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以太网自动协商标准

作者:lantian3916  发布日期:2012-11-26 09:00:02
名词解释
缩写 英文 中文
LIT link integrity test 链路可靠性测试
NLP normal link pulse 普通链路脉冲
FLP fast link pulse 快速链路脉冲
MDI Medium Dependent Interface 媒体相关接口
PCS physical coding sublayer 物理解码层
DTE data terminal equipment 数据终端设备
LCW link code word 链路编码字

自动协商标准允许不同以太网标准的设备-从10BasT到1000BaseT,在网络中共存,减少网络不兼容的风险,使以太网可以平滑的向快速以太网和千兆以太网过度。本文将深入的分析自动协商机制和他的功能,并探讨可能遇到的问题。

如今网络上存在着10BaseT、100BaseTX和1000BaseT几种技术,都使用同样的RJ-45连接器,存在着电气特性不兼容和使网络中断的风险。随着同轴千兆以太网的出现,网络上需要支持三种速率的设备:10M、100M和1000M。为此IEEE提出一种自动协商技术来消除不同技术之间的接口兼容性问题。

Gigabit transceivers工作在OSI模型中的物理层(PHY),在自动协商时通告以下几种操作模式:1000M全双工/半双工,100M全双工/半双工,10M全双工/半双工。虽然自动协商可以在100M和10M时关闭,但是在1000M是要求打开的。

自动协商为将来升级千兆速率提供了一种简单的方法,证明了服务网络上三种速度的网络之间连通性。一个连接到快速以太网switch或hub的服务器,可以简单的通过连接到千兆switch来使自己成为一个千兆网络。如果switch和NIC都设置了自动协商,接口将自动协商为1000Mbps。

自动协商算法(NWay)允许两个设备之间的任意一方,不论是10M、100M还是1000M,通告和协商连接模式-比如连接速率和双工模式,来达到双方都能支持的最高速率。

另外,1000BaseT模式下,NWay还决定了连接两端PHY的主-从互锁。这对于两端的PHY决定时间控制源是必须的。NWay改善了10BaseT连接可靠性测试,使其具有后向兼容性。

自动协商定义在1998版802.3标准的第28条。第28条主要关注以下目标

▶▶当网络基础设施变动时,比如10M、100M和1000M,提供一种简单的,即插即用的升级方法
▶▶防止网络中因同时存在10BaseT,100BaseTX和1000BaseT而导致中断
▶▶提供PHY(transceiver)的后续解决方案
▶▶允许手动设置连接模式,关闭自动协商
▶▶提供10BaseT的后向兼容性
▶▶提供并行的检测10BaseT,100BaseTX和100BaseT4 non-NWay设备的方法

 
图表 1 数据终端设备模型(IEEE Std 802.3, 1998 Edition)
另外在1999年为千兆同轴电缆的标准802.3ab中,为自动协商标准做了以下改善:
▶▶1000BaseT中强制使用自动协商
▶▶为PHY配置主-从模式
自动协商说明书中包含了接收,仲裁,和传输NLPs(normal link pulses)。同时为了10BaseT的后向兼容性,还定义了接收LIT的方法。所有这些功能都在物理层实现,见图1。链路信息的交换发生在PHY和MDI(Medium Dependent Interface)或RJ-45之间
自动协商在千兆以太网中,定义为物理解码子层(PCS)的一个功能,而在100BaseT中,作为PHY中单独的一个子层。所有自动协商都是现在transceiver的集成电路中,transceiver是网卡的一部分或集成在电脑的主板上。
10BaseT链路测试脉冲
 

 

图表 2 FLP和NLP对比

 

      在10BaseT标准中包含链路测试机制,确保网络的连通性。在链路空闲的情况下,每16ms(+/- 8ms)发送100ns的心跳脉冲。链路测试脉冲在所有基于10BaseT标准的数据终端设备和中继器设备的媒体相关单元(MAU)中发送。

      如果数据接收方在50-150ms内没有收到数据或链路测试脉冲,就认为链路中断。在这种情况下,会禁止数据发送,数据接收,和环回功能,不过链路测试脉冲还在继续发送和接收。当连续收到两个链路测试脉冲或一个数据包,认为链路重新建立。

100BaseT/1000BaseT快速链路脉冲
      链路信息被编码在一种特殊的脉冲序列中,即快速链路脉冲(FLP)。FLP基于10BaseT设备的LIT脉冲。LIT被重新定义为NLP。如图2所示,FLP是一组NLP组成,每个脉冲延续100ns。

      自动协商中用FLP脉冲组替代了10BaseT中的单个脉冲。当链路配置完毕后,FLP停止发送。在10BaseT设备看来,FLP和单个的脉冲没有区别。反过来,一个使用NWay的设备也必须能够识别10BaseT设备发过来的NLP,从而停止发送FLP,使能10BaseT的PMA。自动协商并不发送NLP,仅仅识别NLP,将发送NLP的控制权交给10BaseT的PMA。

FLP序列
      每个FLP序列包含33个脉冲,包含了时钟和数据信息。17个奇数序列的脉冲作为时钟脉冲,16个偶数序列脉冲传输数据信息。当脉冲出现时,表示逻辑1;当脉冲没有出现时,表示逻辑0。图3显示了时钟和数据的时间特性。

 
 

图表 3 FLP序列时序

FLP序列编码
FLP序列中的数据脉冲被编码为一个16-bit的LCW(link code word)。一个具备自动协商功能的设备可以发送和接收FLP。接收端别绪连续接收到3个完全相同的LCW,才认为信息是有效的并进入处理过程。设备对LCW进行解码并选择双方支持的最高速率。当收到正确的LCWs后,设备发送一个FLP,将确认bit置位。至此,两个设备协商到双发都支持的最高速率。

