以太网技术白皮书 - 图文

以太网技术白皮书

图1.1.2 OSI通信模型与TCP/IP模型

相对来讲，TCP/IP模型比OSI七层模型要简单，实际上只有4个层次，也更容易理解。下面左图是TCP/IP通信模型，右图是以FTP传输应用为例的一个通信示意图。

图1.1.3 TCP/IP通信层次模型和FTP协议应用举例

现在看看以太网在OSI（Open System Interconnection）模型中的层次和地位：

以太网技术白皮书 Higher LayersLLCLLCMAC Contrl(Optional)应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层MDIMEDIUMAUIPMAMDIMEDIUMAUIPMAMDIMEDIUMPLSMIIPLSReconciliationMIIPCSPMAPMDMDIMEDIUMMACReconciliationGMIIPCSPMAPMDReconciliation

图1.1.4以太网在OSI模型中的层次

可以看到，在层次化模型中，以太网或者IEEE802.3定义了DATA LINK（其中只有MAC层是802.3的关注和定义对象）和PHYSICAL（整个物理层，包括介质）的内容，白皮书的主要内容围绕这些部分展开。由于100M/1000M和10G是主流技术，因此主要围绕这些展开。

1.1.2 以太网速度

目前已有从1M～100G的传输速率，这些传输使用几乎相同的MAC控制机制。主流技术还是100M/1000M/10G技术（含光/电方面的技术），而40G和100G正在被初步应用，10M已经逐渐淡出以太网应用市场。

图1.1.5 不同速度参数对比

上表中有几项主要的内容是以太网的关键，也是MAC或PHY需要执行的关键功能。

以太网技术白皮书 Slot time：时隙。这个仅仅用于半双工，为了满足百米侦听的效果而规定的。 Inter Packet Gap：帧间隙。表示两个帧之间的最小间隙。 Attempt Limit：重传次数。仅仅用于半双工网络，为了解决冲突问题所引入的方式。 Back off Limit：回退次数。仅仅用于半双工网络，为了解决冲突问题所引入的方式。 Jam Size：Jam帧用于共享介质半双工以太网上，相当于通告链路忙。仅用于半双工。 Max Basic Frame Size：基本最大帧长，如果带TAG可以达到1522或更长。 Min Frame Size：最小基本帧长，带TAG的帧最小长度也可以只有64Byte长度。

Burst Limit：仅仅适用在千兆半双工模式，表示一次载波扩展后所能发出的最多bit。 IPG Stretch Ratio：仅仅在10G WAN模式有用，用于平衡链路速度和MAC速度。（9.53Gbps line VS 10Gbps MAC）

1.2 CSMA/CD

根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，来避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）

图1.2.1 CSMA/CD冲突

CSMA/CD的工作过程是：终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据；如果线路不空闲则一直等待。这时候如果有另外一个设备同时也发送数据，这两个设备发送的数据必然产生碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段随机时间之后再进行发送。

发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了碰撞，检测到碰撞后等待的时间也是随机的，不过等待时间逐渐在增大。

CSMA/CD机制作为最原始的定义，在半双工网络上使用。全双工网络不存在相互冲突的问题，并不需要CSMA/CD。关于CSMA/CD的详细实现算法和特性在IEEE802.3 CLAUSE 4.2中详细描述。

1.3 数据传输

从链路的物理结构上看，数据传输分串行、并行传输以及混合传输。而对于以太网链路广泛使用的串行传输而言，从传输的bit顺序来看，又分为大端（Big Endian）和小端（Little Endian）传输顺序。以太网使用Little Endian模式按位传输每一个字节（Byte）。

1.3.1 并行和串行传输

并行通信，顾名思义就是对信息进行同时传输。最典型的并行通信是计算机的IDE硬盘，IDE光驱，计算机的内存条与CPU之间的通信。

以太网技术白皮书 并行通信使用几条数据线，将数据分段同时进行传输，传输速度快，信息率高。比如MCS51单片机的数据宽度是8位，则其数据总线使用8条线，这8bit的数据是同时传输的。

Clock_125MHzTX_Data0TX_Data1TX_Data2设备ATX_Data3TX_Data4TX_Data5TX_Data6TX_Data7设备B 图1.3.1 典型并行通信示意图

上图表示了一个并行通信的典型结构。如果并行通信链路工作在125MHz同步时钟下，并且线路的宽度为8（即使用8根数据线TX_Data<0：7>，位宽为8），数据只在时钟的上升沿被传送，则线路物理带宽为125MHz×8bit=1000Mbps，这个计算公式对于最高理论物理带宽的计算总是适用的。

在交换机设备中，使用并行通信接口的典型有：PCI接口（目前主流PCI2.2或2.3规范），RGMII/GMII接口（用于连接交换芯片和物理层芯片），MII接口（用于连接交换芯片和物理层芯片），Flash接口（存储器接口）， SDRAM接口（存储器接口）等。

串行通信传输提供了并行传输以外的另一种选择，尤其适用于远距离通信。它只使用一条线路，逐个地传送所有的比特，因为使用的线数量少，它比较便宜，用在长距离连接中也比并行传输更加可靠，而且布线方面也会有优势。以太网的网络接口就是一种串行通信方式。注意，串行通信不只是指PC机的UART串行口，而是一个广义的串行通信名词。

因为它每次只能发送一个比特位，所以其速度也比较慢。

图1.3.2 并行与串行通信

串行传输方式给发送设备和接收设备增加了额外的复杂性。发送方必须明确比特发送的顺序。比如说，发送一个字节的8个比特位时，发送方必须确定是先发送高位比特还是先发送低位比特。同样，接收方必须知道一个目标字节中收到的第一个比特位应该放在什么位置上。这个问题虽然看起来比较琐碎，但不同的体系结构对字节内比特的编号各不相同，而且如果传输内容在比特顺序上无法取得一致的话，信息的传输将出现错误。

同步串行传输可以用于高速串行接口，可靠性高，需要串行（Serialize）和解串行（De_Serialize）硬件支持（经常所说的SerDes）。交换接口中有好多使用同步传输的接口，比如光纤通路、XAUI、S3MII、SMII、SGMII、SMI、100BASE-TX接口等。