100_1000兆位以太網物理層通信的研究分析

穆德恒

（遼寧石化職業技術學院計算機系遼寧錦州 121001）

100_1000兆位以太網物理層通信的研究分析

穆德恒

（遼寧石化職業技術學院計算機系遼寧錦州 121001）

目前很多單位網絡設備處于百兆千兆設備共存的情況，存在著百兆、千兆設備互聯時的一些通信問題。為了理解網絡通信的基本原理，從OSI的7層結構和IEEE802協議入手，研究分析百兆、千兆以太網的數據鏈路層和物理層的結構體系，重點對百兆、千兆以太網的MAC層和物理層通信規則作了對比和詳細分析介紹，并在遇到網絡通信障礙時，提出應該如何解決問題的方向。

以太網介質訪問控制層 物理層介質獨立界面 載波檢測多路訪問/沖突檢測

1 引言

最近維護網絡時發現一個問題，從墻壁網絡信息插座上引出的網線接在筆記本電腦上可以上網，但網線接在臺式機上就上不去網了，網絡狀態顯示為連接，但是只有發包數，收包數為0。墻壁信息插座另一頭的交換機是百兆接口，可以確定臺式機是沒有問題，在其他地方是可以上網的。筆記本與臺式機的區別為筆記本為千兆網卡，臺式機是百兆網卡。開始以為臺式機網卡損壞，所以換了一塊百兆網卡，但是問題和原來一樣。換了一個筆記本，可以上網。這個筆記本的網卡為千兆。為什么只有千兆的筆記本可以上網，而百兆網卡的臺式機就上不去網呢？

換了一根從信息插座到電腦的網線，結果臺式機網上去了。拿測線儀檢查原來的網線，發現原來網線有問題，線序是：一端為白橙、橙、白綠、藍、白藍、綠、白棕和棕（即568B標準），另一端為白橙、橙、白藍、藍、白綠、綠、白棕和棕（3、5腳接反了）。由此得到原因：一端網線的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網絡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標準：1-橙白、2-橙、3-綠白、4-藍、5-藍白、6-綠、7-棕白和8-棕。為什么有的人說百兆以太網使用8根雙絞線，有人說使用4跟就可以工作了，這跟百兆網的發展有關。

3 百兆位以太網

十兆位以太網稱為以太網，百兆位以太網又稱快速以太網，協議標準為1995年頒布的IEEE 802.3u，支持共享式與交換式2種使用環境，在交換式以太網環境中可以實現全雙工通信。IEEE 802.3u在MAC子層仍采用CSMA/CD（載波檢測多路訪問/沖突檢測）作為介質訪問控制協議，并保留了IEEE 802.3的幀格式。IEEE 802.3u只是對現存IEEE 802.3標準的升級。基本思想很簡單：保留所有舊的分組格式，接口以及程序規則，只是將位時從100 ns減少到10 ns，并且所有的以太網均使用集線器。

為了實現100 Mb/s的傳輸速率，在物理層做了一些重要改進。例如，在編碼上采用了效率更高的編碼方式。傳統以太網采用曼徹斯特編碼，其優點是具有自帶時鐘特性，能夠將數據和時鐘編碼在一起，但其編碼效率只能達到1/2，即在具有20 Mb/s傳輸能力的介質中，只能傳輸10 Mb/s的信號，快速以太網采用4 B/5B編碼[1]。

3.1 百兆位網絡雙絞線采用介質

百兆雙絞線有2種，一種為100Base-T4，它使用4對雙絞線，3對用于同時傳送數據，第4對線用于沖突檢測時的接收信道，信號頻率為25 MHz，最大網段長度為100 m，采用EIA568布線標準；由于沒有專用的發送或接收線路，所以100Base-T4不能進行全雙工操作；采用6B/6T編碼法。

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

3.2 百兆位以太網采用標準

現在的雙絞線百兆以太網主要采用100Base-TX標準。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絡中，實際上只用到了其中的4根，按802.3u標準規定：即第1、第2、第3和第6，他們分別起著接收和發送信號的作用。1和2是傳送數據的，3和6是接收數據的。1和2之間是一對差分信號，也就是說他們的波形一樣，但是相位相差180°，同一時刻的電壓幅度互為正負。這樣的信號可以傳遞的更遠，抗干擾能力強。同樣的，3和6也一樣是差分信號。至于4、5、7和8，4根網線對于10 M網卡來說沒用，但是對100 M是有用的。第一點起備份作用，若1、2、3和6中有不通的網線，那么就自動協商轉為4、5、7和8來通信。第二點通過雙絞在一起降低相位差，抵消電阻，抗干擾，起保證線路穩定及保證長距離通信。

