以太网知识讲座物理层器件

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以太网基础知识讲义

以太网基础知识讲义以太网基础知识讲义1前言本教材是以太网知识的入门教程，前三章主要介绍了以太网了一些基本知识和工作原理方面的知识。

第四章与实际设计比较接近，介绍了目前在设计以太网产品经常会接触到的一些接口。

第五章对芯片内部的功能做了简单的介绍。

本教材适用于新近入职的研发处的员工及其它部门希望进一步了解以太网产品设计的员工。

本教材前四部分主要参考自《新版交换式以太网和快速以太网》，《千兆位以太网教程》(以上书目可在LAN组目录下查到)，《以太网》(公司参考书目)，《IEEE802.3协议-2000版》。

第五部分内容主要译自AH104芯片资料，AL101芯片资料。

有错误之处，敬请大家指正。

2以太网基础知识讲义 (1)第一章以太网技术的简单介绍 (5)1.1 以太网的起源 ..................................................................... ............................................ 5 1.2 ISO七层模型 ..................................................................... ............................................ 5 1.3 以太网常见的拓扑结构 ..................................................................... .......................... 7 1.4 以太网常见的传输介质 ............................................................................................... 9 第二章以太网常见产品的介绍 (10)网路接口卡 ..................................................................... .............................................. 10 2.12.2 集线器 ..................................................................... . (12)2.3 交换机 ..................................................................... . (13)第三章以太网的传输机制 (15)3.1 以太网的核心CSMA/CD ................................................................ ....................... 15 3.2 以太网的帧结构 ..................................................................... ..................................... 17 3.3 以太网的交换技术 ..................................................................... ................................. 19 3.4 流控机制 ..................................................................... ................................................... 22 3.5 自动协商技术 ..................................................................... .......................................... 23 第四章常用设计中的接口的介绍 . (26)4.1 MII接口 ..................................................................... .................................................... 26 4.2 RMII接口 ..................................................................... ................................................. 29 4.3 SMII和SSSMII 接口 ..................................................................... ............................ 32 4.4 GMII接口和TBI接口 ..................................................................... ......................... 34 第六章芯片的内部的功能模块 (40)6.1 PHY的功能 ..................................................................... ............................................. 40 6.2 MAC的功能 ..................................................................... ............................................ 44 6.3 SMI管理接口 ..................................................................... .......................................... 45 图表:图表 1 以太网和IEEE 802.3与OSI参照模型 (7)图表 2 IEEE802.3与OSI参照模型的对比 (7)图表 3 总线型拓扑结构 .............................................................................................. 8 图表 4 星型拓扑结构 ..................................................................... ............................. 8 图表 5 8139内部结构框图 ..................................................................... ................. 11 图表 6 8139网卡设计概图 ..................................................................... .. (11)3图表 7 5-4-3法则 ..................................................................... ................................. 13 图表 8 交换机和集线器的区别 ..................................................................... ......... 14 图表 9 数据包发送流程图 ..................................................................... .................. 16 图表 10 以太网帧结构图 ..................................................................... ........................... 17 图表 11 MAC地址格式 ..................................................................... ............................ 18 图表 12 VLAN的帧格式 ..................................................................... ......................... 19 图表 13 帧的交换过程...................................................................... .......................... 20 图表 14 PAUSE帧格式 ................................................................................................. 22 图表 15 FLP快速脉冲群的格式...................................................................... ......... 23 图表 16 FLP和NLP的比较 ..................................................................... ................... 23 图表 17 FLP的信息编码 ..................................................................... ....................... 24 图表 18 MII接口定义 ..................................................................... ............................ 26 图表 19 正常接收时序图 ..................................................................... ...................... 29 图表 20 正常发送时序图 ..................................................................... ...................... 29 图表 21 RMII接口定义 ..................................................................... ......................... 30 图表 22 RMII正常发送数据时序图 ..................................................................... ... 31 图表 23 RMII正常接收数据时序图 ..................................................................... (32).................................................................... ...................... 32 图表 24 SMII接口示意图图表 25 RXD上帧的编码 ..................................................................... ....................... 33 图表 26 TXD上帧的编码 ..................................................................... .. (33).................................................................... ................. 33 图表 27 SMII的接收时序图图表 28 SMII的发送时序图 ..................................................................... ................ 33 图表 29 SSSMII接口示意图 ..................................................................... ................ 34 图表 30 SSSMII接收时序图 ..................................................................... ................ 34 图表 31 SSSMII发送时序图 ..................................................................... ................ 34 图表 32 GMII接口定义 ..................................................................... ......................... 35 图表 33 允许的TX_EN、TXD、TX_ER编码 (36)图表 34 GMII与MII接口的简单比较 ...................................................................36 图表 35 基本帧的发送...................................................................... .......................... 37 图表 36 基本帧的接收...................................................................... .......................... 37 图表 37 TBI接口示意图 ............................................................................................ 38 图表 38 AC104内部功能框图 ..................................................................... .............. 40 图表 39 4B/5B编码 ..................................................................... ................................ 41 图表 40 NRZ码和NRZI码的比较 ..................................................................... ....... 42 图表 41 多种码型比较图 ..................................................................... ...................... 42 图表 42 AL101原理框图 ..................................................................... ....................... 44 图表 43 SMI管理接口的帧格式...................................................................... (46)4第一章以太网技术的简单介绍1.1 以太网的起源60年代末，夏威夷大学的Norman Abramson及其同事研制了一个名为 ALOHA系统的无线电网络，该网络的设计思想为使用共享的公共传输信道进行数据传输，这一技术就是以太网的核心思想。

