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2024-03-14 18:49:35

【图说网规】以太网分类标准及接口编码规则 - 知乎

【图说网规】以太网分类标准及接口编码规则 - 知乎切换模式写文章登录/注册【图说网规】以太网分类标准及接口编码规则网规课堂计算机技术与软件专业技术资格证持证人以太网最早是由DEC、Intel和施乐组成的DIX联盟开发的的标准，于1982年发布。经过长期发展，以太网已成为应用最广泛的局域网标准，包括标准以太网（10M）、快速以太网（100M）、千兆以太网、万兆以太网和40G/100G以太网等。相应的标准分别是：802.3；802.3u；802.3z、802.3ab；802.3ae、802.3ba。一、快速以太网（ 802.3u）IEEE 802.3u于1995年正式颁布，共分为4个标准，分别是100Base-TX、100Base-FX、100Base-T4和100Base-T2。相应的传输介质分别是UTP（非屏蔽双绞线）、STP（屏蔽双绞线）、MMF（多模光纤）和SMF（单模光纤）。其中，UTP的特性阻抗为100欧姆，STP的特性阻抗为150欧姆，两者最长段长均为100米。标准中各字段的含义分别是：100表示100M bps；Base表示采用基带传输；T表示传输介质为双绞线，F为光纤，C为铜缆；X为同一传输速率下的不同标准。100Base-TX编码采用MLT-3；100Base-FX采用4B/5B（编码效率80%）和 NRZ-I 编码；100Base-T4编码采用8B/6T。二、千兆以太网（802.3z、802.3ab）IEEE 802.3z、802.3ab分别于于1998年6月和1999年6月公布，分别如下：802.3z：1000Base-SX、1000Base-LX、1000Base-CX；802.3ab：1000Base-T标准中各字段的含义分别是：SX短距；LX长距；CX铜缆短距。传输介质为多模光纤、单模光纤缆、双绞线和铜缆。1000Base-T编码采用4D-PAM5；其余三种标准均采用8B/10B（编码效率80%）。三、万兆以太网（802.3ae）802.3ae于2002年年6月公布，分别是10GBase-S、10GBase-L、10GBase-E和10GBase-LX4四个标准。其中，10GBase-S编码采用64B/66B（编码效率97%），传输距离最短是10GBase-S，最长的是10GBase-E。千兆、万兆以太网应用于点对点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，载波监昕和多路访问技术不再重要。2010年6月，40G/100G以太网802.3ba标准正式公布，解决了数据中心等高性能计算的应用场景需要。发布于 2023-03-08 09:27・IP 属地湖南以太网赞同 7添加评论分享喜欢收藏申请

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以太网笔记：快速以太网100Base-TX接口及编码 - 知乎

以太网笔记：快速以太网100Base-TX接口及编码 - 知乎切换模式写文章登录/注册以太网笔记：快速以太网100Base-TX接口及编码开心果NeedCar整车的EEA（Electrical/Electronic Architecture，电子电器架构）中，以太网常用的通信速率有100MHz和1000MHz（1G）。本文聚焦100M Ethernet的讨论。100MHz的Ethernet也称为FE（Fast Ethernet，快速以太网），对于100MHz的以太网，汽车中，常用的又包括100BASE-T1和100BASE-TX，以太网的使用中，不知大家是否产生过这样的疑问：FE的100MHz通信速率如何产生？FE的100MHz通信速率与通信接口关系？FE（100Base-TX）的编码规则？带着这些疑问，本文基于100BASE-TX，展开聊聊。1、MAC与PHY接口uC的MAC（Media Access Control） Controller发送/接口Ethernet Frame需要依赖PHY芯片（Physical Layer，物理接口层）。项目中，使用不同的速率的Ethernet，对应的PHY接口不同，如下所示：如上图（TC3xx），PHY接口主要包括MII（Media Independent Interface）、RGMII（Reduced GMII）、RMII（Reduced MII）。一般来说，uC大都会支持1000M Ethernet，但是，出于成本考虑，结合项目实际，会选用不同的PHY芯片，不同的PHY芯片型号，可能支持的Ethernet速率会不同。比如：Realtek RTL8211F(I)/RTL8211FD(I) 可以兼容10Base-T, 100Base-TX,1000Base-TIEEE 802.3，而DP83825I只兼容10Base-T, 100Base-TX IEEE 802.3。所以，在使用Ethernet的MAC接口时，需要先确认PHY能兼容的接口有哪些。（一）DP83825I与MAC之间的信号线PHY（DP83825）与MAC、RJ45之间的物理连接关系如下所示：本文主要讨论100M Ethernet，而DP83825I兼容的PHY接口为RMII。RMII接口由7根信号线外加一个时钟参考线。TXD[1:0]：数据发送信号，共2根信号线；；RXD[1:0]：数据接收信号，共2根信号线；TX_EN(TransmitEnable)：数据发送使能信号；RX_ER(ReceiveError)：数据接收错误指示信号（可选）；CLK_REF：外部时钟源提供50MHz参考时钟，由PHY芯片提供给MAC。CRS_DV：此信号是由MII接口中的RX_DV和CRS两个信号合并而成。以DP83825I为例，PHY、MAC的接口连接如下所示：如上图，TC3xx的GETH MAC如果与DP83825I PHY能正常通信，不使用Rx_CLK、RX_DV，RX_ER可以选用。DP83825I PHY中使用的通信信号线示意如下：2、FE（100Base-TX）的100MHz通信速率如何产生？两个ECU使用100Base-TX的以太网通信连接示意如下所示：对于RMII接口，参考时钟为外部时钟，时钟频率50MHz，收/发过程中，均使用两条数据线，因此，传输速率100MHz（2 * 50MHz）就是这么来的，即：一个Clock可以传输2个bit。这里的100是指PHY从MAC接收/发送的速率，实际总线上传输的模拟信号（差分信号）带宽并不是100MHz。模拟信号带宽不是100MHz，是多少呢？答：模拟信号的速率与以太网的编码格式有关。3、FE(100Base-TX)的编码规则100BASE-TX使用4B5B、NRZI（Non Return Zero Inverted Code，反向不归零编码）、MLT-3（Multi Level Transmit，多电平传输）方法进行编码和解码，进而生成差分电压。（一）4B5B编码MAC会通过多条发送数据线（Tx_D[n]）将要发送的信息并行发送给PHY，PHY收到数据以后，先进行串行序列化处理，之后进行4B5B编码。4B5B编码就是使用5Bit表示4Bit（实际要发送的数据），即：在4bit待发送数据中插入0或者1构成5bit。4Bit数据，可以构成2^4 = 16种组合，而5bit，可以构成2^5 = 32种组合，所以会有一部分5bit组合用于控制。4B5B对应编码、解码表如下所示：示例：PHY收到MAC发送的数据0000 0001，经过4B5B编码后，变成11110 01001，如下所示：经过4B5B编码以后，编码效率降低，因为插入了一个无效bit，编码率 = 4/5 =80%。PHY从MAC端接收数据时，速率是100Mbps，经过4B5B编码后，数据带宽变成125MHz，如果使用5类非屏蔽双绞线（UTP）传输，不可行，因为5类非屏蔽双绞线最高支持 100MHz 的数据带宽。所以，数据经过4B5B编码后，需要使用其他方式降低带宽，以便于使用5类非屏蔽双绞线（UTP）传输数据。100Base-TX常用降低带宽的方法有哪些呢？答：本文讨论NRZI和 MLT-3组合的方式。即：先用NRZI，将带宽降低一半（62.5MHz），再经过MLT-3编码，带宽进一步降低一半（31.25MHz）。（2）NRZI编码理解NRZI之前，我们需要先理解RZ（Return to Zone，归零编码）。RZ编码规则：正电平表示逻辑1，负电平表示0，每次传输一个逻辑电平后需要返回零电平。eg：RZ方式传输1011数据时，电平变化如下所示：对于RZ，每次操作都需要归零处理，增加了带宽，因此，又提出了NRZ（No Return to Zone，非归零编码），即：高电平表示1，低电平表示0。eg：NRZ方式传输1011数据时，电平变化如下所示：但是，使用NRZ方式，虽然不浪费带宽，但是，当传输的数据中，出现连续1或者0时，接收端会因识别不到电平变化可能采样错误，即：无法与发送端进行时钟同步。所以，又进一步的引入了NRZI编码方式，你可能会说：NRZI也没有同步的能力。如果发送端先发送一个同步包，接收端即可进行同步，而100Base-TX采用双绞线差分传输，适合使用此方式。NRZI的编码规则是什么呢？答：0表示电平有反转，1表示电平没有反转。eg：NRZ、NRZI方式传输1011数据时，电平变化对比如下所示：（三）MLT-3编码MLT-3编码使用3个电平（正电平、负电平、零电平）编码要传输的数据，MLT-3的编码规则：1、如果下一输入为“0”，则电平保持不变；2、如果下一输入为“1”，则产生跳变，此时又分两种情况。如果前一输出是“＋1”或“－1”，则下一输出为“0”；如果前一输出是“0”，其信号极性和最近一个非“0”相反。eg：MLT-3方式传输1011数据时，电平变化对比如下所示：************************************************************************************关注微信公众号“开心果 Need Car”，一起讨论Autosar开发中遇到的那些“坑”！************************************************************************************往期精彩回顾Autosar往期精彩文章汇总：1~70Autosar往期精彩文章汇总：71~100Autosar往期精彩文章汇总：101~150Autosar往期精彩文章汇总：151~200Autosar EcuM：APP由RUN到POST_RUN浅析Autosar网络管理：再说CAN FD帧能否唤醒网络？嵌入式开发：TLF35584外狗之WWD嵌入式开发：如何理解ECU唤醒、休眠、Reset?C语言基础：do{...}while(0)的使用，很秀Autosar EcuM：ECU的启动、关闭流程发布于 2023-02-12 13:49・IP 属地上海汽车电子以太网（Ethernet）嵌入式开发赞同 71 条评论分享喜欢收藏申请

