100_1000兆位以太网物理层通信的研究分析

穆德恒

（辽宁石化职业技术学院计算机系辽宁锦州 121001）

100_1000兆位以太网物理层通信的研究分析

穆德恒

（辽宁石化职业技术学院计算机系辽宁锦州 121001）

目前很多单位网络设备处于百兆千兆设备共存的情况，存在着百兆、千兆设备互联时的一些通信问题。为了理解网络通信的基本原理，从OSI的7层结构和IEEE802协议入手，研究分析百兆、千兆以太网的数据链路层和物理层的结构体系，重点对百兆、千兆以太网的MAC层和物理层通信规则作了对比和详细分析介绍，并在遇到网络通信障碍时，提出应该如何解决问题的方向。

以太网介质访问控制层 物理层介质独立界面 载波检测多路访问/冲突检测

1 引言

最近维护网络时发现一个问题，从墙壁网络信息插座上引出的网线接在笔记本电脑上可以上网，但网线接在台式机上就上不去网了，网络状态显示为连接，但是只有发包数，收包数为0。墙壁信息插座另一头的交换机是百兆接口，可以确定台式机是没有问题，在其他地方是可以上网的。笔记本与台式机的区别为笔记本为千兆网卡，台式机是百兆网卡。开始以为台式机网卡损坏，所以换了一块百兆网卡，但是问题和原来一样。换了一个笔记本，可以上网。这个笔记本的网卡为千兆。为什么只有千兆的笔记本可以上网，而百兆网卡的台式机就上不去网呢？

换了一根从信息插座到电脑的网线，结果台式机网上去了。拿测线仪检查原来的网线，发现原来网线有问题，线序是：一端为白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕和棕（即568B标准），另一端为白橙、橙、白蓝、蓝、白绿、绿、白棕和棕（3、5脚接反了）。由此得到原因：一端网线的3、5脚反了。造成线路看似连通，电源灯也亮，但不能通信。因此需要探讨10M、100M和1000 M网络端口具体用哪几根线来通信的。

2 双绞线通用线序

双绞线一般使用T568B标准：1-橙白、2-橙、3-绿白、4-蓝、5-蓝白、6-绿、7-棕白和8-棕。为什么有的人说百兆以太网使用8根双绞线，有人说使用4跟就可以工作了，这跟百兆网的发展有关。

3 百兆位以太网

十兆位以太网称为以太网，百兆位以太网又称快速以太网，协议标准为1995年颁布的IEEE 802.3u，支持共享式与交换式2种使用环境，在交换式以太网环境中可以实现全双工通信。IEEE 802.3u在MAC子层仍采用CSMA/CD（载波检测多路访问/冲突检测）作为介质访问控制协议，并保留了IEEE 802.3的帧格式。IEEE 802.3u只是对现存IEEE 802.3标准的升级。基本思想很简单：保留所有旧的分组格式，接口以及程序规则，只是将位时从100 ns减少到10 ns，并且所有的以太网均使用集线器。

为了实现100 Mb/s的传输速率，在物理层做了一些重要改进。例如，在编码上采用了效率更高的编码方式。传统以太网采用曼彻斯特编码，其优点是具有自带时钟特性，能够将数据和时钟编码在一起，但其编码效率只能达到1/2，即在具有20 Mb/s传输能力的介质中，只能传输10 Mb/s的信号，快速以太网采用4 B/5B编码[1]。

3.1 百兆位网络双绞线采用介质

百兆双绞线有2种，一种为100Base-T4，它使用4对双绞线，3对用于同时传送数据，第4对线用于冲突检测时的接收信道，信号频率为25 MHz，最大网段长度为100 m，采用EIA568布线标准；由于没有专用的发送或接收线路，所以100Base-T4不能进行全双工操作；采用6B/6T编码法。

一种为100Base-TX，使用2对5类非屏蔽双绞线或1类屏蔽双绞线，一对用于发送数据，另一对用于接收数据，最大网段长度为100 m，布线符合EIA568标准；采用4 B/5 B编码法，使其可以125 MHz的串行数据流来传送数据；使用MLT-3（多电平传输-3）波形法来降低信号频率125/3=41.6 MHz[2]。