以太网系统中物理部件的功能及其应用

层器件是将以太网中各节点（站
点）设备连接到物理介质上不可缺少的关键部件。在开放式互连（Ｓ）ＯＩ参考模型中将系统问互连所要执行的全部通信功能按一定原则划入其七个功能层
中。
般来说中继器是形成碰撞域的核
心，ＩＥ０．规范了两类中继器拓扑Ｅ８２３Ｅｕ结构．按拓扑结构规则分为ｌ中继器类和ｌ中继器。而两种类型中继器不允１类许在同一碰撞域网络中使用即不能混
来，实现网段内数据的
传输、网段问数据的传输及数据帧在多节点问
的传输。
网桥的基本功能框
图如图所示。
其工作过程是：首厨桥本的基功艟框图
世界仪表与自动化
—
■
一
维普资讯
以太网系统中物理部件的及其应用功能
能。
ＭＣ地址在ＭＣ地址表中处于同一个ＡＡ端１时．执行过滤操作：否则执行转发３操作。而对于广播帧和多播帧则要将此数据帧转发到所有端１、节点或一个３节点的子集。
网桥是多设备端１从上述功能分３
于Ｏｌｓ参考模型七层结构的第二层（链路层）设备．因此它操作的不是数据包而是成帧的数据。以太网网桥对于帧信号的操作包括帧信号的收／发、帧信号内各区域的识别、解释．并且” 散列” 出节点ＭＣＡ地址并将其记录到相关的节点ＭＣ地址表中。Ａ
析可看出其硬件组成至少应包括ＣＵＰ、
ＲＡＭ
、
ＥＰＥＲＯＭ
、
转发与过滤控制机构和
通过网桥的各端１可将同一类型的３

PHY的基本知识

注：ＰＨＹ　＝ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＬＡＹＥＲ　ＤＥＶＩＣＥ即物理层器件。

此规范中提到的１０／１００　ＰＨＹ是指专用于以太网，支持ＩＥＥＥ　８０２．３１０　Ｍｂｐｓ　和　１００　Ｍｂｐｓ物理层应用的收发器。

即通过双绞线可使用在１０　Ｍｂｐｓ　和　１００　Ｍｂｐｓ　（１０ＢＡＳＥ－Ｔ　和１００ＢＡＳＥ－ＴＸ）以太网的物理层器件。

有些ＰＨＹ可通过光纤收发器支持１００　Ｍｂｐｓ　（１００ＢＡＳＥ－ＦＸ）以太网，和此相关部分的设计见１００ＦＸ设计规范，本规范不涉及。

以下将１０／１００ＰＨＹ简称为ＰＨＹ。

　１目的：将成熟设计标准化，便于重复利用。

通过对该规范的学习，能够掌握　ＰＨＹ原理并能做相关的设计。

　２内容简介　２．１　设计目标　２．２　设计方法　２．３　ＰＨＹ的基本概念　２．４　原理描述　２．５　典型ＰＨＹ分析　２．６　典型原理图参考　２．７　典型ＰＣＢ参考　２．８　常见ＰＨＹ简单介绍　２．９　引用的资料和标准　２．１０　ＰＨＹ调试方法和注意事项　３设计目标：　３．１正确、快速设计ＰＨＹ的原理图　３．２正确、快速设计ＰＨＹ　的ＰＣＢ　３．３快速调试出ＰＨＹ的实际电路　４设计方法：　４．１阅读ＰＨＹ设计规范，对其有一个全面的了解　４．２仔细阅读要使用的ＰＨＹ的相关资料　４．３找出使用的ＰＨＹ和规范中典型ＰＨＹ的不同之处，加以分析　４．４在典型ＰＨＹ设计基础上进行修改　５ＰＨＹ的基本概念：　５．１在ＯＳＩ基准模型中，ＰＨＹ属于哪一层？　在ＯＳＩ的７层基准模型中我们使用的ＰＨＹ属于第一层－－物理层（　ＰＨＹ）。

