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  • 逻辑电平之常见差分逻辑电平

    千次阅读 2020-08-03 14:45:04
    LVDS器件是近年来National Semiconductor公司发展的一种高速传输芯片,它的传输机制是把TTL逻辑电平转换成低电压差分信号,以便于高速传输。与传统的ECL逻辑相比,它采用CMOS工艺,它的电压摆幅更低,只有400mV,ECL...

    转载:http://xilinx.eetrend.com/d6-xilinx/article/2018-11/13946.html

    本篇主要介绍常用的差分逻辑电平,包括LVDS、xECL、CML、HCSL/LPHCSL、TMDS等。

    1、LVDS电平

    LVDS器件是近年来National Semiconductor公司发展的一种高速传输芯片,它的传输机制是把TTL逻辑电平转换成低电压差分信号,以便于高速传输。与传统的ECL逻辑相比,它采用CMOS工艺,它的电压摆幅更低,只有400mV,ECL为800mV,动态功耗更小,(输出电流3~5mA)只有ECL电路的1/7(相同的数据传输量),低EMI,价格更低,因而具有很大的优势,从97-98年首先在欧洲开始得到应用。

    ANSI/TIA/EIA-644是由TR30.2制定的,这个标准定义了收发器的输入输出阻抗,但是这仅仅是一个电气特性标准。其并不包括功能性和协议规格,完全是应用独立的。

    ANSI/TIA/EIA-644打算通过使用别的协议来完善整个接口功能。这使的这个标准在很多方面便于实现。在标准中推荐的最大操作速率是655Mbps,理论最大使用速率是1.923Gbps。传输速率与使用的介质损耗有关。这个标准同时也说明了最低的介质要求、接收端的fail-safe电路、多路操作等。

     

    IEEE 1596.3 SCI-LVDS被定义为SCI的一个子集,在IEEE 1596.3中有详细说明。SCI-LVDS说明了应用于高速/低功耗物理接口的电气规范,同时也定义了用于SCI数据传输的包交换的编码格式。SCI-LVDS在特定的条件下也支持高速的RAMLINK传输。

    SCI-LVDS同TIA除了在一些电气要求和负载条件有差别,在别的方面十分相似。两个标准支持相似的驱动输出电平,接收门限电平,数据传输速率。在两个标准中TIA的应用更为普遍,同时TIA也支持多负载情况。

     

    其中发送端是一个约为3.5mA的电流源,产生的3.5mA的电流通过差分线的其中一路到接收端。接收端输入阻抗很高(对于直流表现为高阻),因此驱动器输出的大部分电流通过接收端的100欧姆的匹配电阻产生350mA的电压(100欧姆端接电阻有两个作用:一是用于实现电流向电压的转化,二是用于实现阻抗匹配),同时电流经过差分线的另一条流回发送端。当发送端进行状态变化时它通过改变流经电阻的电流的方向产生有效的‘0’和‘1’态。

    LVDS的主要特性如下:

    低摆幅:约为350mV,低电流驱动模式意味着可以实现高速传输,ANSI/TIA/EIA-644标准中推荐的最大操作速率是655Mbps,理论最大使用速率是1.923Gbps。

    低功耗:恒流源电流驱动,把输出电流限制到约3.5mA左右,使跳变期间的尖峰干扰最小,因而产生的功耗非常小。

    具有相对较慢的边沿速率(dV/dt约为0.3V/0.3ns,即1V/ns),同时采用差分传输形式,使其信号噪声和EMI都大为减少,同时具有较强的抗干扰能力。

    LVDS的应用模式主要有以下四种:

    单向点对点。

    双向点对点,通过一对双绞线实现双向的半双工通信,可以由标准的LVDS驱动器和接收器构成,但更好的办法是采用总线LVDS驱动,即BLVDS,是为总线两端都接负载设计的。

    多分支形式,即一个驱动器连接多个接收器。当有相同的数据要传给多个负载时,可以采用该种形式。

    多点结构,此时多点总线支持多个驱动器,也可以采用BLVDS驱动器,它可以提供双向的半双工通信,但是在任一时刻只能有一个驱动器工作。因而发送的优先权和总线的仲裁权都需要根据不同的应用场合,选用不同的软件协议和硬件方案。为了支持LVDS的多点应用,即多分支结构和多点结构,2001年推出了MLVDS(Multipoint LVDS)标准ANSI/TIA/EIA 899-2001。

    LVDS的应用需关注一下几点:

    由于输入信号电平范围为0~2.4V,而差分对摆幅最大值为454mV,因此输入端允许信号上携带的直流偏置电平范围为0.227~2.173V,当不满足此要求时,应采取交流耦合。

    接收端对输入差分对信号摆幅的要求时100mV。

    100Ω端接电阻的作用:一是用于实现电流向电压的转化,二是用于实现阻抗匹配。如果接收端内置端接则不需要。

    空闲输入引脚应悬空,以防引入噪声;空闲输出引脚应悬空,以减小功耗。

    1.1、LVDS接口输入原理
    LVDS输入结构如下图所示,输入差分阻抗为100Ω,为适应共模电压宽范围内的变化,输入级还包括一个自动电平调整电路,该电路将共模电压调整为一固定值,该电路后面是一个SCHMITT触发器。SCHMITT触发器为防止不稳定,设计有一定的回滞特性,SCHMITT后级是差分放大器。

    LVDS的输入门与其他输入门有一个显著的特点,前面有一个类似于直流电平漂移适配电路(adaptive level shifter),这个电路能够适应直流电平(common-mode voltage)的变化的,使得输入直流电平变化范围可以很宽(0.2V~2.2V,一般为1.2V)。也正因为这样,LVDS比其他信号有更强的共模抗干扰能力。

     

    LVDS输入结构

     

    1.2、LVDS接口输出原理
    LVDS输出结构如下图所示。电路差分输出阻抗为100Ω。

    LVDS输出结构

     

    LVDS输出结构

     

    2、xECL电平

    ECL电路(Emitter Coupled Logic,即发射极耦合逻辑电路)是一种非饱和型的数字逻辑电路。与DTL、TTL、S-TTL等逻辑电路不同,ECL电路内部的晶体管工作在非饱和状态(线性区或截止区),从根本上消除了限制速度提高的少数载流子的“存储时间”。因此,它是现有各种逻辑电路中速度最快的一种电路形式,也是目前唯一能够提供亚毫微秒开关时间的实用电路。由于开关管对是轮流导通的,始终有电流流过三极管,所以电路的功耗较大。

    典型的ECL基本门电路的结构由三部分组成:差分放大器输入电路,温度-电压补偿(跟踪)偏压网络(参考源)和射极跟随器输出电路。

    ECL电路是采用-5.2V电源供电,Vcc是接地的,这样做虽有一些优点,但负电源还是很麻烦。PECL由ECL标准发展而来,采用+5V供电,可以和系统内其他电路共用一个正电源供电。PECL信号的摆幅相对ECL要略小些。+3.3V供电系统的PECL即LVPECL。

    LVPECL的主要特点如下:

    与LVDS相比,LVPECL的功耗更大,匹配电路更复杂,但支持更高的速率,抗抖动性能更好。在高速设计中,LVPECL常被用做高速时钟和数据的电平,如百兆、千兆PHY芯片的MDI接口,PLL时钟信号等。但由于外部端接电路较复杂,会造成高速信号线上的分叉(stub),因此不适用于要求极高的高速信号,如10Gbps以太网的MDI接口(一般采用CML电平)。

    PECL信号的回流是依靠高电平平面(即VCC)回流的,而不是低电平平面回流。所以,为了尽可能的避免信号被干扰,要求电源平面干扰比较小。也就是说,如果电源平面干扰很大,很可能会干扰PECL信号的信号质量。但由于采用电流驱动模式,电源VCC的作用只是提供电流通路和外部偏置电平,电源纹波对信号的影响相对较小。但当LVPECL作为时钟信号的电平时,为防止电源纹波耦合到时钟信号上,仍应该提高电源的质量。

