100_1000兆位以太網(wǎng)物理層通信的研究分析

穆德恒

（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系遼寧錦州 121001）

100_1000兆位以太網(wǎng)物理層通信的研究分析

穆德恒

（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系遼寧錦州 121001）

目前很多單位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處于百兆千兆設(shè)備共存的情況，存在著百兆、千兆設(shè)備互聯(lián)時(shí)的一些通信問題。為了理解網(wǎng)絡(luò)通信的基本原理，從OSI的7層結(jié)構(gòu)和IEEE802協(xié)議入手，研究分析百兆、千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的結(jié)構(gòu)體系，重點(diǎn)對(duì)百兆、千兆以太網(wǎng)的MAC層和物理層通信規(guī)則作了對(duì)比和詳細(xì)分析介紹，并在遇到網(wǎng)絡(luò)通信障礙時(shí)，提出應(yīng)該如何解決問題的方向。

以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制層 物理層介質(zhì)獨(dú)立界面 載波檢測(cè)多路訪問/沖突檢測(cè)

1 引言

最近維護(hù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，從墻壁網(wǎng)絡(luò)信息插座上引出的網(wǎng)線接在筆記本電腦上可以上網(wǎng)，但網(wǎng)線接在臺(tái)式機(jī)上就上不去網(wǎng)了，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示為連接，但是只有發(fā)包數(shù)，收包數(shù)為0。墻壁信息插座另一頭的交換機(jī)是百兆接口，可以確定臺(tái)式機(jī)是沒有問題，在其他地方是可以上網(wǎng)的。筆記本與臺(tái)式機(jī)的區(qū)別為筆記本為千兆網(wǎng)卡，臺(tái)式機(jī)是百兆網(wǎng)卡。開始以為臺(tái)式機(jī)網(wǎng)卡損壞，所以換了一塊百兆網(wǎng)卡，但是問題和原來一樣。換了一個(gè)筆記本，可以上網(wǎng)。這個(gè)筆記本的網(wǎng)卡為千兆。為什么只有千兆的筆記本可以上網(wǎng)，而百兆網(wǎng)卡的臺(tái)式機(jī)就上不去網(wǎng)呢？

換了一根從信息插座到電腦的網(wǎng)線，結(jié)果臺(tái)式機(jī)網(wǎng)上去了。拿測(cè)線儀檢查原來的網(wǎng)線，發(fā)現(xiàn)原來網(wǎng)線有問題，線序是：一端為白橙、橙、白綠、藍(lán)、白藍(lán)、綠、白棕和棕（即568B標(biāo)準(zhǔn)），另一端為白橙、橙、白藍(lán)、藍(lán)、白綠、綠、白棕和棕（3、5腳接反了）。由此得到原因：一端網(wǎng)線的3、5腳反了。造成線路看似連通，電源燈也亮，但不能通信。因此需要探討10M、100M和1000 M網(wǎng)絡(luò)端口具體用哪幾根線來通信的。

2 雙絞線通用線序

雙絞線一般使用T568B標(biāo)準(zhǔn)：1-橙白、2-橙、3-綠白、4-藍(lán)、5-藍(lán)白、6-綠、7-棕白和8-棕。為什么有的人說百兆以太網(wǎng)使用8根雙絞線，有人說使用4跟就可以工作了，這跟百兆網(wǎng)的發(fā)展有關(guān)。

3 百兆位以太網(wǎng)

十兆位以太網(wǎng)稱為以太網(wǎng)，百兆位以太網(wǎng)又稱快速以太網(wǎng)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為1995年頒布的IEEE 802.3u，支持共享式與交換式2種使用環(huán)境，在交換式以太網(wǎng)環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。IEEE 802.3u在MAC子層仍采用CSMA/CD（載波檢測(cè)多路訪問/沖突檢測(cè)）作為介質(zhì)訪問控制協(xié)議，并保留了IEEE 802.3的幀格式。IEEE 802.3u只是對(duì)現(xiàn)存IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)?；舅枷牒芎?jiǎn)單：保留所有舊的分組格式，接口以及程序規(guī)則，只是將位時(shí)從100 ns減少到10 ns，并且所有的以太網(wǎng)均使用集線器。