物理层协议可定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。

数据链路层可以通过定义好的接口而与物理层通话。

例如ＭＡＣ　可以利用介质无关性接口（　ＭＩＩ）与ＰＨＹ进行数据交换。

　５．２ＰＨＹ的基本作用：　５．３．１　对端口ＬＩＮＫ状态的判断；　５．３．２　自动协商，当然ＭＡＣ可以修改ＰＨＹ的寄存器间接控制自动协商；　５．３．３　完成ＭＩＩ（ＲＭＩＩ）数据和串行数据流之间的转化：包括４Ｂ／５Ｂ的编码的转化（不包括１０ＢＡＳＥＴ）；串并转换；最后转换成低压信号，根据端口不同的工作模式，转换方式也有所不同。

以太网物理层

6
表示
5
通信控制
4
传输
3
仲裁
2 以太网成帧&数据保护
1
比特位传输
CB1e_2_Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.919
应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层
HTTP, FTP, TFTP SNMP, SNTP, …
TCP / UDP IP
以太网
2-4
举例：点对点通信
7
Application
6
Presentation
CB1e_2_L1.919
2-13
双绞线分类
性能类别 1类线
规格（AWG）性能
各种
低于1MHz
2类线
22和24
1MHz
3类线
22和24
16MHz
4类线
各种
20MHz
5类线
各种
100MHz
6类线 7类线
各种各种
250MHz 600MHz
典型应用
模拟语音级，ISDN基本速率接口，要求小于1Mbps的其他应用
DSC
LC（用于千兆网络，接口小巧）
Industry connectors for IP 67
LC
M12 for F/O
其它带保护套的连接方式
CB1e_2_L1.919
2-26
IP 防护等级
CB1e_2_L1.919
2-27
连接器和终端设备必须符合特定的防护等级以满足防尘和防水要求——即IP防护等级 (IP = International Protection)
CB1e_2_L1.919
2-7
以太网: 同轴电缆10BASE2

以太网知识讲座(3)—物理层器件

逻辑数据链路层（Ｌ）ＤＬ，
而ＭＤ的下层则直接与Ｉ
传输介质相连。
以下对四个功能层
包
（ｉ流的透明传输等。ｂｔ）通常物理层的功能均被集成在一个芯片之中，有的芯片也将部分链路层的功能集成进来，但如物理介质接入控制（Ｃ：ｄａＡｃｓＣｎＭＡＭｅｉｃｅｓｏ — ｔ１子层的功能等。其ＭＡ／ｅｅｔｒ口在ｌｒ）ｏＣＲｐａｅ接０
１２１ＭＡＣ—ＰＹ端口．．Ｈｆ
这是ＭＡＣ与ＰＹ器件之间的接口，括同步Ｈ包收发接口和介质状态控制接口。介质状态控制接在
Ｅ中有载波读出信号（Ｒ：ａｒｒＳｎｅＳｇａ）ｌＣＳＣｒｅｅｓｉｎ１和ｉ碰撞检测信号（Ｏ：ｏｉｏｅｅｔｎＳｇａ）。ＣＬＣｌｓｎＤｔｃｉｉｎ等ｌｉｏ１
１２２Ｓ．．ＴＡ—ＰＨＹ端口
王廷免＜ｌ
）男，９３年毕业于内蒙古大学，：ｌ６
现任天津恒先科技有瞎公司高鼓－程师。ｒ＿
马克ｊ（９３：，９５年毕业于西安电子科技．１６一）另ｌ８Ｌ大学，现任天牵扭光科技有限公司甚经理。主持开发研了多种竞通信产品并在公司内成
收稿１＂０１１ — １３期２０ — ２２

物理层

物理编码子层
• 2. PCS接收子层 PCS接收子层主要完成以下功能： a.串/并变换； b.载波检测； c.4B/5B或Manchester译码； d.码组成帧。即PCS接收子层状态机连续接收从PMA 来的数据，将其由串行变换为并行，以及成帧和译码，之后送到MAC/Pepeater接口。
物理编码子层
物理编码子层
• 每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit) 表示帧前序（Frame Preamble）。PCS将前两个nib用数据流起始标帜符/J/K/代替，并在帧结束时加入数据流结束标帜符/T/R/，用于表示包的结束(ESD:End-of-Stream Delimiter)。4B/5B编码器同样在包之间充满间隔空信号（Idle Period）。用间隔空（Idle）符号实现数据流的连续性。编码后的符号送入后面的扰码器。
物理介质连接子层
• 1. PMA发送子层 PMA发送子层（PMA Transmit Sublayer）从PCS子层接收串行比特流并且将其变换为 NRZI格式，然后将其送入物理介质相关子层（PMD）。 PMA使用数字锁相环（PLL）合成技术，从时钟标准接口得到需要发送的时钟脉冲，并根据标准时钟接口的安排，得到不同的发送时钟值。
物理介质相关子层
• 1 数据流的扰码器/解扰器通常，数字传输系统的鲁棒性（Robustness）依赖于数字信号源的统计特性。例如，接收时钟是从接收数据提取得来的，长串“0”和“1”可能引起同步的丢失。为了使定时恢复电路处于同步状态，数据信号必须包含足够多的跃变沿。 IEEE 802.3u协议允许出现一些重复的数据图形，这些重复的图形在线路信号的功率频谱密度分布中出现能量峰值，其不连续的频谱分量是有害的，必须将其抑制掉。