    对于输出门来说,OUT+/-两个管脚不管输出是高还是低,输出的电流总和是一定的(即恒流输出)。恒流输出的特性应该说是所有的差分高速信号的共同特点(LVDS/CML电平也是如此)。这样的输出对电源的干扰很小,因为不存在电流的忽大忽小的变化,这样对电源的干扰自然就比较小。

    PECL的直流电流能达到14mA,而交流电流的幅度大约为8mA(800mV/100Ω),也就是说PECL的输出门无论是输出高电平还是低电平,都有直流电流流过,换句话说PECL的输出门(三极管)始终工作在放大区,没有进入饱和区和截至区,这样门的传输延时极小,切换速度就可以做得比较快,也就是输出的频率能达到比较高的原因之一。同时,由于始终存在一条VCC到GND的电流通路,因此功耗较大,但工作速率和功耗基本无关。

    要判断一个PECL/LVPECL电平输入能否被正常接收,不仅要看交流幅度能否满足输入管脚灵敏度的要求,而且要判断直流幅度是否在正常范围之内(即在VCC-1.3V左右,不能偏得太大,否则输入门将不能正常接收)。在这一点上与LVDS有很大的差别,务必引起注意。

    2.1、PECL接口输入原理
    PECL输入是一个具有高输入阻抗的差分对。该差分对共模输入电压需偏置到VCC-1.3V,这样允许的输入信号电平动态最大。MAXIM公司的PECL接口有两种形式的输入结构,一种是在芯片上已加有偏置电路,如MAX3867、MAX3675,另一种则需要外加直流偏置。

    PECL输入电路结构

     

    PECL输入电路结构

     

    2.2、PECL接口输出原理
    PECL电路的输出包含一个差分对和一对射随器。输出射随器工作在正电源范围内,其电流始终存在,这样有利于提高开关速度。标准的输出负载是接50Ω至VCC-2V的电平上,在这种负载条件下,OUT+与OUT-输出电流为14mA,OUT+与OUT-的静态电平典型值为VCC-1.3V(VCC-2V+14mA×50Ω)。PECL结构的输出阻抗很低,典型值为4~5Ω,这表明它有很强的驱动能力,但当负载与PECL的输出端之间有一段传输线时,低的阻抗造成的失配将导致信号时域波形的振铃现象。

    PECL/LVPECL输出结构

     

    PECL/LVPECL输出结构

    3、CML电平

    CML即Current Mode Logic,主要靠电流驱动,它的输入和输出是匹配好的,从而减少了外围器件,使用时直接连接就可以,是高速数据接口形式中最简单的一种。如XAUI、10G XFI接口均采用CML电平。

    CML电平的特点如下:

    CML电平是一种比较简洁的电平,它内置匹配电阻(输入输出都有50欧姆的电阻),这样用户使用的时候特别简单,不需要象ECL电平一样加一堆的偏置电阻和匹配电阻。

    由于输出门也有50欧姆的匹配电阻,使得二次反射信号也能被这个电阻匹配掉,这样就避免了多次反射导致的信号劣化(振铃现象)。在这一点,与ECL电平相比有很大的改进,所以CML电平所能支持的速率比较高。

    从光口的抖动指标来看,CML电平具有抖动指标小的特性。对比3种电平抖动方面的性能:CML最优、ECL次之、LVDS比较差。这就是一般情况下LVDS信号很少做为光接口驱动信号的原因之一(当然,输出信号幅度比较小、电流驱动能力比较弱应该也是原因之一吧)。

    CML电平也是采用恒流驱动方式。

    CML电平的输出AC摆幅能达到800mV。一般情况下,CML电平可以是直流耦合方式对接,也可以是交流耦合方式对接。

    3.1、CML接口输入原理
    CML输入结构有几个重要特点,这也使它在高速数据传输中成为常用的方式,如下图,MAXIM公司的CML输入阻抗为50Ω,容易使用。输入晶体管作为射随器,后面驱动一差分放大器。

    CML输入电路结构

     

    CML输入电路结构

     

    3.2、CML接口输出原理
    CML接口的输出电路形式是一个差分对,该差分对的集电极电阻为50Ω,输出信号的高低电平切换是靠共发射极差分对的开关控制的,差分对的发射极到地的恒流源典型值为16mA,假定CML输出负载为一50Ω上拉电阻,则单端CML输出信号的摆幅为Vcc-0.4V~Vcc。在这种情况下,差分输出信号摆幅为800mV,共模电压为Vcc-0.2V。若CML输出采用交流耦合至50Ω负载,这时的直流阻抗由集电极电阻决定,为50Ω,CML输出共模电压变为Vcc-0.4V,差分信号摆幅仍为800mV。在交流和直流耦合情况下输出波形见下图。

    CML输出结构

     

    CML输出结构

     

    CML在不同耦合方式时的输出波形

     

    CML在不同耦合方式时的输出波形

     

    4、LVDS、LVPECL、CML比较

    三种电平都是高速设计中常用的电平,但各有特色:

    驱动模式:都属于电流驱动。

    外部端接:CML最简单,一般无需外部端接,直接连接即可;LVDS次之,需在接收端增加一个100Ω的终结电阻(内置的不需要);LVPECL最复杂,其输出端需偏置到VCC-2V,输入端需偏置到VCC-1.3V。

    功耗:LVDS差分对摆幅最小,因此功耗也最小,在相同工作速率下,功耗不到LVPECL的三分之一;CML和LVPECL差分对摆幅相对较大,且内部三极管工作于非饱和状态,功耗较大,基于结构上的差异,CML的功耗低于LVPECL。

    工作速率:由于CML和LVPECL内部三极管工作于非饱和状态,逻辑翻转速率高,能支持更高的数据速率;同时,由于LVDS差分对的输入摆幅较小(LVDS为100mV,LVPECL为310mV,CML为400mV;输出摆幅:LVDS为350mV,LVPECL为800mV,CML为800mV),噪声容限较小,不利于高速传输。

    耦合方式:都支持直流耦合和交流耦合。

     

    5、HCSL/LPHCSL

    HCSL即High-speed Current Steering Logic。

    LPHCSL(Low-Power HCSL)是为了降低传统的HCSL驱动器的功耗而开发的。LPHCSL的主要优点包括更好的驱动长线的性能,易于AC耦合,减少PCB板子面积,易于布线,降低材料成本,重要的是要注意HCSL驱动器与LPHCSL驱动器对HCSL接收器来说都是一样的。

    HCSL和LPHCSL输出电路结构

     

    HCSL和LPHCSL输出电路结构

     

    HCSL的输出是通过控制正负输出差分对中的15mA电流,电源功耗为15mA×3.3V约50mW。而LPHCSL不是采用传统的HCSL的电流驱动,而是采用推挽电压驱动,电流消耗大约4~5mA。

     

     

    驱动器本身具有17欧姆的输出阻抗(CMOS的输出阻抗),所以,需要串联一个33欧姆的电阻,以获得与50欧姆传输线的匹配。对于传统的HCSL,为了避免出现过度的振铃,串联电阻RS是必须要的。

    某些接收器片内可能有一个100欧姆的差分终端,这样的接收器通常更常见,因为可以处理比较宽范围的幅度和共模电压,以及可能要去AC耦合的时钟信号,LPHCSL驱动器可以稳定驱动双终端(在源和接收处都有终端电阻)。

    LPHCSL并不需要对地的终端电阻。而由于功耗的原因,传统的HCSL驱动器不可能就将终端电阻集成到内部,尤其是芯片有许多输出的时候。很显然,LPHCSL相对于传统HCSL使用了更少的元件,降低了板子面积和材料成本。

    从原理上,传统的HCSL要求DC耦合,而LPHCSL并不要求DC耦合。我们可以将AC耦合电容串接到线路上,这样做并不会影响信号的摆幅和终端属性。而传统的HCSL使用AC耦合时,必须仔细考虑对地的DC路径,还可能需要额外增加元件。

    PCIe的REFCLK+/-使用的就是LPHCSL电平。

     

