报文层的错误检测包括CRC和ACK。
CRC域包含15位校验、1位界定符；ACK域包括1位应答位、1位界定符。

CRC校验错误
CRC校验错误很好理解，它对数据域以及数据域之前的位生产CRC校验。由于一帧CAN报文数据流很小（最多8个用户数据），所以15位CRC的侦错能力非常优秀。
ACK校验错误
ACK域是怎么起作用的呢？
这是由CAN协议规定的，即发送节点发送一帧数据后，接收节点必须向发送节点应答，如果发送节点没有收到接收节点的应答信号，就会认为自己发送失败，从而重传数据。
报文层的第三种错误检查方法是格式检查。这种检查会监控报文中那些一定为隐性位的域，如果这些域中出现显性位，则检测到格式错误。这些域包括SOF、EOF、ACK的界定符和CRC的界定符。

	

前言：
欢迎来到《CAN通讯系列》的第11篇文章，本系列前面文章CAN总线基础部分跳过了总线出现错误的情况，本文主要从总线信号错误，总线错误状态和总线网络状态3个方面来介绍。1. 帧结构
1.1 错误帧
错误帧用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧，它由错误标志和错误界定符构成。
图1 错误帧结构，引自[1]
上图1的错误标志包括主动错误标志(6个位的显性位)和被动错误标志(6个位的隐性位)两种。主动错误标志处于主动错误状态下的单元检测出错误时输出的错误标志。被动错误标志处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。错误界定符由8个位的隐性位构成。注意上图0~6位的错误标志重叠，这段怎么确定呢？需先介绍2个概念：位填充和错误类型。1)位填充(Bit Stuffing)位填充是为防止突发错误而设定的功能。当同样的电平持续5位则添加一个位的反型数据位：
图2 位填充示意，引自[1]注意：位填充作用范围为SOF-CRC段机间的数据。2) 错误类型错误类型有5种，如下图3所述。图4为CRC错误示意。
图3 错误类型描述，引自[1]
图4 CRC验证示意，引自[2]针对上述位错误再做说明(引自[3])：所谓“发出的电平与从总线上回读的电平不一致”，指的就是节点向总线发出隐性位，却从总线上回读到显性位或者节点向总线发出显性位，却从总线上回读到隐性位这两种情况。有三种例外情况不属于位错误：在仲裁区，节点向总线发送隐性位却回读到显性位，不认为是位错误，这种情况表示该节点仲裁失败；在ACK槽，节点向总线发送隐性位却回读到显性位，不认为是位错误，这种情况表示，该节点当前发送的这一帧报文至少被一个其它节点正确接收；一个节点发送被动错误标志，该节点向总线发送连续六个隐性位(被动错误标志)却回读到显性位，不认为是位错误。因为被动错误标志是六个连续的隐性位，所以在总线上按照线与机制，有可能这六个连续隐性位被其它节点发送的显性电平覆盖。3)错误帧发送检查到错误后，什么时候发送错误帧呢？按照CAN协议的规定：
位错误、填充错误、格式错误、ACK错误。在错误产生的那一位的下一位开始发送错误帧。
CRC错误。紧随ACK界定符后的位发送错误帧。
通过具体例子(引自[3])来了解错误帧发送，如下图5所示。
图5 错误帧，引自[3]
1)发送节点Node_A发送一个显性位，但是却从总线上听到一个隐形位，于是Node_A节点就会检测到一个位错误；
2)Node_A检测到位错误之后，立即在下一位开始发送主动错误帧：6个连续显性位的主动错误标志+8个连续隐性位的错误界定符；
3)对应Node_A发出的主动错误标志，总线上电平为6个连续显性位；
4)接收节点Node_B和Node_C从总线上听到连续6个显性位，那么就会检测到一个填充错误，于是这两个节点都会发送主动错误帧；
5)对应Node_B和Node_C发出的主动错误标志，总线电平又有6个连续显性电平，对应Node_B和Node_C发出的错误界定符，总线电平有8个连续的隐性电平。
6)在间歇场之后，Node_A节点重新发送刚刚出错的报文。
在了解了错误帧的发送后，最后回到之前提到错误标志重叠部分是怎样形成的，看下例(引自[3])
图6 错误界定符形成示意，引自[3]在这个例子，我们知道位错误的错误标志与填充错误的错误标志重叠2位，剩下部分还有4位：
引自[3]
1.2 过载帧
为了后续介绍错误状态，这里再介绍下过载帧，它是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧。过载帧由过载标志(6个位的显性位)和过载界定符(8个位的隐性位)构成。过载界定符的构成与错误界定符的构成相同。过载帧的构成如下图所示。
图7 过载帧定义，引自[1]
