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2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第1页AN1120简介本文档详细说明了在集成以太网的PICMCU以及独立以太网控制器中采用的以太网技术的工作原理.
表1列出了以太网技术的相关缩写/术语及定义.
应用以太网是一种异步载波侦听多路访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetect,CSMA/CD)协议/接口,有效负载大小为46-1500个八位字节,数据速率高达几十到几百兆位/秒,通常不太适合低功耗应用.
但是,凭借大范围部署、互联网连接、高数据速率和无限的可扩展性,以太网几乎可以满足所有有线通信的需求.
可能的应用包括:远程检测和监视远程命令、控制和固件更新批量数据传输实时流音频、视频和媒体公共数据采集(日期/时间、股票报价和新闻发布等)工作原理以太网是由IEEE802.
3规范定义的数据链路层和物理层协议,按照最大比特率、传输模式和物理传输介质分为多种类型.
最大比特率(Mbps):10、100和1000等.
传输模式:宽带和基带物理传输介质:同轴线缆、光纤和UTP等作者:M.
SimmonsMicrochipTechnologyInc.
表1:以太网术语表术语定义CRC循环冗余校验:一种校验和算法,用于计算所有以太网帧的FCS以及对接收数据包进行哈希表过滤的哈希表密钥.
DA目标地址:以太网帧的目标地址字段,共6个八位字节.
ESD流结束分隔符:在100Mbps模式中,通过在FCS之后(帧间隔期间)传输ESD来表示帧结束.
FCS帧校验序列:以太网帧末尾的4个八位字节字段,其中包含该帧的错误检测校验和.

IPInternet协议:指IPv4或IPv6.
LAN局域网或大型区域网络.
MAC介质访问控制:负责实现以太网规范的介质访问控制功能的模块.
MAC地址6个八位字节的标识,代表以太网节点的物理地址.
每个以太网帧都包含源地址和目标地址,两者都是MAC地址.
MDI介质相关接口或管理数据输入.
MDO管理数据输出.
MDIO管理数据输入/输出.
MII介质无关接口:MAC和PHY之间的标准4位接口,用于传输TX和RX帧数据.
在10Mbps模式下,MII以2.
5MHz运行;在100Mbps模式下,MII以25MHz运行.
MIIMMII管理:用于访问PHY寄存器的MII边带信号集.
以太网工作原理AN1120DS01120A_CN第2页2020MicrochipTechnologyInc.
OUI组织惟一标识符:MAC地址的前三个八位字节称为OUI,通常分配给组织或公司.
Microchip的OUI为00-04-A3h.
八位字节在以太网术语中,表示一个8位字节.
数据包缓冲区存储所有发送和接收数据包(帧)的物理或虚拟存储器.
PHY实现以太网物理层的模块.
RAM随机访问存储器(通常为易失性存储器).
接收缓冲区数据包缓冲区的逻辑部分,用于存储接收到的数据包.
RX接收.
SA源地址:以太网帧的源地址字段,共6个八位字节.
SFD帧起始分隔符:以太网帧中用于标记帧起始的单个八位字节字段.
SPI串行外设接口.
SSD流起始分隔符:在100Mbps以太网中,前导码的第一个八位字节称为SSD,其编码方式与前导码的其余部分不同.
站地址站地址是以太网节点的MAC地址.
通常将该地址与接收到的以太网帧中的目标地址进行比较,以确定是否应接收该帧.
在发送端,通常将该地址作为以太网帧的源地址发送.

发送缓冲区数据包缓冲区的逻辑部分,用于存储要发送的数据包.
TX发送.
RMII精简的介质无关接口:MII的2位版本.
SMII串行介质无关接口:MII的1位版本.
NRZI不归零反相:二进制代码,信号跳变表示逻辑1,无跳变表示逻辑0.
表1:以太网术语表(续)术语定义2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第3页AN1120协议栈要了解以太网的作用,最简单的方法是查看协议栈,其中以分层方法描述了一个完整的协议或一组协议(见图1).
帧/数据包封装要了解以太网的工作方式,首先需要了解数据包封装的概念,以及协议栈如何适应这一概念.
协议栈的每一层负责一种特定级别的功能.
例如,物理层参与位在介质中的实际电传输.
模型中的每个上层都以某种独立的方式使用下层(这意味着各层的功能之间极少甚至没有重叠).
这种分层方法是通过封装来实现的.
图2所示的示例可以完美地诠释这一概念.
该示例显示了与Web浏览器会话关联的每一层如何映射到协议栈模型.
从应用层开始,Web浏览器将使用应用特定的命令生成HTTP请求.
该请求随后将向下传递到TCP层,这将构造一个由TCP报头和TCP数据组成的TCP数据包.
TCP报头包含TCP协议的特定信息,例如数据包排序信息、校验和信息以及源端口号和目标端口号(HTTP的端口号通常为80).
在IP协议级别,将构建一个IP数据报来保存TCP数据包.
与TCP数据包类似,IP数据报由IP报头和IP数据组成.
IP报头包含诸如服务类型、校验和信息、协议类型(对于TCP为06h)以及源IP地址和目标IP地址等信息.
IP数据报的数据字段包含要发送的完整TCP数据包.
在数据链路/物理层,IP数据报使用IEEE802.
3协议在网络中传输.
MAC(IEEE802.
3)帧由MAC报头和MAC有效负载(数据)组成.
MAC报头包含MAC帧的相关信息,例如源MAC地址、目标MAC地址和帧长度.