    PCIe时钟要求的上升速率为0.6V/ns到4.0V/ns,LPHCSL在驱动长线时能提供更高的上升速率。而传统的HCSL驱动取决于外部50欧姆终端来产生时钟的下降沿,这使得上升/下降匹配非常困难,因为仅时钟的上升沿受传统HCSL输出控制,而LPHCSL输出控制时钟的上升沿和下降沿,LPHCSL更快的上升速率对驱动长线是非常重要的。

     

    6、TMDS

    TMDS(Transition-Minimized Differential Signaling,最小化传输差分信号)是HDMI、DP协议中定义的电平,下图是TMDS的接口输入输出框图,详细的特性可参考HDMI标准。

     

     

     

    除此之外,还有像差分HSTL、PPDS(Point-to-Point Differential Signaling)、RSDS(Reduced Swing Differential Signaling)之类的差分逻辑电平,由于使用较少,暂不做详细介绍。

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  • TTL电平联网模块

    2014-09-18 11:49:13
    可将 TTL串口设备连接至以太网 业界首款全双工、不...电压输入 DC5V,小于100mA 机械特性 尺寸 长×宽=4.3cm×5.5cm 工作环境 工作温度,湿度 -45~85℃,5~95% RH 储存温度,湿度 -45~165℃,5~95% RH W
  • 1、LVDS电平  LVDS(Low Voltage Differential Signal)即低电压差分信号,LVDS接口又称RS644总线接口,是20世纪90年代才出现的一种数据传输和接口技术。  最基本的LVDS器件就是LVDS驱动器和接收器。LVDS的驱动...

    1、LVDS电平

           LVDS(Low Voltage Differential Signal)即低电压差分信号,LVDS接口又称RS644总线接口。
           最基本的LVDS器件就是LVDS驱动器和接收器。LVDS的驱动器由驱动差分线对的电流源组成,将非平衡传输的TTL 信号转换成平衡传输的LVDS 信号。电流通常为3.5 mA,输出差分阻抗100 Ω在这里插入图片描述
           LVDS接口输入结构 :LVDS接收器具有很高的输入阻抗,因此驱动器输出的大部分电流都流过100 Ω的匹配电阻,并在接收器的输入端产生大约350 mV的电压。当驱动器翻转时,它改变流经电阻的电流方向,因此产生有效的逻辑“1”和逻辑“0”状态。为适应共模电压宽范围内的变化,输入级还包括一个自动电平调整电路,该电路将共模电压调整为一固定值,该电路后面是一个SCHMITT触发器。SCHMITT触发器为防止不稳定,设计有一定的回滞特性,SCHIMTT后级是差分放大器。
      这里写图片描述

    LVDS 输入和输出规格:
    这里写图片描述
           LVDS技术在两个标准中被定义:ANSI/TIA/EIA644 (1995年11月通过)和IEEE P1596.3 (1996年3月通过)。这两个标准中都着重定义了LVDS的电特性,包括:
           ① 低摆幅(约为350 mV)。低电流驱动模式意味着可实现高速传输。ANSI/TIA/EIA644建议了655 Mb/s的最大速率和1.923 Gb/s的无失真通道上的理论极限速率。
           ② 恒流源电流驱动,把输出电流限制到约为3.5 mA左右,使跳变期间的尖峰干扰最小,因而产生的功耗非常小。这允许集成电路密度的进一步提高,即提高了PCB板的效能,减少了成本。
           ③ 具有相对较慢的边缘速率(约0.7 V/ns),同时采用差分传输形式,使其信号噪声和EMI都大为减少,同时也具有较强的抗干扰能力。
      所以,LVDS具有高速、超低功耗、低噪声和低成本的优良特性。
      
    注意点:
           ①LVDS接受对信号的共模电平要求很弱,差分对内单个信号电平范围在0 ~ 2.4V均可,即LVDS的发送方和接收方对电源电压和直流偏置没有特殊要求,这是LVPECL等电平所不具备的,这使得LVDS特别适合板间长距离信号传输。由于输入信号电平范围为0 ~ 2.4V,而差分对摆幅最大值为454mV,因此输入端允许信号上携带的直流偏置电平范围为0.227 ~ 2.173V,当不满足此要求时,应采取AC耦合。
           ②空闲输入引脚应悬空,以免引入噪声;空闲输出引脚应浮空,以减小功耗。
           ③LVDS不适合2Gbps速率以上的应用,对这种应用可考虑LVPECL或CML电平。

    2、LVPECL

           LVPECL即Low Voltage Positive Emitter-couple Logic,也就是低压正发射极耦合逻辑。典型输出为一对差分信号,他们的射击通过一个电流源接地。这一对差分信号驱动一对射极跟随器,为Output+与Output-提供电流驱动。50欧姆电子一头接输出,一端接VCC-2V。输出射极跟随器应在“有效”区域内工作,始终具有直流电流。OUT +的输出引脚 和OUT-通常连接到差分传输线(Z0 =100Ω)或单端传输线(Z0 =50Ω)用于阻抗匹配,LVPECL输出的正确终端为50Ω至Vcc-2V和OUT + / OUT-通常为Vcc-1.3V,导致近似的直流电流为14mA。
           另一种终止LVPECL输出的方法是提供142Ω电阻到GND,为LVPECL输出提供直流偏置,并为GND提供直流电流路径。由于LVPECL输出共模电压为Vcc-1.3V,因此直流偏置电阻可以通过假设直流电流为14mA(R=Vcc-1.3V/14mA)来选择,导致Vcc-3.3V的R=142Ω(150Ω也可以工作)。
    结构:Q1、Q2组成差动放大电路,Q3、Q4发射极输出;
    特点:差分对抗干扰能力强,射极输出电阻小驱动能力强;

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    3、CML

           CML(current Mode Logic)指电流模式逻辑;常应用于:XAUI(10Gbps以太网连接单元接口)、10G XFI接口(10Gbps以太网串行接口)。
    输出结构:CML的电源VCC一般取1.2V,输出端由一对三极管组成差动放大电路、两个三极管的发射极与GND之间串一个16mA的电流源,三极管的集电极与VCC之间串接50Ω电阻。
           CML的输出信号OUT+ 或OUT-其共模电平为VCC-0.2V,摆幅为400mV,因此差分对OUT+与OUT-的摆幅为800mV.
           CML驱动器基于开漏输出和压控电流源使用NMOS晶体管。输出需要通过电阻上拉至VDD,这是因为NMOS只能驱动下降沿。因为输出电压摆幅是由负载决定,压控电流源用于改变电流值从而驱动负载。负载电阻和外部参考电阻可以靠近放置以优化输出电压摆幅。
    在这里插入图片描述

    4、HCSL

           高速电流控制逻辑(HCSL)输入要求IN +和IN-的两个输入引脚上的单端摆幅为700mV,共模电压约为350mV。
           典型的HCSL驱动器是具有开源输出的差分逻辑。其中每个输出引脚在0和14mA之间切换。当一个输出引脚为低电平(0)时,另一个输出引脚为高电平(驱动14mA)。OUT+引脚和OUT-引脚通常连接到差分传输线(Z0 =100Ω)或单端传输线(Z0 =50Ω),这需要一个外部端接电阻(50Ω到GND),从而为HCSL输入结构提供700mV的摆幅电平。
    在这里插入图片描述
           驱动器本身具有17欧姆的输出阻抗,所以,需要串联一个33欧姆的电阻,以获得与50欧姆传输线的匹配。对于传统的HCSL,为了避免出现过度的振铃,串联电阻RS是必须要的。

    在这里插入图片描述
    5、不同信号间对比及转换

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    电平转换参考:
    http://www.sitimesample.com/support_details.php?id=137
    http://www.mic086.com/news/details_517.html

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  • Ethernet以太网作用

    2020-08-29 14:52:01
    物理层主要是基于电器特性发送高低电平信号,电平即"电压平台",指的是电路中某一点电压的高低状态,在网络信号中高电平用数字"1"表示,低电平用数字"0"表示。电平的高低是个相对概念,3V对于7V是低电平,但对于1V就是高...