Ethernet（以太网）基本工作原理 - 知乎

Ethernet（以太网）基本工作原理 - 知乎切换模式写文章登录/注册Ethernet（以太网）基本工作原理乐竹每天提醒自己，不要忘记梦想！以太网采用的介质控制方法是：CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）Ethernet 数据发送流程CMSA/CD的发送流程可以简单概况为4步：先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发。（1）载波侦听过程每个主机在发送数据帧之前，首先要侦听总线的【忙/闲】状态。Ethernet网卡的收发器一直在接收总线上的信号，如果总线上有其他主机发送的信号，那么曼彻斯特解码器的解码时钟一直有输出；如果总线上没有信号发送，那么曼彻斯特（Manchester）解码器的时钟输出为0。Manchester解码器是网卡上的一个组件，解码时钟会根据线路上的信号以曼彻斯特编码解码。曼彻斯特编码因此，Manchester解码器的时钟信号可以反映出总线的【忙/闲】状态。（2）冲突检测方法载波侦听并不能完全消除冲突。———————————————————————————————————————电磁波在同轴电缆中传播速度约为 2×108m/s，如果局域网中两个【相隔最远】主机A和B相距 1000m，那主机A向主机B发送一帧数据要经过。t=\frac{1000}{2\times10^{8}}=5\times10^{-6} s=5\mu s 主机A发送数据后，要经过t后，主机B才接收到这个数据帧。在这5μs的时间内，主机B不知道主机A已经发送数据，它就有可能也向主机A发送数据。出现这种情况，主机A和主机B的这次发送就发生【冲突】。———————————————————————————————————————比较极端的冲突是：主机A向主机B发送数据，当数据信号快要到达主机B时，主机B也发送了数据。等到冲突信号传送回主机A时，已经经过了两倍的传播延迟2t（t=D/V，D为总线传输介质的最大长度，V是电磁波在介质中的传播速度）。冲突的数据帧可以传遍整个缆段，缆段上的主机都可以检测到冲突。缆段被称为【冲突域】，如果超过2t的时间没有检测出冲突，则该主机已取得【总线访问权】，因此将 2t定义为【冲突窗口】。冲突窗口是连接在一个缆段上所有主机能检测到冲突发生的最短时间。由于Ethernet物理层协议规定了总线最大长度，电磁波在介质中的传播速度是确定的，因此冲突窗口的大小也是确定的。最小帧长度与总线长度、发送速率之间的关系———————————————————————————————————————为了保证主机在发送一帧的过程可以检测到冲突，就要求发送一个最短帧的时间要超过冲突窗口的时间。因为帧发送并不是一瞬间全部发送完成，发送延迟 t = 帧长度/发送速率，发送速率一般不会改变，因此要在发送的过程中能检测到冲突需要规定一个最小帧长度最短帧长度为 L_{min} ，主机发送速率为S，发送短帧所需的时间为 L_{min} / S ，冲突窗口的值为2D/V \frac{L_{min}}{S}\geq \frac{2D}{V} 所以可以根据总线长度、发送速率和电磁波传播速度估计最小帧长度。———————————————————————————————————————冲突是指总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，它们叠加后的信号波形不等于任何一个主机输出的信号波形。冲突检测有两种方法：比较法和编码违例判决法。比较法：主机在发送帧的同时，将其发送信号波形与总线上接收到的信号波形进行比较（信号在总线上是双向传播的，比如主机A、B、C，B发送信号A与C都能接收到）。如果两个信号波形不一致，说明冲突发生。编码违例判决法：检查从总线上接收的信号波形是否符合曼彻斯特编码规律，不符合则说明发生冲突。64B是Ethernet的最小帧长度：如果一个主机发送一个最小帧，或者一个帧的前64个字节没有检测到冲突，说明该主机已经取得总线发送权，冲突窗口期又称为争用期。发现冲突、停止发送如果主机在发送过程中检测到冲突，主机要进入停止发送，随机延迟后重发的流程。随机延迟重发的第一步是：发送冲突加强干扰序列，保证有足够的冲突持续时间，使局域网中的所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。冲突加强干扰序列信号长度为32bit随机延迟重发Ethernet规定一个帧的最大重发次数为16。后退延迟算法是：截止二进制指数后退延迟———————————————————————————————————————算法可表示为： \tau =2 \cdot R \cdot a τ：重新发送所需的后退延迟时间。a：冲突窗口的值。R：随机数，以主机地址为初始值生成随机数R。k：k=min(n,10)，如果重发次数n小于10，则k=n，n≥10，则k=10.———————————————————————————————————————后退延迟时间τ到达后，节点将查询判断总线忙、闲状态，重新发送，如果再次遇到冲突，则重发次数+1，如果重发次数超过16时，表示发送失败，放弃发送该帧。CSMA/CD方法被定义为一种随机争用型介质控制访问方法。Ethernet帧结构Ethernet V2.0标准和 IEEE 802.3标准的Ethernet帧结构的区别。———————————————————————————————————————Ethernet V2.0是在DEC、Intel（英特尔）、Xeror公司合作研究的，所以也称Ethernet V2.0帧结构为DIX帧结构（公司首字母）IEEE802.3标准对Ethernet帧结构也做出了规定，通常称之为 802.3帧———————————————————————————————————————（1）前导码 1. DIX帧的前8B是前导码，每个字节都是10101010。接收电路通过提取曼彻斯特编码的自含时钟，实现收发双方的比特同步。说人话就是：编码时故意搞个特别的码在前面,通过长度告知解码器后面有货送来,注意接收。通过前导码就可判断信号是有用信号还是干扰信号,否则忽略不解码。 2. 802.3帧的前导码，每个字节都是10101010。但是有一个10101011的帧前定界符。前56位（7B×8）前导码是为了保证在接收【目的地址】时，已经进入【稳定接收状态（识别出这个是有用信号）】在62位1010…1010比特序列后出现两个11，两个11后就是Ethernet帧的目的地址字段。 3. 前导码只是为了实现收发双方的比特同步与帧同步，在接收后不需要保留，也不计入帧头长度。（2）类型字段和长度字段 1. DIX帧的类型字段表示网络层使用的协议类型。——————————————————————————————————————— 例如：类型字段=0x0800表示网络层使用IPv4协议、类型字段=0x86DD表示网络层使用IPv6协议。——————————————————————————————————————— 2. Ethernet帧最小长度为64B，除去帧头（目的地址+源地址+源地址），数据字段最短为46B。数据字段最长为1500B，因此数据字段长度在46~1500B之间。 3. DIX帧没有长度字段，所以接收端等待物理线路上没有电平的跳变（帧发送结束），除去4B的校验字段，就能取出数据字段。（3）目的地址和源地址字段 1. 目的地址和源地址表示帧的接收节点和发送节点的硬件地址。 2. 硬件地址也叫物理地址、MAC地址、Ethernet地址。 3. 源地址必须是6B的MAC地址。 4. 目的地址可以是单播地址（发送给单一主机）、多播地址（发送给一部分主机）、广播地址（发送给所有主机）。（4）帧校验字段 1. 帧校验字段FCS（ Frame Check Sequence）采用32位的CRC校验。 2. CRC校验范围：目的地址、源地址、长度、LLC（Logical Link Control：逻辑链路控制）数据等字段。Ethernet接收流程分析主机主要不发送数据帧就处于接收状态。帧目的地址检查： 1. 目的地址是单一主机的物理地址，并且是本主机地址—>接收。 2. 目的地址是组地址，并且本主机属于该组—>接收。 3. 目的地址是广播地址—>接收。 4. 如果以上3种目的地址都与本主机地址不匹配，丢弃该接收帧。帧接收： 1. CRC校验正确。 2. 帧长度正确。 3. 如果1、2都正确，将帧中的数据发送到网络层，否则报告”接收失败“进入帧结束状态。帧校验： 1. CRC校验正确，但是帧长度不对，则报告“帧长度错”。 2. 如果校验出错，判断接收帧是不是8bit的整数倍（字段长度的单位是字节，1B=8bit，接收帧长度正常的话肯定是8bit的整数倍）☆ 如果不是8bit的整数倍，则报告“帧比特出错”。☆ 如果没有发现比特丢失或者比特位对位错，则报告“帧校验错”。 3. 进入结束状态。帧间最小间隔 1. 为保证网卡能正确、连续的处理接收帧，要规定一个帧间最小间隔 (网卡处理接收帧要时间、虽然很短) 2. 规定Ethernet帧的最小间隔为9.6μsEthernet网卡网卡由三部分组成：网卡与传输介质的接口（RJ45）、Ethernet数据链路控制器、网卡与主机的接口（主板的I/O扩展槽）。Ethernet数据链路控制器的功能：实现发送数据编码、接收数据解码、CRC产生与校验、曼彻斯特编码与解码、CSMA/CD介质访问控制。网卡的物理地址写入网卡的只读存储器中，不会与世界上任何一台其他的计算机重复。编辑于 2022-08-10 18:41Ethernet以太网（Ethernet）工作原理赞同 194 条评论分享喜欢收藏申请

