华为以太网标准和物理层及数据链路层专题

资料编码产品名称 使用对象产品版本 编写部门资料版本 以太网标准和物理层 数据链路层专题 拟制 日期 审核 日期 审核 日期 批准 日期 华 为 技 术 有 限 公 司 版权所有侵权必究 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 2 页 共 35 页 修订记录 日期修订版本作者描述 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 3 页 共 35 页 目录 1以太网标准 5 1 1以太网标准 5 1 2IEEE 标准 5 1 3物理层 8 1 3 1以太网接口类型 8 1 3 2电口 8 1 3 3光口 11 1 4FE 自协商 12 1 4 1自协商技术的功能规范 13 1 4 2自协商技术中的信息编码 14 1 4 3自协商功能的寄存器控制 16 1 4 4GE 自协商 18 1 5物理层芯片和MAC 层芯片接口简介 19 1 5 1MII 19 1 5 2MDIO 管理寄存器 20 1 5 3RMII 20 1 5 4SMII 21 1 5 5SS SMII 21 1 5 6GMII 22 1 5 7TBI 22 2以太网数据链路层 23 2 1以太网的帧格式 23 2 2以太网的MAC 地址 25 2 3CSMA CD算法 26 2 3 1CSMA CD发送过程 27 2 3 2CSMA CD如何接收 28 2 4半双工以太网的限制 31 2 5以太网流量控制 34 2 5 1反压 Backpressure 34 2 5 2PAUSE 流控 34 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 4 页 共 35 页 关键词 以太网物理层数据链路局域网城域网协议标准祯结构 摘要 本文详细地阐述了以太网的标准 以太网在各个传输层面的具体结构和工作 方式以及控制方式 缩略语清单 无 参考资料清单 无 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 5 页 共 35 页 以太网标准和物理层 数据链路层专题 1 以太网标准 1 1 以太网标准 局域网 LAN 技术用于连接距离较近的计算机 如在单个建筑或类似校园的集 中建筑中 城市区域网 MAN 是基于 10 100Km 的大范围距离设计的 因此 需要增强其可靠性 但随着通信的发展 从技术上看 局域网和城域网有融 合贯通的趋势 1 2 IEEE 标准 IEEE是电 气和 电子工 程师 协会 Institute of Electrical and Electronics Engineers 的简称 IEEE组织主要负责有关电子和电气产品的各种标准的 制定 IEEE 于 1980 年 2 月成立了IEEE 802 委员会 专门研究和指定有关 局域网的各种标准 IEEE 802 委员会由6 个分委员会组成 其编号分别为 802 1 至 802 6 其标准分别称为标准802 1 至标准 802 6 目前它已增加到 12 个委员会 这些分委员会的职能如下 802 1 高层及其交互工作 提供高层标准的框架 包括端到端协议 网络互 连 网络管理 路由选择 桥接和性能测量 802 2 连接链路控制LLC 提供 OSI 数据链路层的高子层功能 提供LAN MAC 子层与高层协议间的一致接口 802 3 以太网规范 定义CSMA CD 标准的媒体访问控制 MAC 子层和物 理层规范 802 4 令牌总线网 定义令牌传递总线的媒体访问控制 MAC 子层和物理 层规范 802 5 令牌环线网 定义令牌传递环的媒体访问控制 MAC 子层和物理层 规范 802 6 城域网MAN 定义城域网 MAN 的媒体访问控制 MAC 子层和 物理层规范 DQDB 分布队列双总线 802 7 宽带技术咨询组 为其他分委员会提供宽带网络技术的建议和咨询 802 8 光纤技术咨询组 为其他分委员会提供使用有关光纤网络技术的建议 和咨询 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 6 页 共 35 页 802 9 综合话音 数据局域网 IVD LAN 定义综合话音 数据终端访问综合 话音 数据局域网 包括IVD LAN MAN WAN 的媒体访问控制 MAC 子层和物理层规范 802 10 可互操作局域网安全标准 SILS 定义局域网互连安全机制 802 11 无线局域网 定义自由空间媒体的媒体访问控制 MAC 子层和物理 层规范 802 12 按 需优 先 100VG ANYLAN 定义 使 用按 需优 先访 问方 法 的 100Mpbs 的以太网标准 目前 IEEE 标准 802 1 802 6 已成为 ISO 的国际标准ISO8802 1 8802 6 他们的组成和作用示意图如图1 1 802 9 媒体 物理层 接入 802 3 媒体 物理层 接入 802 4 媒体 物理层 接入 802 5 媒体 物理层 接入 802 6 媒体 物理层 接入 802 2 LLC控制 802 1 桥路转换 802 7 宽带标准 802 8 光纤标准 8 0 2 1 管 理 8 0 2 1 总 揽 和 构 架 