    物理层:

    物理层主要是基于电器特性发送高低电平信号,电平即"电压平台",指的是电路中某一点电压的高低状态,在网络信号中高电平用数字"1"表示,低电平用数字"0"表示。电平的高低是个相对概念,3V对于7V是低电平,但对于1V就是高电平。

    数据链路层:

    由于单纯的电平信号"0"和"1"没有任何意义,在实际应用中,我们会将电平信号进行分组处理,多少位一组、每组什么意思,这样数据才有具体含义。数据链路层的功能就是定义电平信号的分组方式。

    1:以太网协议:

    数据链路层使用以太网协议进行传输,基于MAC地址的广播方式实现数据传输,只能在局域网内广播。早起各个公司都有自己的分组方式,后来形成了统一标准,即以太网协议Ethernet。

    2:Ethernet以太网

    由一组电平信号构成一个数据包,叫做"帧",每一个数据帧由报头Head和数据Data两部分组成。

     3:Ethernet以太网帧格式

    以太网上使用两种标准帧格式。

    1. 第一种是上世纪80年代初提出的DIXv2格式,即EthernetII帧格式。EthernetII后来被IEEE802标准接纳,并写进了IEEE802.3x-1997的3.2.6节。
    2. 第二种是1983年提出的IEEE802.3格式。

    这两种格式的主要区别在于,EthernetII格式中包含一个Type字段,标识以太帧处理完成之后将被发送到哪个上层协议进行处理。

    IEEE802.3格式中,同样的位置是长度字段。不同的Type字段值可以用来区别这两种帧的类型,当Type字段值小于等于1500(或者十六进制的0x05DC)时,帧使用的是IEEE802.3格式。当Type字段值大于等于1536(或者十六进制的0x0600)时,帧使用的是EthernetII格式。

    以太网中大多数的数据帧使用的是EthernetII格式。

    以太帧中还包括源和目的MAC地址,分别代表发送者的MAC和接收者的MAC,此外还有帧校验序列字段,用于检验传输过程中帧的完整性。

    4:Ethernet_II帧格式

     

    • Ethernet_II帧类型值大于等于1536(0x0600)。
    • 以太网数据帧的长度在64-1518字节之间。

    Ethernet_II的帧中各字段说明如下:

    1. DMAC(DestinationMAC)是目的MAC地址。DMAC字段长度为6个字节,标识帧的接收者。
    2. SMAC(SourceMAC)是源MAC地址。SMAC字段长度为6个字节,标识帧的发送者。
    3. 类型字段(Type)用于标识数据字段中包含的高层协议,该字段长度为2个字节。类型字段取值为0x0800的帧代表IP协议帧;类型字段取值为0806的帧代表ARP协议帧。
    4. 数据字段(Data)是网络层数据,最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节,数据字段的最大长度为1500字节。
    5. 循环冗余校验字段(FCS)提供了一种错误检测机制。该字段长度为4个字节。

    5:EEE802.3帧格式

    EEE802.3帧长度字段值小于等于1500(0x05DC)。

    EEE802.3帧格式类似于Ethernet_II帧,只是Ethernet_II帧的Type域被802.3帧的Length域取代,并且占用了Data字段的8个字节作为LLC和SNAP字段。

    1. Length字段定义了Data字段包含的字节数。
    2. 逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)由目的服务访问点DSAP(DestinationServiceAccessPoint)、源服务访问点SSAP(SourceServiceAccessPoint)和Control字段组成。
    3. SNAP(Sub-networkAccessProtocol)由机构代码(OrgCode)和类型(Type)字段组成。Orgcode三个字节都为0。Type字段的含义与Ethernet_II帧中的Type字段相同。IEEE802.3帧根据DSAP和SSAP字段的取值又可分为以下几类:
    • 当DSAP和SSAP都取特定值0xff时,802.3帧就变成了Netware-ETHERNET帧,用来承载NetWare类型的数据。
    • 当DSAP和SSAP都取特定值0xaa时,802.3帧就变成了ETHERNET_SNAP帧。ETHERNET_SNAP帧可以用于传输多种协议。
    • DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3帧。

    6:以太网和互联网区别

     主要差别:

    以太网是一种局域网,只能连接附近的设备。

    因特网是广域网,我们可以通过因特网连接到美国去得到消息。


    两者都算是用来连接电脑的网络,但是两者的范围是不同的。以太网是局限在一定的距离之内的,我们可以有成千上百个以太网;但是因特网呢,是最大的广域网了,我们只有一个因特网,所以因特网又可以说是网络中的网络。

    因特网是一个超大的国际化的系统,它能够把世界上的各个地方的网络连接起来,私人的,公共的,学术的还是商业的网络或者政府的网络,都可以互相连接,共享资源。形象的来说,因特网就是我们在打开网页,发送邮件,在线听音乐看电影所用的网络,它包括了非常广泛的信息,现在的我们已经习以为常了。


    而以太网呢,基本上就是只允许本地的几台电脑互相连接。电脑之间相互传送消息是有一组技术支持的。一般来说,连接到以太网上的电脑都在同一栋楼里,或者在周围附近。但是随着以太网网线的发展,以太网的范围可以扩展到十公里了。但是因为都是用网线互联,要想连接到很远的地方是不现实的。

    生活化一点,以太网就是把你家的电脑,笔记本连接到猫上,然后再通过猫连接到因特网上去,这样你才能和国外的朋友Skype。因此,你家的电脑,笔记本和猫就组成了一个以太网。可以想象,世界上有成千上万个以太网。商业上应用以太网,将他们所有的电脑连接到主服务器上。
    以太网可以有一个或者几个管理员。因特网上可能有一些部分是由管理员的,但是没有一个可以操控整个因特网的管理员。
    另外一个区别就是安全性。以太网是比较安全的,因为他是一个封闭的内部网络,外部人员是没有权限的。但是因特网是公开连接的,每个人都可以浏览。

    7: ARP协议

    ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系。

    在网络通讯时,源主机的应⽤程序知道目的主机的IP地址和端⼝号,却不知道目的主机的硬件地址;数据包⾸先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃;因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。

    ARP的功能是在32bit的IP地址和采用不同网络技术的硬件地址之间提供动态映射,为上层将底层的物理地址差异屏蔽起来,这样上层的因特网协议就可以灵活地使用IP地址进行通信了。ARP协议的基本功能是使用目标主机的IP地址,查询其对应的MAC地址,以保证底层链路上数据包通信的进行。为了实现在网络接口物理地址与IP地址间的转换,ARP协议中引入了ARP缓存表的概念。ARP缓存表中记录了一条一条的<IP地址,MAC地址>对,他们是主机最近运行获得的关于周围其他主机的IP地址到物理地址的绑定,当需要发送IP数据包时,ARP层根据目的IP地址来查找ARP缓存表,并将匹配的MAC地址装入以太网帧首部,最后发送以太网数据。

    ARP缓存表的建立与ARP数据包是密切相关的。在以太网中,ARP数据包和IP数据包是两个独立的部分,它们都封装在以太网帧中发送。ARP数据包的种类有两种:一是ARP请求包,它是通过以太网广播的方式发送的,用于向具有某个IP地址的主机发送请求,希望该主机返回其MAC地址;二是ARP应答包,收到ARP请求的主机会比对该数据包中的IP地址与自己的IP地址是否符合,若是,则该主机向源主机返回一个ARP应答包。向源主机报告自己的MAC地址。源主机通过提取ARP应答包中的相关字段来更新ARP缓存表。在Windows控制台上输入arp -a,可以查看操作系统中使用的ARP缓存表。