以太网的物理接口 - 杰哥的{运维，编程，调板子}小笔记

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以太网（Ethernet） - 知乎

以太网（Ethernet） - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册以太网（Ethernet）以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连…查看全部内容关注话题管理分享百科讨论精华视频等待回答详细内容以太网（英语：Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。概述：1990年代的以太网网卡或叫NIC（Network Interface Card，以太网适配器）。这张卡可以支持基于同轴电缆的10BASE2 (BNC连接器，左)和基于双绞线的10BASE-T（RJ-45，右）。以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道才能传送信息，有时也叫作以太（Ether）。这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体——光以太。每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。以太网通讯具有自相关性的特点，这对于电信通讯工程十分重要。CSMA/CD共享介质以太网：带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet，它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台电脑要发送信息时，在以下行动与状态之间进行转换：开始 - 如果线路空闲，则启动传输，否则跳转到第4步。发送 - 如果检测到冲突，继续发送数据直到达到最小回报时间（min echo receive interval）以确保所有其他转发器和终端检测到冲突，而后跳转到第4步。成功传输 - 向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式。线路繁忙 - 持续等待直到线路空闲。线路空闲 - 在尚未达到最大尝试次数之前，每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。超过最大尝试传输次数 - 向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式。就像在没有主持人的座谈会中，所有的参加者都通过一个共同的介质（空气）来相互交谈。每个参加者在讲话前，都礼貌地等待别人把话讲完。如果两个客人同时开始讲话，那么他们都停下来，分别随机等待一段时间再开始讲话。这时，如果两个参加者等待的时间不同，冲突就不会出现。如果传输失败超过一次，将延迟指数增长时间后再次尝试。延迟的时间通过截断二进制指数后移（英语：Exponential_backoff）（truncated binary exponential backoff）算法来实现。最初的以太网是采用同轴电缆来连接各个设备的。电脑通过一个叫做附加单元接口（Attachment Unit Interface，AUI）的收发器连接到电缆上。一条简单网路线对于一个小型网络来说很可靠，而对于大型网络来说，某处线路的故障或某个连接器的故障，都会造成以太网某个或多个网段的不稳定。因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端（destination），却会使用广播的形式，发送给线路上的所有电脑。在正常情况下，网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息，接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求，除非网卡处于混杂模式（Promiscuous mode）。这种“一个说，大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点，因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽，所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢，比如电源故障之后，当所有的网络终端都重新启动时。以太网中继器和集线器：在以太网技术的发展中，以太网集线器（Ethernet Hub）的出现使得网络更加可靠，接线更加方便。因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。例如，10BASE5同轴电缆最长距离500米（1,640英尺）。最大距离可以通过以太网中继器实现，中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段，但是只能有4个设备（即一个网段最多可以接4个中继器）。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题：当一段同轴电缆断开，所有这个段上的设备就无法通讯，中继器可以保证其他网段正常工作。类似于其他的高速总线，以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆，电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器，如果不这么做，就会发生类似电缆断掉的情况：总线上的AC信号当到达终端时将被反射，而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突，从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离，增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能，可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来，这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。随着应用的拓展，人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效，于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器就是众所周知的集线器（Hub）。集线器可以连接到其他的集线器或者同轴网络。第一个集线器被认为是“多端口收发器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI，它可以使许多台具有AUI连接器的主机共享一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立以太网网段的出现。像DEC和SynOptics这样的网络设备制造商曾经出售过用于连接许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。非屏蔽双绞线（unshielded twisted-pair cables , UTP）最先应用在星型局域网中，之后也在10BASE-T中应用，最后取代了同轴电缆成为以太网的标准。这项改进之后，RJ45电话接口代替了AUI成为电脑和集线器的标准线路，非屏蔽3类双绞线/5类双绞线成为标准载体。集线器的应用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网络，提高了以太网的可靠性。双绞线以太网把每一个网段点对点地连起来，这样终端就可以做成一个标准的硬件，解决了以太网的终端问题。采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构，但在逻辑上仍然是总线型的，半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法，集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口，所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连接速度的限制（10或100 Mbit/s），这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网络负载过重时，冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网络的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前尽量提高网络的负载，通常会先做一些设定以避免类似情况发生。桥接和交换：尽管中继器在某些方面分隔了以太网网段，使得电缆断线的故障不会影响到整个网络，但它向所有的以太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个以太网网络上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题，桥接方法被采用，在工作在物理层的中继器之基础上，桥接工作在数据链路层。通过网桥时，只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段；冲突和数据包错误则都被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址，网桥可以判断它们都在什么位置，这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。像生成树协议这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。早期的网桥要检测每一个数据包，因此当同时处理多个端口的时候，数据转发比Hub（中继器）来得慢。1989年网络公司Kalpana发明了EtherSwitch，第一台以太网交换机。以太网交换机把桥接功能用硬件实现，这样就能保证转发数据速率达到线速。大多数现代以太网用以太网交换机代替Hub。尽管布线方式和Hub以太网相同，但交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势，例如更大的带宽和更好的异常结果隔离设备。交换网络典型的使用星型拓扑，虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网，但10BASE-T和以后的标准皆为全双工以太网，不再是共享介质系统。交换机启动后，一开始也和Hub一样，转发所有数据到所有端口。接下来，当它记录了每个端口的地址以后，他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。因此线速以太网交换可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通讯互不干扰。因为数据包一般只是发送到他的目的端口，所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。然而，交换式以太网仍然是不安全的网络技术，因为它很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪，同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。当只有简单设备（除Hub之外的设备）连接交换机端口时，整个网络可能处于全双工模式。如果一个网段只有2个设备，那么冲突探测也不需要了，两个设备可以随时收发数据。这时总带宽是链路的2倍，虽然双方的带宽相同，但没有发生冲突就意味着几乎能利用到100%的带宽。交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性，即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而，如果自动协商功能被关闭或者设备不支持，则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因（设备被设置为半双工会报告迟发冲突，而设备被设为全双工则会报告runt）。许多较低层级的交换机没有手工进行速率和双工设置的能力，因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时（例如其他设备不支持），自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的，因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时（反之亦然）则会导致双工错配。即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商，错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此，如果性能差于预期，应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了，如果已知另一端配置为100Mbit，则可以手动强制设置成正确模式。.当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率（例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps）通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率，以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路，因此如果速率过高就会导致链路失效。解决方案为强制通讯端降低到电缆支持的速率。以太网类型：除了以上提到的不同帧类型以外，各类以太网的差别仅在速率和配线。因此，同样的网络协议栈软件可以在大多数以太网上执行。以下的章节简要综述了不同的正式以太网类型。除了这些正式的标准以外，许多厂商因为一些特殊的原因，例如为了支持更长距离的光纤传输，而制定了一些专用的标准。很多以太网卡和交换设备都支持多速率，设备之间通过自动协商设置最佳的连接速度和双工方式。如果协商失败，多速率设备就会探测另一方使用的速率但是默认为半双工方式。10/100以太网端口支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。部分以太网类型局域网（英语：Local Area Network，简称LAN）是连接住宅、学校、实验室、大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的计算机网络。相比之下，广域网（WAN）不仅覆盖较大的地理距离，而且还通常涉及固接专线和对于互联网的链接。相比来说互联网则更为广阔，是连接全球商业和个人电脑的系统。在历经使用了链式局域网（英语：ARCNET）、令牌环与AppleTalk技术后，以太网和Wi-Fi（无线网络连接）是现今局域网最常用的两项技术。机理：局域网（Local Area Network, LAN），又称内网。指覆盖局部区域（如办公室或楼层）的计算机网络。按照网络覆盖的区域（距离）不同，其他的网络类型还包括个人网、城域网、广域网等。早期的局域网网络技术都是各不同厂家所专有，互不兼容。后来，电机电子工程师学会推动了局域网技术的标准化，由此产生了IEEE 802系列标准。这使得在建设局域网时可以选用不同厂家的设备，并能保证其兼容性。这一系列标准覆盖了双绞线、同轴电缆、光纤和无线等多种传输介质和组网方式，并包括网络测试和管理的内容。随着新技术的不断出现，这一系列标准仍在不断的更新变化之中。以太网（IEEE 802.3标准）是最常用的局域网组网方式。以太网使用双绞线作为传输介质。在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1000Mb/s和10Gb/s的速率。其他主要的局域网类型有令牌环和FDDI（光纤分布数字接口，IEEE 802.8）。令牌环网络采用同轴电缆作为传输介质，具有更好的抗干扰性；但是网络结构不能很容易的改变。FDDI采用光纤传输，网络带宽大，适于用作连接多个局域网的骨干网。近两年来，随着802.11标准的制定，无线局域网的应用大为普及。这一标准采用2.4GHz 和5.8GHz 的频段，数据传输速度最高可以达到300Mbps和866Mbps。局域网标准定义了传输介质、编码和介质访问等底层（一二层）功能。要使数据通过复杂的网络结构传输到达目的地，还需要具有寻址、路由和流量控制等功能的网络协议的支持。TCP/IP（传输控制协议/互联网络协议）是最普遍使用的局域网网络协议。它也是互联网所使用的网络协议。其他常用的局域网协议包括，IPX、AppleTalk等。在无线 LAN 中，用户可以在覆盖区域内不受限制地移动。无线网络因其易于安装而在住宅和小型企业中流行起来。大多数无线局域网都使用 Wi-Fi，因为它内置于智能手机、平板电脑和笔记本电脑中。客人通常可以通过热点服务上网。网络拨接互联网（英语：Internet）是指20世纪末期兴起电脑网络与电脑网络之间所串连成的庞大网络系统。这些网络以一些标准的网络协议相连。它是由从地方到全球范围内几百万个私人、学术界、企业和政府的网络所构成，通过电子、无线和光纤网络技术等等一系列广泛的技术联系在一起。互联网承载范围广泛的信息资源和服务，比方说相互关系的超文本文件，还有万维网（WWW）的应用、电子邮件、通话，以及文件共享服务。互联网的起源可以追溯到1960年代美国联邦政府委托进行的一项研究，目的是创建容错与电脑网络的通信。互联网的前身ARPANET最初在1980年代作为区域学术和军事网络连接的骨干。1980年代，NSFNET（英语：NSFNET）成为新的骨干而得到资助，以及其他商业化扩展得到了私人资助，这导致了全世界网络技术的快速发展，以及许多不同网络的合并结成更大的网络。到1990年代初，商业网络和企业之间的连接标志着向现代互联网的过渡。尽管互联网在1980年代只被学术界广泛使用，但商业化的服务和技术，令其极快的融入了现代每个人的生活。互联网并不等同万维网，互联网是指凡是能彼此通信的设备组成的网络就叫互联网，指利用TCP/IP通讯协定所创建的各种网络，是国际上最大的互联网，也称“国际互联网”。万维网是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过互联网访问。在此定义下，万维网是互联网的一项服务。不过多数民众并不区分两者，常常混用。连接技术：任何需要使用互联网的计算机必须通过某种方式与互联网进行连接。互联网接入技术的发展非常迅速，带宽由最初的14.4Kbps发展到目前的100Mbps甚至1Gbps带宽，接入方式也由过去单一的电话拨号方式，发展成现在多样的有线和无线接入方式，接入终端也开始朝向移动设备发展。并且更新更快的接入方式仍在继续地被研究和开发。架构：最顶层的是一些应用层协议，这些协议定义了一些用于通用应用的数据报结构，包括FTP及HTTP等。中间层是UDP协议和TCP协议，它们用于控制数据流的传输。UDP是一种不可靠的数据流传输协议，仅为网络层和应用层之间提供简单的接口。而TCP协议则具有高的可靠性，通过为数据报加入额外信息，并提供重发机制，它能够保证数据不丢包、没有冗余包以及保证数据包的顺序。对于一些需要高可靠性的应用，可以选择TCP协议；而相反，对于性能优先考虑的应用如流媒体等，则可以选择UDP协议。最底层的是互联网协议，是用于报文交换网络的一种面向数据的协议，这一协议定义了数据包在网际传送时的格式。目前使用最多的是IPv4版本，这一版本中用32位定义IP地址，尽管地址总数达到43亿，但是仍然不能满足现今全球网络飞速发展的需求，因此IPv6版本应运而生。在IPv6版本中，IP地址共有128位，“几乎可以为地球上每一粒沙子分配一个IPv6地址”。IPv6目前并没有普及，许多互联网服务提供商并不支持IPv6协议的连接。但是，可以预见，将来在IPv6的帮助下，任何家用电器都有可能连入互联网。互联网承载着众多应用程序和服务，包括万维网、社交媒体、电子邮件、移动应用程序、多人电子游戏、互联网通话、文件分享和流媒体服务等。提供这些服务的大多数服务器托管于数据中心，并且通过高性能的内容分发网络访问。万维网（英语：World Wide Web）亦作WWW、Web、全球广域网，是一个透过互联网访问的，由许多互相链接的超文本组成的信息系统。英国科学家蒂姆·伯纳斯-李于1989年发明了万维网。1990年他在瑞士CERN的工作期间编写了第一个网页浏览器。网页浏览器于1991年1月向其他研究机构发行，并于同年8月向公众开放。罗伯特·卡里奥设计的Web图标万维网是信息时代发展的核心，也是数十亿人在互联网上进行交互的主要工具。网页主要是文本文件格式化和超文本置标语言（HTML）。除了格式化文字之外，网页还可能包含图片、视频、声音和软件组件，这些组件会在用户的网页浏览器中呈现为多媒体内容的连贯页面。万维网并不等同互联网，万维网只是互联网所能提供的服务其中之一，是靠着互联网运行的一项服务。参考文献： Wendell Odom. CCENT/CCNA ICND1 100-105 Official Cert Guide. Cisco Press. 2016: 43页. ISBN 978-1-58720-580-4.Internet协议观念与实现ISBN 9577177069Internet协议观念与实现ISBN 9577177069IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111网络化生存，乔岗，中国城市出版社，1997年，ISBN 978-7-5074-0930-7Richard J. Smith, Mark Gibbs, Paul McFedries 著，毛伟、张文涛译，Internet漫游指南，人民邮电出版社，1998年. ISBN 978-7-115-06663-3世界是平的，汤马斯·佛里曼著，2005年出版. ISBN 978-986-80180-9-9内容采用CC BY-SA 3.0授权。浏览量2690 万讨论量9728 帮助中心知乎隐私保护指引申请开通机构号联系我们举报中心涉未成年举报网络谣言举报涉企侵权举报更多关于知乎下载知乎知乎招聘知乎指南知乎协议更多京 ICP 证 110745 号 · 京 ICP 备 13052560 号 - 1 · 京公网安备 11010802020088 号 · 京网文[2022]2674-081 号 · 药品医疗器械网络信息服务备案（京）网药械信息备字（2022）第00334号 · 广播电视节目制作经营许可证:（京）字第06591号 · 服务热线：400-919-0001 · Investor Relations · © 2024 知乎北京智者天下科技有限公司版权所有 · 违法和不良信息举报：010-82716601 · 举报邮箱：jubao@zhihu.

