千兆網媒體訪問控制技術

2019-11-03 19:21:30

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供稿：網友

蔡紅亮1，黃克勤2

1.東南大學電子工程系，南京 210096

2.南京經濟學院計算機系

　　摘要：本文首先對千兆網媒體訪問控制（GMAC）的各模塊作了簡單介紹，然后從工作模式和重要概念入手詳細對發送、接收、管理各模塊的具體規范要求作了說明，最后給出主要模塊的具體框圖。

　　關鍵詞：千兆網媒體訪問控制（GMAC），帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議（CSMA/CD）

　　1 引言

　　以太網問世的25年后，以太網在局域網中已占有統治地位。它始終堅持幀格式不變（從10Mbit/s速率升級到100Mbit/s以及1Gbit/s），給用戶的局域網升級帶來了很大的方便；以太網用戶的增長又產生了規模效應，使得以太網的價格大幅度下降，形成良性特環。現在，數以億計的用戶使網絡的效益大大增長，并且千兆以太網問世后很快就進入了城域網領域。根據1998年的統計，全世界以太網網卡總數已超過4800萬塊，而ATM、FDDI和令牌環的網卡總數僅500萬塊左右。

　　千兆以太網問世后，以太網的發展并未停頓，1999年3月成立了IEEE802.3高速研究組（HSSG——Higher Speed Study Group）。HSSG的任務是致力于10G以太網的研究。以太網的發展歷程同時也是一個和其它網絡相互競爭，并逐漸取得勝利的過程。10Mbit/s以太網最終淘汰了速率比它快60%的16Mbit/s的令牌環，100Mbit/s快速以太網也使得曾經構成最快局域網/城域網的FDDI變成了歷史。千兆以太網和10G以太網的問世，使以太網的市場占有率進一步地得到提高，使得ATM在城域網和廣域網中的地位受到更加嚴峻的挑戰。

　　2 GMAC簡述

　　GMAC是為了滿足千兆網傳輸而發展起來的，它是構成千兆網必備的條件之一。GMAC在七層ISO標準中屬于數據鏈路層，它對邏輯鏈路和物理鏈路之間的通道進行控制和協調，可以連接各種不同物理媒介，不同物理媒介有不同的GMAC標準，GMAC的標準由IEEE802工作組制定。

　　GMAC可以分為四個部分：幀發送（Frame Transmission）、幀接收（Frame Reception）、GMAC控制（GMAC Control）、媒體獨立接口管理（GMII）。

　　幀發送：接收GMAC客戶（上層協議）傳下來的數據，在數據段頭尾加上一些控制信息，組成一個以太網數據幀，并將該數據幀以位數據流的形式傳送到物理層，以待發送。

　　幀接收：接收從物理層來的位數據流，在接收完一幀的數據后，檢查該幀是否有效（如目的地址、計算校驗碼、字節對齊等），若有效就去除數據幀的頭尾將數據字段提交給上層協議，否則就丟棄該數據幀。

　　GMAC控制：用于全雙工模式下控制幀的生成、檢測，它處在主機和發送、接收模塊之間，對普通的數據幀來說是透明的。

　　媒體獨立接口管理：控制物理層的輸入輸出操作，檢查物理層的狀態信息。

　　3 GMAC工作模式

　　GMAC本身并不會接收和發送網絡數據，而只是對物理層的接收和發送的行為進行控制。物理層是真正實現數據收發功能的地方，但它不會對數據進行任何區分和處理，當發現網絡上有數據，它就把數據從網絡上取下來送給GMAC，當GMAC有數據給它時，它就把數據放到網絡上。GMAC的作用是把物理層送上來的數據進行區分，如果數據包的目的地址是本機，就把數據包適當處理后提交給上層協議，如果不是就丟棄該數據包，在發送時，GMAC在待發送的數據包上加一些信息后直接交給物理層。實際上GMAC和PHY（物理層）之間的接口是標準的，不管是什么物理網絡，MAC都可以通過標準接口對物理層的行為進行控制，而且一個GMAC可以同時管理多個PHY的行為。