(完整版)以太网物理层信号测试与分析

以太网物理层信号测试与分析1 物理层信号特点以太网对应OSI七层模型的数据链路层和物理层，对应数据链路层的部分又分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。

MAC与物理层连接的接口称作介质无关接口（MII）。

物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口（MDI）。

在物理层中，又可以分为物理编码子层（PCS）、物理介质连接子层（PMA）、物理介质相关子层（PMD）。

根据介质传输数据率的不同，以太网电接口可分为10Base-T，100Base-Tx和1000Base-T三种，分别对应10Mbps，100Mbps和1000Mbps三种速率级别。

不仅是速率的差异，同时由于采用了不同的物理层编码规则而导致对应的测试和分析方案也全然不同，各有各的章法。

下面先就这三种类型以太网的物理层编码规则做一分析。

1、1 10Base-T 编码方法10M以太网物理层信号传输使用曼彻斯特编码方法，即“0”=由“+”跳变到“-”，“1”=由“-”跳变到“+”,因为不论是”0”或是”1”,都有跳变,所以总体来说,信号是DC平衡的, 并且接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟进而恢复出数据逻辑。

图1 曼彻斯特编码规则1、2100Base-Tx 编码方法100Base-TX又称为快速以太网，因为通常100Base-TX的PMD是使用CAT5线传输，按TIA/EIA-586-A定义只能达到100MHz，而当PCS层将4Bit编译成5Bit时，使100Mb/s数据流变成125Mb/s数据流，所以100Base-TX同时采用了MLT-3（三电平编码）的信道编码方法，目的是使MDI的5bit输出的速率降低了。

MLT-3定义只有数据是“1”时，数据信号状态才跳变，“0”则保持状态不变，以减低信号跳变的频率，从而减低信号的频率。

图2 MLT-3编码规则100Base-Tx的MAC层在数据帧与帧之间，会插入IDEL帧（IDEL=11111），告诉网上所连接的终端，链路在闲置但正常的工作状态中（按CSMA/CD，DTE数据终端机会检测链路是否空闲，才会发送数据）。

以太网知识讲座(2)—以太网介质接入控制方法和物理层性能标准规范

备、络组成及主要的性能，及以太网信号在Ｐ网以ＤＨ、ＤＳＥ中的传输等等。本部分为介质接人控制方法和ＳＨ／ＯＮＴ物理层性能的标准规范。介质接人控制方法方面介绍了半双工和全双工以太网两种工作模式，物理层性能标在在
在以太网中，个节点都必须通过中继器（．每Ｒｅ
ｐａｅｒＥｈｍｅ）网络进行连接，继器内部呈ｅｔｒｏｔｅｔ与中
总线结构，外部呈星型拓扑结构。对于半双工工而作模式的以太网来说，是与中继器连接的众多节就点共享中继器内部总线的介质。因此，享介质的共接入是通过每个节点中的介质接入控制器（Ｃ：ＭＡ
一
种功能。此对众多节点共享同一介质的网络，因需
要采用某种规则，以对节点发送信息的时机进行控制，免发生冲突（撞）避碰。半双工以太网ＭＡＣ的方法遵循了ＩＥ８２３与Ｉ０ＩＣ８２３标准规范，ＥＥ０．Ｓ／Ｅ８０ —
作者简介
１１１半双工以太网ＣＭＡ／Ｄ接入协议．．ＳＣ
８王廷尧（３－：１３１７）男，６年毕业于内蒙古大学，ｌ９９９现任天津恒光科技有限公司高级工程师。８马克诚（６一：１８年毕业于西安电子科技ｌ１３）男，５９９ｌ大学，现任天津恒光科技有限公司总经理，ｌ主

物理层计算机网络

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率的通信。
数据传输方式
同步传输与异步传输
同步传输方式中，发送方和接收方的时钟信号保持同步，适用于高速数据传输；异步传输方式中，发送方和接收方的时钟信号不需要保持同步，适用于低速数据传输。
点对点传输与广播传输
点对点传输是指发送方和接收方之间建立一对一的通信关系；广播传输是指发送方发送的数据包能够被多个接收方接收。
组件
物理层组件包括传输介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等）、连接器和接口（如RJ-45、BNC、SC等），以及信号收发器等。
02
传输介质
有线传输介质
双绞线
双绞线是最常见的传输介质之一，由两根绝缘的铜线相互缠绕而成，可以有效减少信号干扰。
同轴电缆
同轴电缆常用于电视信号和宽带网络的传输，由内导体、绝缘层和外部的金属网组成。
结构复杂，维护和管理难度较大；成本较高，因为需要大量的线缆和节点。
05
数据编码与
将二进制数据转换为模拟信号，如曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
模拟信号编码
将模拟信号转换为数字信号，如脉冲编码调制（PCM）。
基带传输与宽带传输
基带传输适用于短距离、低速率的通信，而宽带传输适用于长距离、高速
物理层计算机网络
目录
• 物理层概述 • 传输介质 • 网络硬件设备 • 网络拓扑结构 • 数据编码与传输方式
01
物理层概述
物理层的定义和功能
定义
物理层是计算机网络体系结构中的最底层，负责传输比特流，确保数据传输的可靠性和有效性。
功能
提供机械、电气、功能和规程特性，建立、维护和释放物理连接，传输数据比特流。