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【计算机网络】局域网体系结构、以太网Ethernet详解

2023-12-21

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以太网概述

以太网——标准和实施

以太网—— 第1层和第2层

逻辑链路控制——连接到上层

MAC——获取到介质的数据

以太网的物理实现

以太网——通过LAN的通信

以太网历史

以太网冲突管理

发展到 1Gbps 及以上速度

以太网帧

帧——封装数据包

以太网MAC 地址

十六进制计数和编址

另一个编址层

以太网单播、组播和广播

以太网MAC

以太网中的MAC

CSMA/CD – 过程

以太网定时

帧间隙和回退

以太网物理层

以太网物理层概述

10 和和 100 Mbps 以太网

1000 Mbps 以太网

以太网—— 未来选择

集线器和交换机

传统以太网—— 使用集线器

以太网 ——使用交换机

交换机—— 选择性转发

地址解析协议 (ARP)

ARP 过程 – 将IP映射到MAC地址

ARP 过程—— 目的主机在本地网络外

ARP 过程 – 删除地址映射

ARP 广播 – 问题

以太网概述

以太网——标准和实施

1980 年，Digital Equipment Corporation、Intel 和 Xerox (DIX) 协会发布了第一个以太网标准。 1985 年，本地和城域网的电气电子工程师协会 (IEEE) 标准委员会发布了 LAN 标准。以太网在 OSI 模型的下两层，也就是数据链路层和物理层上运行。

以太网—— 第1层和第2层

以太网在第 1 层上涉及信号、在介质中传输的比特流、将信号放到介质上的物理组件以及各种拓扑，它在设备之间的通信中扮演主要角色。

数据链路子层极大地促进了技术兼容性和计算机通信。

（1）MAC 子层负责将要用于传送信息的物理组件，并且准备通过介质传输的数据。（2）逻辑链路控制 (LLC) 子层保持通信过程所用物理设备的相对独立性。

逻辑链路控制——连接到上层

对于以太网，IEEE 802.2 标准规范 LLC 子层的功能，而 802.3 标准规范 MAC 子层和物理层的功能。

LLC 子层获取网络协议数据（通常是IPv4 数据包）并加入控制信息，帮助将数据包传送到目的节点。

第 2 层通过 LLC 与上层通信。

逻辑链路控制（LLC）

1.建立与上层的连接

2.将网络层数据包封装成帧

3.标识网络层协议

4.保持物理设备的相对独立性

MAC——获取到介质的数据

介质访问控制 (MAC) 是数据链路层以太网子层的下半层，由硬件（NIC）实现以太网 MAC 子层主要有两项职责（1）数据封装（2）介质访问控制

数据封装：帧定界、编址、错误检测

介质访问控制：对于将帧放入介质中和从介质中取下帧实施控制、介质恢复

以太网的物理实现

以太网的成功离不开以下因素：（1）维护的简便性（2）整合新技术的功能（3）可靠性（4）安装和升级成本在当今的网络中，以太网使用UTP 铜缆和光缆通过集线器和交换机等中间设备连接网络设备。

以太网——通过LAN的通信

以太网历史

以太网技术基础最早起步于 1970 年，是在一个叫做 Alohanet 的计划中提出来的。以太网第一个版本融入了一种称为载波侦听多路访问/ 冲突检测 (CSMA/CD) 的介质访问方法。 CSMA/CD 负责管理多台设备通过一个共享物理介质通信时产生的问题。

以太网的早期版本使用同轴电缆在总线拓扑中连接计算机。粗缆 (10BASE5) 细缆 (10BASE2) 最初的同轴粗缆和同轴细缆等物理介质被早期的 UTP 类电缆所取代。物理拓扑也改为使用集线器的星型拓扑。

以太网冲突管理

（1）传统的以太网---半双工基于共享的介质，每次只有一个站点能够成功发送。随着更多的设备加入以太网，帧的冲突量大幅增加。

（2）当前的以太网---全双工交换机可以隔离每个端口，只将帧发送到正确的目的地（如果目的地已知），而不是发送每个帧到每台设备，数据的流动因而得到了有效的控制。

发展到 1Gbps 及以上速度

一些设计和安装都很优秀的现代网络，其设备和电缆可能只需要略加升级，便能以更高的速度运行。这种功能具有降低网络总拥有成本的优点。

在以太网中使用光缆后，电缆连接距离大幅延长，使 LAN 与 WAN 之间的差异没那么明显了。以太网最初局限于单一建筑物中的 LAN 电缆系统，后来扩展到建筑物之间，而现在可以覆盖一个城市，称之为城域网 (MAN)。