　　GMAC的工作方式有半雙工和全雙工兩種。

　　半雙工模式：GMAC client將數據傳給GMAC后，GMAC先給數據加上PReamble、FSD、FCS，組成以太網幀，然后檢查載波偵聽信號（CRS），若有載波信號，表示有數據正在本地網段上傳播，就等待直到載波信號消失，載波信號消失后，GMAC還要等待一個幀間延時（interFrame Spacing），若在幀間延時期間，一直沒有載波信號，該以太網幀就可以開始向物理層傳輸。

　　當物理層在傳送數據的過程中，網絡上同時也有其它數據在傳輸，就會產生沖突，（collision），物理層檢查到沖突后，向GMAC發送沖突信息，GMAC檢查是normal collision還是late collision，如果是normal collision，停止傳輸數據，傳送32位的jam數據流，然后等待一個隨機時間段后進行重傳，如果是late collision，在傳送jam數據流后丟棄該數據包。如果重傳的次數達到16次，丟棄該數據包。接收數據時，當GMAC收到一幀數據時，首先檢查目的地址是否正確，然后檢查以太網幀是否8byte對齊（位長度是8的倍數），若沒有對齊，將FCS前的數據段截取成字節對齊，接著根據收的數據產生CRC，與收到的FCS比較，不相等就丟棄該幀。最后去除Preamble、FSD和FCS，將數據傳給上層協議。

　　全雙工模式：GMAC從GMAC Client接收到數據后，不需要載波偵聽和沖突檢測，直接向物理層傳送，其它操作與半雙工相同。

　　4 GAMC中幾個重要概念介紹

　　4.1 載波偵聽

　?。ㄟm用于半雙工）在GMAC開始向物理層傳輸數據之前，GMAC進行載波偵聽，如果物理網路上有載波，說明有數據正在傳輸，本地數據必須要等待，當偵聽到載波消失，本地數據就可以準備發送，但GSMA/CD協議規定兩幀數據之間必須有inter-FrameGap（或interFrameSpacing），以便使整個網路上的其它設備有足夠的時間恢復狀態，所以載波消失后還要等待interFrameGap的時間，當inter-FrameGap結束而且其間一直沒有載波時，數據就可以開始發送了，如果在interFrameGap其間偵聽到載波信號，本地數據重新開始等待過程。

　　4.2 沖突檢測

　?。ㄟm用于半雙工）在數據向物理層傳輸的過程中，網絡上可能會同時出現兩組數據在傳輸，當兩組數據在網路上相遇時，就發生沖突（collision），GMAC檢測到沖突后，判別沖突的類型：

　?。?）normal collision：沖突發生在以太網幀的前512bit內，它又可分為兩類：

　　 ①沖突發生在（Preamble+FSD）之內，則將（Preamble+FSD）傳送完，接著傳送一個32bit的jam數據流，然后開始back off（等待重傳）；

　?、谡就话l生在（Preamble+FSD）之后，則立即停止當前的數據傳送，接著傳送一個32bit的jam數據流，然后開始back off（等待重傳）；

　?。?）late collision：突沖發生在以太網幀的512bit之后，結果沖突發生，則立即停止當前的數據傳送，接著傳送一個32bit的jam數據流，并且將該數據包丟棄，通知上層協議發生late collision（寄存器置位）；

　　* * * *傳送jam數據流是為了保證本地網路的值是任意的，只要求不是有意的使其等于已經傳送數據的CRC。

　　4.3 Slot Time

　　對于半雙工來說，這是一個很重要的概念。因為半雙工模式下工作時會出現沖突，就要求當沖突出現時網路上的每個設備都能檢測到，所以CSMA/CD規定了與物理層緊密聯系的Slot Time。

　　4.4 Interframe Gap(Interframe Spacing)

　　連續兩幀之間的空閑時間，用于設備恢復，以便下一幀數據的接收，長度為96bit時（24個時鐘周期），任何一個以太網幀，則在傳輸前都要等待InterframeGap。InterframeGap分成0.06us和0.036us兩個部分，如果在前面0.06us內檢測到載波，停止等待，直到載波消失再重新開始等待InterframeGap，如果在后面的0.036us內檢測到載波，忽略該載波信號。InterframeGap使網路上的各個設備都有相同的機會獲得網路。