对于过载帧的帧结构我们可以这样理解：接收节点达到接收极限时，就会发出过载帧到总线上，显然，过载标志的6个连续显性位会屏蔽掉总线上其它节点的发送，也就是说这个时候的接收节点通过发送过载帧的方式来破坏其它节点的发送，这样在接收节点发送过载帧期间，其它节点就不能成功发送报文，于是就相当于把其它节点的发送推迟了，也就是说接收节点在其发送过载帧的这段时间得以“休息”。有3种情况会引起过载帧：
接收节点自身原因。接收节点由于某种原因需要延迟接收下一个数据帧或者遥控帧。
在帧间隔的间歇段的第一位和第二位检测到一个显性位(正常的间歇段都是隐性位)。帧间隔的间隔段本应是三个连续的隐性位，如果接收节点在间隔段检测到显性位，那么就意味着此时有报文发向接收节点，但这个时候是不应该有报文发来的，于是接收节点发送过载帧。
CAN节点在错误界定符或过载界定符的第八位(最后一位)听到一个显性位0，节点会发送一个过载帧，且错误计数器不会增加。接收节点在错误界定符和过载界定符的最后一位听到显性位，也意味着有报文发向接收节点，但这个时候是不应该有报文发来的，于是接收节点发送过载帧。
2. 错误状态
单元(节点)检测到错误帧时，随着错误的积累，单元会处于3种错误状态的一种，即主动错误状态，被动错误状态或总线关闭态。1)主动错误状态：可以正常参加总线通信的状态，处于主动错误状态的单元检测出错误时，输出主动错误标志。2)被动错误状态：是易引起错误的状态。处于被动错误状态的单元虽能参加总线通信，但为不妨碍其他单元通信，接收时不能积极地发送错误通知；处于被动错误状态的单元即使检测出错误，而其它处于主动错误状态的单元如果没发现错误，整个总线也被认为是没有错误的。处于被动错误状态的单元检测出错误时，输出被动错误标志。另外，处于被动错误状态的单元不能马上再次开始发送。在开始下次发送前，在间隔帧期间内必须插入“延迟传送”(8个位的隐性位)。3)总线关闭态是不能参加总线上通信的状态。信息的接收和发送均被禁止。单元到底会处于以上3种错误状态的哪一种，具体依靠发送错误计算和接收错误计数来管理，根据计数值决定进入何种状态。错误状态和计数值的关系如下表1和图8所示。
表1，引自[1]
图8 单元的错误状态，引自[1]发送错误计数值和接收错误计数值根据一定的条件发送变化。错误计数值的变动条件如下表2，一次数据的接收和发送可能同时满足多个条件。错误计数器在错误标志的第一个位出现的时间点上开始计数。
表2，引自[1]当出现总线关闭态时，将设置CAN控制器状态为STOPPED，从而禁止读或写总线的数据。而在实际软件开发过程中，其实一般也不关注上述错误状态的跳转，以Infineon的TC系列芯片为例，节点状态寄存器有一位存储总线关闭态，如下图9所示。
图9 节点状态寄存器的总线关闭态，引自[4]
3. 网络模式
根据AUTOSAR的CAN状态管理模块的文档可知，CAN状态管理模块内部有3种网络模式，分别是无通讯模式(COMM_NO_COMMUNICATION)，静默模式(COMM_SILENT_COMMUNICATION)和完全通讯模式(COMM_FULL_COMMUNICATION)，它们之间切换关系如下图10所示。
图10  CanSM状态机，引自[4]关于上述状态机跳转可参考[4]，这里不做具体解释。若将上述各状态再细化，以CANSM_BSM_S_FULLCOM为例，如下图11所示。
图11 子状态机，引自[4]通过上述2图可知两点：一是总线关闭态将如何影响网络模式的跳转，比如图9种导致CANSM_BSM_S_FULLCOM跳转到CANSM_BSM_S_SILENTCOM，进而到CANSM_BSM_S_SILENTCOM_BOR；二是相应网络模式下将会根据跳转条件最终决定CAN控制器的状态，比如图10中跳转到了S_RESTART_CC状态，将设置CAN控制器状态为CAN_CS_STARTED。到此就介绍了关于总线信号错误引发的节点状态变化，从而引起网络模式变化而导致通讯无法进行的大致过程。通过前面文章的软件实现介绍，可知本质上还是最终通过更改CAN控制器状态而使接收与发送禁止。
Reference:
[1] CAN入门书.pdf
[2] CANPES.pdf
[3] https://blog.csdn.net/weixin_40528417/category_7489864.html
[4] TC27x D-Step 32-Bit Single-Chip Microcontroller
[5] Specification of CAN State Manager
—END—
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网卡如何发送以太网包