以太网帧

帧——封装数据包

以太网帧结构向第 3 层 PDU 添加帧头和帧尾来封装所发送的报文。以太网帧有两种样式：IEEE 802.3（原始）和修订后的 IEEE 802.3(Ethernet)。

“前导码”（7 个字节）和“帧首定界符 (SFD)”（1 个字节）字段用于同步发送设备与接收设备。

“目的 MAC 地址”字段（6 个字节）是预定接收方的标识符。

“源 MAC 地址”字段（6 个字节）标识帧的源网卡或接口。

“长度/类型”字段（2 个字节）定义帧的数据字段的准确长度。

“数据”和“填充位”字段（46 - 1500 个字节）包含来自较高层次的封装数据（一般是第 3 层 PDU 或更常见的 IPv4 数据包）。

“帧校验序列 (FCS)”字段（4 个字节）用于检测帧中的错误。它使用循环冗余校验(CRC)。发送设备在帧的 FCS 字段中包含 CRC 的结果。

以太网MAC 地址

为协助确定以太网中的源地址和目的地址，创建了称为介质访问控制 (MAC) 地址的唯一标识符。 MAC 编址作为第 2 层 PDU 的一部分添加上去。以太网 MAC 地址是一种表示为 12 个十六进制数字的 48 位二进制值。

IEEE 要求厂商遵守两条简单的规定：分配给网卡或其它以太网设备的所有 MAC 地址都必须使用厂商分配的 OUI 作为前 3个字节。 OUI 相同的所有 MAC 地址的最后 3 个字节必须是唯一的值（厂商代码或序列号）。 MAC 地址通常称为烧录地址 (BIA)，因为它被烧录到网卡的 ROM（只读存储器）中。

十六进制计数和编址

十六进制 ("Hex") 是以 16 为基数的计数系统使用数字 0 到 9 和字母 A 到 F。十六进制通常以 0x 前导的文本值（如 0x73）或 16 为下标的值表示。

十六进制用于表示以太网 MAC 地址和 IP V6 地址。. 你已经在 Wireshark 的 Packets Byte（数据包字节）窗格见过十六进制，在那里十六进制用于表示帧和数据包中的二进制值。

另一个编址层

OSI 数据链路层（第 2 层）物理编址，是作为以太网 MAC 地址实现的，用于通过本地介质传输帧。 IPv4 地址等网络层（第 3 层）地址普遍存在的源和目的端都理解的逻辑编址。.

以太网单播、组播和广播

在以太网中，第 2 层单播、组播和广播通信会使用不同的 MAC 地址。单播 MAC 地址是帧从一台发送设备发送到一台目的设备时使用的唯一地址。

发送广播时，数据包以主机部分全部为一 (1) 的地址作为目的 IP 地址。这种地址计数法表示本地网络（广播域）中的所有主机都将接收和处理该数据包。许多网络协议，如动态主机配臵协议 (DHCP) 和地址解析协议 (ARP) 等，都使用广播。

组播地址允许源设备向一组设备发送数据包。属于某一组播组的设备都被分配了该组播组 IP 地址。组播地址的范围为 224.0.0.0到 239.255.255.255。

以太网MAC

以太网中的MAC

以太网使用载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD) 来检测和处理冲突，并管理通信的恢复。设备可以确定能够发送的时间。当设备检测到没有其它计算机在传送帧或载波信号时，就会发送其要发送的内容。

CSMA/CD – 过程

载波侦听---在 CSMA/CD 访问方法中，要发送报文的所有网络设备在发送之前必须侦听。多路访问---如果设备之间的距离导致一台设备的信号延时，则另一台设备可能没有检测到信号，从而也开始发送。冲突检测---当设备处于侦听模式时，可以检测共享介质中发生的冲突。堵塞信号和随机回退---发送设备检测到冲突之后，将发出堵塞信号。这种堵塞信号用于通知其它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法。回退算法将使所有设备在随机时间内停止发送，以让冲突消除。

载波侦听多路访问/冲突检测 (CSMA/CD)

1.在传输之前侦听——监控介质中是否有流量

2.在传输之前侦听——检测到载波信号

3.等待指定的时间——信号通过。稍后重试

4.在传输之前侦听——监控介质中是否有流量

5.未检测到载波信号——计算机传输

6.在传输之前侦听——监控介质中是否有流量

7.未检测到载波信号——计算机传输

8.发送冲突

9.发出堵塞信号

10.回退定时器——稍后重试

如图所示，集线器互连成一个称为“扩展星型”的物理拓扑。扩展星型可以极大地扩展冲突域。通过一台集线器或一系列直接相连的集线器访问公共介质的相连设备称为冲突域。冲突域也称为网段。集线器和中继器因此会影响冲突域大小的增长。

以太网定时

发送的电信号需要一定的时间（延时）传播（传送）到电缆。信号路径中的每台集线器或中继器在将比特从一个端口转发到下一个端口时，都会增加延时时间。这种累加的延时将会增大冲突发生的机率，因为侦听节点可能会在集线器或中继器处理报文时跳变成发送信号。

吞吐量速度为 10 Mbps 及以下的以太网通信是异步通信。这种环境下的异步通信意味着，每台接收设备将使用 8 个字节的定时信息来使接收电路与传入的数据同步，然后丢弃这 8 个字节。吞吐量为 100 Mbps 及更高的以太网通信是同步通信。这种环境下的同步通信表示不需要定时信息。但是，由于兼容性的原因“前导码”和“帧首定界符 (SFD)”字段仍然存在。

不管介质速度如何，将比特发送到介质并在介质上侦听到它都需要一定的时间。这段时间称为比特时间。实际计算的碰撞槽时间刚好比在冲突域的最远两点之间发送所需的理论时间长，与另一个时间最近的发送发生冲突，然后让冲突碎片返回发送站点而被检测到。

帧间隙和回退

以太网标准要求两个非冲突帧之间有最小的间隙。这样，介质在发送上一个帧后将获得稳定的时间，设备也获得了处理帧的时间。此时间称为帧间隙，其长度是从一个帧的 FCS 字段最后一位到下一个帧的“前导码”第一位。

只要一检测到冲突，发送设备就会发送一个 32 位“堵塞”信号以强调该冲突。这可确保 LAN 中的所有设备都能检测到冲突。

回退定时：冲突发生后，所有设备都让电缆变成空闲（各自等待一个完整的帧间隙），发送有冲突的设备必须再等待一段时间，然后才可以重新发送冲突的帧，这段等待时间会逐渐增长。

以太网物理层

以太网物理层概述

以太网遵守 IEEE 802.3 标准。目前为通过光缆和双绞线电缆的运行定义了四种数据速率：（1）10 Mbps - 10Base-T 以太网（2）100 Mbps - 快速以太网（3）1000 Mbps - 千兆以太网（4）10 Gbps - 万兆以太网

10 和和 100 Mbps 以太网

主要的 10 Mbps 以太网包括：（1）使用同轴粗缆的 10BASE5 （2）使用同轴细缆的 10BASE2 （3）使用 3 类/5 类非屏蔽双绞线电缆的 10BASE-T

100 Mbps 以太网也称为快速以太网，可以使用双绞线铜缆或光纤介质来实现。最常见的 100 Mbps 以太网有：（1）使用 5 类或更高规格 UTP 电缆的 100BASE-TX （2）使用光缆的 100BASE-FX

1000 Mbps 以太网

千兆以太网标准的开发产生了 UTP 铜缆、单模光缆和多模光缆的规格。 1000BASE-T 以太网使用全部四对 5 类或更高规格的 UTP 电缆提供全双工发送。

与 UTP 相比，光纤千兆以太网 - 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 有以下优势：无杂信、体积小，并且无需中继的距离远，带宽高。

以太网—— 未来选择

IEEE 802.3ae 标准经过改编，纳入了 10 Gbps - 通过光缆进行的全双工发送。万兆以太网 (10GbE) 在不断发展，不仅用于 LAN，而且用于 WAN 和 MAN。千兆以太网现已得到广泛采用，万兆产品也在不断增加，但 IEEE 和万兆以太网联盟仍未继续研究 40、100 甚至 160-Gbps 的标准。

集线器和交换机

传统以太网—— 使用集线器

传统以太网使用集线器来连接 LAN 网段中的节点。集线器不执行任何类型的通信过滤，而是将所有比特转发到其连接的每台设备。

以太网 ——使用交换机

交换机可以将 LAN 细分为多个单独的冲突域，其每个端口都代表一个单独的冲突域，为该端口连接的节点提供完全的介质带宽。

在所有节点直接连接到交换机的 LAN 中，网络的吞吐量大幅增加。这种增加主要缘于三个原因：（1）每个端口有专用的带宽（2）没有冲突的环境（3）全双工操作

交换机—— 选择性转发

以太网交换机选择性地将个别帧从接收端口转发到连接目的节点的端口。交换机维护着一个表，称为MAC 表。该表将目的 MAC 地址与用于连接节点的端口进行比对。

以太网 LAN 交换机采用五种基本操作来实现其用途：获取、过期、泛洪、选择性转发、过滤

地址解析协议 (ARP)