以太网物理层介绍研究 (一)

以太网物理层介绍研究 (一)以太网是一种封装了数据的通信协议，常用于局域网中。

其最重要的部分就是物理层，因为它定义了数据在电缆上的传输方式，包括传输速率、电缆类型等。

本文将从以下几个方面阐述以太网物理层的基本知识。

一、传输速率以太网的传输速率有多种，最常见的是10Mbps和100Mbps。

此外，还有更高速率的1000Mbps（即千兆以太网）和10000Mbps（即万兆以太网）。

这些速率的不同对于网络的性能有着显著的影响。

二、电缆类型以太网中常用的电缆有两种：同轴电缆和双绞线电缆。

同轴电缆很少使用，因为它难以安装和维护。

双绞线电缆是目前最常用的电缆类型，它可分为两种：直通电缆和交叉电缆。

直通电缆被用于将计算机连接到集线器上，而交叉电缆被用于将两台计算机直接连接起来。

三、物理层协议以太网的物理层协议定义了数据在电缆上的传输方式。

其中最常见的协议是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）。

这种协议要求发送方侦听网络上的信号，以检测是否有其他计算机正在传输数据。

如果存在冲突，则所有计算机都停止发送，并在随机延迟后再次尝试。

四、重复器与集线器重复器和集线器是以太网中最常用的设备之一。

重复器可以将网络分割成多个片段，同时对信号进行放大，以便在延长电缆长度时保持数据传输速率。

而集线器可以将多个计算机连接到同一个物理网络上。

集线器还可以增加网络的容量和延长电缆的长度。

总之，以太网的物理层是一个非常重要的部分，它对于计算机网络的性能和速度有着决定性的影响。

学习和理解这些基本知识将帮助人们有效地设计和维护自己的局域网。

以太网物理层芯片时钟同步PLL的设计方案

以太网物理层芯片时钟同步PLL的设计方案在以太网中，物理层芯片（Physical Layer Interface Devices，PHY）是将各网元连接到物理介质上的关键部件。

负责完成互连参考模型（OSI）第I层中的功能，即为链路层实体之间进行位传输提供物理连接所需的机械、电气、光电转换和规程手段。

其功能包括建立、维护和拆除物理电路，实现物理层比特（bit）流的透明传输等。

物理层包括4个功能层和两个上层接口。

两个上层接口为物理介质无关层接口（MII）和物理介质相关层接口（MDI），在MII的上层是逻辑数据链路层（DLL），而MDI的下层则直接与传输介质相连。

而这些子层的正常工作都离不开一个稳定精确的时钟同步信号。

PLL在物理层芯片的时钟同步应用中，要求其输出时钟带宽覆盖范围广，电压控制频率线性度好，频谱纯度高。

在PLL设计过程中，VCO是最为关键的设计环节，其性能将直接决定PLL的设计工作质量。

近年来，VCO相位噪声得到越来越深入的研究，各种低噪声VCO结构不断涌现，文献中提到的交叉耦合电流饥饿型VCO便是其中一种。

电流饥饿是指电路单元的电流受到电流源的钳制而不能达到其应有的最大值。

本文在其基础上采用了一种有效控制电压变换电路，保证原有电路优点的同时扩展了线性度，提高抗噪声能力，有效降低了相位噪声。

1 VCO延迟单元工作原理图1所示为电流饥饿型VCO中的单级结构。

PNP管M1和NPN管M2是延迟单元的组成部分，Ictrl是用于控制电容的放电电流Id1和充电电流Id2，他们是构成环形振荡器的每一级。

Ictrl控制着流过M1管和M2管的电流，所以由M1管和M2管构成的延迟单元处于电流饥饿状态。

每一级迟单元处于电流饥饿状态。

每一级的电流都由同一个电流源所镜像，所以Id1=Id2同时电流大小由输入控制电流Ictrl控制。

反相延迟主要是2个原因：一个是RC的充电时间；另一个是反相器的预置电压。

而这2个延迟时间的产生都是可以通过调整宽长比来实现。

以太网标准和物理层及数据链路层专题

资料编码产品名称使用对象产品版本编写部门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修订记录目录1以太网标准 (5)1.1以太网标准 (5)1.2IEEE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)1.4FE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)1.4.4GE自协商 (18)1.5物理层芯片和MAC层芯片接口简介 (19)1.5.1MII (19)1.5.2MDIO管理寄存器 (20)1.5.3RMII (20)1.5.4SMII (21)1.5.5SS－SMII (21)1.5.6GMII (22)1.5.7TBI (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)2.3CSMA/CD算法 (26)2.3.1CSMA/CD发送过程 (27)2.3.2CSMA/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)2.5.2PAUSE 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。