 

      好了，下面来看一看网卡是如何将包转换成电信号并发送到网线中的。网卡驱动从 IP 模块获取包之后，会将其复制到网卡内的缓冲区中，然后向MAC 模块发送发送包的命令。接下来就轮到 MAC 模块进行工作了。 首先，MAC 模块会将包从缓冲区中取出，并在开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列，如图所示。

 

     

          

 

     报头是一串像 10101010…这样 1 和 0 交替出现的比特序列，长度为56比特，它的作用是确定包的读取时机。当这些 1010 的比特序列被转换成电信号后，会形成如下图这样的波形。接收方在收到信号时，遇到这样的波形就可以判断读取数据的时机。关于这一块内容，我们得先讲讲如何通过电信号来读取数据。               

 

 

              

 

如何通过电信号来读取数据

 

       用电信号来表达数字信息时，我们需要让 0 和 1 两种比特分别对应特定的电压和电流，例如图 （a）这样的电信号就可以表达数字信息。通过电信号来读取数据的过程就是将这种对应关系颠倒过来。也就是说，通过测量信号中的电压和电流变化，还原出 0 和 1 两种比特的值。然而，实际的信号并不像图所示的那样有分隔每个比特的辅助线，因此在测量电压和电流时必须先判断出每个比特的界限在哪里。但是，像图 （a）右边这种 1 和 0 连续出现的信号，由于电压和电流没有变化，我们就没办法判断出其中每个比特到底应该从哪里去切分。

 

 

                    

 

      要解决这个问题，最简单的方法就是在数据信号之外再发送一组用来区分比特间隔的时钟信号。如图（b）所示，当时钟信号从下往上变化时 A 读取电压和电流的值，然后和 0 或 1 进行对应就可以了。但是这种方法存在问题。当距离较远，网线较长时，两条线路的长度会发生差异，数据信号和时钟信号的传输会产生时间差，时钟就会发生偏移。要解决这个问题，可以采用将数据信号和时钟信号叠加在一起的方法。这样的信号如图 （c）所示，发送方将这样的信号发给接收方。由于时钟信号是像图 （b）这样按固定频率进行变化的，只要能够找到这个变化的周期，就可以从接收到的信号（c）中提取出时钟信号（b），进而通过接收信号（c）和时钟信号（b）计算出数据信号（a），这和发送方将数据信号和时钟信号进行叠加的过程正好相反。然后，只要根据时钟信号（b）的变化周期，我们就可以从数据信号（a）中读取相应的电压和电流值，并将其还原为 0 或 1 的比特了。这里的重点在于如何判断时钟信号的变化周期。

      时钟信号是以 10 Mbit/s或者 100 Mbit/s 这种固定频率进行变化的，就像我们乘坐自动扶梯一样，只要对信号进行一段时间的观察，就可以找到其变化的周期。因此，我们不能一开始就发送包的数据，而是要在前面加上一段用来测量时钟信号的特殊信号，这就是报头的作用 。以太网根据速率和网线类型的不同分为多种派生方式，每种方式的信号形态也有差异，并不都是像本例中讲的这样，单纯通过电压和电流来表达 0 和 1 的。因此，101010…这样的报头数字信息在转换成电信号后，其波形也不一定都是图 中的那个样子，而是根据方式的不同而不同。但是，报头的作用和基本思路是一致的。报头后面的起始帧分界符在图中也已经画出来了，它的末尾比特排列有少许变化。接收方以这一变化作为标记，从这里开始提取网络包数据。也就是说，起始帧分界符是一个用来表示包起始位置的标记。末尾的 FCS（帧校验序列）用来检查包传输过程中因噪声导致的波形紊乱、数据错误，它是一串 32 比特的序列，是通过一个公式对包中从头到尾的所有内容进行计算而得出来的。具体的计算公式在此省略，它和磁盘等设备中使用的 CRCA 错误校验码是同一种东西，当原始数据中某一个比特发生变化时，计算出来的结果就会发生变化。在包传输过程中，如果受到噪声的干扰而导致其中的数据发生了变化，那么接收方计算出的 FCS 和发送方计算出的 FCS 就会不同，这样我们就可以判断出数据有没有错误。

