以太網之物理層

這一節來學習一下以太網的物理層，IEEE802.3標准就給出了以太網的物理層結構，如下圖所示紅色框內所標注的。

    我們可以看到物理大致可以分為： GMII介質無關接口、 PCS物理編碼子層，PMA物理介質連接層，PMD物理介質相關層、MDI接口 、MEDIUM物理介質。

 

    我們從下往上看，首先看物理介質層。

    

    1、物理介質層

         這里所謂的物理介質，我們最常見的就是我們的網線，這就是一種以太網傳輸的物理介質。常見的物理介質還有同軸電纜、光纖等，現在基本沒人用同軸電纜了。

         看下表，其中10-100-1000表示以太網的速度10M-100M-1000M。而BASE后的字母數字，則表示了當前介質的類型。

         其中最后幾個是千兆網的傳輸介質，千兆以太網可以在下列四種媒質上運行:單模光纖(LX)，最大連接距離至少可達5公里；多模光纖(SX)，最大連接距離至少550米；同軸電纜（CX），最大連接距離至少25米；超五類/六類線(T)，最大連接距離為100米 。

10BASE2: 采用細同軸電纜接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 10.)

10BASE5: 采用粗同軸電纜接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 8.)

10BASE-F:采用光纖電纜接口的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 15.)

10BASE-T:采用電話雙絞線的IEEE 802.3 10Mb/s物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 14.)

100BASE-FX: 采用兩個光纖的IEEE 802.3 100Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clauses  24 and 26.)

100BASE-T2: 采用兩對3類線或更好的平衡線纜的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 32.)

100BASE-T4: 采用四對3、4、5類線非屏蔽雙絞線的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 23.)

100BASE-TX: 采用兩對5類非屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的IEEE 802.3 100 Mb/s 物理層規格 (參見 IEEE  802.3 Clauses 24 and 25.)

1000BASE-CX: 1000BASE-X 在特制的屏蔽電纜傳輸的接口規格(參見 IEEE 802.3 Clause 39.)

1000BASE-LX: 1000BASE-X 采用單模或多模長波激光器的規格(參見 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-SX: 1000BASE-X 采用多模短波激光器的規格(參見 IEEE 802.3 Clause 38.)

1000BASE-T: 采用四對五類平衡電纜的1000 Mb/s  物理層規格 (參見 IEEE 802.3 Clause 40.)

    

   這里提到了各種規范，其實每一種規范對應的物理層都是不一樣的。

    

  我們看一下1000BASE-X的物理層。

    下面是1000BASE-T的物理層。可以看到1000BASE-T的自協商與1000BASE-X位置不一樣。

            

    

    2、MDI接口

        MDI就是連接PHY芯片和物理介質的接口，常見的是RJ45接口。

        百兆網時，MDI四根線，兩對差分信號，只用了RJ45的 1，2，3，6線，。

        千兆網時, MDI一共8根線，四對差分信號， 用了RJ45的8根線

        再說一下RJ45上的兩個燈—— 綠燈：長亮，表示鏈路完整。  黃燈：閃爍，表示有數據收發。

    3、PMD \PMA\PCS 層

       原本想介紹一下這三個層，但最后還是放棄了，因為不同規范下，每一層都不一樣，很難統一介紹。筆者也未深入研究。這里簡述一下這三次完成的大致功能。

       PCS:    物理編碼子層。

       對於1000BASE-X采用了8B/10B編碼. 

       而對於1000BASE-T，則采用了PAM5編碼轉換方式。

        PMA: 如上圖可以看出PMA層主要實現了串並轉換。

        PMD: PMD層主要負責將串行信號轉到相應的物理介質上。    

        如下補充4D-PAM5編碼方式的解釋：

       在通信網絡中，接收端需要從接收數據中恢復時鍾信息來保證同步，這就需要線路中所傳輸的二進制碼流有足夠多的跳變，即不能有過多連續的高電平或低電平，否則無法提取時鍾信息。百兆以太網100BASE-T用的4B/5B編碼與MLT-3編碼組合方式，發送碼流先進行4B/5B編碼，再NRZ-I，最后進行MLT-3編碼，最后再上線路傳輸；千兆以太網中1000BASE-X用的是8B/10B編碼與NRZ編碼組合方式；萬兆以太網用的是64B/66B編碼；PCIE 3.0用的是128B/130B編碼。說到底這些編碼都是為了從數據中恢復時鍾。