4 千兆位以太網

1998年6月正式公布關于千兆位以太網的標準。千兆位以太網標準是對以太網技術的再次擴展，千兆位以太網基本保留了原有以太網的幀結構，所以向下和以太網與快速以太網完全兼容。千兆位以太網標準實際上包括支持光纖傳輸的IEEE 802.3z和支持銅纜傳輸的IEEE 802.3ab兩大部分。

4.1 千兆位網絡雙絞線采用介質

1000 Base-T采用4對5類UTP雙絞線，傳輸距離為100 m，傳輸速率為1 Gb/s。在千兆位以太網的MAC子層，除了支持以往的CSMA/CD協議外，還引入了全雙工流量控制協議。全雙工流量控制協議適用于交換機到交換機或交換機到站點之間的點-點連接，兩點之間可以同時進行發送與接收，即支持以交換機作為星狀拓撲中心的交換以太網組網。

4.2 千兆以太網與百兆以太網的主要區別

以4對8根雙絞線應用為例，千兆以太網與百兆以太網的主要區別：

①采用千兆位介質無關接口GMII（Gigabit Medium Independent Interface）,GMII為物理層與DL層之間的接口，數據通道為8位（100M以太網為4位）；

②沿用10 Mb/s傳統以太網幀格式；

③半雙工仍使用CSMS/CD協議，但修改了其操作和優選全雙工采用幀擴展技術；

④兼容10Base-T和100Base-T；

⑤節點能力的自動協商，鏈路兩端的節點必須各自向對方通告自己的能力（速度、物理層類型和半/全雙工）并自動選擇合適的工作模式[3]。

4.3 網絡7層的底層結構功能

根據OSI定義的網絡7層與IEEE802協議，物理層定義了數據傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態、時鐘基準、數據編碼和電路等，向數據鏈路層提供標準接口。如圖1所示。IEEE802協議把數據鏈路層分為邏輯鏈路控制(LLC)和介質訪問控制(MAC)，目的是將與硬件相關的部分和與硬件無關的部分分開，以適應不同的傳輸介質，解決共享信道的介質訪問控制問題，使幀的傳輸獨立于傳輸介質和介質訪問控制方法。

MAC子層功能：實現、維護MAC協議，差錯檢測，尋址。LLC子層功能：向高層提供統一的鏈路訪問形式，組幀/拆幀、建立/釋放邏輯連接，差錯控制，幀序號處理，提供某些網路層功能。對于不同的LAN標準，LLC子層都是一樣的，區別僅在MAC子層和物理層。

圖1 網絡7層中底層結構

MAC子層功能：實現、維護MAC協議，差錯檢測，尋址。LLC子層功能：向高層提供統一的鏈路訪問形式，組幀/拆幀、建立/釋放邏輯連接，差錯控制，幀序號處理，提供某些網路層功能。對于不同的LAN標準，LLC子層都是一樣的，區別僅在MAC子層和物理層。

4.4 以太網物理層通訊原理

網卡就是通過媒體接入控制器（MAC子層）對物理層（PHY層）控制來實現物理上的通信。最新的MAC同時支持10/100/1 000 Mbps速率。通常情況下，實現MII/GMII接口（定義在PHY中的子層），與行業標準PHY器件實現接口，針對以太網和快速以太網及千兆以太網具體在PHY層的區別如圖2所示。

圖2 以太網、快速以太網、千兆以太網的PHY層層次結構

由圖2可以看出千兆網卡和百兆網卡主要區別在PHY層，包括介質獨立接口（MII/GMII）子層和物理編碼子層（PCS）子層，作用是對數據流進行編/解碼；物理介質附加（PMA）子層，作用是處理發送到線路上的信號，并接收線路上的信號；物理介質相關（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，完成比特流的發送和接收；介質相關接口（MDI子層）。PHY在發送數據的時候，收到MAC過來的數據（對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數據而不管什么地址，數據還是CRC），每4 bit就增加1 bit的檢錯碼，然后把并行數據轉化為串行流數據，再按照物理層的編碼規則把數據編碼，再變為模擬信號把數據送出去。收數據時的流程反之[4]。

PHY里面最關鍵的子層就是IEEE定義的標準的介質獨立界面（Media Independed Interfade，MII）和GMII（Gigabit MII），主要負責連接MAC和PHY。“介質無關”表明在不對MAC硬件重新設計或替換的情況下，任何類型的PHY設備都可以正常工作。MII的意思是指不用考慮媒體是銅軸、光纖和電纜等，因為這些媒體處理的工作都有PHY協同MAC的芯片完成。