有效负载字段包含要传输的完整IP数据报.
请注意,封装在每个协议中的地址是不同的,彼此之间通常没有固定的关系.
在我们的示例中,TCP数据包使用端口号,该端口号通常基于应用层协议进行分配(例如,HTTP对应端口80).
IP数据报使用IP地址,该地址是从可用Internet地址池中以静态或动态的方式分配.
MAC帧使用MAC地址,该地址分配给特定的硬件部分.
图1:Internet协议栈注1:在本文档中,"MAC帧"、"以太网帧"和"IEEE802.
3帧"这三个术语可互换使用.
2:"数据包"、"帧"和"数据报"这三个术语经常互换使用,它们分别应用于特定的协议,例如IEEE802.
3帧、TCP数据包或IP数据报.
UDPTCPICMPIPARP以太网传输层网络层数据链路层NBNSSNTPDNSSNMPDHCPTelnetSMTPHTTPFTP应用层物理层AN1120DS01120A_CN第4页2020MicrochipTechnologyInc.
图2:数据封装示例应用层协议应用层提供用户接口.
在某些较低层协议(UDP或TCP,参见传输层协议部分)之上使用应用层协议时,通常会为后者分配一个端口号.
例如,HTTP服务器通常与端口80相关联.
以下是与Internet相关联的常见应用层协议:超文本传输协议(HyperTextTransferProtocol,HTTP):主要用于传输与万维网浏览相关的数据.
简单邮件传输协议(SimpleMailTransferProtocol,SMTP):用于在Internet上传输电子邮件.
文件传输协议(FileTransferProtocol,FTP):用于在Internet上传输文件或其他数据部分.
域名系统(DomainNameSystem,DNS):用于将域名(如"microchip.
com")转换为IP地址.
动态主机配置协议(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP):用于将可用IP地址池中的IP地址动态分配给特定节点.
Telnet:用于与节点建立交互式TCP连接.
简单网络时间协议(SimpleNetworkTimeProtocol,SNTP):用于允许节点将其时钟与参考时钟同步.
简单网络管理协议(SimpleNetworkManagementProtocol,SNMP):用于监视联网设备是否存在需要干预的情况,如故障等.
传输层协议传输层负责隐藏上面几层中与网络相关的详细信息,包括传输地址到网络地址的转换、排序和错误检测/恢复等.
在IP协议之上使用传输层协议时,通常会为后者分配一个IP协议编号.
以下是与Internet相关联的常见传输层协议:传输控制协议(TransmissionControlProtocol,TCP):为应用提供可靠的通信.
用户数据报协议(UserDatagramProtocol,UDP)为应用提供高性能但不可靠的通信.
Internet控制报文协议(InternetControlMessageProtocol,ICMP):用于发送网络和/或节点错误或状态报文.
TCPIP以太网HTTP浏览器/操作系统TCPIP以太网MAC/PHY(MAC地址)TCP报头TCP数据IP报头IP数据IEEE802.
3报头IEEE802.
3数据(有效负载)(端口号)(IP地址)2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第5页AN1120网络层协议网络层决定报文在网络中的路由方式,包括服务质量(QualityofService,QoS)服务以及传输层网络地址配置等.
在以太网之上使用网络层协议时,通常会为后者分配一个"EtherType",更多信息将在以太网帧格式部分详细讨论.
以下是与Internet相关联的常见网络层协议:地址解析协议(AddressResolutionProtocol,ARP):用于将协议地址转换为硬件接口地址,例如将IP地址转换为MAC地址.
反向地址解析协议(ReverseAddressResolutionProtocol,RARP):用于将硬件接口地址转换为协议地址,例如将MAC地址转换为IP地址.
Internet协议(InternetProtocol,IP):TCP和UDP等使用的无连接网络层协议.
物理/数据链路层协议物理层在物理连接上以透明方式发送比特流,包括编码、多路复用、同步、时钟恢复和序列化等.
数据链路层以无错方式传输帧(块),包括帧排序和帧流控制等.
以太网是最常见的物理/数据链路层协议之一,也是本应用笔记剩余部分的主题.
物理介质概述如前文所述,以太网可按传输帧的物理介质来定义.
下面汇总了一些比较常见的介质:1Mbps-1Base5:2条双绞电话线10Mbps-10Broad36:1条宽带线缆-10Base2:RG58同轴线缆-10Base5:1条同轴线缆-10Base-F:1条光纤-10Base-T:2对UTPCAT3或更高规格,全双工100Mbps-100Base-FX:2条光纤,全双工-100Base-T2:2对UTPCAT3或更高规格,全双工-100Base-T4:4对UTPCAT3或更高规格,全双工-100Base-TX:2对UTPCAT5或更高规格,全双工1Gbps-1000Base-CX:铜跳线-1000Base-LX:长波长多模/单模光纤-1000Base-SX:短波长多模光纤-1000Base-T:4对CAT5e、CAT6或更高规格注1:UTP——非屏蔽双绞线2:CAT3线和铜电话线本质上是可互换的.
AN1120DS01120A_CN第6页2020MicrochipTechnologyInc.
以太网规范以太网规范(IEEE802.
3)在最近几年一直在不断发展,现已纳入更高的传输速率以及新的功能.
表4列出了最常用的规范补充资料.
以太网帧格式基本的10/100以太网帧由以下字段组成,如图3所示.
前导码:7个八位字节(均为55h).