1.2 IEEE标准IEEE是电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers）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。

3.3 传统以太网技术

以太网定义的物理层标准：
又称为双绞线以太网 3、10Base -T: 10：表示传输速率为 10Mb/s Base:表示基带信号 T：表示双绞线，且单根介质最大长度为100米拓扑结构：星型组建10Base -T网络（普遍使用）所需硬件： •双绞线计算机 •RJ-45接头：俗称水晶头 •RJ-45接口的网卡
3.3 以太网技术
·
以太网定义的物理层标准：
1、10Base -5: 又被称为粗缆以太网（50 ） 10：表示传输速率为 10Mb/s Base:表示基带信号 5：表示单根粗缆最大长度为500米拓扑结构：总线型每个网段最大节点数为100个（总共300个）组建10Base -5网络（已退出使用）所需硬件： •粗缆计算机 •电缆端接器：防止信号反射
每个网段内最多接30台机器(总共30*3=90）（n×0.5米）
组建10Base -2网络所需硬件： •细缆 •电缆端接器：防止信号反射 •BNC头、T型头计算机
•BNC接口的网卡
10BASE-2网络示例
• 细同轴电缆，可靠性稍差 • BNC T型接头连接 • 总线型拓扑
10BASE-2网络组件展示：
10BaseF
• 使用光纤进行长距离连接，例如建筑物之间连接。 • 星形拓扑结构 •最常见的布线标准： 10Base-F ：最大区间链路最长2 000m
练习：

10 Base-2网络使用的传输介质是________，其拓扑结构是_______，规定： – ①单根介质的最大长度为__________米； – ②网卡必须带___________接口类型； – ③两节点之间间隔为___________米的整数倍； – ④单网段节点数最多为_____个，使用中继器扩展距离后整个网络中节点数最多为_______个，整个网络跨度可达到_______米； 10 Base-5网络使用的传输介质是_______，其拓扑结构是_______，规定： – ①单根介质的最大长度为__________米； – ②网卡必须带___________接口类型； – ③两节点之间间隔为________米的整数倍； – ④单网段节点数最多为______个；使用中继器扩展距离后整个网络中节点数最多为_______个，整个网络跨度可达到_______米； 10 Base-T网络使用的传输介质是___________，其拓扑结构在物理上是 ___________型，逻辑上是___________型；规定： – ①单根介质的最大长度为__________米； – ②网卡必须带___________接口类型； 10 Base-F网络使用的传输介质是___________，其拓扑结构是___________；使用粗缆连接的2个10 Base-2网络中，相距最远的两节点之间的传输距离为 ___________米，相距最近的两节点之间的传输距离为___________米；使用细缆连接的2个10 Base-5网络中，相距最远的两节点之间的传输距离为 ___________米，相距最近的两节点之间的传输距离为___________米；

以太网物理层信号调制及其同步机制-PPT文档资料

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以太网物理层简介
以太网匹配之Bob Smith电路
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以太网物理层简介
• • 以太网接口标准定义以太网设备满足正常通信，IEEE802.3对RJ45端口信号有规定，要求电脑与HUB用直通线连接能正常通信，则要求电脑的网卡NIC的TX、RX分别连接到HUB的RX、TX，所以，它们的RJ45接口的PIN脚定义是不一样的，具体如下：网卡NIC对RJ45接口PIN脚定义： RJ45 PIN： 1 2 3 4 5 6 7 8 信号定义： TX+ TX- RX+ NA NA RXNA NA HUB对RJ45接口PIN脚定义： RJ45 PIN： 1 2 3 4 5 6 7 8 信号定义： RX+ RX- TX+ NA NA TXNA NA • 随着以太网技术的不断发展，出现了新类型的产品，对以下产品进行分类： 1. 与NIC同类型的有：HUB和交换机上联口，Router、Gateway、IPphone等设备的WAN口，称为“MDI口” 2. 与HUB同类型的有：HUB和交换机下联口，Router、Gateway、IPphone、XDSL等设备的 LAN口，称为“MDIX口” 3. “MDI口”与“MDIX口”被称为两种不同类型设备端口，它们之间被指定用直通线连接，而同类型设备端口之间用交叉线连接。如果芯片支持AUTO MDII-X功能的端口，可以用交叉线或直通线连接任何类型的端口 4.
以太网物理层信号调制技术
100Base-TX：
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1000Base-T：
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主要内容

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以太网知识讲座()——物理层器件以太网知识讲座（3）——物理层器件2010-05-2513:24（天津光电通信产业集团恒光科技有限公司；天津300211）摘要：系统地介绍了以太网的基本要领介质接入控制和物理层标准规范，以太网信号的帧结构、网络硬件设备、网络组成及主要性能，以及以太网信号在PDH、SDH/SONET中的传输等等。