4.5 MII與GMII的區別

以前的10 M的MAC層芯片和物理層芯片之間傳送數據是通過一根數據線來進行的，其時鐘是10 M，在100 M中如果也用一根數據線來傳送的話，時鐘需要100 M，所以定義了MII接口，它是用4根數據線來傳送數據的，這樣在傳送100 M數據時，時鐘就會用100 M降低為25 M，而在傳送10 M數據時，時鐘會降低到2.5 M，這樣就實現了10 M和100 M的兼容。GMII采用8位接口數據，工作時鐘125 MHz，因此傳輸速率可達1 000 Mbps，同時兼容MII所規定的10/100 Mbps工作方式。

GMII接口數據結構符合IEEE以太網標準，該接口定義見IEEE 802.3-2000，物理結構如圖3所示。

圖3 GMII接口

發送器：GTXCLK-吉比特TX，信號的時鐘信號（125 MHz）；TXCLK-10/100 M信號時鐘；TXD[7:0]-被發送數據；TXEN-發送器使能信號；TXER-發送器錯誤（用于破壞一個數據包）。注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號，TXD、TXEN、TXER信號與此時鐘信號同步。否則，在10/100 M速率下，PHY提供TXCLK時鐘信號，其它信號與此信號同步，其工作頻率為25 MHz（100 M網絡）或2.5 MHz（10 M網絡）。

接收器：RXCLK-接收時鐘信號（從收到的數據中提取，因此與GTXCLK無關聯）；RXD[7:0]-接收數據；

RXDV-接收數據有效指示；RXER-接收數據出錯指示；COL-沖突檢測（僅用于半雙工狀態）[5]。

千兆位以太網為了兼容10 M與100 M以太網，采用了與他們工作模式兼容CSMA/CD協議，這個工作模式是用在千兆網卡的半雙工模式下，但是修改了CSMA/CD的操作，使用了幀擴展技術。

4.6 千兆位以太網工作工程

在802.3標準中幀的最短長度為64 Bytes，即512位，在10 Mbps時，512位傳送時間為51.2 μs。100 Mbps時，傳送時間為5.12 μs。面對1 Gbps速率傳送時間僅為0.512 μs。根據沖突檢測原理，如有沖突發生，要求在該傳送時間內能檢測到沖突，對千兆位網來說，0.512 μs的碰撞域范圍就很小，使網絡的跨距也很短，所以最小幀長度與碰撞域的地理范圍成正比關系。

在千兆位以太網中為增加跨距，必須加長最小幀長度，但又要考慮到兼容性。對用戶來說必須維持64 Bytes不變，于是在千兆位以太網的網卡上對短幀自動加長幀長度，稱為幀擴展技術。幀長度<512 Bytes（4 096位）自動添加擴展位，使幀長度達到4 096位；幀長度≥512 Bytes，不添加擴展位；全雙工方式不執行幀擴展，如圖4所示。為避免因大量短幀發送造成網絡帶寬浪費，千兆位以太網將若干個短幀組合在一起，連續發送。組合后的幀長度不能超過1 518 Bytes，如圖5所示，全雙工時不采用該技術。

圖4 幀的擴展技術

圖5 幀突發過程

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

5 產生問題的原因

文章開始提到，因為網線的3,5腳接反了，對于百兆對百兆來說，采用自動協商功能，首先使用用1、2、3和6腳來通信，那么實際上是1、2、3和6對1、2、5和6，這樣不通。那么用4、5、7和8呢，它對應另一端的4、3、7和8，結果也是一樣不通，因為百兆位以太網的通信線序是固定的。

對于千兆端口對百兆端口來說，它要8根線全部參與，增加了4、5、7和8來共同傳送接收數據，可以和百兆端口協商接收發送數據的線路，協商的結果，根據本文來看，雙方將使用1、2、7和8來通信，1和2為一對，7和8為一對，可以互相傳送收發數據。

在撰寫過程中，又發現一個案例，從設備間引入機房的網線接千兆交換機端口不亮（設備間設備為千兆端口），但是接百兆端口可以通信。后來查明原因，這又是一個千兆端口對百兆端口的通信問題，直接檢測從設備間到機房的網線通信問題，發現第7腳不通。因為千兆端口對千兆端口要使用8根線全部參與，所以有一根不通，全千交換機不能工作。接百兆端口，那么千兆端口與百兆端口互相協商將使用1、2、3和6來通信，這當然可以了。網線兩端的水晶頭重掐，問題解決。

6 結束語

以百兆位、千兆位端口通信時產生問題講起，以5類非屏蔽雙絞線為對象，詳細講解了百兆位以太網和千兆位以太網的物理層通信的原理和過程，闡明了千兆對千兆端口，千兆對百兆端口，百兆對百兆端口互通時應注意的問題，出現通訊故障時如何分析查找原因，為廣大的網管人員提供一絲幫助。

[1]ANDREW S T,DAVID J W.計算機網絡(第5版)[M].嚴偉,潘愛民,譯.北京:清華大學出版社,2013.

[2]謝希仁.計算機網絡(第5版)[M].北京:電子工業出版社, 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