為了實(shí)現(xiàn)100 Mb/s的傳輸速率，在物理層做了一些重要改進(jìn)。例如，在編碼上采用了效率更高的編碼方式。傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用曼徹斯特編碼，其優(yōu)點(diǎn)是具有自帶時(shí)鐘特性，能夠?qū)?shù)據(jù)和時(shí)鐘編碼在一起，但其編碼效率只能達(dá)到1/2，即在具有20 Mb/s傳輸能力的介質(zhì)中，只能傳輸10 Mb/s的信號(hào)，快速以太網(wǎng)采用4 B/5B編碼[1]。

3.1 百兆位網(wǎng)絡(luò)雙絞線采用介質(zhì)

百兆雙絞線有2種，一種為100Base-T4，它使用4對(duì)雙絞線，3對(duì)用于同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，第4對(duì)線用于沖突檢測(cè)時(shí)的接收信道，信號(hào)頻率為25 MHz，最大網(wǎng)段長度為100 m，采用EIA568布線標(biāo)準(zhǔn)；由于沒有專用的發(fā)送或接收線路，所以100Base-T4不能進(jìn)行全雙工操作；采用6B/6T編碼法。

一種為100Base-TX，使用2對(duì)5類非屏蔽雙絞線或1類屏蔽雙絞線，一對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)，最大網(wǎng)段長度為100 m，布線符合EIA568標(biāo)準(zhǔn)；采用4 B/5 B編碼法，使其可以125 MHz的串行數(shù)據(jù)流來傳送數(shù)據(jù)；使用MLT-3（多電平傳輸-3）波形法來降低信號(hào)頻率125/3=41.6 MHz[2]。

3.2 百兆位以太網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)在的雙絞線百兆以太網(wǎng)主要采用100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)。由此可見,雖然雙絞線有8根芯線，但在目前廣泛使用的百兆網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)際上只用到了其中的4根，按802.3u標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：即第1、第2、第3和第6，他們分別起著接收和發(fā)送信號(hào)的作用。1和2是傳送數(shù)據(jù)的，3和6是接收數(shù)據(jù)的。1和2之間是一對(duì)差分信號(hào)，也就是說他們的波形一樣，但是相位相差180°，同一時(shí)刻的電壓幅度互為正負(fù)。這樣的信號(hào)可以傳遞的更遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。同樣的，3和6也一樣是差分信號(hào)。至于4、5、7和8，4根網(wǎng)線對(duì)于10 M網(wǎng)卡來說沒用，但是對(duì)100 M是有用的。第一點(diǎn)起備份作用，若1、2、3和6中有不通的網(wǎng)線，那么就自動(dòng)協(xié)商轉(zhuǎn)為4、5、7和8來通信。第二點(diǎn)通過雙絞在一起降低相位差，抵消電阻，抗干擾，起保證線路穩(wěn)定及保證長距離通信。

4 千兆位以太網(wǎng)

1998年6月正式公布關(guān)于千兆位以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)的再次擴(kuò)展，千兆位以太網(wǎng)基本保留了原有以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)，所以向下和以太網(wǎng)與快速以太網(wǎng)完全兼容。千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上包括支持光纖傳輸?shù)腎EEE 802.3z和支持銅纜傳輸?shù)腎EEE 802.3ab兩大部分。

4.1 千兆位網(wǎng)絡(luò)雙絞線采用介質(zhì)

1000 Base-T采用4對(duì)5類UTP雙絞線，傳輸距離為100 m，傳輸速率為1 Gb/s。在千兆位以太網(wǎng)的MAC子層，除了支持以往的CSMA/CD協(xié)議外，還引入了全雙工流量控制協(xié)議。全雙工流量控制協(xié)議適用于交換機(jī)到交換機(jī)或交換機(jī)到站點(diǎn)之間的點(diǎn)-點(diǎn)連接，兩點(diǎn)之間可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)送與接收，即支持以交換機(jī)作為星狀拓?fù)渲行牡慕粨Q以太網(wǎng)組網(wǎng)。

4.2 千兆以太網(wǎng)與百兆以太網(wǎng)的主要區(qū)別

以4對(duì)8根雙絞線應(yīng)用為例，千兆以太網(wǎng)與百兆以太網(wǎng)的主要區(qū)別：

①采用千兆位介質(zhì)無關(guān)接口GMII（Gigabit Medium Independent Interface）,GMII為物理層與DL層之間的接口，數(shù)據(jù)通道為8位（100M以太網(wǎng)為4位）；