8 0 2 1 0 安 全 图 1 1 IEEE 802各分委员会的组成和作用示意图 802 3 协议族描述了以太网的相关规范 包括 802 3 定义了CSMA CD标准的媒体访问控制MAC 和物理层规范 802 3u 定义 100M 的以太网技术标准 为802 3 的一部分 802 3z 定义 1000M 的以太网技术标准 为802 3 的一部分 IEEE802 3主要使用了带冲突检测的载波监听多路访问协议 CSMA CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA CD 与人际 间的通话非常相似 即先听再说 假设很多人在聊天 同一时间只允许一个人 讲话 1 载波侦听 想发送信息包的站要确保现在没有其他节点和站在使用共享介 质 所以该站首先要监听信道上的动静 即先听后说 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 7 页 共 35 页 2 如果信道在一定时间段内寂静无声 称为帧间缝隙IFG 该站就开始传输 无 声则讲 3 如果信道一直很忙碌 就一直监视信道 直到出现最小的帧间IFG 时段时 该站开始发送它的数据 一等到有空就讲 4 冲突检测 如果两个站或更多的站都在监听和等待发送 然后在信道空时 同时决定立即 几乎同时 开始发送数据 此时就发生碰撞 这一事件会导致冲 突 并使双方信息包都受到损坏 因此以太网在传输过程中不断的监听信道 以检测碰撞冲突 边谈边听 5 如果一个站在传输期间检测出碰撞冲突 则立即停止该次传输 并向信道 发出一个 拥挤 信号 以确保所有其他站也发现该冲突 从而摒弃可能一直在 接收的受损的信息包 抛弃废话 6 多路存取 在等待一段时间 后退 后 想发送的站试图进行新的发送 一 种特殊的随机后退算法决定了不同的站在试图再次发送数据前要等待一段时 间 二进制指数后退算法 即检测到 n 次冲突以后 则在 0 2 n 个时间片 512Bit 时间 之间随机选择一个等待时间 一直等到成功发送为止 IEEE 802 3u定义了 100M 快速以太网的标准 其采用的协议几乎与10M 以 太网完全相同 只是速率提高了10 倍 传输的介质增加了对光纤的支持 IEEE802 3z定义了1000M以太网的标准 千兆以太网针对不同的介质定义 了不同的标准 如下表所示 千兆以太网针对不同的介质定义的不同标准 物理层器件英文说明中文含义 1000BASE X IEEE 802 3z 1000BASE SXDuplex multimode fibers 千兆双工多模光纤 1000BASE LXDuplex single mode fibers千兆双工单模光纤 1000BASE CXTwo pairs of specialized balanced cabling 千兆 两对特殊平衡线缆 1000BASE T IEEE 802 3ab Advanced multilevel signaling over four pairs of Category 5 balanced copper cabling 四对五类平衡铜线走高级多层信号 1000BASE T 接口 以太网的分层模型如图所示 图 1 2 以太网模型 PMD 子层的功能是在PMA 子层和介质之间交换串行化的8B 10B 符号代码 位 PMD 子层将这些电信号转换成适合于在某种特定介质上传输的形式 如 光纤和铜线媒体进行的1000BASE X物理层信号 PMA 为 PCS 层提供媒体无关的连接方式 支持采用串行码流物理媒体 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 8 页 共 35 页 PCS 层提供所有GMII 服务 还包括 和下层 PMA 通信的 GMII 八位数据到 从 十位码群 8B 10B 的编解码功 能 通过 PHY 层的半双工服务 提供载波侦听和碰撞检测信号 当 PHY 准备工作时 通过GMII 管理自动协商过程和通知管理实体 PLS 子层只在10M 以太网上使用 现在很少使用 这里不在描述 以太网物 理层 1 3 物理层 1 3 1 以太网接口类型 以太网接口常用有双绞线接口 俗称电口 和光纤接口 俗称光口 2 种 另 外还有早期的同轴电缆接口 下面是常用以太网接口的代号 10BASE2 采用细同轴电缆接口的IEEE 802 3 10Mb s物理层规格 参见IEEE 802 3 Clause 10 10BASE5 采用粗同轴电缆接口的IEEE 802 3 10Mb s物理层规格 参见IEEE 802 3 Clause 8 10BASE F 采用光纤电缆接口的IEEE 802 3 10Mb s物理层规格 参见IEEE 802 3 Clause 15 10BASE T 采用电话双绞线的IEEE 802 3 10Mb s物理层规格 参见IEEE 802 3 Clause 14 100BASE FX 采用两个光纤的IEEE 802 3 100Mb s 物理层规格 参见 IEEE 802 3 Clauses 24 and 26 100BASE T2 采用两对 3类线或更好的平衡线缆的IEEE 802 3 100 Mb s 物理层规格 参见 IEEE 802 3 Clause 32 100BASE T4 