng)設(shè)備沒有足夠的能力將SmartBits發(fā)送來的數(shù)據(jù)包全部發(fā)回，
即對千以太網(wǎng)設(shè)備而言， 接收到 的數(shù)據(jù)包始終多于能發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包， 必然造成丟包。
根據(jù)以上分析得到結(jié)論， 夜間丟包的原因是 高溫下OSC 2的速率慢于OSC 1。 為了檢驗(yàn)這個(gè)結(jié)論， 設(shè)計(jì)者將SmartBits 發(fā)包速率從全速的 100%調(diào)整為 97%, 進(jìn)行多個(gè)溫度循環(huán)測試， 沒有發(fā)現(xiàn)丟包。 由此證明丟包原因確系高溫下OSC 2速度較慢 。
一般來說， 晶振的輸出頻率隨著環(huán)境溫度的變化， 也會有略微的變化，該現(xiàn)象對應(yīng)晶振的溫度系數(shù)，在晶振的規(guī)格書中一般可以參考（Frequency Temperature Curve）這一參數(shù) 如下圖所示。
晶振頻率偏移-溫度變化曲線以 25°C時(shí)晶振的頻率為基準(zhǔn)，隨著溫度的降低，輸出頻率將先提高， 再降低；隨著溫度的升高， 輸出頻率將先降低， 再升高。
本例中， 55℃時(shí)的晶振輸出頻率相對常溫最多可能降低12ppm。
使用更精準(zhǔn)的SJK工業(yè)級晶振，可幫助解決丟包授時(shí)不準(zhǔn)等問題，更有專業(yè)的FAE 團(tuán)隊(duì)可免費(fèi)協(xié)助工程師們測板，晶振匹配、晶振選型應(yīng)用。
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