メディア非依存インターフェース：ポートの電気的な側面

スイッチ ASIC や NIC コントローラー内の Ethernet MAC と、銅線対・光ファイバー・バックプレーンといった伝送路との間には、標準化された電気的インターフェースが存在します。IEEE はこの系列を メディア非依存インターフェース（MII）と呼びます。合意されたインターフェースさえ話せれば、 MAC は相手側が銅線 PHY か SFP ケージか 400G モジュールかを気にしません。イーサネットは世代が進むたびに新しいインターフェースを追加してきました。10/100 向けの MII と RMII、ギガビット向けの GMII/RGMII/SGMII、10G 向けの XGMII/XAUI/XFI/SFI、そしてそれ以降のすべてを担う AUI ファミリー（CAUI-4、400GAUI-8、800GAUI-8）です。この章では、トランシーバーの視点からこれらを説明します。ケージに何が届くのか、銅線 SFP が何をエミュレートしなければならないのか、そして「モードが違う」ポートが問題のない良品モジュールを拒否するのはなぜか、という点です。

銅線 PHY ポート、プラガブル光モジュール、銅線 SFP における MAC → xMII → PCS → PMA/AUI → PMD のレイヤースタック

レイヤーが分かれている理由

レイヤー	存在場所	次のレイヤーへのインターフェース
MAC（フレーミング、アドレス）	スイッチ ASIC、NIC コントローラー、SoC	調整サブレイヤー → xMII
PCS（符号化：8b/10b、64b/66b、FEC）	プラガブルでは ASIC／コントローラー、銅線では PHY チップ	PMA
PMA／SerDes	ASIC の SerDes または PHY	モジュールまたは伝送路へ向かう AUI レーン
PMD（レーザー、銅線ドライバー）	トランシーバーモジュールまたは PHY チップ	光ファイバー／ケーブル

プラガブル光学部品の場合、PCS と SerDes はホスト側にとどまり、モジュールはシリアルレーン（SFI、CAUI-4、400GAUI-8）を受け取って光に変換します。銅線の場合は PHY チップが PCS＋PMA＋PMD を担い、パラレル（RGMII）またはシリアル（SGMII）インターフェースで MAC と通信します。銅線 SFP はその PHY をモジュール内部に収めるため、ケージは SGMII または 1000BASE-X をそこまで届ける必要があります（SGMII と直列ギガビット）。

インターフェース一覧

インターフェース	レート	形式	信号数	伝送距離	規定元	代表的な用途
MII	10/100	4 ビットパラレル @ 2.5/25 MHz	16–18	cm	IEEE 802.3 Cl. 22	レガシーな MAC ↔ PHY
RMII	10/100	2 ビット @ 50 MHz	7–9	cm	RMII Consortium	組み込み SoC ↔ PHY
SMII / SS-SMII	10/100	1 ビット @ 125 MHz	ポートあたり 2–3	cm	Cisco	マルチポート PHY
GMII	1G（+10/100）	8 ビット @ 125 MHz	24+	cm	Cl. 35	MAC ↔ PHY、現在は主にオンチップ
RGMII	1G（+10/100）	4 ビット DDR @ 125 MHz	12	≤ 10–15 cm	HP/Marvell RGMII v1.3/2.0	小型スイッチ／ルーターにおける SoC ↔ 銅線 PHY
TBI / RTBI	1G	10 ビット @ 125 MHz	20+	cm	Cl. 36	MAC ↔ 外部 SerDes（レガシー）
1000BASE-X（SerDes）	1G	1 レーン 1.25 GBd、8b/10b	2 差動対	50 cm+	Cl. 36/37	1G で SFP ケージが伝送するもの
SGMII	10/100/1000	1 レーン 1.25 GBd、8b/10b	2 対（+ クロック）	50 cm+	Cisco SGMII v1.8	MAC ↔ 銅線 PHY；MAC ↔ 銅線 SFP
2500BASE-X	2.5G	SGMII/1000BASE-X レートの 1.25 倍：3.125 GBd	2 対	50 cm	事実上の標準	2.5G SFP、PON スティック
QSGMII	4 × 1G	1 レーン 5 GBd	2 対	50 cm	Cisco	ASIC ↔ 4連銅線 PHY
USXGMII	10M–10G	1 レーン 10.3125 GBd、64b/66b	2 対	30 cm	Cisco/Marvell	ASIC ↔ mGig PHY；10GBASE-T SFP+
XGMII	10G	32 ビット DDR @ 156.25 MHz	74	< 7 cm	Cl. 46	オンチップ
XAUI	10G	4 × 3.125 GBd、8b/10b	8 対	50 cm	Cl. 47	XENPAK/X2 モジュール、レガシー PHY
XFI / SFI	10G	1 × 10.3125 GBd、64b/66b	2 対	20–30 cm	XFP MSA / SFF-8431	XFP／SFP+ ケージ
10GBASE-KR	10G	1 × 10.3125 GBd	2 対	1 m バックプレーン	Cl. 72	バックプレーン、10GBASE-T PHY
25GAUI	25G	1 × 25.78 GBd NRZ	2 対	C2M	Annex 109A/B	SFP28 ケージ
XLAUI / CAUI-10	40G / 100G	4 / 10 × 10.3125 GBd	8 / 20 対	C2C/C2M	Annex 83A/B	QSFP+ / CFP、CXP
CAUI-4	100G	4 × 25.78 GBd NRZ	8 対	C2M	Annex 83D/E	QSFP28 ケージ
50GAUI-2 / -1	50G	2 × 26.5625 NRZ / 1 × 26.5625 GBd PAM4	4 / 2 対	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（PAM4 系）、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