采用四对 3 4 5类线非屏蔽双绞线的IEEE 802 3 100 Mb s 物理层规格 参见 IEEE 802 3 Clause 23 100BASE TX 采用两对 5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE 802 3 100 Mb s 物理层规格 参见 IEEE 802 3 Clauses 24 and 25 1000BASE CX 1000BASE X 在特制的屏蔽电缆传输的接口规格 参见 IEEE 802 3 Clause 39 1000BASE LX 1000BASE X 采用单模或多模长波激光器的规格 参见 IEEE 802 3 Clause 38 1000BASE SX 1000BASE X 采用多模短波激光器的规格 参见IEEE 802 3 Clause 38 1000BASE T 采用四对五类平衡电缆的1000 Mb s 物理层规格 参见 IEEE 802 3 Clause 40 1 3 2 电口 电口传输距离标准为100m 电口采用RJ 45 接口 这是一种习惯的叫法 实际上RJ45只是一种接线方式 此处沿用习惯的叫法 RJ 45 插座可以分 为屏蔽式和非屏蔽式 直插式和侧插式 带 LED 灯和不带LED 灯 有单端口 两端口 单排四端口 单排 6 端口 单排 8 端口 双排 8 端口 双排 12 端口 双排 16 端口等 有8PIN 6PIN 和 4PIN 图 3 所示是常用的屏蔽式 侧插 带 LED 指示灯 单排四端口的RJ 45 插座 其中LED 指示灯是绿色和黄色 按公司规范可以分别表示LINK 链路完整 和ACT 有收发活动 等 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 9 页 共 35 页 图 1 3 RJ 45插座 与 RJ 45 插座相对应的是RJ 45 插头 如图4 所示 一般为8PIN 在 10 100M以太网时 其中 2 根表示 1 对发送数据 另 2 根表示 1 对接收数据 剩下 4 根保留 100BASE T4使用 4 对线 是为3 类线设计的 在 1000M 以太网时 1000BASE T使用的是 4 对双绞线 每一对线都作双向数据传输 因为目前应用很少 这里不做介绍 下面只介绍FE 的网线 图 1 4 RJ 45插头 我们常用的网线有两种 不带交叉网线和带交叉网线 平时所说的网线名称 与 802 3 标准中所说的网线名称容易混淆 标准中的直连网线 Straight Through Cable 不带交叉 针脚定义如下表所 示 主要用于交换机或集线器与工作站或PC 机的网卡之间连接的以太网双绞 线电缆 不能直接连接两台PC 机的网卡 直连网线针脚定义 插头 1针脚插头 2针脚信号芯线颜色备注 1 1 发送white orange 双绞线 2 2 orange 3 3 接收white green 双绞线 6 6 green 4 4 双向blue 双绞线 5 5 white blue 7 7 双向white brown 双绞线 8 8 brown 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 10 页 共 35 页 标准中交叉网线 Cross Over Cable 的连线为交叉方式 如下表所示 主要 用于交换机与中继器 集线器和集线器 工作站的网络接口卡和工作站的网 络接口卡之间连接的以太网双绞线电缆 直连网线针脚定义 插头 1针脚插头 2针脚信号芯线颜色备注 1 3 发送white orange 双绞线 2 6 orange 3 1 接收white green 双绞线 6 2 green 4 4 双向blue 双绞线 5 5 white blue 7 7 双向white brown 双绞线 8 8 brown 对于常说的RJ 45 的 MDI 和 MDIX 接口 对应为DTE 侧接口和DCE 侧接 口 MDI 接口的 PIN 定义如下图所示 图 1 5 MDI 接口 PIN定义 而 MDI X 接口的 PIN 定义如下图所示 其收发方向刚好与MDI 接口相反 图 1 6 MDI X接口PIN定义 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 11 页 共 35 页 现在有些物理层芯片支持MDI 和 MDIX 自动识别功能 它可以根据与其相连 的对端设备是DTE 还是 DCE 及使用的是MDIX 还是 MDI 模式 也可以设成 MDI 或 MDIX 的固定模式 1 3 3 光口 目前以太网光模块封装有GBIC SFF SFP 公司目前推荐使用的是GBIC 和 SFP 两种可热插拔的光模块 有850nm 1310nm 1550nm 波长 还可 以分为多模和单模 而传输距离也不一样 多模传输距离为275 550m 单 模则可以达到2Km 10Km 15Km 40Km 70Km 甚至 100Km 或以上 下图为 GBIC Gigabit Interface Converter 封装的光模块 其收发分开 采 用 SC 光纤接头 多模的波长为850nm 单模有1310nm和 1550nm 支持 热插拔 图 1 7 GBIC 封装光模块 下图为 SFP