自协商技术白皮书

自协商技术白皮书关键词：自协商，FLP，NLP，CSMA/CD，PCS，全双工，半双工，并行检测摘要：本文介绍了自协商的基本原理和工作模式，以及自协商相关细节介绍。缩略语：缩略语英文全名中文解释FLPFastLinkPulse快速连接脉冲NLPNormalLinkpulse普通连接脉冲CSMA/CDCarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect载波监听多路访问/冲突检测PCSPhysicalCodingSub-layer物理编码子层OSIOpenSystemInterconnection开放式系统互联参考模型创建人：郑磊目录1.概述.............................................................................................................................31.1产生背景..............................................................................................................31.2技术优点..............................................................................................................32.自协商介绍.................................................................................................................32.1概念及原理..........................................................................................................32.2相关术语..............................................................................................................42.2.1全双工和半双工概念...................................................................................42.2.2全双工和半双工以太网的特点....................................................................42.2.3协商脉冲FLP................................................................................................52.2.4并行检测......................................................................................................62.3以太网电口自协商...............................................................................................72.4千兆光口自协商...................................................................................................72.5自协商注意事项...................................................................................................83.参考文献...................................................................................................................10自协商技术白皮书第1页，共8页1.概述1.1产生背景最早的以太网都是10M半双工的，所以需要CSMA/CD等一系列机制保证系统的稳定性。随着技术的发展，出现了全双工，接着又出现了100M，以太网的性能大大改善。但是随之而来的问题是：如何保证原有以太网络和新以太网的兼容？于是，提出了自动协商技术来解决这种矛盾。自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备通过交互信息自动选择同样的工作参数。自动协商的内容主要包括双工模式、运行速率以及流控等参数。一旦协商通过，链路两端的设备就锁定在同样的双工模式和运行速率。1.2技术优点自协商功能允许一个网络设备能够将自己所支持的工作模式信息传达给网络上的对端，并接受对方可能传递过来的相应信息，从而解决双工和10M/100M速率自协商问题。自协商功能完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销。2.自协商介绍2.1概念及原理802．3标准中的第28条是这样定义自动协商功能的：它允许一个设备向链路远端的设备通告自己所运行的工作方式，并且侦测远端通告的相应的运行方式。自动协商的目的是给共享一条链路的两台设备提供一种交换信息的方法，并自动配置它们工作在最优能力下。照字面上来讲，自动协商就是一种在两台设备间达到可能的最大传输速率的方式。它允许设备用一种方式“讨论”可能的传输速率，然后选择双方可接受的最佳速率。