以太网标准和物理层及数据链路层专题.doc

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以太网标准和物理层、数据链路层专题

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1  以太网标准  5

1.1  以太网标准  5

1.2  IEEE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

1.4  FE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

1.4.4  GE自协商  18

1.5  物理层芯片和MAC层芯片接口简介  19

1.5.1  MII  19

1.5.2  MDIO管理寄存器  20

1.5.3  RMII  20

1.5.4  SMII  21

1.5.5  SS－SMII  21

1.5.6  GMII  22

1.5.7  TBI  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

2.3  CSMA/CD算法  26

2.3.1  CSMA/CD发送过程  27

2.3.2  CSMA/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

2.5.2  PAUSE流控  34

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

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1-1 IEEE802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