Small Form factor Pluggable 封装的光模块 其收发分开 采用 LC 光纤 支持热插拔 SFF 封装与 SFP 一样 唯一区别只是SFF 为固 定式 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 12 页 共 35 页 图 1 8 SFP 封装光模块 1 4 FE 自协商 自协商功能允许一个网络设备能够将自己所支持的工作模式信息传达给网络 上的对端 并接受对方可能传递过来的相应信息 它使用修订过的10BASE T 的整合性测试脉冲序列 link integrity test pulse sequence 来传递信息 自 协商功能完全由物理层芯片设计实现 因此并不使用专用数据包或带来任何 高层协议开销 自协商功能的基本机制就是将协商信息封装进一连串修改后的 10BASE T 连 接测试收发波形 的连接整合性测试脉冲 这串脉冲被称为快速连接脉冲 FLP 每个网络设备必须能够在上电 管理命令发出 或是用户干预时发出此串脉 冲 快速连接脉冲包含一系列连接整合性测试脉冲组成的时钟 数字序列 将 这些数据从中提取出来就可以得到对端设备支持的工作模式 以及一些用于 协商握手机制的其他信息 为了保持与现有10BASE T设备的互操作性 自协商协议还具有接受与 10BASE T兼容的连接整合性测试脉冲 也被称为普通连接脉冲 NLP 序列 的功能 当一个设备不能对快速连接脉冲做出有效的反应 而仅返回了一个普通连接 脉冲时 它将被作为一个10BASE T兼容设备对待 FE 自协商的规则 可以用下表表示 FD 表示全双工 HD 表示半双工 对 于只有一方支持自协商的情况 根据 IEEE 802 3的标准 采用并行检测机制 对端设备接口类型自协商设备的自协商结果 自协商100M 全双工 10M FD 10M HD 10M HD 10M HD 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 13 页 共 35 页 100M FD 100M HD 100M HD 100M HD 1 4 1 自协商技术的功能规范 脉冲序列中的第一个脉冲为时钟脉冲 并在其后每隔125us出现一个时钟脉 冲 数据脉冲出现的位置在相邻两个时钟脉冲的中点上 偏差 7us 且以 正脉冲表示逻辑1 无脉冲表示逻辑0 一个 FLP 脉冲序列包含17 个时钟脉 冲 16 个数据脉冲 如果数据比特位都是1 的话 16 个数据比特位的编码 见后面 NLP 脉冲波形要比FLP简单 它只是在没有数据帧发送时每隔 16 8ms发送一次正脉冲 FLP 和 NLP 的波形如下图所示 时 钟 脉 冲 首 位 脉 冲 数 据 位 编 码 110 1 D 0D 1D 2D 3 时 间 T1 T2 T3 T1 100nsT2 62 5usT3 125us 图 1 9 单一快速连接脉冲 FLP 的波形 F LP B urst N LP s T4 T5 T4 2m s T5 16m s 图 1 10 连续的快速连接脉冲 FLP 和普通连接脉冲 NLP 的波形 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 14 页 共 35 页 1 4 2 自协商技术中的信息编码 快速连接脉冲 FLP 的信息编码可以分为两类 一类是基本连接码字 基本 页 支持基本的信息的交换 另一类是下一页码字 以支持附加信息页的交 换 基本页的信息编码可由下图表示 S1 S2 S3 S4A0 A1 A2 A3A4 A5 A6A7 RF Ack NPS0 D1D2 D3D4D5D6 D7D8D9D11 D12 D13 D14 D15D0D10 Selector FieldTechnolodgy Ability Field 图 1 11 基本页的信息编码图 选择域 Selector Field S 0 4 用于标识自协商消息的类型 已定义的类型如下表所示 所有未列出的 组合的意义均保留 保留的编码组合目前不应在传输中出现 自协商的类型含义 S4 S3 S2 S1 S0 Selector description 0 0 0 0 0 Reserved for future Auto Negotiation development 0 0 0 0 1 IEEE Std 802 3 0 0 0 1 0 IEEE Std 802 9 ISLAN 16T 1 1 1 1 1 Reseerved for future Auto Negotiation development 技术能力域 Technology Ability Field A 0 7 用于描述本端网络接口所支持的各种工作模式 不同的选择域类型对应 不同的技术能力域定义 下面表格给出IEEE 802 3标准下定义的各种技术能 力及其编码 自协商的技术支持域的含义 Bit Technology Minimum cabling requirement A0 10BASE T Two pair Category 3 A1 10BASE T FULL DUPLEX Two pair Category 3 A2 100BASE TX Two pair Category 5 A3 100BASE TX FULL DUPLEX