由于以太网中的各种设备必需通物理层接口器件才能与网络传输介质相连，因此本部分主要介绍物理层器件。

关键词：以太网；物理层；接口1物理层器件物理层器件（PHY:Physical Layer Interface Devices）是将各网元连接到物理介质上的关键部件。

负责完成互连参考模型（OSI）第I层中的功能，即为链路层实体之间进行bit传输提供物理连接所需的机械、电气、光电转换和规程手段。

其功能包括建立、维护和拆除物理电路，实现物理层比特(bit)流的透明传输等。

通常物理层的功能均被集成在一个芯片之中，但有的芯片也将部分链路层的功能集成进来，如物理介质接入控制（MAC:Media Access Con-brol）子层的功能等。

其MAC/Repeater接口在10Mbit/s、100Mbit/s两种速率下有10/100MII、100M符号、10M串行和链路脉冲几种模式。

1.1PHY的结构如图1所示，物理层包括四个功能层和两上层接口。

两个层接口为物理介质无关层接口（MII）和物理介质相关层接口（MDI），在MII的上层是逻辑数据链路层（DLL），而MDI的下层则直接与传输介质相连。

以下对四个功能层和两个层接口分别进行介绍。

1.2MIIMII满足ISO/IEC8802-3和IEEE802.3标准的要求，支持以太网数据传输的速率为10Mbit/s，100Mbit/s、1000Mbit/s和10Gbit/s，有对应的运行时钟。

MII接口主要由与链路层之间的端口（MAC-PHY）和与站管理实体（STA:Station Management Entity）之间的端口（STA-PHY）两部分组成。

1.2.1MAC-PHY端口这是MAC与PHY器件之间的接口，包括同步收发接口和介质状态控制接口。

在介质状态控制接口中有载波读出信号（CRS:Carrier Sense Signal）和碰撞检测信号（COL:Collision Detection Signal）等。

1.2.2STA-PHY端口STA-PHY作为MII接口的一部分，用于在STA和PHY器件之间交换有关控制、状态和配置方面的信息。

为此，ISO/IEC、IEEE规范了这个双线串行管理接口的相关协议及管理信息帧的结构和管理寄存器的标准。

（1）管理寄存器按标准，管理寄存器集（Management Registerset）包括强制性“基本控制”寄存器（Mandatory“Basic Control”Registers）、状态寄存器（Status Re-gisters）和专用扩展寄存器ICS（Specifie Extended Registers）几部分。

（2）管理信号帧结构管理接口是一个双向串行接口，用于交换PHY与STA之间的配置、控制和状态数据，利用定义的寄存器集实现PHY和STA的数据交换。

STA可以启动所有的处理功能。

ISO/IEC、IEEE对串行管理数据流定义了相关管理帧结构和协议（管理信号帧的结构已在第一讲中讨论）。

1.3物理编码子层物理编码子层（PCS）有两个对外接口，一是与MII的接口，二是与物理介质连接子层（PMA：Physical Medium Attachment Sublayer）的接口。

PCS子层遵循ISO/IEC8802.3和IEEE 802.3标准，功能包括对信号的编译码、收发处理、管理和控制等。

这里可用100Base-TX速率来讨论PCS子层要完成的功能。

1.3.1PCS在100Mbit/s与10Mbit/s下的工作模式一般称10Base-T为以太网，10Base-TX为快速以太网，两者信号的速率，执行的协议以及采用的传输介质均有所不同。

PCS子层对于10Base-TX信号进行4B/5B编译码、扰码（Serambled）和MLT-3编码，将信号交换为62.5MHz的三元数据，然后通过隔离变压器送入5类双绞线电缆或者比5类双绞线电缆更好地电缆线路中传输。

对于10Base-T信号则需进行曼乇斯特（Manchester）编译码和相关的处理。

对10Base-TX信号和10Base-T信号处理的功能比较如表1所示。

1.3.2PCS发送子层这里讨论10Mbit/s和100Mbit/s两种情况。

PCS发送子层的功能是编码、碰撞检测与并/串变换等。

（1）100Mbit/s PCS发送子层PCS发送10Base-TX的数据需要进行4B/5B编码，即是将4bit数据组成的奈培（nib）变换成由5bit数据组成的码字。

4B/5B编码的目的就是将数据包的起始符、帧结束、空载与控制功能等符号都编成码组进行传输。

将4B码的nib映射入5B码字的过程是按IEEE802.3标准规范进行的。

每个MAC/Repeater帧的前16nib(16×4=64bit)表示帧前序（Frame Preamble）。

PCS将前二个nb用数据流起始标帜符/J/K/代替，并在帧结束时加入数据流结束标帜符/T/R/，用于表示包的结束(ESD:End-of-Stream Delimiter)。

