以太网标准和物理层及数据链路层专题.docx
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以太网标准和物理层及数据链路层专题
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以太网标准和物理层、数据链路层专题
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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
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。
1.2IEEE标准
IEEE是电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）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IEEE802委员会，专门研究和指定有关局域网的各种标准。
IEEE802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。
802.9--综合话音/数据局域网（IVDLAN）。
定义综合话音/数据终端访问综合话音/数据局域网（包括IVDLAN、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。
图1-1IEEE802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：
CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）。
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）；
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。
IEEE802.3u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（IEEE802.3z）
1000BASE-SX
Duplexmultimodefibers
千兆双工多模光纤
1000BASE-LX
Duplexsinglemodefibers
千兆双工单模光纤
1000BASE-CX
Twopairsofspecializedbalancedcabling
（千兆）两对特殊平衡线缆
1000BASE-T（IEEE802.3ab）
AdvancedmultilevelsignalingoverfourpairsofCategory5balancedcoppercabling
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。
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IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause10.）
10BASE5:
采用粗同轴电缆接口的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause8.）
10BASE-F:
采用光纤电缆接口的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause15.）
10BASE-T:
采用电话双绞线的IEEE802.310Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause14.）
100BASE-FX:
采用两个光纤的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clauses24and26.）
100BASE-T2:
采用两对3类线或更好的平衡线缆的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause32.）
100BASE-T4:
采用四对3、4、5类线非屏蔽双绞线的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause23.）
100BASE-TX:
采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE802.3100Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clauses24and25.）
1000BASE-CX:
1000BASE-X在特制的屏蔽电缆传输的接口规格（参见IEEE802.3Clause39.）
1000BASE-LX:
1000BASE-X采用单模或多模长波激光器的规格（参见IEEE802.3Clause38.）
1000BASE-SX:
1000BASE-X采用多模短波激光器的规格（参见IEEE802.3Clause38.）
1000BASE-T:
采用四对五类平衡电缆的1000Mb/s物理层规格（参见IEEE802.3Clause40.）
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。
图1-3RJ－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1-4RJ－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（StraightThroughCable）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
标准中交叉网线（CrossOverCable）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1-5MDI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1-6MDI－X接口PIN定义
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（GigabitInterfaceConverter）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1-7GBIC封装光模块
下图为SFP（SmallForm－factorPluggable）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。
图1-8SFP封装光模块
1.4FE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（linkintegritytestpulsesequence）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IEEE802.3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
10MFD
10MHD
10MHD
10MHD
100MFD
100MHD
100MHD
100MHD
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。
图1-9单一快速连接脉冲（FLP）的波形
图1-10连续的快速连接脉冲（FLP）和普通连接脉冲（NLP）的波形
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。
图1-11基本页的信息编码图
选择域（SelectorField）
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
Selectordescription
0
0
0
0
0
ReservedforfutureAuto-Negotiationdevelopment
0
0
0
0
1
IEEEStd802.3
0
0
0
1
0
IEEEStd802.9ISLAN-16T
1
1
1
1
1
ReseervedforfutureAuto-Negotiationdevelopment
技术能力域（TechnologyAbilityField）
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IEEE802.3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
Minimumcablingrequirement
A0
10BASE-T
Two-pairCategory3
A1
10BASE-TFULLDUPLEX
Two-pairCategory3
A2
100BASE-TX
Two-pairCategory5
A3
100BASE-TXFULLDUPLEX
Two-pairCategory5
A4
100BASE-T4
Four-pairCategory3
A[5:
7]
Reservedforfururetechnology
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IEEE802.3所支持的五种模式。
1.100BASE-TXfullduplex
2.100BASE-T4
3.100BASE-TX
4.10BASE-Tfullduplex
5.10BASE-T
远程错误（RemoteFault）
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（NextPage）
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（MessageCodeField）
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。
（2）非格式化域（UformattedCodeField）
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（MessagePage）
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（NextPage）
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0x4）、自协商能力寄存器（地址0x5）、自协商扩展寄存器（地址0x6）、自协商下一页传送寄存器（地址0x7）。
下面一一介绍它们。
自协商公告寄存器（地址0x4）
自协商公告寄存器的域定义如下图所示：
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0x5）
自协商能力寄存器的域定义如下图所示。
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0x08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0x6）
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：
（LinkPartnerAuto-NegotiationAble）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：
（PageReceived）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：
（NextPageAble）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：
（LinkPartnerNextPageAble）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：
（ParallelDetectionFault）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）
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