一文解析以太網(wǎng)PHY和MAC

以太網(wǎng)PHY和MAC對(duì)應(yīng)OSI模型的兩個(gè)層——物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、線(xiàn)路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口（RGMII / GMII / MII）。

數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。

問(wèn)：以太網(wǎng)PHY是什么？

答：PHY是物理接口收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)物理層。IEEE-802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)PHY。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14條)和100BaseTX(第24條和第25條)的規(guī)范。

問(wèn)：以太網(wǎng)MAC是什么？

答：MAC就是媒體接入控制器。以太網(wǎng)MAC由IEEE-802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層。最新的MAC同時(shí)支持10/100/1000Mbps速率。通常情況下，它實(shí)現(xiàn)MII/GMII/RGMII接口，來(lái)同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PHY器件實(shí)現(xiàn)接口。

問(wèn)：什么是MII？

答：MII（Medium Independent Interface）即媒體獨(dú)立接口。它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它包括一個(gè)數(shù)據(jù)接口，以及一個(gè)MAC和PHY之間的管理接口。數(shù)據(jù)接口包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨(dú)立信道。每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和控制信號(hào)。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個(gè)信號(hào)。管理接口是個(gè)雙信號(hào)接口：一個(gè)是時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)是數(shù)據(jù)信號(hào)。通過(guò)管理接口，上層能監(jiān)視和控制PHY。

MII標(biāo)準(zhǔn)接口 用于連快Fast Ethernet MAC-block與PHY?！敖橘|(zhì)無(wú)關(guān)”表明在不對(duì)MAC硬件重新設(shè)計(jì)或替換的情況下，任何類(lèi)型的PHY設(shè)備都可以正常工作。在其他速率下工作的與 MII等效的接口有：AUI（10M 以太網(wǎng)）、GMII（Gigabit 以太網(wǎng)）和XAUI（10-Gigabit 以太網(wǎng)）。

此外還有RMII(Reduced MII)、GMII(Gigabit MII)、RGMII（Reduced GMII）SMII等。所有的這些接口都從MII而來(lái)，MII是(Medium Independent Interface）的意思，是指不用考慮媒體是銅軸、光纖、電纜等，因?yàn)檫@些媒體處理的相關(guān)工作都有PHY或者叫做MAC的芯片完成。?

MII支持10兆和100兆的操作，一個(gè)接口由14根線(xiàn)組成，它的支持還是比較靈活的，但是有一個(gè)缺點(diǎn)是因?yàn)樗粋€(gè)端口用的信號(hào)線(xiàn)太多，如果一個(gè)8端口的交換機(jī)要用到112根線(xiàn)，16端口就要用到224根線(xiàn)，到 32端口的話(huà)就要用到448根線(xiàn)，一般按照這個(gè)接口做交換機(jī)，是不太現(xiàn)實(shí)的，所以現(xiàn)代的交換機(jī)的制作都會(huì)用到其它的一些從MII簡(jiǎn)化出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，比如 RMII、SMII、GMII等。?

RMII是簡(jiǎn)化的MII接口，在數(shù)據(jù)的收發(fā)上它比MII接口少了一倍的信號(hào)線(xiàn)，所以它一般要求是50兆的總線(xiàn)時(shí)鐘。RMII一般用在多端口的交換機(jī)，它不是每個(gè)端口安排收、發(fā)兩個(gè)時(shí)鐘，而是所有的數(shù)據(jù)端口公用一個(gè)時(shí)鐘用于所有端口的收發(fā)，這里就節(jié)省了不少的端口數(shù)目。RMII的一個(gè)端口要求7個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)，比MII少了一倍，所以交換機(jī)能夠接入多一倍數(shù)據(jù)的端口。和 MII一樣，RMII支持10兆和100兆的總線(xiàn)接口速度。?

SMII是由思科提出的一種媒體接口，它有比RMII更少的信號(hào)線(xiàn)數(shù)目，S表示串行的意思。因?yàn)樗挥靡桓盘?hào)線(xiàn)傳送發(fā)送數(shù)據(jù)，一根信號(hào)線(xiàn)傳輸接受數(shù)據(jù)，所以在時(shí)鐘上為了滿(mǎn)足100的需求，它的時(shí)鐘頻率很高，達(dá)到了125兆，為什么用125兆，是因?yàn)閿?shù)據(jù)線(xiàn)里面會(huì)傳送一些控制信息。SMII一個(gè)端口僅用4根信號(hào)線(xiàn)完成100信號(hào)的傳輸，比起RMII差不多又少了一倍的信號(hào)線(xiàn)。SMII在工業(yè)界的支持力度是很高的。同理，所有端口的數(shù)據(jù)收發(fā)都公用同一個(gè)外部的125M時(shí)鐘。?

GMII是千兆網(wǎng)的MII接口，這個(gè)也有相應(yīng)的RGMII接口，表示簡(jiǎn)化了的GMII接口。?

MII總線(xiàn)?

在IEEE802.3中規(guī)定的MII總線(xiàn)是一種用于將不同類(lèi)型的PHY與相同網(wǎng)絡(luò)控制器（MAC）相連接的通用總線(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)控制器可以用同樣的硬件接口與任何PHY 。

GMII (Gigabit MII)?

GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá)1000Mbps。同時(shí)兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。?

GMII接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該接口定義見(jiàn)IEEE 802.3-2000。?

發(fā)送器：?

◇ GTXCLK——吉比特TX..信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)（125MHz）?

◇ TXCLK——10/100M信號(hào)時(shí)鐘?

◇ TXD[7..0]——被發(fā)送數(shù)據(jù)?

◇ TXEN——發(fā)送器使能信號(hào)?

◇ TXER——發(fā)送器錯(cuò)誤（用于破壞一個(gè)數(shù)據(jù)包）?