②沿用10 Mb/s傳統(tǒng)以太網(wǎng)幀格式；

③半雙工仍使用CSMS/CD協(xié)議，但修改了其操作和優(yōu)選全雙工采用幀擴(kuò)展技術(shù)；

④兼容10Base-T和100Base-T；

⑤節(jié)點(diǎn)能力的自動(dòng)協(xié)商，鏈路兩端的節(jié)點(diǎn)必須各自向?qū)Ψ酵ǜ孀约旱哪芰Γㄋ俣取⑽锢韺宇愋秃桶?全雙工）并自動(dòng)選擇合適的工作模式[3]。

4.3 網(wǎng)絡(luò)7層的底層結(jié)構(gòu)功能

根據(jù)OSI定義的網(wǎng)絡(luò)7層與IEEE802協(xié)議，物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，向數(shù)據(jù)鏈路層提供標(biāo)準(zhǔn)接口。如圖1所示。IEEE802協(xié)議把數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制(LLC)和介質(zhì)訪問控制(MAC)，目的是將與硬件相關(guān)的部分和與硬件無關(guān)的部分分開，以適應(yīng)不同的傳輸介質(zhì)，解決共享信道的介質(zhì)訪問控制問題，使幀的傳輸獨(dú)立于傳輸介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制方法。

MAC子層功能：實(shí)現(xiàn)、維護(hù)MAC協(xié)議，差錯(cuò)檢測(cè)，尋址。LLC子層功能：向高層提供統(tǒng)一的鏈路訪問形式，組幀/拆幀、建立/釋放邏輯連接，差錯(cuò)控制，幀序號(hào)處理，提供某些網(wǎng)路層功能。對(duì)于不同的LAN標(biāo)準(zhǔn)，LLC子層都是一樣的，區(qū)別僅在MAC子層和物理層。

圖1 網(wǎng)絡(luò)7層中底層結(jié)構(gòu)

MAC子層功能：實(shí)現(xiàn)、維護(hù)MAC協(xié)議，差錯(cuò)檢測(cè)，尋址。LLC子層功能：向高層提供統(tǒng)一的鏈路訪問形式，組幀/拆幀、建立/釋放邏輯連接，差錯(cuò)控制，幀序號(hào)處理，提供某些網(wǎng)路層功能。對(duì)于不同的LAN標(biāo)準(zhǔn)，LLC子層都是一樣的，區(qū)別僅在MAC子層和物理層。

4.4 以太網(wǎng)物理層通訊原理

網(wǎng)卡就是通過媒體接入控制器（MAC子層）對(duì)物理層（PHY層）控制來實(shí)現(xiàn)物理上的通信。最新的MAC同時(shí)支持10/100/1 000 Mbps速率。通常情況下，實(shí)現(xiàn)MII/GMII接口（定義在PHY中的子層），與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PHY器件實(shí)現(xiàn)接口，針對(duì)以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)及千兆以太網(wǎng)具體在PHY層的區(qū)別如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)的PHY層層次結(jié)構(gòu)

由圖2可以看出千兆網(wǎng)卡和百兆網(wǎng)卡主要區(qū)別在PHY層，包括介質(zhì)獨(dú)立接口（MII/GMII）子層和物理編碼子層（PCS）子層，作用是對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行編/解碼；物理介質(zhì)附加（PMA）子層，作用是處理發(fā)送到線路上的信號(hào)，并接收線路上的信號(hào)；物理介質(zhì)相關(guān)（PMD）子層，作用是與媒介雙絞線相連，提供了與線纜的物理連接，完成比特流的發(fā)送和接收；介質(zhì)相關(guān)接口（MDI子層）。PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對(duì)PHY來說，沒有幀的概念，對(duì)它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4 bit就增加1 bit的檢錯(cuò)碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號(hào)把數(shù)據(jù)送出去。收數(shù)據(jù)時(shí)的流程反之[4]。

PHY里面最關(guān)鍵的子層就是IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)獨(dú)立界面（Media Independed Interfade，MII）和GMII（Gigabit MII），主要負(fù)責(zé)連接MAC和PHY?！敖橘|(zhì)無關(guān)”表明在不對(duì)MAC硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類型的PHY設(shè)備都可以正常工作。MII的意思是指不用考慮媒體是銅軸、光纖和電纜等，因?yàn)檫@些媒體處理的工作都有PHY協(xié)同MAC的芯片完成。