它们使用叫做快速链路脉冲的FLP交换各自传输能力的通告。FLP可以让对端知道源端的传输能力是怎样的。当交换FLP时，两个站点根据以下从高到低的优先级侦测双方共有的最佳方式。•1000M全双工注：左边从上到下优先级依次递减•1000M半双工•100M全双工•100M半双工•10M全双工•10M半双工自协商技术白皮书第2页，共8页自协商功能的基本机制是：每个网络设备在上电、管理命令发出、或是用户干预时发出FLP（快速连接脉冲），协商信息封装在这些FLP序列中。FLP中包含有时钟/数字序列，将这些数据从中提取出来就可以得到对端设备支持的工作模式，以及一些用于协商握手机制的其他信息。当一个设备不能对FLP作出有效反应，而仅返回一个NLP（普通连接脉冲）时，它被作为一个10BASE-T兼容设备。快速链路脉冲FLP和普通链路脉冲NLP都仅使用于非屏蔽双绞线上，而不能应用在光纤媒体。电口和光口自协商主要区别是在OSI中它们所处的位置不同。对于电口来说,协商发生在链路信号传输之前；对于光口来说，自协商机制与PCS（物理编码子层）在同一层，这意味着光口的协商必须先建立链路同步以后才可以进行协商。2.2相关术语2.2.1全双工和半双工概念全双工是在微处理器与外围设备之间采用发送线和接受线各自独立的方法，可以使数据在两个方向上同时进行传送操作。指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生，举个简单例子，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当有两辆车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品。随着技术的不断进步，现在制造的网卡、交换机、路由器都支持全双工模式。半双工的网络设备已经逐渐退出历史舞台。2.2.2全双工和半双工以太网的特点1、半双工以太网①任意时刻只能接收数据或者发送数据②采用CSMA/CD访问机制③有最大传输距离的限制2、全双工以太网①同一时刻可以接收和发送数据②传输数据帧的效率大大提高，最大吞吐量达到双倍速率③全双工从根本上解决了以太网的冲突问题，以太网从此告别CSMA/CD④消除了半双工的物理距离限制自协商技术白皮书第3页，共8页2.2.3协商脉冲FLP自协商是通过一种叫做快速连接脉冲（FastLinkPulse）的信号实现的，简称FLP。自协商的双方通过FLP来交换数据。FLP的编码方式如下图FLP突发（1）FLP脉冲波形ClockPulseFirstBitonWire1D010D1D2PulsePosition1PulsePosition2PulsePosition3PulsePosition4PulsePosition5PulsePosition6PulsePosition7（2）FLP编码方式在具备自协商能力的端口没有Link的情况下，端口一直发送FLP，在FLP中包含着自己的连接能力信息，包括支持的速率能力、双工能力、流控能力等。这个连接能力是从自协商能力寄存器中得到的（PHY标准寄存器地址4），依靠脉冲位置编码携带数据。一个FLP突发包含33个脉冲位置。17个奇数位置脉冲为时钟脉冲，时钟脉冲总是存在的；16个偶数位置脉冲用来表示数据：此位置有脉冲表示1，此位置没有脉冲表示0。这样1个FLP的突发就可以传输16bit的数据。自协商交互数据就这样通过物理线路被传输。如果两端都支持自协商，则都会接收到对方的FLP，并且把FLP中的信息解码出来。得到对方的连接能力。并且把对端的自协商能力值记录在自协商对端能力寄存器中（Auto-NegotiationLinkPartnerAbilityRegister，PHY标准寄存器地址5）。同时把状态寄存器（PHY标准寄存器地址1）的自协商完成bit（bit5）置成1。在自协商未完成的情况下，这个bit一直为0。然后各自根据自己和对方的最大连接能力，选择最好的连接方式。比如，如果双方都即支持10M也支持100M，则速率按照100M连接；双方都即支持全双工也支持半双工，则按照全双工连接。一旦连接建立后，FLP就停止发送。直到链路中断，或者得到自协商Restart命令时，才会再次发送FLP。自协商技术白皮书第4页，共8页2.2.4并行检测为了保证在对端不能支持自协商的情况下也能连接，引入了被称为并行检测（ParallelDetection）的机制。在一端打开自协商，另一端关闭自协商的情况下，连接的建立就依靠并行检测功能实现。并行检测机制是这样的：在具有自协商能力的设备端口上，如果接收不到FLP，则检测是否有10M链路的特征信号或100M链路的特征信号。如果设备是10M设备，不支持自协商，则在链路上发送普通连接脉冲（NormalLinkPulse）简称NLP。NLP仅仅表示设备在位，不包含其它的额外信息。NLP脉冲如图：NLPs如果是100M设备，不支持自协商，则在没有数据的情况下，在链路上一直发送4B/5B编码的Idle符号。并行检测机制如果检测到NLP，则知道对方支持10M速率；如果检测到4B/5B编码的Idle符号，则知道对方支持100M速率。但是对方是否支持全双工、是否支持流控帧这些信息是无法得到的。因此在这种情况下，认为对方只支持半双工，不支持全双工，且不支持流控帧。基于以上原理，在对端不打开自协商时，打开自协商的一方只能协商成半双工模式。802.3协议规定，通过并行检测建立连接后，PHY的状态寄存器（PHY标准寄存器地址1）的自协商完成bit（bit5）依然要置位成1，尽管链路上并非使用了真正的自协商操作。同时规定在自协商完成bit为1的情况下，本地自协商能力寄存器（PHY标准寄存器地址4）和对端自协商能力寄存器（PHY标准寄存器地址5）是有意义的。所以，要把寄存器5中的数据更新。如果建立的连接为10M，则寄存器5的10M能力bit（bit5）置1，其它bit置0，表示对端只能支持10M半双工；如果建立的连接为100M，则寄存器5的100M能力bit（bit7）置1，其