Two pair Category 5 A4 100BASE T4 Four pair Category 3 A 5 7 Reserved for furure technology 当协商双方都支持一种以上的工作方式时 需要有一个优先级方案来确定一 个最终工作方式 下表按优先级从高到底的顺序列出了IEEE 802 3所支持的 五种模式 1 100BASE TX full duplex 2 100BASE T4 3 100BASE TX 4 10BASE T full duplex 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 15 页 共 35 页 5 10BASE T 远程错误 Remote Fault 远程错误位 RF 提供了传递简单错误信息的机制 当发信方的自协商广告 寄存器中的RF 位被置位时 基本连接码字的RF 位相应变为逻辑1 当接收 方收到的基本连接码字的RF 位为逻辑1 时 其 MII 状态寄存器的RF 位也将 被置位 如果收方具有MII 管理功能的话 应答 Acknowledge 应答位 Ack 在自协商信令中用于表明线路上的一方已经收到了另一方发出 的基本连接码字 下一页 Next Page 下一页 NF 在自协商信令中表示要进行下一页的信息的传送 如果一个设 备不支持下一页功能 它应将此位置0 如果设备支持下一页功能 但不想进 行下一页操作 它也应该将此位置0 只有设备支持此功能并要进行下一页操 作时才将此位置1 自协商功能除了可以发送基本页信息来进行信息的交换 还可以通过发送下 一页信息的功能来进行额外的信息的交换 下一页信息的编码又分为两种 一种是消息页编码 另外一种是非格式化页编码 消息页是用来定义一套消 息的 非格式化页在某一消息页后发送 用来表示这一消息的数据信息 一 个消息页后面可以跟随不止一个非格式化页 这两种页编码格式如下 图 1 12 下一页的信息编码格式 各个域的含义如下 1 消息域 Message Code Field 消息域为11 个比特 M0 M10 由通信双方定义 可以定义2048 个消息 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 16 页 共 35 页 2 非格式化域 Uformatted Code Field 非格式化域为11 个比特 U0 U10 携带某个消息的数据信息 3 比特交替域 Toggle 比特交替域位于比特11 位 它的值为上一页的该比特值的非值 第1 个下一 页的该值为基本页的比特11 位的值 4 应答域2 Acknolowledge2 应答域2 用来表示对方可否执行本方发送过来的消息 为0 表示不能执行 为 1 表示可以执行 5 消息页域 Message Page 消息页域用来表示此下一页编码是消息页编码还是非格式化消息页编码 为 1 表示是消息页编码 为0 表示是非格式化消息页编码 6 应答域 Acknolowledge 与基本页中的应答域的含义类似 表示对方收到了本方发送过来的下一页编 码数据 7 下一页 Next Page 此域为 1 表示还有后续页要发送 此域为0 表示此页为最后一个下一页 1 4 3 自协商功能的寄存器控制 前面已经介绍过 与自协商功能有关的寄存器为寄存器4 7 它们分别是自协 商公告寄存器 地址0 x4 自协商能力寄存器 地址0 x5 自协商扩展寄存 器 地址0 x6 自协商下一页传送寄存器 地址0 x7 下面一一介绍它们 自协商公告寄存器 地址0 x4 自协商公告寄存器的域定义如下图所示 S e le c to r Field T e c h n o log y Ab ility Fie ld N PR s vR F 041 21 31 41 55 图 1 13 自协商公告寄存器的域定义图 由上图可以看出 寄存器的域定义与基本页编码的域定义是一一对应的 除 了比特 14 是保留域 置为 0 外 因为在基本页编码的比特14 是应答域 Ack 此域是由硬件自动处理的 所以寄存器对应的此位被保留了 其它的域对应 这里就不在重复介绍了 在芯片启动自协商时 此域中的值 除比特14 外 会被编入基本页编码中在FLP 脉冲中发送出去并等待对方应答 自协商能力寄存器 地址0 x5 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 17 页 共 35 页 自协商能力寄存器的域定义如下图所示 S elector Fie ldTechnology Ability Fie ldN PA ckR F 041 213141 5 N PRsvM P A ck2TogM essage Unformatted Code Field 0 1 1121 3 141 5 1 0 寄 存 器 是 基 本 页 的 域 定 义 格 式 寄 存 器 是 下 一 页 的 域 定 义 格 式 5 图 1 14 自协商能力寄存器的域定义图 此寄存器的数据格式有两种形式 是分别用来存放从对方收到的FLP 脉冲中 提取的自协商基本页数据和下一页信息编码的 所以寄存器的域定义与基本 页信息编码的域定义或下一页信息编码是一一对应的 所以就不再介绍域定 义了 另外在新的802 3协议中此寄存器的功能作了改动 改为只接收基本 