(完整版)以太网标准和物理层及数据链路层专题

1、资料编码使用对象编写部门产品名称产品版本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：内部公开修订记录日期修订版本作者描述2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 2页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开目录1 以太网标准.51.1以太网标准 .51.2IEEE标准 .51.3物理层 . .81.3.1以太网接口类型 .81.3.2电口 .81.3.3光口 .111.4FE 自协商 .121.4.1自协商技术的功能规范.131.4.2自

2、协商技术中的信息编码 .141.4.3自协商功能的寄存器控制 .161.4.4GE 自协商 .181.5物理层芯片和MAC 层芯片接口简介 .191.5.1MII .191.5.2MDIO管理寄存器 .201.5.3RMII .201.5.4SMII .211.5.5SS SMII .211.5.6GMII .221.5.7TBI .222 以太网数据链路层 .232.1以太网的帧格式 .232.2以太网的 MAC 地址 .252.3CSMA/CD 算法 .262.3.1CSMA/CD发送过程 .272.3.2CSMA/CD如何接收 .282.4半双工以太网的限制 .312.5以太网流量控制

3、.342.5.1反压（ Backpressure）. 342.5.2PAUSE 流控 .342020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 3页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开关键词：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。2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 4页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开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)

4、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。IEEE802 委员会由6 个分委员会组成，其

5、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，

6、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。2020-05-12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、数据链路层专题文档密级：内部公开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

7、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ISO8802-18802-6。他们的组成和作用示意图如图1-1。888802.2 LLC 控 制000222802.1桥路转换.1110802.3802.4802.580

8、2.6802.9总安管揽媒 体媒 体媒 体媒 体媒 体全和理接 入接 入接 入接 入接 入构架物理层物理层物理层物理层物理层802.7宽带标准802.8光纤标准图 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 Mu

9、ltiple 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 )；2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 6页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开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

10、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

11、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 02n 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1000BASE-X1000BASE-SXDuplex multimode fibers1000BASE-LXDup

12、lex single mode fibers（IEEE1000BASE-CXTwo pairs of specialized balanced cabling802.3z)1000BASE-T（IEEE 802.3ab ） Advanced multilevel signaling over four pairsof Category 5 balanced copper cabling中文含义千兆双工多模光纤千兆双工单模光纤（千兆）两对特殊平衡线缆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

13、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；2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 7页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开通过 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

14、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

15、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 Clauses24 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 802.3Clause 32.)100BASE-T4:采用四对 3、4 、5类线非屏蔽双绞线的 IEEE 802.3 100 M

16、b/s物理层规格 ( 参见 IEEE 802.3Clause 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 IEEE802.3 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

17、 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

18、 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。2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 8页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开图 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， 1000BA

19、SE-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11发送white-orange双绞线22orange33接收white-green双绞线6

20、6green44双向blue双绞线55white-blue77双向white-brown双绞线88brown2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第 9页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开标准中交叉网线（ 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13发送white-orange双绞线26orange31接收white-green双绞线62green44双向blue双绞

21、线55white-blue77双向white-brown双绞线88brown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2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第10 页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开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

22、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

23、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。2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第11 页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开图 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

24、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

25、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：于只有一方支持自协商的情况，根据（ FD 表示全双工， HD 表示半双工） 。对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自协商设备的自协商结果100M ，全双工10M FD10M HD10M HD10M HD2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第12

26、页,共35页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开100M FD100M HD100M HD100M HD1.4.1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T

27、3T2T1 时间首位脉冲数据位1101编码D0D1D2D3T1 ： 100nsT2： 62.5usT3 ： 125us图 1-9单一快速连接脉冲（FLP ）的波形T5T4FLP BurstNLPsT4：2msT5： 16ms图 1-10连续的快速连接脉冲（FLP ）和普通连接脉冲（NLP ）的波形2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第13 页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开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。

28、基本页的信息编码可由下图表示。D0D1 D2 D3 D4 D5D6 D7 D8 D9 D10 D11D12 D13D14D15S0 S1 S2 S3 S4 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 RF Ack NPSelector FieldTechnolodgy Ability Field图 1-11基本页的信息编码图选择域（ Selector Field）S0:4 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S4S3S2S1S0Selector description00000Reserved

29、for future Auto-Negotiation development00001IEEE Std 802.300010IEEE Std 802.9 ISLAN-16T11111Reseerved for future Auto-Negotiation development技术能力域（Technology Ability Field）A0:7 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BitTechnologyMinimum cabling require

30、mentA010BASE-TTwo-pair Category 3A110BASE-T FULL DUPLEXTwo-pair Category 3A2100BASE-TXTwo-pair Category 5A3100BASE-TX FULL DUPLEXTwo-pair Category 5A4100BASE-T4Four-pair Category 3A5:7Reserved 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-

31、TX full duplex2.100BASE-T43.100BASE-TX4.10BASE-T full duplex2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第14 页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开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

32、 ）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

33、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。2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第15 页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开（ 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，

34、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

35、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PRsvRFTechnology Ability FieldSelector Field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

36、。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 ）2020-05-12华为机密，未经许可不得扩散第16 页 , 共35 页以太网标准和物理层、数据链路层专题文档密级：内部公开自协商能力寄存器的域定义如下图所示PAckRFTechnology Ability FieldSelector Field寄存器是基本页的域定义格式1514131211100NPRsvMPAck2 TogMessage/Unformatted Code Field寄存器是下一页的域定义格式图 1-14 自协商能力寄存器的域定义图此寄存器的