4B/5B编码器同样在包之间充满间隔空信号（Idle Period）。

用间隔空（Idle）符号实现数据流的连续性。

表2即是4B/5B编码表。

编码后的符号送入后面的扰码器。

PCS发送的子层4B/5B编码，有32种5bit的编码组合，其中16种5bit组合用于表示原16捉nib(4bit)的组合；另16种5bit组合，IEEE标准定义了6种用于控制使用的组合，还有10种认为非法的组合。

IEEE定义的6种控制码组是：a./H/表示一个发送差错；b./I/表示一个IDLE空载；c.两个码组表示数据流启始标帧符（SSD）；d./J/和/K/；e.两个码组表示数据流结束标帜符（ESD）；f./T/和/R/；（2）10Mbit/s的PCS发送子层按ISO/IEC、IEEE标准的要求，10Mbit/s的PCS发送子层采用Manchester编码，即利用数据与时钟相“异或”，使数据每bit的前一半取数据的补码，后一半取数据的原码，从而保证跃变沿总是发生在每bit的中央处。

Manchester编码器在数据包结束后加入一个起始空脉冲（SOI:Start of Idle Pulse）。

在编码过程中与包之间的间隔则不进行编码，由链路脉冲填充。

Manchester编码过程的时间关系如图2所示。

从MAC/Repeater接口来的4bit的nib流或串行bit流，利用Manchester编码进行编码。

编码的逻辑是：a.二进制NRZ数据“1”当码元（bit）周期前半周期时取负值；当码元（bit）周期后半周期时取正值。

b.二进制NRZ数据“0”当码元（bit）周期前半周期时取正值；当码元（bit）周期后半周期时取负值。

使用Manchester编码的优点，一是每个bit周期可有一编码时钟；二是不必考虑数据本身是“0”还是“1”，增加了数据的跃变沿。

但它的缺点是编码后的数据率增加了一倍。

PCS子层还可完成碰撞检测，即在数据传输和接收同时发生时，需按标准规范和根据工作模式进行处理。

在半双工工作模式下，发生碰撞时产生检测信号（COL:Collision Detection Signal），而在全双工工作模式下，不产生COL。

1.3.3PCS接收子层（1）PCS接收子层的功能PCS接收子层主要完成以下功能：a.串/并变换；b.载波检测；c.4B/5B或Manchester译码；d.码组成帧。

即PCS接收子层状态机连续接收从PMA来的数据，将其由串行变换为并行，以及成帧和译码，之后送到MAC/Pepeater接口。

接收状态机则在接收和数据状态判断之间进行转换并连续这个过程，直到发生下述情况之一时为止：数据流结束标帜符（ESD，即/T/R/符号）；有差错发生；过早结束（空号）。

依据ESD，接收状态机返回到Idle状态时，ESD并没有被送入MAC/Pepeater接口，因此检测出的差错将迫使接收状态机宣告接收错，并等待后面符号。

若接收状态机检出“过早结束信号（Prematureend）”，同样也要宣告接收错，而返回Idle状态。

（2）100Mbit/s的PCS接收子层4B/5B译码器4B/5B编码，因此在收端必须利用4B/5B译码器进行译码，即将5B码组映射成4B码。

4B/5B译码器的输入严自解扰器（Descrambler）。

按表3所示，将5bit码组变换为4bit的nib。

4B/5B译码器应首先将SSD帧符（/J/K/符号）拆除并用两个4B数据“5”nb(/5/符号)来代替，对ESD帧符（/T/R/符号）也需被拆除并用两个4B数据“0”nib（/I/符号）代替。

（3）10Mbit/s PCS接收子层Manchester译码Manchester译码器将从双绞线对接收到的Manchester编码信号变换为原NRZ信号，并将空载开始脉冲（SOI:Start of Idle）拆除。

在发送端，NRZ数据S被Manchester编剧骊，即MS=S ⊕C（C为时钟<Clock>）。

在收端，MS数据重新被译码为S，即图3、图4即为ML2653型10Base-T物理接口芯片发收Manchester信号编译码的一时图。

PCS子层提供CRS载波检测信号（Carrier Sense Signal）和碰撞检出信号（Collision Detection Signal），用这两个控制信号实现对MII接口的控制与管理。

1.4PMA子层PMA与PCS及PMD子层相连，因此必须有两个接口；一个是到上边PCS子层的接口，另一个是到下边PMD子层的接口。

PMA子层主要功能是：（1）链路监测（Link Monitoring）；（2）载波检测（Carrier Dete-cting）；（3）MRZI编/译码（NRZI En-coding/Decoding）；（4）发送时钟合成（Transmit Clock Synthesis）；（5）接收时钟恢复（Receive Clock Recovery）。

1.4.1PMA发送子层PMA发送子层（PMA Transmit Sublayer）从PCS子层接收串行比特流并且将其变换为NRZI 格式（10Mbit/s不用），然后将其送入物理介质相关子层（PMD）。