ARP 过程 – 将IP映射到MAC地址

ARP 协议具有两项基本功能：（1）将 IPv4 地址解析为 MAC 地址；（2）维护映射的缓存

具体的ARP转发过程可以看我之前的文章《网络基础知识之ARP协议》

ARP 过程—— 目的主机在本地网络外

如果目的 IPv4 主机不在本地网络上，则源节点需要将帧传送到作为网关的路由器接口，或用于到达该目的地的下一跳。

源节点将使用网关的 MAC 地址作为帧（其中含有发往其它网络上主机的 IPv4 数据包）的目的地址。

使用 ARP 代理时，就好像路由器接口是具有 ARP 请求所请求的 IPv4 地址的主机一样。另一种使用代理 ARP 的情况是：主机认为它已经直接连接到目的主机所在的逻辑网络。如果主机配臵了错误的掩码，通常会发生这种情况。还有一种使用代理 ARP 的情况是主机没有配臵默认网关。代理 ARP 可以帮助网络中的设备到达远程子网，而无需配臵路由或默认网关。

ARP 过程 – 删除地址映射

对于每台设备，ARP 缓存定时器将会删除在指定时间内未使用的 ARP 条目。具体时间取决于设备及其操作系统。

ARP 广播 – 问题

介质开销安全性－－ARP 欺骗/ ARP 毒化

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<13>基础知识——以太网（Ethernet ）

目录以太网概述以太网——标准和实施以太网—— 第1层和第2层逻辑链路控制——连接到上层MAC——获取到介质的数据以太网的物理实现以太网——通过LAN的通信以太网历史以太网冲突管理发展到 1Gbps 及以上速度以太网帧帧——封装数据包以太网MAC 地址十六进制计数和编址另一个编址层以太网单播、组播和广播以太网MAC以太网中的MA...

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专栏目录

以太网学习（1）--简介

飞翔的卡布达的博客

03-19

9855

一、以太网简介

二、STM32MAC简介

三、 LAN8720简介

1）LAN8720地址设置

3）LAN8720寄存器

四、以太网DMA描述符

学习教程以STM32F4XX硬件平台进行学习。

一、以太网简介

以太网是一种计算机局域网技术。是目前最广泛的局域网技术，他的传输介质可以是光纤或双绞线，简单来说，以太网就是一种在局域网中，把附近的所有设备都连接起来，使得他们之间可以进行通讯的技术。

以太网的基本特征是多个站点都连接在一个总线上，所有的工作站都在不断地向总线上发出监听.

android 以太网添加设置Ethernet

11-27

android在设置中添加以太网ethernet方法，在可以是学习框架的一种好方法。

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以太网是什么？看完明白了【史上最详细介绍】

3.5.1 以太网ETH标准及编码方式_eth t1信号-CSDN博客

3.5.1 以太网ETH标准及编码方式

文可明志

已于 2024-03-07 11:51:26 修改

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硬件

于 2023-07-28 19:43:59 首次发布

本文链接：https://blog.csdn.net/qq_28664971/article/details/131986778

版权

3.5.1 以太网ETH标准及编码方式

1 以太网标准有哪些？1.1 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）--电气与电子工程师协会1.2 OPEN（One-pair Ethernet Alliance）--单线对以太网联盟1.3 AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）--汽车开放系统架构1.4 AVnu联盟

2 编码方式2.1 单极性不归零码-NRZ2.2 单极性归零码-RZ2.3 单极性反向不归零码-NRZI2.4 极性不归零码-Polar NRZ2.5 极性归零码-Polar RZ2.6 极性反向不归零码-Polar NRZI2.7 曼彻斯特编码-Manchester Encoding2.8 差分曼彻斯特编码-Differential Manchester Encoding2.9 双极性交替信号反转-AMI(alternate mark inversion)2.10 双极性多电平传输-MLT-3(Multi-Level Transmit)

3 常见以太网端口编码方式3.1 100base-T13.2 1000base-T13.3 100base-TX3.4 1000base-T

4 链路启动/握手过程5 帧格式(对应数据链路层)6 参考链接

1 以太网标准有哪些？

车载以太网技术是在我们消费领域的以太网技术上发展过来的，是在物理层进行了优化以适应汽车电子要求的一种技术。在车载以太网的标准化方面，如下 4 个标准化组织或联盟起到了主要的推动作用，它们是 IEEE 802.3和 IEEE802.1工作组、汽车开放系统架构联盟 AUTOSAR、OPEN联盟以及 AVnu 联盟。可以大致理解为：国际标准组织，如IEEE、ISO和IETF，负责制定协议标准；行业标准组织，如OPEN Alliance、AVnu和AUTOSAR，负责车载协议的应用、实现及测试规范制定。

1.1 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）–电气与电子工程师协会

IEEE 802.3 制定的局域网标准代表了业界主流的以太网技术，车载以太网技术是在IEEE802.3基础上开发研制的，因此 IEEE是目前最为重要的车载以太网国际标准化机构。为了满足车内的要求，涉及到 IEEE 802.3 和 802.1 两个工作组内的多个新规范的制定和原有规范的修订，包括 PHY规范、 AVB 规范、单线对数据线供电等。IEEE（802.1工作组）制定了发展迅速的AVB/TSN技术规范，用于实现数据高可靠、低延迟及同步传输。

1.2 OPEN（One-pair Ethernet Alliance）–单线对以太网联盟

OPEN联盟于 2011 年 11 月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及宝马（BMW）公司发起成立的开放产业联盟，旨在推动将基于以太网的技术标准应用于车内联网。相关单位可通过签署 OPEN联盟的规范允可协议成为其成员，参与其相关规范的制定活动。车载以太网的物理层采用了博通公司的 BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层（PHY）技术已经由OPEN联盟标准化，因此有时也称车载以太网为 BroadR-Reach（BRR）或 OABR（ Open Alliance BroadR-Reach）。 OPEN联盟与 IEEE802形成紧密的标准化合作。 OPEN的主要标准化目标有： ●制定 100Mbit/s BroadR-R 的物理层标准并将其推广成为开放的产业标准。 ●在相关标准化组织中鼓励和支持开发更高速的物理层技术规范。 ●制定 OPEN的互通性要求，选择第三方执行互操作性测试。 ●发现车载以太网在实现过程中的标准化缺口。

Open 联盟官网 TC1：Interoperability & Compliance Tests for 100BASE-T1 PHYs TC2：100BASE-T1 Ethernet Channel & Components TC3：1000BASE-T1 CMC Requirements(有) TC4：Tools(有) TC5：Gap Identification TC6：Common xMII Interface Definition(有) TC7：1000BASE-RH Gigabit Ethernet over Plastic-Optical-Fiber(GEPOF)(有) TC8：Automotive Ethernet ECU Test Specification(有) TC9：1000BASE-T1 Automotive Ethernet Channel & Components(有) TC10：Automotive Wake-up and Sleep(有) TC11：Ethernet switch requirements and qualification(有) TC12：Test specification for the compliance testing of 1000BASE PHYs TC13：New Test House Qualification Requirements TC14：Interoperability & Compliance Tests for 10BASE PHYs TC15：Conformance Test Specs for Multi-Gig PHYs

Open联盟文档下载以下所有文档都可以直接免费下载。

1.3 AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）–汽车开放系统架构

AUTOSAR是由汽车制造商、供应商以及工具开发商发起的联盟，旨在制定一个开放的、标准化的车用软件架构。 AUTOSAR的规范包括车用 TCP/UDP/IP协议栈。 AUTOSAR获得了汽车产业的普遍认可，各制造商将放弃私有标准的开发转而在标准实现上展开竞争，实现 AUTOSAR的标准可使多个设备无缝的运行在同一个共享网络上。

1.4 AVnu联盟

AVnu 联盟是由博通联合思科、哈曼和英特尔成立，致力于推广 IEEE 802.1 的 AVB标准和时间同步网络（ TSN）标准，建立认证体系，并解决诸如精确定时、实时同步、带宽预留以及流量整形等重要的技术和性能问题。目前， AVnu 已发布其车载以太网 AVB 的认证测试规范，并已认证了多个型号的产品。IEEE和AVnu的区别很明显：IEEE负责制定AVB/TSN标准，AVnu负责制定系列测试标准来解决AVB/TSN技术在某个领域的应用。如AVnu联盟制定的gPTP、FQTSS和AVTP的测试规范，可以快速提高AVB技术在汽车网络上的落地应用。需要补充的是， AVnu 的技术不仅仅可应用于汽车领域，也可应用于专业 A/V、工业以及消费类电子领域。汽车以太网标准化组织介绍车载以太网技术.pdf

2 编码方式

以太网物理层的编码可以分为两类：一类是和物理介质相关，如：NRZ、NRZI、PAM5、PAM4、PAM3、MLT-3、曼彻斯特（Manchester）、差分曼彻斯特（Differential Manchester）、双极交替信号反转AMI(alternate mark inversion)；另一类与物理介质无关，如：百兆以太网用的4B/5B编码，千兆以太网用的8B/10B编码，万兆以太网用的64B/66B编码。

物理介质相关编码可以归为三大类：

单极性码（单电平）：非零电平代表一种信号逻辑状态，零电平代表另一种；极性码（双电平）：正电平代表一种信号逻辑状态，负电平代表另一种；双极性码（多电平）：零电平信号代表一种信号逻辑状态，正电平和负电平交替代表另一种。

2.1 单极性不归零码-NRZ

在单极性不归零码的编码方案中，所有非零信号元素具有相同的极性——要么都是正的，要么都是负的（图2中都是正的）。正电压表示二进制1，零电压表示二进制0，无论正电压还是零电压都占据整个比特时间（bit time）