3.2 百兆位以太网采用标准

现在的双绞线百兆以太网主要采用100Base-TX标准。由此可见,虽然双绞线有8根芯线，但在目前广泛使用的百兆网络中，实际上只用到了其中的4根，按802.3u标准规定：即第1、第2、第3和第6，他们分别起着接收和发送信号的作用。1和2是传送数据的，3和6是接收数据的。1和2之间是一对差分信号，也就是说他们的波形一样，但是相位相差180°，同一时刻的电压幅度互为正负。这样的信号可以传递的更远，抗干扰能力强。同样的，3和6也一样是差分信号。至于4、5、7和8，4根网线对于10 M网卡来说没用，但是对100 M是有用的。第一点起备份作用，若1、2、3和6中有不通的网线，那么就自动协商转为4、5、7和8来通信。第二点通过双绞在一起降低相位差，抵消电阻，抗干扰，起保证线路稳定及保证长距离通信。

4 千兆位以太网

1998年6月正式公布关于千兆位以太网的标准。千兆位以太网标准是对以太网技术的再次扩展，千兆位以太网基本保留了原有以太网的帧结构，所以向下和以太网与快速以太网完全兼容。千兆位以太网标准实际上包括支持光纤传输的IEEE 802.3z和支持铜缆传输的IEEE 802.3ab两大部分。

4.1 千兆位网络双绞线采用介质

1000 Base-T采用4对5类UTP双绞线，传输距离为100 m，传输速率为1 Gb/s。在千兆位以太网的MAC子层，除了支持以往的CSMA/CD协议外，还引入了全双工流量控制协议。全双工流量控制协议适用于交换机到交换机或交换机到站点之间的点-点连接，两点之间可以同时进行发送与接收，即支持以交换机作为星状拓扑中心的交换以太网组网。

4.2 千兆以太网与百兆以太网的主要区别

以4对8根双绞线应用为例，千兆以太网与百兆以太网的主要区别：

①采用千兆位介质无关接口GMII（Gigabit Medium Independent Interface）,GMII为物理层与DL层之间的接口，数据通道为8位（100M以太网为4位）；

②沿用10 Mb/s传统以太网帧格式；

③半双工仍使用CSMS/CD协议，但修改了其操作和优选全双工采用帧扩展技术；

④兼容10Base-T和100Base-T；

⑤节点能力的自动协商，链路两端的节点必须各自向对方通告自己的能力（速度、物理层类型和半/全双工）并自动选择合适的工作模式[3]。

4.3 网络7层的底层结构功能

根据OSI定义的网络7层与IEEE802协议，物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，向数据链路层提供标准接口。如图1所示。IEEE802协议把数据链路层分为逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)，目的是将与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质，解决共享信道的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。

MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网路层功能。对于不同的LAN标准，LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层和物理层。

图1 网络7层中底层结构

MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网路层功能。对于不同的LAN标准，LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层和物理层。

4.4 以太网物理层通讯原理

网卡就是通过媒体接入控制器（MAC子层）对物理层（PHY层）控制来实现物理上的通信。最新的MAC同时支持10/100/1 000 Mbps速率。通常情况下，实现MII/GMII接口（定义在PHY中的子层），与行业标准PHY器件实现接口，针对以太网和快速以太网及千兆以太网具体在PHY层的区别如图2所示。

图2 以太网、快速以太网、千兆以太网的PHY层层次结构

由图2可以看出千兆网卡和百兆网卡主要区别在PHY层，包括介质独立接口（MII/GMII）子层和物理编码子层（PCS）子层，作用是对数据流进行编/解码；物理介质附加（PMA）子层，作用是处理发送到线路上的信号，并接收线路上的信号；物理介质相关（PMD）子层，作用是与媒介双绞线相连，提供了与线缆的物理连接，完成比特流的发送和接收；介质相关接口（MDI子层）。PHY在发送数据的时候，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4 bit就增加1 bit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[4]。

PHY里面最关键的子层就是IEEE定义的标准的介质独立界面（Media Independed Interfade，MII）和GMII（Gigabit MII），主要负责连接MAC和PHY。“介质无关”表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。MII的意思是指不用考虑媒体是铜轴、光纤和电缆等，因为这些媒体处理的工作都有PHY协同MAC的芯片完成。

4.5 MII与GMII的区别

以前的10 M的MAC层芯片和物理层芯片之间传送数据是通过一根数据线来进行的，其时钟是10 M，在100 M中如果也用一根数据线来传送的话，时钟需要100 M，所以定义了MII接口，它是用4根数据线来传送数据的，这样在传送100 M数据时，时钟就会用100 M降低为25 M，而在传送10 M数据时，时钟会降低到2.5 M，这样就实现了10 M和100 M的兼容。GMII采用8位接口数据，工作时钟125 MHz，因此传输速率可达1 000 Mbps，同时兼容MII所规定的10/100 Mbps工作方式。

GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准，该接口定义见IEEE 802.3-2000，物理结构如图3所示。

图3 GMII接口

发送器：GTXCLK-吉比特TX，信号的时钟信号（125 MHz）；TXCLK-10/100 M信号时钟；TXD[7:0]-被发送数据；TXEN-发送器使能信号；TXER-发送器错误（用于破坏一个数据包）。注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信号，TXD、TXEN、TXER信号与此时钟信号同步。否则，在10/100 M速率下，PHY提供TXCLK时钟信号，其它信号与此信号同步，其工作频率为25 MHz（100 M网络）或2.5 MHz（10 M网络）。

接收器：RXCLK-接收时钟信号（从收到的数据中提取，因此与GTXCLK无关联）；RXD[7:0]-接收数据；

RXDV-接收数据有效指示；RXER-接收数据出错指示；COL-冲突检测（仅用于半双工状态）[5]。

千兆位以太网为了兼容10 M与100 M以太网，采用了与他们工作模式兼容CSMA/CD协议，这个工作模式是用在千兆网卡的半双工模式下，但是修改了CSMA/CD的操作，使用了帧扩展技术。

4.6 千兆位以太网工作工程

在802.3标准中帧的最短长度为64 Bytes，即512位，在10 Mbps时，512位传送时间为51.2 μs。100 Mbps时，传送时间为5.12 μs。面对1 Gbps速率传送时间仅为0.512 μs。根据冲突检测原理，如有冲突发生，要求在该传送时间内能检测到冲突，对千兆位网来说，0.512 μs的碰撞域范围就很小，使网络的跨距也很短，所以最小帧长度与碰撞域的地理范围成正比关系。

在千兆位以太网中为增加跨距，必须加长最小帧长度，但又要考虑到兼容性。对用户来说必须维持64 Bytes不变，于是在千兆位以太网的网卡上对短帧自动加长帧长度，称为帧扩展技术。帧长度<512 Bytes（4 096位）自动添加扩展位，使帧长度达到4 096位；帧长度≥512 Bytes，不添加扩展位；全双工方式不执行帧扩展，如图4所示。为避免因大量短帧发送造成网络带宽浪费，千兆位以太网将若干个短帧组合在一起，连续发送。组合后的帧长度不能超过1 518 Bytes，如图5所示，全双工时不采用该技术。

图4 帧的扩展技术

图5 帧突发过程

千兆位以太网中的1000BASE-T：使用5类或超5类UTP，4对双绞线全用，采用PAM5码，即5级电压在4对双绞线上的编码传输，也称为（4D-PAM5编码算法）[6]。

5 产生问题的原因

文章开始提到，因为网线的3,5脚接反了，对于百兆对百兆来说，采用自动协商功能，首先使用用1、2、3和6脚来通信，那么实际上是1、2、3和6对1、2、5和6，这样不通。那么用4、5、7和8呢，它对应另一端的4、3、7和8，结果也是一样不通，因为百兆位以太网的通信线序是固定的。

对于千兆端口对百兆端口来说，它要8根线全部参与，增加了4、5、7和8来共同传送接收数据，可以和百兆端口协商接收发送数据的线路，协商的结果，根据本文来看，双方将使用1、2、7和8来通信，1和2为一对，7和8为一对，可以互相传送收发数据。

在撰写过程中，又发现一个案例，从设备间引入机房的网线接千兆交换机端口不亮（设备间设备为千兆端口），但是接百兆端口可以通信。后来查明原因，这又是一个千兆端口对百兆端口的通信问题，直接检测从设备间到机房的网线通信问题，发现第7脚不通。因为千兆端口对千兆端口要使用8根线全部参与，所以有一根不通，全千交换机不能工作。接百兆端口，那么千兆端口与百兆端口互相协商将使用1、2、3和6来通信，这当然可以了。网线两端的水晶头重掐，问题解决。

6 结束语

以百兆位、千兆位端口通信时产生问题讲起，以5类非屏蔽双绞线为对象，详细讲解了百兆位以太网和千兆位以太网的物理层通信的原理和过程，阐明了千兆对千兆端口，千兆对百兆端口，百兆对百兆端口互通时应注意的问题，出现通讯故障时如何分析查找原因，为广大的网管人员提供一丝帮助。

[1]ANDREW S T,DAVID J W.计算机网络(第5版)[M].严伟,潘爱民,译.北京:清华大学出版社,2013.

[2]谢希仁.计算机网络(第5版)[M].北京:电子工业出版社, 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