在100Mbps操作中,第一个八位字节经4B/5B编码为/J/K/(稍后将详细说明具体含义),称为流起始分隔符(Start-of-StreamDelimiter,SSD).
前导码的作用是允许接收器在实际帧到达之前锁定数据流.
帧起始分隔符(Start-of-FrameDelimiter,SFD):10101011b(如物理介质上所示).
SFD有时被视为前导码的一部分.
这就是为什么前导码有时被描述为8个八位字节的原因.
目标地址(DestinationAddress,DA):目标硬件的MAC地址,共6个八位字节.
有关多播和广播寻址的信息,请参见MAC地址部分.
源地址(SourceAddress,SA):源硬件的MAC地址,共6个八位字节.
长度/类型:该字段为2个八位字节,如果值1500(十进制),则表示有效负载中的八位字节数.
如果值1536,则表示EtherType(有效负载类型).
以下是最常用的EtherType值:IPv4=0800hIPv6=86DDhARP=0806hRARP=8035h有效负载(客户端数据):IP数据报等客户端数据.
最小有效负载为46个八位字节;最大有效负载为1500个八位字节.
尽管低于或高于这些限值的有效负载不符合IEEE802.
3规范,但不同的供应商可为这些有效负载提供不同的支持.
有关该主题的进一步讨论,请参见帧大小部分.
填充:由于最小有效负载大小为46个八位字节,因此不足46个八位字节的有效负载必须通过插入填充八位字节来达到该最小值.
帧校验序列(FrameCheckSequence,FCS):使用32位循环冗余校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)基于源地址、目标地址、长度/类型、数据和填充字段来计算4个八位字节的FCS字段的值.
流结束分隔符(End-of-StreamDelimiter,ESD):在100Mbps模式中,通过PHY在FCS之后发送/T/R/符号对(在帧间隔期间)来表示帧结束.
在10Mbps模式中,通过特殊的TP_IDL信号(本文稍后讨论)和网络静默来表示帧结束.
与100Base-T中的/T/R/符号对相同,该特殊TP_IDL标记不被视为帧数据的一部分.
图3:基本帧格式除了上述基本帧之外,10/100以太网中还有两种其他常见的帧类型:控制帧和VLAN标记帧.
图4对三种常见的10/100帧格式和千兆位以太网帧格式进行了比较.
注:MAC帧按"八位字节"(一个八位字节=8个位)枚举.
10/100IEEE802.
3帧7个八位字节前导码1个八位字节帧起始分隔符(SFD)6个八位字节目标地址(DA)6个八位字节源地址(SA)2个八位字节长度(1500)类型(1536)46个八位字节至1500个八位字节客户端数据(有效负载)填充(如有必要)4个八位字节帧校验序列(FCS)2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第7页AN1120图4:常见的以太网帧类型10/100数据帧10/100控制帧10/100VLAN帧千兆位数据帧7个八位字节前导码前导码前导码前导码1个八位字节帧起始分隔符(SFD)帧起始分隔符(SFD)帧起始分隔符(SFD)帧起始分隔符(SFD)6个八位字节目标地址(DA)目标地址(DA)目标地址(DA)目标地址(DA)6个八位字节源地址(SA)源地址(SA)源地址(SA)源地址(SA)2个八位字节长度(1500)类型(1536)8808h8100h长度(1500)类型(1536)2个八位字节标记控制信息2个八位字节长度(1500)类型(1536)46个八位字节至1500个八位字节客户端数据(有效负载)控制操作码(2个八位字节)客户端数据(有效负载)客户端数据(有效负载)控制参数(2个八位字节)填充(如有必要)00h(42个八位字节)填充(如有必要)填充(如有必要)4个八位字节帧校验序列(FCS)帧校验序列(FCS)帧校验序列(FCS)帧校验序列(FCS)0个八位字节至448个八位字节载波扩展AN1120DS01120A_CN第8页2020MicrochipTechnologyInc.
帧大小在讨论IEEE802.
3帧大小时,通常不包括前导码/SFD.
因此,基本帧或控制帧的最小和最大允许大小分别为64个八位字节和1518个八位字节.
相反,VLAN标记帧的最大大小(在VLAN标记帧部分介绍)定义为1522个八位字节.
低于64个八位字节限值的帧通常称为"超短帧",而高于1518个八位字节限值的帧通常称为"超长帧"或"巨型帧".
术语"巨型帧"是指10/100Base-T中高于1518个八位字节的帧和千兆位以太网中高于9000个八位字节的帧.
术语"小巨型帧"有时用于指长度超过6000个八位字节的帧.
在某些文献中,术语"帧大小"仅指帧的有效负载.
因此,术语"巨型帧"普遍被定义为高于1500个八位字节的帧.
控制帧EtherType值为8808h的以太网帧被指定为MAC控制帧,并用于控制链路上的帧流.
可选择在以太网节点中实现MAC控制功能.
MAC控制帧有效负载中的前两个八位字节包含操作码.
目前,惟一的标准控制帧为暂停帧,它包含操作码和目标地址,如下所示:操作码:0001h地址:01-80-c2-00-00-01(多播)暂停帧会请求链路另一端的站点停止传输一段时间(由操作码后的2个八位字节的暂停时间指定).
一个暂停"份额"等于512个位时间.
传输暂停时间值为0000h的暂停帧意味着取消任何现有的有效暂停.
VLAN标记帧虚拟局域网(VirtualLocalAreaNetwork,VLAN)标记用于将附加信息(称为标记控制信息)添加到帧中,以允许创建由逻辑拓扑(而不是物理拓扑)定义的网络.