      时钟脉冲作为定时和回复数据脉冲用。17个时钟脉冲在FLP中一直存在,16个数据脉冲有的可能存在,有的可能不存在,存在表示所在的bit为1,不存在表示所在的bit为0。如图4所示。

 


 

图表 4 FLP序列编码

Base link code word
      携带Base LCW的FLP在power-on,reset或重新协商后都会发送。DTE和它的对端设备通过交换LCWs来协商模式。图5定义了base LCW中的bit位置。

 


 

图表 5 Base LCW定义

Technology ability field
      D5-D12编码的区域被称为TAF(technology ablility field),当Selector field选择00001时,表示是IEEE 802.3的标准。TAF中bit位的顺序和选择速率时的优先级没有关系,每个设备都维护一个优先级表,决定哪种速率作为最优先选择。如图6

 


 

图表 6 优先级表

Other fields
      一个本地设备可能使用Remote Fault(RF) 位指示被对端设备发现的错误。比如,当设备进入link fail状态,RF位会被设置为1;当LCW被正确的协商,RF会设置为0。当连续三个LCW被识别,设备就会发送一个LCW,将Ack位置1。这个LCW必须被至少发送6-8次。

      附加页,不同于基本LCW,如果链路两端设备都设置了Next Page字段就可以发送附加页。Next Page协议由消息页MP(message page),或者一个和多个无格式页组成。这些页和基本页一样,是LCW编码,在FLP中发送。图7显示了消息和无格式LCW位的定义

 


 

图表 7 消息和无格式页

      如果MP bit为1, LCW被认为是一个消息页,携带了1998版IEEEE 802.3,附录28C中定义的消息。如果MP bit为0,LCW被认为是一个无格式页,携带了某种特定的信息。

千兆自动协商
1000BaseT设备使用自动协商机制,通告PHY的能力,包括速率,双工模式,和主-从模式,以配置链路。千兆以太网依靠交换Next Page来协商千兆扩展能力。这些能力由一个基本页,一个1000BaseT消息页和两个1000BaseT无格式页来描述,如图8所示,消息字为8--M10:M0=00000001000,指示将传输一个1000BaseT消息字。

一个1000BaseT PHY可以作为master也可以作为slave。由一个优先级策略决定哪个设个作为master,哪个作为slave。在1999版802.3ab标准中IEEE增加了一个旨在解决所有冲突的方案:相对单端口设备,多端口的设备具有更高的优先级成为master,如果两个设备都是多端口,拥有更高seed bits的设备成为master。

 


 

图表 8 1000BaseT 基本页和Next Page

Parallel dectction
      一个设备通过检测FLP序列来判断对端设备是否具有自动协商功能,但是有些设备并没有自动协商功能。一些设备支持100BaseTX,100BaseT4或10BaseT,并行检测功能允许对链路进行检测。

      接收端设备将收到的信号同时发送给NLP/FLP检测功能模块,以及所有100BaseTX或100BaseT4的PMA, 或NLP的接收LIT功能。如果信号引起TX/T4的PMA进入链路OK状态,自动协商功能就被忽略掉了。

自动协商举例
      下面三个例子说明了自动协商的灵活性。每个例子都有一个1000M的服务器,连接到一个10/100以太网switch   www.cdnantie.com

例1:和10BaseT设备协商过程
      链路对端可能是一个10Mbps的hub,或一个10/100Mbps速率但是强制为10Mbps的switch。服务器设置为自动协商。两者之间的协商过程如下(见图9)

      ▶▶服务器启动,发现link fail,发送FLPs

      ▶▶对端发送NLPs

      ▶▶对端开始检测链路fail,因为还没有收到NLPs

      ▶▶服务器的并行检测机制检测到NLPs,将控制权交给10BaseT PMA,开始发送NLPs

      ▶▶链路以10M半双工模式建立(注:自动协商并行检测默认双工模式为半双工,因此10BaseT设备必须设置为半双工)

 


 

图表 9 10BaseT设备

例2:和未开启自动协商的100BaseT设备协商
对端设备可能是一个100Mbps的hub,或10/100Mbps速率但是配置为100Mbps only的switch。服务器设置为自动协商。协商过程如图10:

▶▶服务器启动,发现link fail,发送FLPs

▶▶对端设备启动后发送空信息

▶▶服务器并行检测功能检测到空信号,将控制权交给100BaseTX PMA,发送空信号

▶▶链路以100Mbps 半双工模式建立

 


 

图表 10 未开启自动协商的100BaseT设备

例3:和开启自动协商的100BaseT设备协商
      对端设备可能是一个10/100Mbps的switch,设置为自动协商模式。服务器设置为自动协商。协商过程如图11:

      ▶▶两端设备启动后发现链路fail,发送FLPs

      ▶▶两个设备分别收到信号并解码对端能力

      ▶▶链路以100Mbps全双工模式建立

 


 

图表 11 开启自动协商的10/100M设备

双工模式不匹配
      当链路两端设备设置的双工模式不匹配,一个全双工一个半双工,链路就会降速。当双方同时发送数据时,会发生以下情况:

      ▶▶半双工设备检测到冲突,导致发送数据失败,丢弃接收的数据,将尝试重新发送数据。

      ▶▶全双工设备不会重发数据,发现接收的数据是错误的,标记CRC错误

      ▶▶应用层超时并不断重发,导致速率非常低。

图12总结了所有速率和双工组合的情况

 


 
图表 12 10/100/1000 BaseT设备配置表
 
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