 

 

向路由器（或集线器）发送网络包

 

       加上报头、起始帧分界符和 FCS 之后，我们就可以将包通过网线发送出去了。

 

       发送信号的操作分为两种，一种是使用集线器的半双工模式，另一种是使用交换机的全双工模式。 

 

 

1.半双工模式

 

 

        在半双工模式中，为了避免信号碰撞，首先要判断网线中是否存在其他设备发送的信号。如果有，则需要等待该信号传输完毕，因为如果在有信号时再发送一组信号，两组信号就会发生碰撞。当之前的信号传输完毕， 或者本来就没有信号在传输的情况下，我们就可以开始发送信号了。

 

      首先，MAC 模块从报头开始将数字信息按每个比特转换成电信号，然后由 PHY， 或者叫 MAU 的信号收发模块发送出去 。在这里，将数字信息转换为电信号的速率就是网络的传输速率，例如每秒将 10 Mbit 的数字信息转换为电信号发送出去，则速率就是 10 Mbit/s。 接下来，PHY（MAU）模块会将信号转换为可在网线上传输的格式， 并通过网线发送出去。以太网规格中对不同的网线类型和速率以及其对应的信号格式进行了规定，但 MAC 模块并不关心这些区别，而是将可转换为任意格式的通用信号发送给 PHY（MAU）模块，然后 PHY（MAU）模块再将其转换为可在网线上传输的格式。大家可以认为 PHY（MAU）模块的功能就是对 MAC 模块产生的信号进行格式转换。当然，以太网还有很多不同的派生方式，网线传输的信号格式也有各种变化。此外，实际在网线中传输的信号很复杂，我们无法一一介绍，但是如果一点都不讲，大家可能对此难以形成一个概念，所以就举一个例子，大家感受一下就好 。 图中就是这样一个例子，我们这里就不详细解释了，总之，网线中实际传输的信号就是这个样子的。

 

 

                 

 


       PHY（MAU）的职责并不是仅仅是将 MAC 模块传递过来的信号通过网线发送出去，它还需要监控接收线路中有没有信号进来。在开始发送信号之前，需要先确认没有其他信号进来，这时才能开始发送。如果在信号开始发送到结束发送的这段时间内一直没有其他信号进来，发送操作就成功完成了。

 

 

半双工模式下的信号碰撞

 

 

     以太网不会确认发送的信号对方有没有收到。根据以太网的规格，两台设备之间的网线不能超过 100 米 ，在这个距离内极少会发生错误， 万一发生错误，协议栈的 TCP 也会负责搞定，因此在发送信号时没有必要检查错误。 在发送信号的过程中，接收线路不应该有信号进来，但情况并不总是尽如人意，有很小的可能性出现多台设备同时进行发送操作的情况。如果有其他设备同时发送信号，这些信号就会通过接收线路传进来。

 

    在使用集线器的半双工模式中，一旦发生这种情况，两组信号就会相互叠加，无法彼此区分出来，这就是所谓的信号碰撞。这种情况下，继续发送信号是没有意义的，因此发送操作会终止。为了通知其他设备当前线路已发生碰撞，还会发送一段时间的阻塞信号，然后所有的发送操作会全部停止。 等待一段时间之后，网络中的设备会尝试重新发送信号。但如果所有设备的等待时间都相同，那肯定还会发生碰撞，因此必须让等待的时间相互错开。具体来说，等待时间是根据 MAC 地址生成一个随机数计算出来的。 当网络拥塞时，发生碰撞的可能性就会提高，重试发送的时候可能又会和另外一台设备的发送操作冲突，这时会将等待时间延长一倍，然后再次重试。以此类推，每次发生碰撞就将等待时间延长一倍，最多重试 10次，如果还是不行就报告通信错误

 