    举一个简单的例子来看看ARP的功能。假如我们的主机(192.168.1.11)需要向开发板(192.168.1.37)发送一个IP数据包,当发送数据时,主机会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到了,也就知道了目标MAC地址为(04-02-35-00-00-01),此时,主机直接把目标MAC地址写入以太网首部发送就可以了;如果在ARP缓存表中没有找到相对应的IP地址,此时比较不幸,我们的数据需要被延迟发送,随后主机会先在网络上发送一个广播(ARP请求,以太网目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF),广播的ARP请求表示同一网段内所有主机将会收到这样一条信息:“192.168.1.37的MAC地址是什么?请回答”。网络IP地址为192.168.1.37(开发板)的主机接收到这个帧后,它有义务做出这样的回答(ARP应答):“192.168.1.37的MAC地址是(04-02-35-00-00-01)”。这样,主机就知道了开发板的MAC地址,先前被延时的数据包就可以被发送了,此外,主机将这个地址对保存在缓存表中,以便后续数据包发送时使用。

    ARP协议的核心就是对ARP缓存表的操作。发送数据包时,查找缓存表以得到目的MAC地址,此外,ARP还需要不断地处理ARP请求包和ARP应答包,以保证缓存表中各个表项的有效性。ARP的实质就是对缓存表的建立、更新、查询等操作。

    在局域网中,以太bai网协议规定,数据包是从一块网卡传du送到另一块网卡zhi。而网卡地址就是数据包dao的发送地址和接收地址,也就是帧首部所包含的MAC地址,MAC地址是每块网卡的身份标识。
    假设有个网卡A需要向网卡B发送一个数据包,该数据包里就会写入网卡B的MAC地址,然后把这个数据包发送给子网中所有的主机,即广播发送。子网中所有的主机都会收到该数据包,而只有网卡B会保留该数据包,其他主机在核对MAC地址后发现不是发给自己的,就会丢弃该数据包。
    广播发送:每个数据包的发送都会发送给子网中的所有主机。

     

    8:以太网的单播,广播,组播

    单播

    单播 MAC 地址是帧从一台发送设备发送到一台目的设备时使用的唯一地址。

    例如,IP 地址为 192.168.1.5 的主机(源)向 IP 地址为 192.168.1.200 的服务器请求网页。要传送和接收单播数据包,目的 IP 地址必须包含于 IP 数据包头中。相应的目的 MAC 地址也必须出现于以太网帧帧头中。只有 IP 地址和 MAC 地址相结合,才能将数据传送到特定的目的主机。

    广播

    发送广播时,数据包以主机部分全部为一 (1) 的地址作为目的 IP 地址。这种地址计数法表示本地网络(广播域)中的所有主机都将接收和处理该数据包。许多网络协议,如动态主机配置协议 (DHCP) 和地址解析协议 (ARP) 等,都使用广播。关于 ARP 如何使用广播将第 2 层地址映射到第 3 层地址的内容,本章将稍后论述。

    网络的广播 IP 地址需要在以太网帧中包含相应的广播 MAC 地址。在以太网中,广播 MAC 地址长 48 位,全部为一,以十六进制显示时则为 FF-FF-FF-FF-FF-FF。 

    组播

    我们回顾一下,组播地址允许源设备向一组设备发送数据包。属于某一组播组的设备都被分配了该组播组 IP 地址。组播地址的范围为 224.0.0.0 到 239.255.255.255。由于组播地址代表一组地址(有时称为主机组),因此只能用作数据包的目的地址。源地址始终为单播地址。

    组播地址常用于远程游戏中,许多玩家远程连接同一个游戏并玩该游戏;通过视频会议远程学习也使用组播地址,许多学生连接到同一个课程。

    如同单播和广播地址一样,组播 IP 地址也需要相应的组播 MAC 地址才能在本地网络中实际传送帧。组播 MAC 地址是一个特殊的十六进制数值,以 01-00-5E 开头。然后将 IP 组播组地址的低 23 位换算成以太网地址中剩余的 6 个十六进制字符,作为组播 MAC 地址的结尾。MAC 地址剩余的位始终为 "0"。

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  • 1 以太网的由来 以太网不是单一协议,而是不同标准的完整集合。这些标准来自 IEEE,它们的名字都以 802.3 开头。 以太网技术起源于施乐帕洛阿尔托研究中心的先锋技术项目。人们通常认为以太网发明于1973年,当年鲍勃...

    1 以太网的由来

    以太网不是单一协议,而是不同标准的完整集合。这些标准来自 IEEE,它们的名字都以 802.3 开头。

    以太网技术起源于施乐帕洛阿尔托研究中心的先锋技术项目。人们通常认为以太网发明于1973年,当年鲍勃.梅特卡夫(Bob Metcalfe)给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录。但是梅特卡夫本人认为以太网是之后几年才出现的。在1976年,梅特卡夫和他的助手David Boggs发表了一篇名为《以太网:区域计算机网络的分布式数据包交换技术》的文章。

    1979年,梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开了施乐(Xerox),成立了3Com公司。3Com对DEC、英特尔和施乐进行游说,希望与他们一起将以太网标准化、规范化。这个通用的以太网标准于1980年9月30日提出。当时业界有两个流行的非公用网络标准令牌环网和ARCNET,在以太网浪潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中,3Com也成了一个国际化的大公司。梅特卡夫曾经开玩笑说,Jerry Saltzer为3Com的成功作出了贡献。

    Saltzer在一篇[哪个/哪些?]与他人合著的很有影响力的论文中指出,在理论上令牌环网要比以太网优越。受到此结论的影响,很多电脑厂商或犹豫不决或决定不把以太网接口做为机器的标准配置,这样3Com才有机会从销售以太网网卡大赚。这种情况也导致了另一种说法“以太网不适合在理论中研究,只适合在实际中应用”。也许只是句玩笑话,但这说明了这样一个技术观点:通常情况下,网络中实际的数据流特性与人们在局域网普及之前的估计不同,而正是因为以太网简单的结构才使局域网得以普及。梅特卡夫和Saltzer曾经在麻省理工学院MAC项目(Project MAC)的同一层楼工作,当时他正在做自己的哈佛大学毕业论文,在此期间奠定了以太网技术的理论基础。

    1985 年,美国电气和电子工程师协会 (IEEE) 制定了一系列局域网 (LAN)标准,称为 IEEE 802 标准。这些已被广泛接受,现在构成了大多数 LAN 的核心。IEEE 802 标准之一,IEEE 802.3,是一种称为“以太网”的标准。这是当今世界上使用最广泛的 LAN 技术。尽管IEEE 802.3与原始标准(“蓝皮书”)有些不同。它非常相似,两组标准都可以用于同一个局域网。

    如今,以太网采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,载波监听多路存取和冲突检测)介质访问控制方式的局域网技术,最初由Xerox公司于1975年研制成功,1979年7月~1982年间,由DEC、Intel和Xerox三家公司制定了以太网的技术规范DIX,以此为基础形成的IEEE802.3以太网标准在1989年正式成为国际标准。在20多年中以太网技术不断发展,成为迄今最广泛应用的局域网技术,产生了多种技术标准。

    2 以太网概述

    以太网(Ethernet)是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。

    以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑,但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了减少冲突,将能提高的网络速度和使用效率最大化,使用交换机(Switch hub)来进行网络连接和组织。如此一来,以太网的拓扑结构就成了星型;但在逻辑上,以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,即载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。

    以太网 (Ethernet) 在组网技术中占的比例最高,很多人直接把以太网理解为互联网。因此这里有必要详细说明以太网和互联网的区别和联系。

    互联网即INTERNET,它是一个全球性互联网络。它是由从地方到全球范围内几百万个私人的,政府的,学术界的,企业的和政府的网络所构成,通过电子,无线和光纤网络技术等等一系列广泛的技术联系在一起。它以TCP/IP协议簇作为通信方式,体系结构分为4层:应用层,传输层,网络层,网络接口层。

    以太网是最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD技术,(载波监听多路访问及冲突检测)并以10M/s的速率(或100M/s 、1000M/s等速率)运行在多种类型的电缆上。它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。简单来说,以太网(Ethernet),是让局域网连接的一种技术,取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。