　　4.5 Back off

　　當發生normal collision時，就需要back off，等待數據重傳，back off實際上是一個等待的過程，等待的時間r是0和二進制遞增值之間的隨機數，如果數據幀是第n次重傳（前面n-1次都發生沖突，n≤16），k=min(n,10)，二進制遞增值就是2k，所以隨機數值的范圍為0≤r<2k，當本地數據等待r個Slog Time后，就可以準備重傳數據（需要再等待interFrameGap）。

　　4.6 Pause Frame

　　控制幀的一種（也是目前唯一的控制幀），在全雙工模式下，A、B之間進行通信，當A的數據傳送很快，造成B出現擁塞狀況的時候，B可以向A發送一個Pause Frame，要求A暫停發送數據，A收到暫停幀后，就停止數據發送，暫停的時間有Pause Frame中的字段決定，當暫停時間結束時，A繼續傳送數據。暫停幀是控制幀的一種，所以Length/Type的值為h8808（控制幀類型），操作碼為h0001（表示暫停），16bit的參數決定暫停的時間，單位：Slot Time，范圍：h0000-hffff。在暫停期間，暫停幀仍舊能夠發送和接收，若A處于暫停狀態，又接收到B的一個暫停幀，則A開始等待新的暫停時間，若新的暫停時間為0，則立即恢復以前的狀態繼續發送數據，所以發送一個0時間的暫停幀可以取消對方的暫停狀態。

　　4.7 無效數據幀

　　下面幾種情況的數據幀是無效的：

　　①收到的數據幀的長度和Length/Type（表示長度）的值不相等；

　?、谑盏降臄祿拈L度不是整數個字節，在這種情況下，要進行字節對齊截取成最近的整數個字節；

　　③GMAC根據數據幀產生的CRC校驗碼與數據幀中的FCS不等（一般用Magic Number來檢測）；

　　5 以太網幀的格式

　?、貾reamble：該字段為7個10101010’b，數值沒有實際的意義，只是讓物理層做好接收數據的準備；

　?、赟FD（start framc delimiter）：緊跟著Preamble，固定值10101011'b，表示數據幀開始；

　?、跠A（dest.MAC address）：以太網幀的目的地址，可以是單機地址，也可以使多播、廣播地址；

　?、躍A（source MAC address）：以太網幀的源地址，單機地址，如果GMAC Client給GMAC傳輸的數據幀中SA為空，GMAC必須填充SA；

　?、軱ength/Type：當該值小于1536時表示數據段的長度，當大于等于1536時表示上層協議的類型，此時傳送的以太網幀都是固定長度的（相應于幀類型），一般用于控制等特殊用途；

　?、轌MAC Client Data：上層協議的數據字段；

　?、逷ad：填充字段，當GMAC Client Data的長度小于46b時，由于規定了最小以太網幀長度，所以必須對GMAC Client Data進行填充（padding），使其達到48b，填充的內容任意；

　?、郌CS（frame check sequence）：CRC字段，32 b CRC校驗碼由802.3規定的校驗公式決定，作用范圍是從DA字段到Pad字段（如果有的話）；

　　6 GMAC的接收框圖。

　　7 GMAC發送框圖

　　8 結束語

　　GMAC是構建千兆網所必須的，隨著千兆網的深入研究和廣泛應用，GMAC有著廣闊的前景。但GMAC芯片的設計還是有很多問題有待解決，GMAC和host端的接口問題、GMAC本身的延時控制、FIFO的大小及速度問題等待。

　　參考文獻

　　[1] SIO/IEC 8802-3 Carrier sense multiple access with Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications [J].IEEE Communications Magazine,2000

　　[2] Igor Mohor Ethernet IP Core Opencores.org Feb.18-2002

　　
摘自《電子器件》

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