4.5 MII與GMII的區(qū)別

以前的10 M的MAC層芯片和物理層芯片之間傳送數(shù)據(jù)是通過一根數(shù)據(jù)線來進(jìn)行的，其時(shí)鐘是10 M，在100 M中如果也用一根數(shù)據(jù)線來傳送的話，時(shí)鐘需要100 M，所以定義了MII接口，它是用4根數(shù)據(jù)線來傳送數(shù)據(jù)的，這樣在傳送100 M數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘就會(huì)用100 M降低為25 M，而在傳送10 M數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘會(huì)降低到2.5 M，這樣就實(shí)現(xiàn)了10 M和100 M的兼容。GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘125 MHz，因此傳輸速率可達(dá)1 000 Mbps，同時(shí)兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。

GMII接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該接口定義見IEEE 802.3-2000，物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GMII接口

發(fā)送器：GTXCLK-吉比特TX，信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)（125 MHz）；TXCLK-10/100 M信號(hào)時(shí)鐘；TXD[7:0]-被發(fā)送數(shù)據(jù)；TXEN-發(fā)送器使能信號(hào)；TXER-發(fā)送器錯(cuò)誤（用于破壞一個(gè)數(shù)據(jù)包）。注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號(hào)，TXD、TXEN、TXER信號(hào)與此時(shí)鐘信號(hào)同步。否則，在10/100 M速率下，PHY提供TXCLK時(shí)鐘信號(hào)，其它信號(hào)與此信號(hào)同步，其工作頻率為25 MHz（100 M網(wǎng)絡(luò)）或2.5 MHz（10 M網(wǎng)絡(luò)）。

接收器：RXCLK-接收時(shí)鐘信號(hào)（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無關(guān)聯(lián)）；RXD[7:0]-接收數(shù)據(jù)；

RXDV-接收數(shù)據(jù)有效指示；RXER-接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)指示；COL-沖突檢測(cè)（僅用于半雙工狀態(tài)）[5]。

千兆位以太網(wǎng)為了兼容10 M與100 M以太網(wǎng)，采用了與他們工作模式兼容CSMA/CD協(xié)議，這個(gè)工作模式是用在千兆網(wǎng)卡的半雙工模式下，但是修改了CSMA/CD的操作，使用了幀擴(kuò)展技術(shù)。

4.6 千兆位以太網(wǎng)工作工程

在802.3標(biāo)準(zhǔn)中幀的最短長度為64 Bytes，即512位，在10 Mbps時(shí)，512位傳送時(shí)間為51.2 μs。100 Mbps時(shí)，傳送時(shí)間為5.12 μs。面對(duì)1 Gbps速率傳送時(shí)間僅為0.512 μs。根據(jù)沖突檢測(cè)原理，如有沖突發(fā)生，要求在該傳送時(shí)間內(nèi)能檢測(cè)到?jīng)_突，對(duì)千兆位網(wǎng)來說，0.512 μs的碰撞域范圍就很小，使網(wǎng)絡(luò)的跨距也很短，所以最小幀長度與碰撞域的地理范圍成正比關(guān)系。

在千兆位以太網(wǎng)中為增加跨距，必須加長最小幀長度，但又要考慮到兼容性。對(duì)用戶來說必須維持64 Bytes不變，于是在千兆位以太網(wǎng)的網(wǎng)卡上對(duì)短幀自動(dòng)加長幀長度，稱為幀擴(kuò)展技術(shù)。幀長度<512 Bytes（4 096位）自動(dòng)添加擴(kuò)展位，使幀長度達(dá)到4 096位；幀長度≥512 Bytes，不添加擴(kuò)展位；全雙工方式不執(zhí)行幀擴(kuò)展，如圖4所示。為避免因大量短幀發(fā)送造成網(wǎng)絡(luò)帶寬浪費(fèi)，千兆位以太網(wǎng)將若干個(gè)短幀組合在一起，連續(xù)發(fā)送。組合后的幀長度不能超過1 518 Bytes，如圖5所示，全雙工時(shí)不采用該技術(shù)。

圖4 幀的擴(kuò)展技術(shù)

圖5 幀突發(fā)過程

千兆位以太網(wǎng)中的1000BASE-T：使用5類或超5類UTP，4對(duì)雙絞線全用，采用PAM5碼，即5級(jí)電壓在4對(duì)雙絞線上的編碼傳輸，也稱為（4D-PAM5編碼算法）[6]。