MAC地址MAC地址是每个以太网硬件惟一的48位(6个八位字节)标识.
它由一个24位的组织惟一标识符(OrganizationallyUniqueIdentifier,OUI)和一个24位的硬件标识符组成,如图5所示.
OUI由IEEE分配给特定的公司或组织(Microchip的OUI是00-04-A3h),而硬件ID则由该特定OUI的所有者分配.
对于最多需要4096个MAC地址的个人,可以购买个人地址块(IndividualAddressBlock,IAB).
IAB由保留的OUI(归IEEE所有)加上12位的保留硬件标识符组成,其中的12位硬件标识符可供购买者使用,共有4096个惟一MAC地址.
MAC地址八位字节先发送高字节(第一个八位字节开始),每个字节先发送最低有效位(LeastSignificantbit,LSb).
当MAC地址的第一个八位字节中的最低有效位被设为多播地址时,可以用于一个或多个节点.
例如,地址为01-80-c2-00-00-01的暂停帧被视为多播数据包.
MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF是广播地址,用于所有节点.
图5:MAC地址OUI硬件ID八位字节1八位字节2八位字节3八位字节4八位字节5八位字节6.
MSbLSb0:单播地址1:多播/广播地址0:制造商分配的地址1:本地分配的地址示例:Microchip拥有的MAC地址.
OUI硬件ID八位字节1八位字节2八位字节3八位字节4八位字节5八位字节60004A30000012020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第9页AN1120流构建/解构现在,我们将基于前文所述的协议层模型和帧封装内容来讨论以太网MAC和PHY的功能.
图6给出了100Mbps时PHY和MAC层的IEEE802.
3定义.
从该图中可得出一条重要信息,即以太网PHY和MAC的功能以及各自的接口均由IEEE802.
3规范定义.
传输介质的物理接口称为MDI,它会根据使用的介质(双绞线和光纤等)而变化.
PHY和MAC之间的接口称为MII,由接收路径、发送路径和管理路径组成,用于读取和写入PHY寄存器.
接收路径和发送路径的宽度相同,由MAC和PHY的实现速度决定,如下所示:10Mbps:2.
5MHz时的宽度为4位100Mbps:25MHz时的宽度为4位图6:IEEE802.
3100Mbps层定义调和层:将物理状态(载波丢失和冲突等)映射到MAC层.
介质无关接口(MII)(可选):为PHY提供n位发送/接收接口.
物理编码子层(PhysicalCodingSublayer,PCS):传出符号流的编码、多路复用和同步(4B/5B编码等).
物理介质连接(PhysicalMediumAttachment,PMA):信号发送器/接收器(符号流的序列化/反序列化以及时钟恢复等).
自动协商(可选):通过协商选择两个主机均支持的最高模式.
介质相关接口/物理介质相关(MediumDependentInterface/PhysicalMediaDependent,MDI/PMD):RJ45等.
介质:UTP和光纤等.
注:此外,还定义了精简MII(ReducedMII,RMII)和串行MII(SerialMII,SMII)接口,宽度分别为2位和1位.
上层协议介质访问控制(MAC)客户端介质访问控制(MAC)调和层介质无关接口(MII)物理编码子层(PCS)物理介质连接(PMA)自动协商(可选)介质相关接口/物理介质相关(MDI/PMD)介质IEEE802.
3层MACPHY(可选)AN1120DS01120A_CN第10页2020MicrochipTechnologyInc.
图7:流解构(RX)图8:流构建(TX)IEEE802.
3PHYIEEE802.
3MAC数据包缓冲区(1)至上层协议栈(TCP/IP)前导码下一个数据包地址指针(2)帧起始分隔符(SFD)接收状态向量(RSV)(2)目标地址(DA)目标地址(DA)目标地址(DA)源地址(SA)源地址(SA)源地址(SA)长度(1500)类型(1536)长度(1500)类型(1536)长度(1500)类型(1536)客户端数据(有效负载)客户端数据(有效负载)客户端数据(有效负载)填充(如有必要)填充(如有必要)填充(如有必要)帧校验序列(FCS)帧校验序列(FCS)帧校验序列(FCS)注1:MicrochipENC系列以外的器件可能以不同的方式实现数据包缓冲区的概念.
2:这两个字段提供除标准IEE802.
3帧之外的其他信息.
来自上层协议栈(TCP/IP)数据包缓冲区(1)IEEE802.
3MACIEEE802.
3PHY前导码帧起始分隔符(SFD)目标地址(DA)目标地址(DA)目标地址(DA)源地址(SA)(2)源地址(SA)源地址(SA)长度(1500)类型(1536)长度(1500)类型(1536)长度(1500)类型(1536)客户端数据(有效负载)客户端数据(有效负载)客户端数据(有效负载)填充(如有必要)(可选)填充(如有必要)填充(如有必要)帧校验序列(FCS)(可选)帧校验序列(FCS)帧校验序列(FCS)注1:MicrochipENC系列以外的器件可能以不同的方式实现数据包缓冲区的概念.
2:某些Microchip器件能够将源地址自动插入所有传出帧.
在这种情况下,没有必要将源地址存储在数据包缓冲区中.

2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第11页AN1120流时序到目前为止,我们已经讨论了如何组装数据和将其分解为数据包,以及MAC和PHY在此过程中的作用.
剩下的就是构建的流在物理介质上的实际传输.