页的数据 而下一页的数据信息存放在寄存器地址0 x08 的位置 在查阅物理 层芯片的寄存器的功能时要主要这一点 自协商扩展寄存器 地址0 x6 P A N A P R N P A P N P AP D F R e s e rv e d 0 12 3451 5 图 1 15 自协商扩展寄存器比特域定义 各比特位含义如下 比特 0 Link Partner Auto Negotiation Able 为 1 表示对方芯片有自协商能 力 为 0 表示对方芯片无自协商能力 比特 1 Page Received 为 1 表示收到新的一页信息 为0 表示没有收到 新的一页信息 此比特位在读取后会自动清零 比特 2 Next Page Able 为 1 表示芯片允许下一页功能 为0 表示芯片不 允许下一页功能 比特 3 Link Partner Next Page Able 为 1 表示对方芯片表示芯片允许下一 页功能 为0 表示对方芯片不允许下一页功能 比特 4 Parallel Detection Fault 为 1 表示在比自协商过程中出现错误 为 0 表示在自协商过程中没有出现错误 比特 5 15 Reserved 保留 自协商下一页传送寄存器 地址0 x7 其比特域定义如下 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 18 页 共 35 页 N PR s vMPA c k 2T o g Me s s a g e Un f o rma ttedC o d e Field 0 1 0 1 11 21 31 41 5 图 1 16 自协商下一页传送寄存器比特域定义 可以看出 除了比特14 外 寄存器的比特域的定义与下一页的信息编码是一 一对应的 比特 14 是应答域由硬件自己控制 所以寄存器中将此域保留为0 其它域的含义请见前面介绍 1 4 4 GE 自协商 1000BASE X的自动协商同100BASE T的自动协商操作基本相同 指示对其 中的内容进行修改 1000BASE X与100BASE T的自动协商的差别 100BASE T 自动协商1000BASE X 自动协商 指定用于使用 RJ 45 连接器的 UTP 电缆可工作于使用各种连接器的光纤及铜线上 使用快速链路脉冲突发序列交换信息使用普通 8B 10B 代码字交换信息 MII中定义控制状态 控制寄存器GMII 中在寄存器中增加相应位 MII定义的寄存器为0 10 GMII 中加入寄存器 15 基本页中定义一位用于对称流控功能基本页中定义两位用于对称与非对称流控 基本页中定义一位用于远端故障指示基本页中定义两位用于远端故障指示 在 1000BASE X的自动协商中PAUSE 功能的协商有相应的优先级表 PAUSE 优先级表 Local Device Link Partner Local Resolution Link Partner Resolution PAUSE ASM DIR PAUSE ASM DIR 0 0 x x Disable PAUSE Transmit and Receive Disable PAUSE Transmit and Receive 0 1 0 x Disable PAUSE Transmit and Receive Disable PAUSE Transmit and Receive 0 1 1 0 Disable PAUSE Transmit and Receive Disable PAUSE Transmit and Receive 0 1 1 1 Enable PAUSE transmit Disable PAUSE receive Enable PAUSE receive Disable PAUSE transmit 1 0 0 x Disable PAUSE Transmit and Receive Disable PAUSE Transmit and Receive 1 0 1 x Enable PAUSE Transmit and Receive Enable PAUSE Transmit and Receive 1 1 0 0 Disable PAUSE Transmit and Receive Disable PAUSE Transmit and Receive 1 1 0 1 Enable PAUSE receive Disable PAUSE transmit Enable PAUSE transmit Disable PAUSE receive 1 1 1 x Enable PAUSE Transmit and Receive Enable PAUSE Transmit and Receive 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 19 页 共 35 页 1 5 物理层芯片和 MAC 层芯片接口简介 PHY 和 MAC 之间的接口常用的有MII RMII SMII SS SMII GMII 和 TBI 下面将对这些接口逐个简介 1 5 1 MII 图 1 17 MII 接口信号定义图 MII Medium Independent Interface 媒质无关接口是一个18 针的信号接 口 数据穿越MII 