    以太网是指遵守 IEEE 802.3 标准组成的局域网,由 IEEE 802.3 标准规定的主要是位于参考模型的物理层 (PHY) 和数据链路层中的介质访问控制子层 (MAC)。在家庭、企业和学校所组建的 PC局域网形式一般也是以太网,其标志是使用水晶头网线来连接 (当然还有其它形式)。 IEEE 还有其它局域网标准,如 IEEE 802.11 是无线局域网,俗称 Wi-Fi。 IEEE802.15 是个人域网,即蓝牙技术,其中的 802.15.4 标准则是 ZigBee 技术。

    以太网只是组成互联网的一个子集,以太网是现在主流的局域网标准,而互联网是指将大量的局域网连接起来,进行资源的分享。另外,互联网与以太网是两个不同的概念,前者是范围概念,后者是技术概念。互联网(Internet)、广域网(WAN)、局域网(LAN)可以算作一类,它们都是按照区域和范围来分类的。而以太网(Ethernet)、ATM网和FDDI网可以算作一类,它们是按照传输技术分类的。

    以太网描述了物理(PHY)层和数据链路(Data Link)层,如下图所示。

    在这里插入图片描述

    在物理层,有不同的电缆选项和不同的速度。然而,以太网的优点之一是它使用相同的数据链路层标准。你可以在网络中混合使用不同的以太网标准。下面是一个例子:

    在这里插入图片描述

    上面我们看到三台主机连接到使用不同以太网标准的两台交换机。交换机之间的连接是 10 Gbps 光纤连接。即使我们混合了不同的标准,该网络也将能够转发以太网帧。



    3 以太网帧格式

    以太网的一大优点是,虽然有不同的标准,但都使用通用的以太网帧。自 70 年代的原始以太网标准以来,此框架没有太大变化。这是以太网帧的样子:

    在这里插入图片描述

    前导码:这是一个 7 字节的 1 和 0 模式,用于同步。

    SFD:“起始帧定界符”标记前导码的结尾,并告诉接收器接下来的字段将是实际的以太网帧,从目标字段开始。

    目的地址:这是接收方的目的地 MAC 地址。

    源地址:发送帧的设备的源MAC地址。

    类型:这告诉我们以太网帧内携带的内容。IPv4 数据包、IPv6 数据包或其他内容。

    数据:它携带我们尝试传输的实际数据,例如 IPv4 数据包。

    FCS:帧校验序列帮助接收器确定帧是正确还是损坏。

    绿色标记的字段就是我们所说的以太网头。

    TCP/IP 协议栈中的每层协议报文的封装与拆装如下:

    在这里插入图片描述

    当用户发送数据时,将数据向下交给传输层,这是处于应用层的操作,应用层可以通过调用传输层的接口来编写特定的应用程序。而 TCP/IP 协议一般也会包含一些简单的应用程序如 Telnet 远程登录、 FTP 文件传输、 SMTP 邮件传输协议等。传输层会在数据前面加上传输层首部(此处以TCP 协议为例,传输层首部为 TCP 首部,也可以是 UDP 首部),然后向下交给网络层。同样地,网络层会在数据前面加上网络层首部(IP 首部),然后将数据向下交给链路层,链路层会对数据进行最后一次封装,即在数据前面加上链路层首部(此处使用以太网接口为例),然后将数据交给网卡。最后,网卡将数据转换成物理链路上的电平信号,数据就这样被发送到了网络中。

    当设备的网卡接收到某个数据包后,它会将其放置在网卡的接收缓存中,并告知 TCP/IP 内核。然后 TCP/IP 内核就开始工作了,它会将数据包从接收缓存中取出,并逐层解析数据包中的协议首部信息,并最终将数据交给某个应用程序。数据的接收过程与发送过程正好相反,

    常用的以太网MAC帧格式有两种标准 :DIX Ethernet II标准,IEEE 的 802.3 标准

    在这里插入图片描述

    Ethernet V2可以装载的最大数据长度是1500字节,而IEEE802.3可以装载的最大数据是1492字节(SNAP)或是1497字节; Ethernet V2不提供MAC层的数据填充功能,而IEEE802.3不仅提供该功能,还具备服务访问点(SAP)和SNAP层,能够提供更有效的数据链路层控制和更好的传输保证。那么我们可以得出这样的结论:Ethernet V2比IEEE802.3更适合于传输大量的数据,但EthernetV2缺乏数据链路层的控制,不利于传输需要严格传输控制的数据,这也正是IEEE802.3的优势所在,越需要严格传输控制的应用,越需要用IEEE802.3或SNAP来封装,但IEEE802.3也不可避免的带来数据装载量的损失,因此该格式的封装往往用在较少数据量承载但又需要严格控制传输的应用中。

    在实际应用中,我们会发现,大多数应用的以太网数据包是EthernetV2的帧(如HTTP、FTP、SMTP、POP3等应用),而交换机之间的BPDU(桥协议数据单元)数据包则是IEEE802.3的帧,VLANTrunk协议如802.1Q和Cisco的CDP(思科发现协议)等则是采用IEEE802.3SNAP的帧。大家有兴趣的话,可以利用Sniffer等协议分析工具去捕捉数据包,然后解码查看是不是这样的。

    4 物理层

    在物理层,由 IEEE 802.3 标准规定了以太网使用的传输介质、传输速度、数据编码方式和冲突检测机制,物理层一般是通过一个 PHY 芯片实现其功能的。

    4.1传输介质

    传输介质包括同轴电缆、双绞线 (Unshielded Twisted Pair, UTP)、光纤。根据不同的传输速度和距离要求,基于这三类介质的信号线又衍生出很多不同的种类。最常用的是“五类线”适用于 100BASE-T和 10BASE-T 的网络,它们的网络速率分别为 100Mbps 和 10Mbps。

    以太网有许多不同的标准,速度从 10 Mbps(兆比特每秒)到 100 Gbps(千兆比特每秒)。以下是一些流行的以太网标准的概述:

    在这里插入图片描述

    不同的标准是由不同的名字组合而成:

    • 10/100/1000: 数字100用单位MHz (Megahertz)表示网线设计的频率。即100 MHz。MHz的值越大,网线所支持的速度就越快。如果你尝试将这种类型的网线用于更高的频率(和速度)中,那么它将不工作或者变得极为不可靠。100 MHz以每秒100Mbit的速度传输,这在理论上指的就是12 Mbps。然而,在实际中,可能还无法获得超过4 Mbps。

    • BASE: BASE是英文baseband的缩写,指的就是基带。表示没有使用频分复用或者其它频率转换技术,每一个信号在一个单一频率上完全控制线缆。

    • 数字T/F/C等: 一般数组表示传输长度;T代表承载信号的物理介质是双绞线缆(分为UTP(Unshielded Twisted Pair,非屏蔽双绞线)和STP(Shielded Twicted Pair,屏蔽双绞线)),在这里每一对传送信号的双绞线互相缠绕以(FEXT和NEXT之间)减少电磁干扰和串扰;F表示光纤

    • 最后的字母或数字(4/X等): 在同一种传送速率下有多种不同的标准,它们之间以一个字母或数字跟随T/F/C之后的方式来区隔(例如TX)。它显示了网线的结构并指出包含的绞线对的数量。某些高速标准使用同轴电缆,则分配代号为CX。

    下面以不同类型的传输介质进行介绍。

    1.同轴电缆
    同轴电缆的主要代表是10BASE5和10BASE2

    10BASE5(又称粗缆(Thick Ethernet)或黄色电缆)──最早实现10 Mbit/s以太网。

    在这里插入图片描述

    早期IEEE标准,使用单根RG-11同轴电缆,最大距离为500米,并最多可以连接100台电脑的收发器,而缆线两端必须接上50欧姆的终端电阻。接收端通过所谓的“插入式分接头”插入电缆的内芯和屏蔽层。在电缆终结处使用N型连接器。

    在这里插入图片描述

    尽管由于早期的大量布设,到现在还有一些系统在使用,这一标准实际上被10BASE2取代。
    利用基带的10M传输速率,采用曼彻斯特编码传输数据。 该系统在安装和维护上难度较大。
    在IEEE Std 802.3™的Clause 8有详细的介绍。