5 產(chǎn)生問題的原因

文章開始提到，因?yàn)榫W(wǎng)線的3,5腳接反了，對(duì)于百兆對(duì)百兆來說，采用自動(dòng)協(xié)商功能，首先使用用1、2、3和6腳來通信，那么實(shí)際上是1、2、3和6對(duì)1、2、5和6，這樣不通。那么用4、5、7和8呢，它對(duì)應(yīng)另一端的4、3、7和8，結(jié)果也是一樣不通，因?yàn)榘僬孜灰蕴W(wǎng)的通信線序是固定的。

對(duì)于千兆端口對(duì)百兆端口來說，它要8根線全部參與，增加了4、5、7和8來共同傳送接收數(shù)據(jù)，可以和百兆端口協(xié)商接收發(fā)送數(shù)據(jù)的線路，協(xié)商的結(jié)果，根據(jù)本文來看，雙方將使用1、2、7和8來通信，1和2為一對(duì)，7和8為一對(duì)，可以互相傳送收發(fā)數(shù)據(jù)。

在撰寫過程中，又發(fā)現(xiàn)一個(gè)案例，從設(shè)備間引入機(jī)房的網(wǎng)線接千兆交換機(jī)端口不亮（設(shè)備間設(shè)備為千兆端口），但是接百兆端口可以通信。后來查明原因，這又是一個(gè)千兆端口對(duì)百兆端口的通信問題，直接檢測(cè)從設(shè)備間到機(jī)房的網(wǎng)線通信問題，發(fā)現(xiàn)第7腳不通。因?yàn)榍д锥丝趯?duì)千兆端口要使用8根線全部參與，所以有一根不通，全千交換機(jī)不能工作。接百兆端口，那么千兆端口與百兆端口互相協(xié)商將使用1、2、3和6來通信，這當(dāng)然可以了。網(wǎng)線兩端的水晶頭重掐，問題解決。

6 結(jié)束語

以百兆位、千兆位端口通信時(shí)產(chǎn)生問題講起，以5類非屏蔽雙絞線為對(duì)象，詳細(xì)講解了百兆位以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)的物理層通信的原理和過程，闡明了千兆對(duì)千兆端口，千兆對(duì)百兆端口，百兆對(duì)百兆端口互通時(shí)應(yīng)注意的問題，出現(xiàn)通訊故障時(shí)如何分析查找原因，為廣大的網(wǎng)管人員提供一絲幫助。

[1]ANDREW S T,DAVID J W.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版)[M].嚴(yán)偉,潘愛民,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[2]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2006.

[3]CHRISTENSEN K J,MOLLE M.Comparison ofthe Gigabit Ethernet Full-Duplex Repeater,CSMA／CD，and 1000／100Mbps Switched Ethernet[C]Lowell:Local Computer Networks,1998:336-344.

[4]ISO／IEC 8802-3:ANSI／IEEE Standard 802,Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection(CSMA／CD)Access Method and Physical Layer Specification[S]．

[5]IEEE Std 802.3-2000,Amendment to Carrier sense multiple access with collision detection(CSMA/CD)access method and physical layer specification[S]

[6]CHEW S L,HASSOUN M.Implementation,Verification and Synthesis of the Gigabit Ethernet 1000 BASE-T physical Coding Sublayer.Proceeding of the 44th IEEE 2001 Midwest Symposium on Circuits and Systems[C].USA:MWSCAS, 2001:556-559.

Research and Analysis on 100_1000 Megabit Ethernet Physical Layer Communication

MU De-heng
(Department of Computer,Liaoning Petrocchemical Vocational&Technology College,Jinzhou Liaoning 121001,China)

At present,some problems exist in network devices of many units such as 100M and 1000M devices coexistence and communication during interworking between them.In order to understand the basic principles of network communication,based on the OSI seven layers architecture and IEEE802 protocol,this paper studies and analyzes the architecture of datalink layer and physical layer of 100M and 1000M Ethernet,emphasisly compares,analyzes and introduces the communication rules of MAC layer and physical layer of 100M and 1000M Ethernet in detail,and proposes the solution direction when network communication barrier occurs.

Ethernet;medium access control layer;physical layer;medium independent interface;carrier sense multiple access/collision detect

TP39

A

1008-1739（2014）06-57-4

定稿日期：2014-02-26