 

    4、自協商 Auto_negotiation

        自協商一般是在物理層完成的。但是具體在PHY的哪一層完成，由具體物理介質規范決定。基本原理就是將 自協商的信息通過一串脈沖序列發送出去，這串脈沖稱為FLP。這串脈沖的特點如下。脈沖中分為時鍾脈沖和數據脈沖，數據脈沖夾在時鍾脈沖中間，第一個脈沖為時鍾脈沖，數據脈沖中正脈沖表示1，無脈沖表示0.一個FLP脈沖序列包含17個時鍾脈沖，16個數據脈沖。時鍾脈沖每個125us出現一次。

 

 

    

以下摘自華為《以太網標准和物理層、數據鏈路層專題》其中主要是百兆網的自協商。千兆網也類似差不多，相當於增加了一些位定義。

快速連接脈沖（FLP）的信息編碼可以分為兩類，一類是基本連接碼字（基本頁），支持基本的信息的交換。另一類是下一頁碼字，以支持附加信息頁的交換。

基本頁的信息編碼可由下圖表示。

圖 1-1  基本頁的信息編碼圖

選擇域（Selector Field）

S[0:4]用於標識自協商消息的類型。已定義的類型如下表所示，所有未列出的組合的意義均保留，保留的編碼組合目前不應在傳輸中出現。

自協商的類型含義

S4	S3	S2	S1	S0	Selector description
0	0	0	0	0	Reserved for future Auto-Negotiation development
0	0	0	0	1	IEEE Std 802.3
0	0	0	1	0	IEEE Std 802.9 ISLAN-16T
1	1	1	1	1	Reseerved for future Auto-Negotiation development

技術能力域（Technology Ability Field）

A[0:7]用於描述本端網絡接口所支持的各種工作模式。不同的選擇域類型對應不同的技術能力域定義。下面表格給出IEEE 802.3標准下定義的各種技術能力及其編碼。

自協商的技術支持域的含義。

Bit	Technology	Minimum cabling requirement
A0	10BASE-T	Two-pair Category 3
A1	10BASE-T FULL DUPLEX	Two-pair Category 3
A2	100BASE-TX	Two-pair Category 5
A3	100BASE-TX FULL DUPLEX	Two-pair Category 5
A4	100BASE-T4	Four-pair Category 3
A[5:7]	Reserved for furure technology

        

   5、RGMII接口

    這里我主要介紹一下RGMII接口。因為我的開發板是這個接口的。RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是Reduced GMII（吉比特介質獨立接口）。RGMII均采用4位數據接口，工作時鍾125MHz，並且在上升沿和下降沿同時傳輸數據，因此傳輸速率可達1000Mbps。

一般用於MAC和PHY之間的通信。

發送器：

•  GTX_CLK——吉比特TX..信號的時鍾（125MHz）
•  TXD[3..0]——被發送數據
•  TX_CTL——發送控制

注：在千兆速率下，向PHY提供GTX_CLK信號，TXD、TXEN、TXER信號與此時鍾信號同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK時鍾信號，其它信號與此信號同步。其工作頻率為25MHz（100M網絡）或2.5MHz（10M網絡）。

接收器：

• RX_CLK——接收時鍾頻率（從收到的數據中提取，因此與GTXCLK無關聯）
• RXD[3..0]——接收數據
• RX_CTL——接收控制
• COL——沖突檢測（僅用於半雙工狀態）
• CRS——載波監聽

 

管理配置（控制和狀態信息）：

• MDC——配置接口時鍾
• MDIO——配置接口I/O

RGMII接口相對於GMII接口，在TXD和RXD上總共減少8根數據線。

RGMII時序

如下圖