    在全双工模式中，发送和接收可以同时进行，不会发生碰撞。因此，全双工模式中不需要像半双工模式这样考虑这么多复杂的问题，即便接收线路中有信号进来，也可以直接发送信号。

 

 

 

2.全双工模式

 

 


      全双工模式是交换机特有的工作模式，它可以同时进行发送和接收操作，集线器不具备这样的特性。使用集线器时，如果多台计算机同时发送信号，信号就会在集线器内部混杂在一起，进而无法使用，这种现象称为碰撞，是以太网的一个重要 


特征。

     不过，只要不用集线器，就不会发生碰撞。而使用双绞线时，发送和接收的信号线是各自独立的，因此在双绞线中信号不会发生碰撞。网线连接的另一端，即交换机端口和网卡的 PHY （MAU）模块以及 MAC 模块，其内部发送和接收电路也是各自独立的，信号也不会发生碰撞。因此，只要不用集线器，就可以避免信号碰撞了。 如果不存在碰撞，也就不需要半双工模式中的碰撞处理机制了。然而，以太网规范中规定了在网络中有信号时要等该信号结束后再发送信号，因此发送和接收还是无法同时进行。 于是，人们对以太网规范进行了修订，增加了一个无论网络中有没有信号 都可以发送信号的工作模式，同时规定在这一工作模式下停用碰撞检测 。这种工作模式就是全双工模式。在全双工模式下，无需等待其 他信号结束就可以发送信号，因此它比半双工模式速度要快 。由于双方可以同时发送数据，所以可同时传输的数据量也更大，性能也就更高。

 

全双工模式的工作方式：在MUA的发送和接收电路之间有一个检测信号碰撞的模块

 

          

                   

 

      在以太网中，当没有数据在传输时，网络中会填充一种被称为连接脉冲的脉冲信号。在没有数据信号时就填充连接脉冲，这使得网络中一直都 有一定的信号流过，从而能够检测对方是否在正常工作，或者说网线有没 有正常连接。以太网设备的网线接口周围有一个绿色的 LED 指示灯，它表示是否检测到正常的脉冲信号。如果绿灯亮，说明 PHY（MAU）模块以及网线连接正常。 在双绞线以太网规范最初制定的时候，只规定了按一定间隔发送脉冲信号，这种信号只能用来确认网络是否正常。后来，人们又设计出了如下图这样的具有特定排列的脉冲信号，通过这种信号可以将自身的状态告知对方。自动协商功能就利用了这样的脉冲信号，即通过这种信号将自己能够支持的工作模式和传输速率相互告知对方，并从中选择一个最优的组合。

 

         

 

       

我们来看一下，假设A检测到网络是空闲的，开始发数据包，尽力传输，当数据包还没有到达B时，B也监测到网络是空闲的，开始发数据包，这时就会发生碰撞，B首先发现发生碰撞，开始发送碰撞信号，所谓碰撞信号，就是连续的01010101或者10101010,十六进制就是55或AA。这个碰撞信号会返回到A，如果碰撞信号到达A时，A还没有发完这个数据包，A就知道这个数据包发生了错误，就会重传这个数据包。但如果碰撞信号会返回到A时，数据包已经发完，则A不会重传这个数据包。 

要保证以太网的重传，必须保证A收到碰撞信号的时候，数据包没有传完，要实现这一要求，A和B之间的距离很关键，也就是说信号在A和B之间传输的来回时间必须控制在一定范围之内。IEEE定义了这个标准，一个碰撞域内，最远的两台机器之间的round-trip time 要小于512bit time(来回时间小于512位时，所谓位时就是传输一个比特需要的时间）。这也是我们常说的一个碰撞域的直径。

512个位时，也就是64字节的传输时间，如果以太网数据包大于或等于64个字节，就能保证碰撞信号到达A的时候，数据包还没有传完。

这就是为什么以太网要最小64个字节，同样，在正常的情况下，碰撞信号应该出现在64个字节之内，这是正常的以太网碰撞，如果碰撞信号出现在64个字节之后，叫 late collision。这是不正常的。

总结：最小数据帧的设计原因和以太网电缆长度有关,为的是让两个相距最远的站点能够感知到双方的数据发生了碰撞;最远两端数据的往返时间就是争用期,以太网的争用期是51.2微妙,正好发送64byte数据。

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原文地址：http://blog.sina.com.cn/s/blog_7d84d0d20101216d.html