以太网设备高温流量测试丢包问题案例（晶振篇）

 

1. 对某以太网设备进行长时间的温度循环测试， 利用SmartBits (SmartBits 设备， 是由Spirent公司开发的， 用千以太网数据流量测试的设备。）对设备连续地、全速率地发送以太网数据包， 测试人员发现一个奇怪的现象， 设备在白天的测试中， 均无丢包现象， 夜间设备继续运行， 但是第二天一早就会发现已发生丢包。
2. 【讨论】该设备的用户接口是百兆以太网接口， 利用5类非屏蔽双绞线与SmartBits连接， 由千 端口数目较多， 线缆布线较杂， 存在线缆被实验室管理员挪动的可能， 在挪动过程中， 可能导致丢数据包。 经与管理员确认， 这种可能被排除。
   温度循环测试是指， 通过对温箱温度曲线的控制， 以实现调整产品工作所处环境温度 的目的。 在这个测试中， 温度曲线如图所示。

图1 温度曲线

•  循环测试一个周期共26h Ch: 小时）， 分为六个阶段。 第一阶段是用4h均匀地从25°C降温到-5°C, 第二阶段是在-5°C保持 5h, 第三阶段用4h均匀地从-5°C升温到 25°C, 第四阶 段用4h均匀地从25 °C升温到55℃, 第五阶段是在55°C保持5h, 第六阶段是用4h从55'C 降温到25°C。 在这个过程中，产品不间断地全速运行。
• 测试人员每天清早 9 点钟开始一个周期的测试， 到下午 6 点下班前检查丢包情况， 没 有发现丢包， 第二天清早9点检查， 发现已经出现丢包现象。
  头天清早 9 点到下午 6 点， 循环测试正好完成了头两个阶段， 从夜间到第二天早上 9点， 完成第三、 四、 五阶段以及第六阶段的一半， 即丢包现象总是发生在后四个阶段。 而后四个阶段有两个特点： 一是升温， 二是高温。
• 在高温55 °C下， 测量单板上与PHY相关的信号完整性和时序， 没有发现问题。
• 利用SmartBits对以太网产品进行流量测试， 有两个原因可能丢数据包： 一个是产品本身存在缺陷；另 一个是SmartBits的晶振频率快于以太网产品上PHY使用的晶振。
• 在高温下进行大量测试后， 可基本排除产品缺陷造成丢数据包的可能性。 以下主要讨论晶振快慢对数据传输的影响。

图2

SmartBits 是用千以太网性能测试的设备， 在本案例中， 其作用是以线速 的速度产生以太网数据包， 并发送给以太网交换机， 以太网交换机 收到数据包后， 在内部转发， 最终又将所有数据包发回SmartBits。SmartBits通过检测发出的数据包数目和接收的数据包数目是否相等， 来判断是否发生了丢包。
如图2所示， 假设SmartBits上的ICl是负责收发数据包的芯片， 数据包到达以太网设备， 完成业务后，通过芯片PHY 1发送回SmartBits。 在这个过程中，SmartBits上的IC 1 是基于晶振OSC 1收发数据包， 而以太网设备的PHY 1是基千晶振OSC 2收发数据包，由于双方采用的不是同一 颗晶振 ， 在频率上必然有一定的差别。 假设OSC 1和OSC 2都是25MHZ（误差士50ppm)的晶振(ppm指百万分之一，此处，50ppm的误差即 为50Hz), 虽然标称频率和精度完全一 样， 但实际振荡频率并不完全一样。 利用频率计测量， 在室温下，OSC 1的频率是25.000050mhz， 即25mhz （ 误差+2ppm) : OSC 2的频率是25.000100MHz, 即25MHz（误差+ 4ppm)。OSC 2略微快千OSC 1即以太网设备上 PHY 1 的工作速率高千SmartBits 上  IC  1 的工作速率， 因此在常温下， 以太网设备有能力将 SmartBits发送来的数据包接收下来， 并全部发回。

图3

白天的测试 从不丢包， 分析温度循环曲线图可知， 白天的测试包括常温和低温两种情况，在测试中， 只有以太网设备被放置在温箱中， 而SmartBits 一直工作在室温环境， 在低 温-5°C下测量OSC 2的频率为25.000300MHz, 即25M比（误差+12ppm), 高千OSCl室温 下的频率25M（误差+2ppm),因此， 在低温下， 以太网设备同样有能力将SmartBits 发 送来的数据全部发回。

 

丢包现象都是发生在夜间， 夜间的测试包括低温、 常温、 高温三个阶段，通过前面的测试已经证实， 低温和常温条件下，OSC2的频率都快于OSC 1,因此主要考虑高温的情况。在55°C, 测量 OSC 2的频率为24.999825M：，即25MHz（误差-7ppm), 慢于 OSC 1, 在这种情况下， 以太网设备没有足够的能力将SmartBits发送来的数据包全部发回，

即对千以太网设备而言， 接收到 的数据包始终多于能发送出去的数据包， 必然造成丢包。

根据以上分析得到结论， 夜间丢包的原因是 高温下OSC 2的速率慢于OSC 1。 为了检验这个结论， 设计者将SmartBits 发包速率从全速的 100%调整为 97%, 进行多个温度循环测试， 没有发现丢包。 由此证明丢包原因确系高温下OSC 2速度较慢 。

 

一般来说， 晶振的输出频率随着环境温度的变化， 也会有略微的变化，该现象对应晶振的温度系数，在晶振的规格书中一般可以参考（Frequency Temperature Curve）这一参数 如下图所示。

 

晶振频率偏移-温度变化曲线

以 25°C时晶振的频率为基准，随着温度的降低，输出频率将先提高， 再降低；随着温度的升高， 输出频率将先降低， 再升高。 

本例中， 55℃时的晶振输出频率相对常温最多可能降低12ppm。

 

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