2.2 单极性归零码-RZ

单极性归零码与单极性不归零码的区别就是传输1时，在一个比特时间中间会归零；而传输0时仍然为零电平，并且占据整个比特时间。

2.3 单极性反向不归零码-NRZI

单极性反向不归零码（NRZI）是采用电平跳变表示一种逻辑，不跳变表示另一种逻辑. (USB2.0通信的编码方式就是NRZI编码) 所以可以是“1变0不变”(下面第一图，ETH常见)，也可以是“0变1不变”(下面第二图，USB常见)。注意：这里的“不变”指的是“不跳变”，即下一个输出等同于上一个输出，而不是输出等于输入。单极性反向不归零码有较多直流分量，优点是将极性反向不归零码翻转表达的逻辑数据不变，且在连续跳变表示的连续逻辑中可以方便的恢复时钟。

2.4 极性不归零码-Polar NRZ

图4中用正电压表示二进制的1，用负电压表示二进制的0（其实也可以反过来，用正电压表示0，负电压表示1）。

2.5 极性归零码-Polar RZ

在极性归零码中有三个信号级别。图6中用负电压表示0，用正电压表示1。和不归零码的区别是，信号电平在比特时间的中间归零，并保持在那里，直到下一个比特被传输。此种编码含直流分量较小，抗干扰能力较强，传输中同步信号提取比较容易，但占用传输带宽较大。

2.6 极性反向不归零码-Polar NRZI

在图5中，有电压转换表示下一位是二进制的1，而没有电压转换则表示二进制的0。跟单极性一样，“1变0不变”。（图中应该是写的USB2.0，在USB3.0采用的是8/10b的编码方式）

2.7 曼彻斯特编码-Manchester Encoding

曼彻斯特编码是一种广泛使用的编码方案，它将时钟信息嵌入到传输信号中（自含时钟）。它通过确保在**每个比特时间中间有一个转换（高到低或低到高）**来实现这一点，使接收器很容易从传入的比特流中识别时钟信号并保持与传输信号的同步。曼彻斯特编码有两种标准： G.E. Thomas Convention：电压由低到高的跳变被定义成二进制的0，电压由高到低的跳变被定义成二进制的1。 IEEE 802.3 Convention：电压由高到低的跳变被定义成二进制的0，电压由低到高的跳变被定义成二进制的1。

2.8 差分曼彻斯特编码-Differential Manchester Encoding

差分曼彻斯特编码是一种差分编码，使用比特时间开始位置是否发生跳变来表示二进制0或1（无跳变为1，有跳变为0，即0变1不变）。不需要知道发送信号的极性，因为信息不是保存在电压的实际值中，而是保存在它们的变化中。被用于IEEE 802.5令牌环局域网。和曼彻斯特编码一样，在一个时钟周期T的T/2位置一定会发生跳变。但是与曼彻斯特编码不同的是这个跳变不再代表0或1，而只起到一个同步时钟的作用。差分曼彻斯特编码中0和1的定义如图11所示。

2.9 双极性交替信号反转-AMI(alternate mark inversion)

双极性编码方案（有时称为多级二进制或双二进制），它使用三个电压（正电压、负电压和零电压）。零电平信号代表一种信号逻辑状态，正电平和负电平交替代表另一种。

2.10 双极性多电平传输-MLT-3(Multi-Level Transmit)

MLT-3 是 Multi-Level Transmit 的简称，其中的3表示这种编码方式有3种状态。使用3个电平（正电平、负电平、零电平）编码要传输的数据.MLT-3的编码规则： 1、如果下一输入为“0”，则电平保持不变；(“1变0不变”) 2、如果下一输入为“1”，则产生跳变，此时又分两种情况。如果前一输出是“＋1”或“－1”，则下一输出为“0”；(要跳变只能跳到0，如果是AMI就不会跳0，直接就跳+1或-1) 如果前一输出是“0”，其信号极性和最近一个非“0”相反。(不确定此时是向上跳+1还是向下跳-1，只有相反才能保证是3电平，跟上面的AMI交替反转其实很像)

无论是AMI还是MLT-3，因为只要是0就不变(虽然两者不变的含义不同)，所以都会出现输出长连0或长连1的问题，就需要配合物理介质无关编码，典型的是4B/5B编码联合使用，通过4B/5B编码限制了连0的个数最多也就是2个。（在通信网络中，接收端需要从接收数据中恢复时钟信息来保证同步，这就需要线路中所传输的二进制码流有足够多的跳变，即不能有过多连续的高电平或低电平，否则无法提取时钟信息。） eg：MLT-3方式传输1011数据时，电平变化对比如下所示：编码技术（RZ、NRZ、NRZI、曼彻斯特、差分曼彻斯特等）总线技术：物理层编码

3 常见以太网端口编码方式

【以太网硬件四】以太网信道编码方式有哪些？

3.1 100base-T1

100BASE-T1采用独特的4bit至3bit（4B3B），3bit至2三进制对（3B2T）和三级脉冲幅度调制（threelevel pulse amplitude modulation,PAM3）编码方案。假设我们使用的是MII接口，通信速率是100Mb，数据宽度是4bit,速率是25M。为了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY从MII接口收到数据后，会首先进行一个4B3B的转换，并将时钟频率提高到33.33333MHz，以保持100 Mbps的位速率。之后PHY要再进行3B2T的操作，将每次接收到的3个bit转化为2个三进制电平值（取值范围是-1，0，1），具体的对应关系如下图中的表所示。3个bit有8种组合（即2的三次方），两个电平值有9种组成（即3的平方），所以后者可以覆盖前者(00没用上)。此时时钟周期仍然是33.333M，但是每个时钟周期中的两个电平就能够表示3个 bit了，所以此时的数据速率仍然是100Mbit/s，每个电平实际上包含了1.5bit信息。最后一步是PAM3，将逻辑的-1，0，1转化为在双绞线上的电压，所以，最终在总线上信号的频率66.666MHz(一个符号周期为 15ns)，波特率则为66.666MBaud，但是它实现了100Mbit/s的通信速率。 4b(25M)→3b(33.33M)→1.5b(66.66M) 比特率？波特率？频谱带宽？1分钟搞清！这里2T的T代表Ternary symbol，3元符号。 TekExpress 汽车以太网信号分离和 PAM3 分析泰克示波器在汽车以太网测试中的应用介绍

3.2 1000base-T1

总共4个步骤：1. 80B/81B 2. RS-FEC编码 3. 扰码Scramble 4. 3B2T 1.80B/81B编码方式。物理层每个时钟单元接收到MAC层的8位为单位的数据，以每10个时钟单元打包，得到80位数据，然后加上一位表示是数据还是控制块的标识位，这样就得到了一个81位数据的数据块。块要么是数据块，要么是控制块。Data/Ctrl报头对于数据块是0，对于控制块是1。每45个数据块就有一个OAM（Operations, Administration 和Maintaince操作、管理和维护）的数据块会被插入。 2. RS-FEC编码因为1000BaseT1要求误码率要低于10的-10次方，所以RS- FEC步骤被加入来通过奇偶位实现纠错。 3. 扰码Scramble 在数据模式下，PCS发送功能的数据路径从GMII接口开始，也就是TXD、TX_EN、TX_ER每隔8ns（参考GTX_CLK时钟125MHz）输入数据到PCS。来自于10个GTX_CLK周期的数据和控制信号通过80B/81B编码进一个81 bit的81B模块（81B block）。控制信号包含发送错误传送、接收错误、声明低功耗空闲、帧内信号（inter-frame）。每45个80B/81B模块会跟随9 bit的OAM数据，再通过一个RS-FEC编码器来处理的。RS-FEC编码器再加396个RS-FEC校验位，最终是4050 bits (45个80B/81B blocks=3645bit，9bit的1000BASE-T1 OAM数据，396bit的FEC奇偶校验位）=450个9比特符号。有效的数据传输率为（45*80=3600）/4050=8/9. 用15bit的侧流扰码器（side-stream scrambler）进行扰码。这4050位是可以作为PHY frame或者 Reed-Solomon frame可交换。每组3bit的扰码数据通过3B2T映射被转换成2个PAM3符号，也就是PHY帧中的4050bit变成了2700个PAM3符号，传输到PMA。 4.3B2T 在数据模式下，PCS接收功能的数据路径与发送路径相反。接收的PAM3符号被同步成PHY frame。在每个帧里面，每2个PAM3符号通过3B2T解映射被解成3bit数据（2700个PAM3被转换成4050bit）。然后被扰码并传输到RS-FEC解码器进行数据验证和纠正。最终，每45个80/81 模块被80B/81B解码成GMII数据或者控制信号。所以1000base-T1的数据波特率为1000M/1.5b/(8/9)=750MBaud. 信号频率为750MHz，1bit 时间间隔为 1.33ns。

3.3 100base-TX

100BASE-TX使用4B5B、NRZI、MLT-3方法进行编码和解码，进而生成差分电压。 1.4B5B编码 MAC会通过多条发送数据线（Tx_D[n]）将要发送的信息并行发送给PHY，PHY收到数据以后，先进行串行序列化处理，之后进行4B5B编码。4B5B编码就是使用5Bit表示4Bit（实际要发送的数据），即：在4bit待发送数据中插入0或者1构成5bit。4Bit数据，可以构成2^4 = 16种组合，而5bit，可以构成 32种组合，所以会有一部分5bit组合用于控制。