在我们了解IEEE802.
3帧的时序之前,我们必须了解时序背后的原因.
载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)最初,以太网被设计为一种在共享介质上运行的协议,如图9所示.
在这种拓扑中,总线上的所有节点都可以平等地访问总线,但是一次只有一个节点可以进行发送并且采用半双工的形式.
如果多个节点同时传输,则会导致介质上的数据混乱,进而丢失数据.
从这个简单的例子中,我们可以得出网络协议的一些基本要求:必须支持多个节点在共享介质上发送数据(多重访问).
每个节点必须能够检测另一个节点何时进行发送(载波侦听).
在多个节点将介质视为空闲并同时开始发送的情况下,传输节点必须能够确定何时发生同时发送(冲突检测).
当检测到冲突时,每个节点都必须通过某种方法确定何时重新发送,避免各节点再次同时尝试重新发送(后退).
以太网中使用称为载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的方案来满足这些要求.

在以太网节点开始发送之前,它必须先确定介质是处于工作状态还是空闲状态(载波侦听).
如果介质处于工作状态,则该节点必须先等待介质变为空闲状态,并且再等待一段预先确定的时间,之后才能开始发送.
这段预先确定的时间称为包间隔(Inter-PacketGap,IPG),也称为帧间隔(Inter-FrameGap,IFG),时长取决于总线的速度,如表2所示.
IPG用作帧之间的恢复时间,以便让节点准备好接收下一个帧.
但是,如果有多个节点在等待介质变为空闲状态,则一旦介质变为空闲状态,这些节点几乎可以同时开始发送.
因此,所有节点还必须能够检测这些冲突(冲突检测).
如果尝试在空闲介质上进行发送的两个节点位于介质两端,并且其中一个节点在发现介质上另一节点发送之前便已开始发送,则会发生最坏的情况.
例如,我们假设图9中的节点1和节点4要进行发送.
节点1开始传输时,其数据需要经过一段时间才能通过介质向下传播到节点4.
而节点4开始发送时还尚未发现来自节点1的数据.
在这种情况下,节点4将立即检测到介质上的冲突,并将一种称为干扰信号的特殊模式发送到介质上.
该干扰信号必须立即返回到节点1,然后通过将其发送的数据与接收的数据进行比较来检测是否发生了冲突.
这适用于10Base2、10Base5和10Base-F节点,这些节点共用一个公共介质.
图9:共用总线拓扑(10Base2)表2:关键以太网时序参数位时间IPG时间时隙网络直径(无中继器)网络直径(带中继器)10BASE-T100ns9.
6s512个位时间=51.
2s100m2500m100BASE-TX10ns960ns512个位时间=5.
12s100m205m节点1节点3节点2节点4AN1120DS01120A_CN第12页2020MicrochipTechnologyInc.
这意味着大约需要两倍于网络信号传播的时间才能确保介质上的所有节点均能够检测到冲突.
该时间称为冲突窗口或时隙.
表2列出了各种速度下的时隙.
我们所描述的情况称为"窗口内"冲突,因为是在时隙内检测到的.
但是,如果网络的大小大于网络直径,则可能发生"窗口外"或"迟"冲突.
迟冲突不像窗口内冲突那样被视为发送错误,而是被视为网络拓扑本身的问题.
与窗口内冲突不同,迟冲突不在以太网的物理/数据链路层处理,而是必须由应用软件检测和处理.
基于以上示例可以看出,冲突窗口等于帧的最小大小.
但是,增加帧的大小会影响从冲突中恢复的时间.
为此,IEEE802.
3规范的原作者想出了折衷的办法,他提出了针对10Base-T和100Base-T以太网的"合理"冲突窗口(在表2中称为"网络直径"),然后设置最小帧大小以匹配所选网络直径.
这样,运行速度为1000Mbps的千兆位以太网的网络直径自然而然就是100Base-T的1/10.
但是,实际上这将导致大约20m的网络直径无法使用.
千兆位以太网通过在帧的末尾添加位来扩展帧大小(称为"载波扩展"),以形成4096位的有效最小帧长度.
这样会使网络直径与100Base-T大致相同.
由于100Base-T的传输速率是10Base-T的10倍,因此传输一个帧所需的时间是10Base-T的1/10.
反过来,这意味着时隙从10Base-T的约50s缩短到100Base-T的约5s.
因此,网络直径从2500m缩小到约200m.
请注意,半双工可用于不使用共享总线拓扑的拓扑,例如点对点连接(图10).
在这种情况下,一个节点的TX线/RX线连接到另一节点的RX线/TX线.
因此,每个节点都可以在发送时轻松地在其RX端口上查找数据,这样很容易检测到冲突.
如果在发送期间接收到任何数据,则连接的节点一定也在发送并因此发生了冲突.
这适用于10Base-T以及所有100Mbps和千兆位以太网节点.
对网络协议的最后一项要求是提供一种方法让各个节点能够确定何时重新发送.
如果各个节点同时尝试重新发送,则将无限期地继续发生冲突.
为此,以太网实现了所谓的二进制指数后退算法,其工作原理如下:1.
每个节点在第一次尝试重新发送之前均选择一个随机延时(范围为0到1).
2.
如果发生另一个冲突,则每个节点都会将随机延时的范围加倍(当前范围为0到3),然后再次选择一个随机延时.
3.
重复执行上述过程(范围为0到7、0到15等),直到不再发生冲突或已尝试10次为止.
此时,每个节点的定义范围将为0到1023.