的速率是每个时钟周期为一个半位元组 4bit 这样发送 接收时钟为100Mb s 数据率的1 4 而 MII 接口支持10 100M自适应 因此 时钟为 2 5MHz 10Mb s 或 25MHz 100Mb s MII 接口由发送和接收半 位元组 时钟 数据有效 错误报告 冲突检测 载波侦听和管理接口共18 根信号组成 MII 接口的最大传输距离为12Inch MII 发送信号有 发送时钟TCLK 发送数据TXD 0 3 发送使能TX EN 发送错误TX ERR 载波侦听CRS 冲突 COL 共 9 根信号 MII 接收信号有 接收时钟 RCLK 接收数据RXD 0 3 接收数据有效RX DV 接收错误RX ER 共 7 根信号 管理接口信号有 管理数据时钟MDC 和管理数据输入输出MDIO 管理接 口信号是标准的IIC 总线 总线上可以挂最多8 个器件 通过地址来区分 最 大数率可以达到3 4Mb s 其数据格式为 MDIO 数据格式 前导码歧视帧定界符操作码PHY地址寄存器地址转换位数据 32bits all ones 2bits 01 2bits 10 5bits 5bits 1bit 16bits 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 20 页 共 35 页 1 5 2 MDIO 管理寄存器 REG0 控制寄存器R W 可读 可写 REG1 状态RO 只读 REG2 3 PHY Identifier RO REG4 Auto Negotiation Advertisement R W REG5 Auto Negotiation Link Partner Base Page Ability RO REG6 Auto Negotiation Expansion RO REG7 Auto Negotiation Next Page Transmit R W REG8 Auto Negotiation Link Partner Receied Next Page RO REG9 MASTER SLAVE Control Register R W REG10 MASTER SLAVE Status Register RO REG11 14 Reserved 保留 REG15 Extended Status RO REG16 31 Vendor Speci c 厂家专用 1 5 3 RMII 由于最初定义的MII 接口的信号线比较多 为了减少芯片的尺寸出现简化的 MII 接口 RMII Reduced Media Independent Interface 接口 将接口的 总线减少到8 根 一根时钟REFCLK 发送数据 TXD 0 1 接收数据RXD 0 1 发送使能TXEN 接收错误指示RXER 和载体侦听CRS 其数据线只有2 根 参考时钟为50MHz 管理数据接口与MII 一样 图 1 18 RMII 接口信号定义图 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 21 页 共 35 页 1 5 4 SMII 为了进一步减少信号线 出现了 SMII Serial Media Independent Interface 串行媒质无关接口 其将接口总线进一步减少为4 根 其中一根时钟REFCLK 一根发送数据TXD 一根接收数据RXD 和一根同步信号SYNC 其接口时钟 位 125MHz 接口最大传输距离为6Inch 管理数据接口与MII 一样 图 1 19 SMII 接口 1 5 5 SS SMII 为 了 解 决SMII传 输 距 离 短 的 缺 陷 出 现 了SS SMII Source Synchronous Serial Media Independent Interface 源同步串行媒质无关接 口 它的接口参考时钟也是125MHz 发送数据也是只有一根TXD 接收数 据也是只有一根RXD 但是时钟信号收发分开TXCLK RXCLK 同步信号 也分开 TXSYNC RXSYNC 它的管理数据接口与MII 一样 图 1 20 SS SMII发送信号 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 22 页 共 35 页 图 1 21 SS SMII接收信号 1 5 6 GMII GMII Gigabit Media Independent Interface 千兆为媒质无关接口在MII 接 口基础上做了一定的修改 补充 与MII 接口不同 GMII 接口已经没有实际的 意义 它基本上只是一个板级接口 用于芯片与芯片 子板与母板的连接 GMII 接口的发送接收参考时钟TXCLK RXCLK 都是 125MHz 收发数据位 宽度 TXD 0 7 RXD 0 7 为 8bits 还有收发使能信号TXEN RXEN 和收发 错误指示TXER RXER 以及 PHY 芯片环回控制LOOPEN 图 1 22 GMII 接口 1 5 7 TBI TBI Ten Bit Interface 十位接口 它的收发数据位宽度为10bits 发送参考 时钟为 125MHz 接收参考时钟为两个相位差为180 的 62 5MHz 和 GMII 一样也有PHY 环回控制信号LOOPEN 