詳細：MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII、1000BASE-X、 QSGMII、USXGMII、XGMII、XAUI、SFI と AUI ファミリー。

各インターフェースの配置

デバイス	MAC → …	… → 伝送路
48 ポートの 1G 銅線スイッチ	ASIC → QSGMII → 4連 PHY	PHY → RJ45
小型ルーター／SoC ボード	SoC → RGMII または SGMII → PHY	PHY → RJ45、または SoC → 1000BASE-X/SGMII → SFP ケージ
10G/25G スイッチまたは NIC の SFP+/SFP28 ポート	ASIC の SerDes → SFI / 25GAUI → ケージ	モジュール → 光ファイバーまたは DAC
100G QSFP28 ポート	ASIC → CAUI-4（4 × 25G） → ケージ	モジュール → 4 波長または光ファイバー4心
400G QSFP-DD／OSFP ポート	ASIC → 400GAUI-8（8 × 50G PAM4） → ケージ	モジュールのギアボックス → 4 × 100G 光信号
800G OSFP ポート	ASIC → 800GAUI-8（8 × 100G PAM4） → ケージ	モジュール → 8 × 100G（DR8）または 4 × 200G
銅線 1000BASE-T SFP	ホスト 1000BASE-X または SGMII → モジュールの PHY	PHY → RJ45
10GBASE-T SFP+	ホスト SFI（10GBASE-R） → モジュールの PHY（USXGMII クラス）	PHY → RJ45
マルチギガ RJ45 スイッチポート	ASIC → USXGMII → mGig PHY	2.5/5/10GBASE-T

PHY とモジュールの管理

	銅線 PHY チップ	プラガブルモジュール
バス	MDIO/MDC（Clause 22：5 ビットアドレス、32 × 16 ビットレジスタ；Clause 45：10G 以上向けのデバイス／レジスタペア）	I²C 2線式（A0h/A2h、CMIS ページ）（2線式インターフェース）
リンク状態	PHY ステータスレジスタ（reg 1）、RGMII/SGMII ではインバンド	LOS/LOL ピンとフラグ、DDM
Linux ツール	`mii-tool`、`phytool`、`ethtool`（PHY ドライバー）	`ethtool -m`、i2c-dev（NIC ツール）
銅線 SFP の特殊事情	モジュール内部の PHY には、第2のアドレス（例：Marvell 88E1111 系モジュールでは 0xAC）またはベンダーページ経由で I²C からアクセスできる（MDIO トンネリング）	—

トランシーバー作業にとって重要な理由

ケージのモード。 1G の SFP ポートは 1000BASE-X または SGMII のいずれかのモードで動作し、銅線 SFP はそれぞれで挙動が異なります。10/100 のクライアントは SGMII でのみ動作します（その違いを隠すモジュールを使う場合を除く）（SGMII と直列ギガビット）。
レートと符号化。 モジュールはホストのレーンレートと符号化を受け入れる必要があります。SFI は 10.3125 GBd、CAUI-4 は 25.78、400GAUI-8 は PAM4 です。これはコンプライアンスコードと CMIS のアプリケーションがアドバタイズする内容そのものです（コンプライアンスコード）。
誰がリタイミングするか。 SFP+ モジュールはリニア／リミッティングで、ホスト側が等化を担うことが多く、25G 以上のモジュールは CDR を、PAM4 モジュールは DSP を搭載します。LPO モジュールは再びリニアになり、ホストの SerDes に依存します（CDR、DSP と LPO）。
電気レーン ≠ 光レーン。 400G-FR4 は8本の電気レーンを受け取り、4波長を送出します。ギアボックスはモジュール内にあります（XGMII、XAUI と AUI ファミリー）。
Linux は EEPROM からインターフェースを選ぶ。 カーネルの SFP レイヤーはバイト 3–10、 12、36 を読み取り、1000BASE-X、SGMII、2500BASE-X、10GBASE-R のいずれかを判断します。準拠バイトが誤っていると、良品モジュールでも誤ったモードでリンクしてしまいます（メモリマップ）。

CodingBox では

CodingBox が表示するバイトは、モジュールがどのホストインターフェースに対応しているかの申告です。コンプライアンスコード（1000BASE-T → SGMII/1000BASE-X 対応の銅線）、公称ビットレート、符号化バイト（8b/10b か 64b/66b か PAM4 か）、CDR ビット、CMIS のホストインターフェース ID です。これらを編集すると、ホストが試みるインターフェースが変わります（Check transceiver、コンプライアンスコード）。

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