这样,每尝试一次,后退时间范围都会呈指数增长,因此发生冲突的概率会迅速降低.
4.
继续尝试重新发送6次(共16次).
如果节点在重新发送时仍不成功,则将丢弃帧,并会报告过多冲突错误.
随后,应用软件必须检测到帧丢弃,并根据需要尝试重新发送丢弃的帧.
2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第13页AN1120全双工操作早期的以太网网络是使用共享介质和所需的CSMA/CD来实现的,而现代的以太网网络大多采用点对点(图10)或星形拓扑(图11,可视为大量的点对点连接)配置.
在任一配置中,由于每个节点最多连接一个其他节点,因此每个节点都可以全双工模式工作.
使用点对点/全双工配置时,不可能发生冲突,因此不使用CSMA/CD.
每个节点都可随时进行发送,但每次发送仍受到包间隔的限制.
此外,介质的总吞吐量翻倍(即,从10Mbps到20Mbps或从100Mbps到200Mbps).
全双工操作的优势还包括能够消除由于时隙引起的网络直径限制.
请注意,并非所有介质类型均支持全双工,特别是以下类型:10Base210Base510Base-FP10Base-FB100Base-T4图10:点对点拓扑图11:星形拓扑(10Base-T和100Base-TX)节点1节点2节点1节点3节点2节点4路由器/交换机AN1120DS01120A_CN第14页2020MicrochipTechnologyInc.
10Mbps流内容10Mbps流和100Mbps流之间存在明显的区别,我们先讨论10Mbps流的内容和信号传输.
本节介绍图3中所示的帧实际上是如何通过物理介质(即CAT5线缆等)进行传输的.
传输10Mbps流的第一步是使用曼彻斯特编码对要发送的数据进行编码.
曼彻斯特编码将逻辑0编码为信号上低电平到高电平或高电平到低电平的位中跳变,将逻辑1编码为相反跳变.
在以太网中,逻辑0编码为高电平到低电平的跳变,而逻辑1编码为低电平到高电平的跳变.
有关示例,请参见图12.
使用曼彻斯特编码是因为它具有很高的可靠性,并且能够从数据流中提取时钟.
但是,它需要将待发送数据的带宽加倍.
由于10Base-T以太网使用差分信号,因此曼彻斯特编码的信号使用差分信号传输,如图12所示.
传输的第二步是对输出信号进行波形整形,以满足IEEE802.
3规范中定义的信号曲线.
这些曲线的作用是通过在特定物理介质上传播所需的长度来确保足够的信号传播,同时将不想要的EMI辐射降至最低.
最后,使用电压驱动或电流驱动(取决于特定的IEEE802.
3PHY)通过线缆从隔离变压器传输信号.
接收器的差分电压大小在350mV和3.
1V之间.
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DS01120A_CN第15页AN1120图12:10Mbps以太网流(3).
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LTP(1)静默LTP(1)静默前导码(7个八位字节)SFD(1个八位字节)DA(6个八位字节)SA(6个八位字节)长度/类型(2个八位字节)有效负载(46-1500个八位字节)FCS(4个八位字节)TP_IDL(2)静默LTP(1).
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注1:链路测试脉冲(LinkTestPulse,LTP)也称为正常链路脉冲(NormalLinkPulse,NLP),由一个宽度约为1位时间的脉冲组成.
IEEE802.
3规范的第14.
3.
1.
2.
1节中给出了该脉冲的确切电压曲线.
2:IEEE802.
3规范的第14.
3.
1.
2.
1节中给出了TP_IDL的确切电压曲线.
3:以太网帧先发送最高有效字节(八位字节),而一个八位字节内先发送最低有效位.

RX101010101010101010101011xxxx100ns168ms链路处于活动状态,但不会发送任何数据包IEEE802.
3数据帧(由PHY检测到)两个帧之间最少9.
6s(1个包间隔)曼彻斯特编码011IEEE802.
3数据帧(由MAC检测到)(单端)TX+TX-AN1120DS01120A_CN第16页2020MicrochipTechnologyInc.
100Mbps流内容由于非屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair,UTP)本质上是低通的,因此当我们将速度提高10倍时(100Mbps模式所需的步骤),用于10Base-T的编码方案将不起作用.
此外,根据监管准则,通过某些类型的物理链路(即电话线等)传输的功率限制在大约30MHz以下.
因此,对于100Base-T,需要不同的编码方案.
100Base-TX中使用的编码方案称为多电平跳变3(Multi-LevelTransition3,MLT3),如图13所示.
每个逻辑0或1均编码为跳变到3种电平之一(对应MLT3中的"3").
跳变时始终跳变为最接近的电平,并且始终采用相同的顺序(-1,0,+1,0,-1.
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).
逻辑0表示无跳变,而逻辑1表示跳变.
以图13所示的位序列11111为例.
由于1始终表示跳变,因此恒为1的序列将对每个位进行跳变,如图所示.
由于始终跳变为最接近的电平,因此可始终将跳变时间缩短至最小值.
由于MLT-3需要通过4次跳变(-1到0到1到0到-1)来完成一个完整周期,因此最大基频降低了4倍,从125MHz降至31.
25MHz.
这满足了不高于约30MHz的功率传输要求.
由于4B/5B编码的原因,非编码信号频谱为125MHz,而不是预期的100MHz,4B/5B编码将在下一部分讨论.
4B/5B编码除了MLT3的物理编码之外,100Base-TX还引入了一种称为4B/5B(有时称为"块编码")的逻辑编码.