注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號(hào)，TXD、TXEN、TXER信號(hào)與此時(shí)鐘信號(hào)同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供TXCLK時(shí)鐘信號(hào)，其它信號(hào)與此信號(hào)同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡(luò)）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡(luò)）。?

接收器：

◇ RXCLK——接收時(shí)鐘信號(hào)（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無(wú)關(guān)聯(lián)）?

◇ RXD[7..0]——接收數(shù)據(jù)?

◇ RXDV——接收數(shù)據(jù)有效指示?

◇ RXER——接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)指示?

◇ COL——沖突檢測(cè)（僅用于半雙工狀態(tài)）?

管理配置?

◇ MDC——配置接口時(shí)鐘?

◇ MDIO——配置接口I/O?

管理配置接口控制PHY的特性。該接口有32個(gè)寄存器地址，每個(gè)地址16位。其中前16個(gè)已經(jīng)在“IEEE 802.3,2000-22.2.4 Management Functions”中規(guī)定了用途，其余的則由各器件自己指定。

RMII: Reduced Media Independant Interface

簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口?

是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口之一，比MII有更少的I/O傳輸。

關(guān)于RMII口和MII口的問(wèn)題

RMII口是用兩根線(xiàn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，?

MII口是用4根線(xiàn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，?

GMII是用8根線(xiàn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的。

MII/RMII只是一種接口，對(duì)于10M線(xiàn)速,MII的速率是2.5M，RMII則是5M；對(duì)于100M線(xiàn)速，MII的速率是25M，RMII則是50M。?

MII/RMII用于傳輸以太網(wǎng)包，在MII/RMII接口是4/2bit的，在以太網(wǎng)的PHY里需要做串并轉(zhuǎn)換、編解碼等才能在雙絞線(xiàn)和光纖上進(jìn)行傳 輸，其幀格式遵循IEEE 802.3(10M)/IEEE 802.3u(100M)/IEEE 802.1q(VLAN)。

以太網(wǎng)幀的格式為：前導(dǎo)符+開(kāi)始位+目的mac地址+源mac地址+類(lèi)型/長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+padding(optional)+32bitCRC?

如果有vlan，則要在類(lèi)型/長(zhǎng)度后面加上2個(gè)字節(jié)的vlan tag，其中12bit來(lái)表示vlan id，另外4bit表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)！

吉比特以太網(wǎng)物理層協(xié)議及接口

吉比特以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層與傳統(tǒng)的10/100Mb/s以太網(wǎng)協(xié)議相同，但物理層有所不同。三種協(xié)議與OSI七層模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示。

從圖可以看出，吉比特以太網(wǎng)協(xié)議與10/100Mb /s以太網(wǎng)協(xié)議的差別僅僅在于物理層。圖中的PHY表示實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議的芯片；協(xié)調(diào)子層（Reconciliation sublayer）用于實(shí)現(xiàn)指令轉(zhuǎn)換；MII（介質(zhì)無(wú)關(guān)接口）／GMII（吉比特介質(zhì)無(wú)關(guān)接口）是物理層芯片與實(shí)現(xiàn)上層協(xié)議的芯片的接口；MDI（介質(zhì)相關(guān)接口）是物理層芯片與物理介質(zhì)的接口；PCS、PMA和PMD則分別表示實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議的各子層。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，這些子層的操作細(xì)節(jié)將全部由PHY 芯片實(shí)現(xiàn)，只需對(duì)MII和MDI接口進(jìn)行設(shè)計(jì)與操作即可。

吉比特以太網(wǎng)的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)主要有四種：GMII、 RGMII（Reduced GMII）、TBI（Ten-Bit Interface）和RTBI（Reduced TBI）。GMII是標(biāo)準(zhǔn)的吉比特以太網(wǎng)接口，它位于MAC層與物理層之間。對(duì)于TBI接口，圖1中PCS子層的功能將由MAC層芯片實(shí)現(xiàn)，在降低PHY 芯片復(fù)雜度的同時(shí)，控制線(xiàn)也比GMII接口少。RGMII和RTBI兩種接口使每根數(shù)據(jù)線(xiàn)上的傳輸速率加倍，數(shù)據(jù)線(xiàn)數(shù)目減半。

網(wǎng)卡

PHY和MAC是網(wǎng)卡的主要組成部分，網(wǎng)卡一般用 RJ-45插口，10M網(wǎng)卡的RJ-45插口也只用了1、2、3、6四根針，而100M或1000M網(wǎng)卡的則是八根針都是全的。除此以外，還需要其它元件，因?yàn)殡m然PHY提供絕大多數(shù)模擬支持，但在一個(gè)典型實(shí)現(xiàn)中，仍需外接6、7只分立元件及一個(gè)局域網(wǎng)絕緣模塊。絕緣模塊一般采用一個(gè)1：1的變壓器。這些部件的主要功能是為了保護(hù)PHY免遭由于電氣失誤而引起的損壞。

網(wǎng)卡的功能主要有兩個(gè):一是將電腦的數(shù)據(jù)封裝為幀，并通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)(對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)就是電磁波)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去;二是接收網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備傳過(guò)來(lái)的幀，并將幀重新組合成數(shù)據(jù)，發(fā)送到所在的電腦中。網(wǎng)卡能接收所有在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?hào)，但正常情況下只接受發(fā)送到該電腦的幀和廣播幀，將其余的幀丟棄。然后，傳送到系統(tǒng)CPU做進(jìn)一步處理。當(dāng)電腦發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)卡等待合適的時(shí)間將分組插入到數(shù)據(jù)流中。接收系統(tǒng)通知電腦消息是否完整地到達(dá)，如果出現(xiàn)問(wèn)題，將要求對(duì)方重新發(fā)送。

編輯：黃飛

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