    在这里插入图片描述

    Physical Layer partitioning, relationship to the ISO/IEC Open Systems Interconnection (OSI) reference model


    10BASE2(又称细缆(Thin Ethernet)或模拟网络)── 10BASE5后的产品,使用RG-58同轴电缆,最长转输距离约200米(实际为185米),仅能连接30台计算机,计算机使用T型适配器连接到带有BNC连接器的网卡,而线路两头需要50欧姆的终结器。

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    利用基带的10M传输速率,采用曼彻斯特编码传输数据。虽然在能力、规格上不及10BASE5,但是因为其线材较细、布线方便、成本也便宜,所以得到更广泛的使用,淘汰了10BASE5。由于双绞线的普及,它也被各式的双绞线网络取代。

    在IEEE Std 802.3™的Clause 10有详细的介绍。

    在这里插入图片描述

    Physical Layer partitioning, relationship to the ISO/IEC Open Systems Interconnection (OSI) reference model

    【注】自2011年9月以来,该标准不再考虑维护变更。



    2.双绞线
    StarLAN是第一个双绞线上实现的以太网络标准10 Mbit/s。后发展成10BASE-T,以及100BASE-TX和1000BASE-T

    10BASE-T使用两对非屏蔽双绞线,一对线发送数据,另一对线接收数据,用RJ-45模块作为端接器,星形拓扑结构,信号频率为20MHz,必须使用3类或更好的UTP电缆;布线按照EIA568标准,站点中继器和中继器中继器的最大距离为100m。保持了10base5的4中继器/5网段的设计能力,使10base-T局域网的最大直径为500m。

    10Base-T的集线器和网卡每16秒就发出“滴答”(Hear-beat)脉冲,集线器和网卡都要监听此脉冲,收到“滴答” 信号表示物理连接已建立,10base-T设备通过LED向网络管理员指示链路是否正常。

    在这里插入图片描述

    如下图所示,UTP 电缆有 4 对线对,每对 2 根线。每对线都有两种匹配的颜色。例如,蓝色和蓝白色。在 UTP 电缆的末端,我们使用 RJ45 连接器。

    在这里插入图片描述

    RJ45 连接器有 8 个可以插入电线的位置,称为“引脚”。我们从左到右数针数,查看 RJ45 连接器的底部。

    在这里插入图片描述

    10base-T因为价格便宜、配置灵活和易于管理而流行起来,现在占整个以太网销售量的90%以上。

    在IEEE Std 802.3™的Clause 14有详细的介绍。

    在这里插入图片描述

    10BASE-T relationship to the ISO/IEC Open Systems Interconnection (OSI) reference model and the IEEE 802.3 CSMA/CD LAN model


    100base-T称Fast Ethernet(快速以太网),是许多以标称速率100 Mbit/s(较早的以太网速度为10 Mbit / s)传输流量的以太网标准的统称。在快速以太网标准中,100BASE-TX是最常见的。

    名称中的“100”是指100Mbit/s的传输速度;而“BASE”是指基带信令; 破折号后面的字母(“T”或“F”)是指承载信号的物理介质(分别为双绞线或光纤);而最后一个字符(“X”,“4”等)指的是使用的行代码方法。 快速以太网有时被称为100BASE-X,其中“X”是FX和TX变体的占位符。

    1995年5月正式通过了快速以太网/100Base-T规范,即IEEE 802.3u标准,是对IEEE802.3的补充。与10base-T一样采用星形拓扑结构,但100Base-T包含4个不同的物理层规范,并且包含了网络拓扑方面的许多新规则。可以说是10Base-T的升级版。

    在IEEE Std 802.3™的Clause 21有详细的介绍。

    在这里插入图片描述

    Architectural positioning of 100BASE-T


    1000BASE-T采用四对五类平衡电缆的1000 Mb/s 物理层规格。与10Base-T、100Base-T完全兼容。

    前面两种标准有两根线对,一根用于传输,另一根用于接收。然而,1000BASE-T使用所有 4 对线。它不是使用不同的线对进行传输/接收,而是能够在每个线对上同时发送和接收。

    在这里插入图片描述

    RJ45 连接器中的引脚布局相同,但我们使用了额外的电线:

    在IEEE Std 802.3™的Clause 40有详细的介绍。

    在这里插入图片描述

    Type 1000BASE-T PHY relationship to the ISO Open Systems Interconnection (OSI) Reference Model and the IEEE 802.3 CSMA/CD LAN Model


    3.光纤
    目前传输速度最快传播距离最长的就是光纤,主要有1000BASE-LX(long wavelength laser)、1000BASE-SX (Short Wavelength Laser)、1000BASE-T。

    IEEE802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的1000Base-X,采用8B/10B编码技术,信道传输速度为1.25Gbit/s,去耦后实现1000Mbit/s传输速度。

    1000BASE-X 采用单模或多模长波激光器的规格。采用直径为62.5um或50um的多模光纤时,工作波长范围为1270-1355nm,传输距离为550m;采用直径为9um或10um的单模光纤,工作波长范围为1270-1355nm,传输距离为5km左右。

    在这里插入图片描述

    在IEEE Std 802.3™的Clause 38有详细的介绍。

    在这里插入图片描述

    Relationship of 1000BASE-X and the PMDs


    4.2编码

    为了让接收方在没有外部时钟参考的情况也能确定每一位的起始、结束和中间位置,在传输信号时不直接采用二进制编码。在 10BASE-T 的传输方式中采用曼彻斯特编码,在 100BASE-T 中则采用 4B/5B 编码。

    曼彻斯特编码把每一个二进制位的周期分为两个间隔,在表示“1”时,以前半个周期为高电平,后半个周期为低电平。表示“0”时则相反,具体见下图。

    在这里插入图片描述

    采用曼彻斯特码在每个位周期都有电压变化,便于同步。但这样的编码方式效率太低,只有 50%。在 100BASE-T 采用的 4B/5B 编码是把待发送数据位流的每 4 位分为一组,以特定的 5 位编码来表示,这些特定的 5 位编码能使数据流有足够多的跳变,达到同步的目的,而且效率也从曼彻斯特编码的 50% 提高到了 80%。

    4.3 CSMA/CD冲突检测

    早期的以太网大多是多个节点连接到同一条网络总线上 (总线型网络),存在信道竞争问题,因而每个连接到以太网上的节点都必须具备冲突检测功能。

    在这里插入图片描述

    上面我们看到 H1 和 H2 都在发送以太网帧。集线器在连接到 H3 的端口上重复这些帧。当这同时发生时,我们会发生碰撞并且两帧都丢失了。

    为了解决这个问题,我们必须使用半双工

    半双工意味着我们不能同时发送和接收。当一台计算机正在传输时,其他所有人都必须等待。当没有人传输时,我们可以拍摄并传输一帧。

    然而,这并不意味着我们完全没有碰撞。当两台计算机决定“线路空闲”并开始传输时,我们仍然会发生碰撞。为了解决这个问题,我们有一个叫做 CSMA/CD 的协议。

    CSMA/CD全称是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,载波侦听多路访问/冲突检测协议),已广泛应用于以太网中。

    所谓载波侦听(Carrier Sense),意思是网络上各个工作站在发送数据前都要确认总线上有没有数据传输。若有数据传输(称总线为忙),则不发送数据;若无数据传输(称总线为空),立即发送准备好的数据。

    所谓多路访问(Multiple Access),意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线,且发送数据是广播式的。

    所谓冲突(Collision),意思是若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据,在总线上就会产生信号的混合,这样哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突,又称为碰撞。

    CSMA/CD 冲突检测机制大致如下:如果多个节点同时利用同一条总线发送数据,则会产生冲突,总线上的节点可通过接收到的信号与原始发送的信号的比较检测是否存在冲突,若存在冲突则停止发送数据,随机等待一段时间再重传。如果再次碰撞,发射节点再次等待,等待时间几乎是前一个的两倍:这就是所谓的退避(即“下降”)指数。除非它已经达到了最大值。