100Base-TX编码必须满足两个主要要求.
首先,它必须解决发送一长串0数据流时存在的时钟恢复问题.
回顾一下,在MLT3中,0表示所传输的信号中无跳变.
在没有明确时钟的情况下,由于各种抖动的影响,发送和接收节点很快就会失去同步.
这最终将导致数据损坏.
其次,除了必须允许传输数据之外,还必须允许传输信号代码,例如流起始、流结束、错误和空闲.
对于上述问题,100Mbps以太网所采用的解决方案是在传输介质上将每4位数据编码为5位.
表3给出了从4位到5位的转换.
这意味着100Mbps以太网在物理介质上的实际传输速率为125Mbps.
如果仔细观察所有代码(错误代码/H/除外)的编码,我们会发现实际传输的值始终至少包含两个1,这将导致传输的任何数据的MLT3波形中至少有两次跳变.
这解决了时钟恢复的问题.
对于16个数据值的25个编码,现在有16个额外的值可用于传输信号数据.
其中包括:空闲,它取代了10Base-T中使用的正常链路脉冲(NLP)流起始分隔符(SSD),它代替了10Base-T中的前导码的第一个八位字节流结束分隔符(ESD),它代替了10Base-T中使用的TP_IDL波形发送错误,在10Base-T中没有等效项表3:4B/5B编码代码值定义011110数据0101001数据1210100数据2310101数据3401010数据4501011数据5601110数据6701111数据7810010数据8910011数据9A10110数据AB10111数据BC11010数据CD11011数据DE11100数据EF11101数据FI11111空闲J11000SSD(第1部分)K10001SSD(第2部分)T01101ESD(第1部分)R00111ESD(第2部分)H00100发送错误2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第17页AN1120图13:100Mbps以太网流(自动协商后)(1,5).
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/I/(2)/I/(2)/I/(2)/I/(2)/I/(2)/J/K/(3)(1个八位字节)前导码(6个八位字节)SFD(1个八位字节)DA(6个八位字节)SA(6个八位字节)长度/类型(2个八位字节)有效负载(46-1500个八位字节)FCS(4个八位字节)/T/R/(4)(1个八位字节)/I/(2)/I/(2)/I/(2).
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注1:由于4B/5B编码的原因,PHY/MAC检测到的每个八位字节对应物理介质上的10个位.
因此,物理介质上的数据速率实际上为125Mbps.
2:/I/=空闲代码组(11111).
3:/J/K/=流起始分隔符(SSD)代码组(1000111000).
4:/T/R/=流结束分隔符(ESD)代码组(0011101101).
5:以太网帧先发送最高有效字节(八位字节),而一个八位字节内先发送最低有效位.

6:与10Mbps以太网不同,物理介质上的信号将被加扰以减少辐射发射.
图中所示的比特流未加扰,仅用于了解MLT3编码的工作方式.

RX1100010001xxxxxxxxxx链路处于活动状态,但不会发送任何数据包两个帧之间最少960ns(1个包间隔)IEEE802.
3数据帧(由PHY检测到)IEEE802.
3数据帧(由MAC检测到)11111MLT3编码111110110100111MLT3编码01101(见注6)(见注6)(见注6)AN1120DS01120A_CN第18页2020MicrochipTechnologyInc.
编码/解码概述到目前为止,我们已经讨论了10Base-T(使用曼彻斯特编码)和100Base-T(使用NRZI、MLT3和4B/5B编码)的编解码.
使用一次转换代表一个位的曼彻斯特编码时,10Mbps数据速率就表示介质的带宽需要达到10MHz.
通过在介质上使用差分信号可以提高抗噪性.
随后,如何结合100Base-TX上采用的所有编码方法来产生通过介质传输的最终信号呢图14给出了100Base-TXPHY的简化框图,其中每个阶段都有带宽要求.
从该图中可以看出,即使流的有效数据速率由于4B/5B编码而增加到125Mbps,物理介质所需的带宽实际上也仍远小于125MHz.
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DS01120A_CN第19页AN1120图14:100Base-TXPHY简化框图MIITX加扰器和并行输入4B/5B编码器MLT-3转换器NRZI转换器4位25MHz5位25MHz1位125MHz1位62.
5MHz1位31.
25MHzMIIA/D解扰器和串行输入4B/5B解码器MLT-3转换器NRZI转换器4位25MHz5位25MHz1位125MHz1位62.
5MHz1位31.
25MHzMLT-3MLT-3DSP100Mbps100Mbps125Mbps125Mbps125Mbps125Mbps125Mbps125Mbps125Mbps125Mbps磁件MAC并行输出(SIPO)串行输出(PISO)AN1120DS01120A_CN第20页2020MicrochipTechnologyInc.
自动协商两个节点交流各自的能力(速度、双工和暂停帧支持等),然后为链路两端选择二者都能达到的最高水平,这样的过程就称为自动协商.
自动协商在链路初始化时进行,并且向后兼容(即,不会损坏不支持自动协商的节点).
自动协商对于10Base-T和100Base-T是可选的,但对于千兆位以太网则是必需的.
通过使用图15所示的快速链路脉冲(FastLinkPulse,FLP)来执行自动协商.
FLP与正常链路脉冲(NLP)类似,但在NLP之间以17-33个脉冲(称为链路代码字)的突发形式传输.
考虑到FLP的最小间隔时间约为62.