4B/5B编码的好处：采用4B/5B编码的主要目的是为了减少传输线路上出现多个连续的0或1，有利于接受端提取时钟信号。也称为保持线路的交流(AC)平衡, 与NRZI编码配合使用。(即使原始的4比特的数据有4个全0或有3个0，编码后的5B的数据中，连0的个数最多也就是2个) 额外增加的5比特的控制码，用于通信双方，在物理层PCS子层实体之间，进行物理链路的监控和控制。额外增加的5比特的控制码，用于物理层实体PCS子层把监控到的链路状态，通过芯片的信号管脚，反馈到MAC层。

4B5B对应编码、解码表如下所示(5bit不多于3个0，不少于2个1)：示例：PHY收到MAC发送的数据0000 0001，经过4B5B编码后，变成11110 01001 经过4B5B编码后，编码效率降低，因为插入了一个无效bit，编码率 = 4/5 =80%。 PHY从MAC端接收数据时，速率是100Mbps，经过4B5B编码后，数据带宽变成125MHz(或者说实际数据传输的波特率为125MBaud)，如果使用5类非屏蔽双绞线（UTP）传输，不可行，因为5类非屏蔽双绞线最高支持 100MHz 的数据带宽。所以，数据经过4B5B编码后，需要使用其他方式降低带宽，以便于使用5类非屏蔽双绞线（UTP）传输数据。接下来就讨论NRZI和 MLT-3组合的方式降低带宽。这里先用NRZI，我觉得也是为了避免出现多个连续的0或1导致的信号歧义，可以看到上面IDLE and control codes里面还是有5个连0跟5个连1的情况的。再经过MLT-3编码，原来的125MHz变成31.25MHz的信号，使得频率变成原来的1/4。 100Base-TX接口信号有三个电平，眼图中一个UI会有2个“眼睛”。以太网笔记：快速以太网100Base-TX接口及编码【科普】一文读懂以太网PHY芯片

3.4 1000base-T

在RJ45连接器上有8个pin脚，可以连接4对双绞线，其中10Base-T/100Base-Tx只使用其中的2对，一对用来发送，另一对用来接收；而在1000Base-T标准里，会同时用到4对双绞线，而且每对双绞线上都是同时有数据的收发。 (1000BASE-T是在同一对双绞线上实现了全双工，而10BASE-T 和100BASE-TX是使用两对双绞线实现全双工) 在 1000BASE-T 中使用了 8B1Q4（8 binary to 1 quinary 4，将8个2进制数据转换成1组4维5进制数据）的编码方式与 4D-PAM5（4-dimensional，5-level Pulse Amplitude Modulation，将从 8B1Q4 数据编码接收到的 4 维五进制符号用五个电压级别传送出去）的调制方式传输数据。这个编码的具体过程是什么样的呢？下图1为编码过程描述图解：8B1Q4 按照每组 8bit 对传输数据进行分割，每组再加上 1bit 的冗余位作为错误校验，一共为 9bit 数据。在9bit的数据中，根据冗余bit和前两个bit数据选择6bit转换表(2^6=64个模式)，再根据转换表得到余下6bit 所对应的 4 个符号值(这4个符号值从4个6bit转换表其中一个提取出来，所以称之为4维？)，定义为(An, Bn, Cn, Dn)。符号值可以是 -2、-1、0、+1、+2 这 5 个值中的任意一个。这5个值与5电平的对应关系为： -2->-1，-1->-0.5，0->0，1->0.5，2->1。例如，11001010 这个 8bit 的数据，按照 8B1Q4 转换为 +1、+2、-2、+1 这 4 个符号值后，再在PMA中变换为相应的电平，就可以同时在双绞线上进行传输了。这一系列的数据调制发送就被称为 4D-PAM5 方式。 1Gbit/s的数据比特率是怎么算出来的呢？从上面的编码过程我们可以看到，8比特数据被转换成了4个符号，也就是4维符号，也就是说1个符号包含2bit的数据，PHY的参考时钟为125MHz，也就是PMA的发送波特率为125MBd，一个波特码元包含2比特数据，所以每个线对上的数据率为125x2=250bps，所以4对线的总数据为250x4=1000bps。这里大家要注意波特率和比特率的区别，人们为了提高带宽利用率，想出了使用一个波特码元传输多个数据比特的手段。 4个电平用于信号编码，1个电平用于前向纠错码FEC。

【以太网硬件六】1000base-T物理层编码究竟是怎么编的？详解10M/100M/1000M以太网接口物理层一致性测试

4 链路启动/握手过程

链路启动/握手上电后，主设备和从设备启动握手过程以建立链路，称为链路启动或链路训练过程。链路启动使用三种不同的信号： SEND_Z，即传输全零，称为零代码 SEND_I，它是PAM3空闲信号的传输 SEND_N，它是PAM3数据或空闲信号的传输主设备和从设备之间的握手将通过这三个不同的信号进行。链路启动开始于主设备在从SEND_Z转换到SEND_I时发送PAM3空闲信号。在此期间，从设备继续发送SEND_Z。这允许主设备训练其回声消除器，而从设备则与主设备的时钟同步，锁定其扰频器并调整其信号调节。接下来，从设备从SEND_Z切换到SEND_I，而主设备保持在SEND_I。这允许从设备训练其回声消除器，而主设备锁定其扰频器并调整其信号调节。主和从继续发送空闲符号（send_I），同时完善定时、均衡器和加扰器。最后一步是主设备和从设备通过设置scr_status、loc_rvcr_status和rem_rcvr_status来验证链路启动是否成功。如果这些状态都经过验证，主设备和从设备都切换到SEND_N。如果任何状态为负（失败），则链路启动将重新启动。

100Base-T1链路启动，显示主设备（黄色、粉红色）和从设备（蓝色、绿色）从SEND_Z切换到SEND_I和SEND_N。链路启动完成，显示加扰器状态消息的交换。 Fundamentals of 100Base-T1 Ethernet Understanding the 100Base-T1 Link Startup

5 帧格式(对应数据链路层)

PHY 是物理接口收发器，它实现物理层。包括MII/GMII（介质独立接口）子层、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质相关）子层、MDI 子层。 PHY 在发送数据时，收到MAC 过来的数据（对PHY 来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit 就增加1bit 的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。知荐 | 一文熟悉车载以太网 MII/RMII 用于传输以太网包，在MII/RMII 接口是4/2bit 的，在以太网的PHY 里需要做串并转换、编解码等才能在双绞线和光纤上进行传输，其帧格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。以太网帧的格式为：前导符+开始位+目的mac 地址+源mac 地址+类型/长度+数据 +padding(optional)+32bitCRC，如果有vlan(Virtual Local Area Network）即虚拟局域网，则要在类型/长度前面加上4 个字节的vlan tag。以太帧有多种类型，不同类型的帧具有不同的格式和MTU值，但在同种物理媒体上都可同时存在。常见有两种帧格式，第一种是上世纪80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II帧格式——对应的是类型。 Ethernet II后来被IEEE802标准接纳，并写进了IEEE802.3x-1997的3.2.6节。第二种是1983年提出的IEEE802.3格式——对应的是长度。这两种格式的主要区别在于，Ethernet II格式中包含一个Type字段，标识以太帧处理完成之后将被发送到哪个上层协议进行处理。IEEE802.3格式中，同样的位置是长度字段。（标黄色字段类型不同）不同的Type字段值可以用来区别这两种帧的类型，当Type字段值小于等于1500（或者十六进制的0x05DC）时，帧使用的是IEEE802.3格式。当Type字段值大于等于1536（或者十六进制的0x0600）时，帧使用的是Ethernet II格式。以太网中大多数的数据帧使用的是Ethernet II格式。以太帧中还包括源和目的MAC地址，分别代表发送者的MAC和接收者的MAC，此外还有帧校验序列字段，用于检验传输过程中帧的完整性。汽车行业通常使用Ethernet II格式，该格式还可包含VLAN信息作为扩展，因此，又分基本MAC帧（无VLAN）和标记MAC帧（包括VLAN）两种。以太网的帧有两种格式: 没有加上VLAN标记的标准以太网帧(untagged frame);有VLAN标记的以太网帧(tagged frame)。 Vlan tag有4 个字节，组成如下： TPID: Tag Protocol Identifier，2字节，固定取值，0x8100，是IEEE定义的新类型，表明这是一个携带802.1Q标签的帧。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。 TCI: Tag Control Information，2字节。帧的控制信息，详细说明如下: (1) PRI：Priority，3比特，表示帧的优先级，取值范围为0~7，值越大优先级越高。当交换机阻塞时，优先发送优先级高的数据帧。 (2) CFI: Canonical Format Indicator(规范标识位)，1比特。CFI表示MAC地址是否是经典格式。其中，CFI值为0说明是经典格式，用于标识以太网数据帧(802.3或EthII)；CFI值为1表示非经典格式，用于表示FDDI(Fiber Distributed Digital Interface)数据帧和令牌环网数据帧。 (3) VLAN Identifier: VLAN ID，12比特，在x7系列交换机中，可配置的VLAN ID取值范围为0 ~4095，但是0和4095在协议中规定为保留的VLAN ID，不能给用户使用。虚拟局域网vlan理论

Fundamentals of the 100Base-T1 Frame

6 参考链接

车载以太网介绍—汽车以太网物理特性介绍

YD/T 1947规定了基于2D-PAM3和4D-PAM5编码方法的距离增强型以太网物理层接口的技术要求

详解如何验证PAM编码千兆位级串行链路当信号

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EtherType 是以太帧里的一个字段，用来指明应用于帧数据字段的协议。根据 IEEE802.3，Length/EtherType 字段是两个八字节的字段，含义两者取一，这取决于其数值。在量化评估中，字段中的第一个八位字节是最重要的。而当字段值大于等于十进制值 1536 （即十六进制为 0600）时， EtherType 字段表示为 MAC 客户机协

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