    在这里插入图片描述

    现在大多数局域网组建的时候很少采用总线型网络,大多是一个设备接入到一个独立的路由或交换机接口,组成星型网络,不会产生冲突。但为了兼容,新出的产品还是带有冲突检测机制。
    CSMA/CD 的整个方案如下图所示:

    在这里插入图片描述

    CSMA/CD的帧格式
    IEEE 802.3 标准规定的帧格式包含以下字段。

    在这里插入图片描述

    1.前导码:提供位同步的七个字节(56 位)。它由交替的 Os 和 1s 组成。目的是提供警报和定时脉冲。
    2.起始帧定界符(SFD):它是一个字节字段,具有独特的模式:10 10 1011。它标志着帧的开始。
    3.目标地址(DA):它是包含数据包目标物理地址的六字节字段。
    4.源地址(SA):它也是一个六字节字段,包含源或最后一个转发数据包的设备(最近的路由器到接收器)的物理地址。
    5.长度:这两个字节字段指定数据字段中的长度或字节数。
    6.数据:它可以是 46 到 1500 字节,取决于帧的类型和信息字段的长度。
    7.帧校验序列(FCS):这对于字节字段包含用于错误检测的 CRC。

    CSMA/CD流程

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    第一步:载波监听,当一个站点想要发送数据的时候,它检测网络查看是否有其他站点正在传输,即侦听信道是否空闲,要确保没有其他节点信道,所以该节点首先要监听信道上的动静,也就是先听后说。如果信道在一定时段内寂静无声(称为帧间缝隙IFG),则该节点就开始传输,也就是无声则说。

    第二步:冲突检测,如果信道一直很忙碌,就一直监视信道,直到出现最小的IFG时段时,该节点才开始发送它的数据,也就是有空就说。如果两个节点或更多的节点都在监听和等待发送,然后在信道空时同时决定立即(几乎同时)开始发送数据,此时就发生碰撞。这一事件会导致冲突,并使双方信息包都受到损坏。以太网在传输过程中不断地监听信道,以检测碰撞冲突,也就是边听边说。

    第三步:如果一个节点在传输期间检测出碰撞冲突,则立即停止该次传输,并向信道发出一个“拥挤”信号,以确保其他所有节点也发现该冲突,从而摒弃可能一直在接收的受损的信息包也就是冲突停止,即一次只能一人讲。

    第四步:多路存取,在等待一段时间(称为后退)后,想发送的节点试图进行新的发送。 这时采用一种叫二进制指数退避策略(Binary Exponential Back off Policy)的算法来决定不同的节点在试图再次发送数据前要等待一段时间,也就是随机延迟。当延时一段时间后,总线为空闲时,再重新发送未发完的数据。

    总结:先听后说,无声则说;有空就说,边听边说;一旦冲突,立即停说,随机延迟,等待再说。

    CSMA/CD控制方式的优点是:原理比较简单,技术上易实现,网络中各工作站处于平等地位,不需集中控制,不提供优先级控制。但在网络负载增大时,发送时间增长,发送效率急剧下降。

    4.4 PHY 层芯片:LAN8742A

    接下来介绍一款常用于嵌入式的PHY芯片,其他芯片也是类似的原理。

    LAN8742A是 SMSC 公司 (已被 Microchip 公司收购) 设计的一个体积小、功耗低、全能型10/100Mbps 的以太网PHY 层收发器,I/O 引脚电压符合 IEEE802.3-2005 标准。它是针对消费类电子和企业应用而设计的。 LAN8742A 总共只有 24Pin,仅支持 RMII 接口。LAN8742A可以通过自协商的方式与目的主机最佳的连接方式(速度和双工模式),支持 HP Auto-MDIX 自动翻转功能,无需更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接。

    LAN8742A的主要特点如下:

    • 高性能的 10/100M 以太网传输模块

    • 支持 RMII 接口以减少引脚数

    • 支持全双工和半双工模式

    • 两个状态 LED 输出

    • 可以使用 25M 晶振以降低成本

    • 支持自协商模式

    • 支持 HP Auto-MDIX 自动翻转功能

    • 支持 SMI 串行管理接口

    • 支持 MAC 接口

    • 支持WOL网络唤醒功能

    LAN8742A组成的网络结构见下图。

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    LAN8742A通过 RMII 与 MAC 连接。 RJ45 是网络插座,在与 LAN8742A连接之间还需要一个变压器,所以一般使用带电压转换和 LED 指示灯的 HY911105A 型号的插座。一般来说,必须为使用 RMII 接口的 PHY 提供 50MHz 的时钟源输入到 REF_CLK 引脚,不过 LAN8742A内部集成PLL,可以将 25MHz 的时钟源陪频到 50MHz 并在指定引脚输出该时钟,所以我们可以直接使其与 REF_CLK 连接达到提供 50MHz 时钟效果。

    LAN8742A内部系统结构见下图。

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    LAN8742A有各个不同功能模块组成,最重要的要数接收控制器和发送控制器,其它的基本上都是与外部引脚挂钩,实现信号传输。部分引脚是具有双重功能的,比如 PHYAD0 与 RXER 引脚是共用的,在系统上电后 LAN8742A会马上读取这部分共用引脚的电平,以确定系统的状态并保存在相关寄存器内,之后则自动转入作为另一功能引脚。

    PHYAD[0]引脚用于配置 SMI 通信的 LAN8742A地址,在芯片内部该引脚已经自带下拉电阻,默认认为 0(即使外部悬空不接),在系统上电时会检测该引脚获取得到 LAN8742A的地址为 0 或者1,并保存在特殊模式寄存器 (R18) 的 PHYAD 位中,该寄存器的 PHYAD 有 5 个位,在需要超过2 个 LAN8742A时可以通过软件设置不同 SMI 通信地址。 PHYAD[0] 是与 RXER 引脚共用。

    MODE[2:0]引脚用于选择 LAN8742A网络通信速率和工作模式,可选 10Mbps 或 100Mbps 通信速度,半双工或全双工工作模式,另外 LAN8742A支持 HP Auto-MDIX 自动翻转功能,即可自动识别直连或交叉网线并自适应。一般将 MODE 引脚都设置为 1,可以让 LAN8742A启动自适应功能,它会自动寻找最优工作方式。 MODE[0] 与 RXD0 引脚共用、 MODE[1] 与 RXD1 引脚共用、MODE[2] 与 CRS_DV 引脚共用。

    nINT/REFCLKO引脚用于 RMII 接口中 REF_CLK 信号线,当 nINTSEL 引脚为低电平时,也就是REF_CLK Out 模式,nINT/REFCLKO 作为 REF_CLK 时钟源。它也可以被设置成 50MHz 时钟输出,这样可以直接与 STM32F746 的 REF_CLK 引脚连接为其提供50MHz 时钟源,这种模式要求为 XTAL1 与 XTAL2 之间或为 TAL1/CLKIN 提供 25MHz 时钟,由LAN8742A内部 PLL 电路陪频得到 50MHz 时钟,此时 nIN/REFCLKO 引脚的中断功能不可用,用于 50MHz 时钟输出。

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    当 nINTSEL 引脚为高电平时,也就是REF_CLK In 模式,nINT/REFCLKO 作为中断引脚。LAN8742A被设置为时钟输入,即外部时钟源直接提供 50MHz 时钟接入 STM32F46的REF_CLK 引脚和 LAN8742A的 XTAL1/CLKIN 引脚,此时 INT/REFCLKO 可用于中断功能。 nINTSEL 与 LED2 引脚共用,一般使用下拉。

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    REGOFF 引脚用于配置内部 +1.2V 电压源, LAN8742A内部需要 +1.2V 电压,可以通过 VDDCR引脚输入 +1.2V 电压提供,也可以直接利用 LAN8742A内部 +1.2V 稳压器提供。当 REGOFF 引脚为低电平时选择内部 +1.2V 稳压器。 REGOFF 与 LED1 引脚共用。

    参考文献
    [1] IEEE Standard for information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Amend[C]// IEEE Std 80211i. IEEE, 2004.





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