5s并且位时间为100ns(10Mbps)和10ns(100Mbps),因此应明确一点,以太网节点不会将FLP解释为有效数据.
实际上,不支持自动协商的节点会将FLP解释为NLP并忽略.
默认情况下,支持自动协商的节点如果未从链路的另一端收到任何FLP,则默认情况下会自动设置为两者能够达到的最低水平(通常为半双工10Base-T).
此外,某些以太网PHY能够区分10Mbps和100Mbps模式(基于链路上的物理编码),这是一种称为并行检测的功能.
当然,仍然可以手动配置链路的每一端以确定通用能力,但这必须在软件中完成.
可能存在两个节点均支持自动协商但没有通用能力的情况.
在这种情况下,不会建立任何链路.
IEEE802.
3并未定义每个节点发送的链路代码字的最大数量,但是支持自动协商的每个节点必须能够传输自动协商基本页.
16位(1个链路代码字)基本页定义了节点的能力,具体如下:Bit0-4:称为选择器位域(S0-S4),该位域定义使用的LAN技术类型.
对于IEEE802.
3以太网,该位域设置为10000.
Bit5-12:称为技术能力位域(A0-A7),该位域定义节点的能力.
Bit5-9:定义链路类型,优先级定义如下(按最高优先级到最低优先级的顺序):100Base-TX全双工(bit3置1)100Base-T4(bit4置1)100Base-TX(bit2置1)10Base-T全双工(bit1置1)10Base-T(bit0置1)Bit10:0=未使能暂停1=使能暂停Bit11:支持全双工链路的非对称暂停操作Bit12:扩展的下一页位,仅适用于千兆位以太网节点.
Bit13:称为远程故障(RemoteFault,RF)指示位,该位指示远程故障.
Bit14:称为应答(Ack)位,该强制位用于发出已收到FLP报文的信号.
必须连续三次以相同方式接收到FLP报文,才能认为FLP报文正确并作出应答.
Bit15:称为下一页(NP)位,该位指示下一页链路代码字是否在基本页之后.
下一页字是一项可选功能,用于在自动协商期间在连接节点之间发送额外的信息.
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DS01120A_CN第21页AN1120图15:快速链路脉冲100ns168ms正常链路脉冲快速链路脉冲(发送0000h)快速链路脉冲(发送FFFFh)快速链路脉冲(发送1234h)100ns12514s00000000000000000001001000110100111111111111111117个快速链路脉冲(FLP)(1个链路代码字)20.
224ms22个快速链路脉冲(FLP)(1个链路代码字)20.
224ms33个快速链路脉冲(FLP)(1个链路代码字)20.
224ms62.
5s(典型值)AN1120DS01120A_CN第22页2020MicrochipTechnologyInc.
自动交叉在正确配置的以太网连接中,一个节点的TX端口/RX端口连接到另一节点的RX端口/TX端口.
在星形拓扑UTP以太网中,通常是在交换机/集线器/路由器与以太网插孔之间进行交叉连接.
因此,大多数UTP以太网线缆的末端连接器之间都有一一对应的引脚.
这种类型的线缆通常称为"直通线缆".
不过,还有另外一种不同类型的线缆,称为"交叉线缆".
这种类型的线缆在内部将线缆一端的TX和RX端口与线缆另一端的RX和TX端口交叉连接.
当直接连接为点对点网络时,这种类型的线缆允许两端的以太网设备相互通信.
此外,交叉线缆还允许一个交换机/集线器/路由器与另一个交换机/集线器/路由器通信.
使用错误的线缆类型不会损坏兼容的以太网节点,但是任何一个节点都将无法通信或检测链路.
为了消除布线不匹配问题并减少用户的挫败感,可以选择在节点中实现称为自动交叉的功能.
使用该功能时,支持自动交叉的节点将使其TX/RX引脚自动在TX和RX之间交换,直到建立链路.
这样一来,无论为节点使用交叉线缆还是直通线缆都可以达到相同的效果.
在连接的一对节点中,有一个实现自动交叉即可.
大多数现代交换机、路由器等均已实现自动交叉.
请注意,该功能不同于"自动极性"(节点可以在TX端口或RX端口上自动切换正负信号).
这两个功能用途不同且毫不相关.
自动交叉有时也称为Auto-MDIX,因为交叉(Auto-MDIX中的"X")发生在节点的MDI层(见图6).
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DS01120A_CN第23页AN1120参考资料本应用笔记中参考了以下文档:IEEE802.
3规范相关IEEE补充资料(见表4)表4:最常用的规范补充资料补充资料年份说明IEEE802.
3a198510Base-2细缆以太网IEEE802.
3c198510Mbps中继器规范IEEE802.
3d1987光纤中继器间链路IEEE802.
3i199010Base-T双绞线IEEE802.
3j199310Base-F光纤IEEE802.
3u1995100Base-T快速以太网和自动协商IEEE802.
3x1997全双工标准IEEE802.
3z19981000Base-X千兆位以太网(SX、LX和CX)IEEE802.
3ab1999基于双绞线的1000Base-T千兆位以太网IEEE802.
3ac1998VLAN标记的帧大小扩展为1522个八位字节IEEE802.
3ad2000并行链路的链路聚合IEEE802.
3af2003以太网供电(PowerOverEthernet,PoE)AN1120DS01120A_CN第24页2020MicrochipTechnologyInc.
注:2020MicrochipTechnologyInc.
DS01120A_CN第25页提供本文档的中文版本仅为了便于理解.
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