还有一个信号监测LOSS 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 23 页 共 35 页 图 1 23 TBI 接口 2 以太网数据链路层 根据 IEEE 的定义 以太网的数据链路层又分为2 个子层 逻辑链路控制子层 LLC 和媒体访问控制子层 MAC 划分2 个子层的原因是 数据链路层实际是与物理层直接相关的 针对不同 的物理层需要有与之相配合的数据链路层 例如针对以太网 令牌环需要不 同的数据链路层 而这是不符合分层原则的 于是通过划分LLC 和 MAC 2 个子层 尽量提高链路层的独立性 方便技术实现 其中 MAC 子层与物理层直接相关 以太网的MAC 层和物理层都是在802 3 中定义的 LLC 子层则可以完全独立 在802 2 中定义 可适用于以太网 令牌环 WLAN 等各种标准 应 用 层 传 输 层 网 络 层 链 路 层 物 理 层 逻 辑 链 路 控 制 L L C 子 层 M A C 子 层 图 1 24 以太网数据链路层 MAC 子层处理CSMA CD算法 数据出错校验 成帧等 LLC 子层定义了一 些字段使上次协议能共享数据链路层 在实际使用中 LLC 子层并非必需的 2 1 以太网的帧格式 有两种主要的以太网帧类型 由RFC894定义的传统以太网 EthernetII 和 802 3 定义的以太网 最常使用的封装格式是RFC 894 定义的格式 下图显示了两种不同形式的封装格式 图中每个方框下面的数字是它们的字 节长度 EthernetII RFC894 帧结构如下 该帧包含了5 个域 前导码在此不作描 述 它们分别是 目的 MAC 地址 源 MAC 地址 类型 净荷 PAD FCS 目的 MAC地址源MAC 地址类型净荷PAD FCS Bytes 6 6 2 1500 4 图 1 25 EthernetII RFC894 帧结构 1 目的 MAC 地址 D A 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 24 页 共 35 页 包含 6 个字节 D A 标识了帧的目的地站点 D A 可以是单播地址 单个 目的地 或组播地址 组目的地 2 源 MAC 地址 S A 包含 6 个字节 S A 标识了发送帧的站 S A 通常是单播地址 即 第1 位 是 0 3 类型域包含2 个字节 类型域标识了在以太网上运行的客户端协议 使用类型域 单个以太网可以 向上复用 upward multiplex 不同的高层协议 I P I P X A p p l e Ta l k 等等 以太网控制器一般不去解释这个 但是使用它来确定所连接计算机上 的目的进程 本来类型域的值由X e r o x 公司定义 但在 1 9 9 7 年改由 I E E E 负责 例如 08 00 表示IP 81 37 表示NetWare 4 数据域 包 含4 6 1 5 0 0字节 数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息 由于 C S M A C D算法的限制 以太网帧必须不能小于某个最小长度 46 字节 高层协议要保证这个域至少包含4 6 字节 如果实际数据不足4 6 个字节 则高层协议必须填充到46 字节 填充数为 PAD 数据域长度的上限 是任意的 但已经被设置为1 5 0 0字节 1 5 0 0字节最大长度的真正原因 是 1 9 7 9年 1 0 M b s以太网正在设计之中 的内 存成本 以及低 成 本 的L A N控制器 的缓冲 区要求 5 帧效验序列 F C S 包含 4 个字节 F C S 是从 D A 开始到数据域结束这部分的校验和 校验和 的算法是3 2 位的循环冗余校验法 C R C 生成多项式是 G x x3 1 x2 6 x2 3 x2 2 x1 6 x1 2 x11 x1 0 x8 x7 x5 x4 x2 x1 1 F C S 域的传送方法是 第1 位是 x3 1 项的系数 而最后1 位是 x0 项的系 数 因此C R C 的各个位传输了 x3 1 x3 0 x1 X0 802 3 以太网帧 RFC1042 的结构与Ethernet II 的非常类似 如下图所示 目的 MAC地址源MAC地址长度LLC PAD CS Bytes 6 6 2 1500 4 图 1 26 802 3 以太网帧 RFC1042 结构 和 RFC894相比 类型域被长度域取代 这2 个字节在8 0 2 3 中被用来 指示数据域中有效数据的字节数 这两种格式也可以并存 如果该字段的值小于等于1500 则该帧为802 3 帧 该字段表示帧长 如果大于1500 则该帧为EthernetII 帧 该字段表示协议 类型 以太网标准和物理层 数据链路层专题文档密级 内部公开 2005 03 24 华为机密 未经许可不得扩散第 25 页 共 35 页 不同于 EthernetII 802 3 的以太网帧没有协议类型的定义 不能自动识别上 层协议 必须通过对LLC 头的定义来识别 根据 LLC 的定义不同 802 3 以太网帧又可以分为2 种类型 802 2 SNAP 和 802 2 SAP 在 802 2 SAP 中 引入了SAP 服务访问点 的概念 SAP 可完成协