趣谈收集协议栈以太网根本MAC和PHY_暗记_数据

电脑之间在进行相互通讯时，数据不因此流而因此帧的办法进行传输的。
我们可以把帧看做是一种数据包，在数据包中不仅包含有数据信息，而且还包含有数据的发送地、吸收地信息和数据的校验信息。

一个网卡紧张包括OSI的最下面的两层，物理层和数据链路层

物理层定义了数据传送与吸收所须要的电与光旗子暗记、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备供应标准接口。
物理层的芯片称之为PHY

数据链路层则供应寻址机构、数据帧的构建、数据差错检讨、传送掌握、向网络层供应标准的数据接口等功能。
数据链路层的芯片称之为MAC掌握器

本文针对这两层进行干系的学习，总结全体系统的框架和物理上硬件组成事理，学习数据包的发送和吸收的处理过程。

从硬件的角度来剖析，以太网的电路接口一样平常由CPU、MAC(Media Access Control)掌握器和物理层接口(physical Layer PHY)组成，如下图所示：

对付上述三部分，并不一定都是独立的芯片，紧张有以下几种情形

PHY整合了大量仿照硬件，而MAC是范例的全数字器件，芯片面积及仿照/数字稠浊架构是为什么先将MAC集成进微掌握器而将PHY留在片外的缘故原由。
更灵巧、密度更高的芯片技能已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合

以常用的CPU内部集成MAC，PHY采取独立的芯片方案，虚线内表示CPU和MAC集成在一起，PHY芯片通过MII接口与CPU上的MAC互联。

对付这种方案，其硬件方案比独立的相对付更大略，PHY与MAC之间有以下两个主要的硬件接口

当我们的PHY芯片发送数据，接管到MAC层发送过来的数字旗子暗记，然后转换成仿照旗子暗记，通过MDI接口传输出去。
但是我们的网线传输的间隔又很长，有时候须要送到100米乃至更远的地址，那么就会导致旗子暗记的流失落。
而且外网线与芯片直接相连的话，电磁感应和静电，也很随意马虎导致芯片的破坏，以是就要利用网络变压器，其紧张浸染是

MAC(Media Access Control)，即媒体访问掌握子层协议，该部分有两个观点：MAC可以是一个硬件掌握器以及MAC通讯协议。
该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，紧张是卖力掌握与连接物理层的物理介质。

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2.1.1 MII接口

MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。
它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。
MII接供词给了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技能。
媒体独立表明在不对MAC硬件重新设计或更换的情形下,任何类型的PHY设备都可以正常事情.它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口。
MII接口有MII、RMII、SMII、SSMII、SSSMII、GMII、SGMII、RGMII等。
这里简要先容个中的MII和RGMII。

MII接口紧张包括以下三个部分：

首先来看看MII的MAC层定义接口：

MII 数据接口统共须要 16 个旗子暗记，包括 TX_ER，TXD[3:0]，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD[3:0]，RX_ER，RX_CLK，CRS，RX_DV 等。
MII的时钟为25MHz，传输速率为10/100Mbps。
以是MII的特性如下：

RMII的用场：

RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的旗子暗记线（2数据位），以是它一样平常哀求是50MHz的总线时钟。
RMII一样平常用在多端口的交流机，所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发,这里就节省了不少的端口数目.RMII的一个端口哀求7个数据线,比MII少了一倍,以是交流机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速率.

后来为了支持千兆网口，也就开始有了千兆网的MII接口，也便是GMII接口。
现在比较常用的是RGMII，减小了MAC和PHY之间的引脚数量。
数据旗子暗记和掌握旗子暗记稠浊在一起，并且在事情时钟的上升沿和低落沿同时采样，其对应关系图如下：

SMI是MAC内核访问PHY寄存器接口，它由两根线组成，双工，MDC为时钟，MDIO为双向数据通信，事理上跟I2C总线很类似，也可以通过总线访问多个不同的phy。

MDC/MDIO基本特性：

管理帧格式:

读操作时序

写操作时序

报头： 每个读写均可通过报头字段启动，报头字段对应于MDIO线上32个连续的逻辑“1”位以及MDC的32个周期，该字段用于与PHY设备建立同步起始： 起始由<01>模式定义操作： 定义读写类型PADDR: PHY地址由5位，可构成32个唯一PHY地址RADDR: 寄存器地址有5位

TA:

物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气旗子暗记、线的状态、时钟哀求、数据编码和数据传输用的连接器。
物理层的器件称为PHY。

PHY是物理接口收发器，它实现OSI模型的物理层。
IEEE-802.3标准定义了以太网PHY包括MII/GMII（介质独立接口）子层、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质干系）子层、MDI子层。

发送数据：对付PHY来说，并没有帧的观点，对它来说，不管是地址、数据还是CRC，都会将并行数据转换为串行数据流，在按照物理层的编码规则把数据编码，终极转换成仿照旗子暗记发送出去

吸收数据：从外部吸收数据时，仿照旗子暗记先转成数字旗子暗记，再经由解码得到数据， 经由MII送到MAC

CSMA/CD：可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机韶光后将送数据出去。
如果两个恰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突。
这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的韶光重新发送数据

MDI口是快速以太网100BASE-T定义的与介质有关接口（Media Dependent Interface）。
MDI是指通过收发器发送的100BASE-T旗子暗记，即100BASE-TX、FX、T4或T2旗子暗记。
将集线器连接网络接口卡时，其发送和吸收对常日是相互连接的。
集线器之间连接时，常日须要一条跨接电缆，个中的发送和吸收对是反接的。
MDI是正常的UTP或STP连接，而MDI-X连接器的发送和吸收对是在内部反接的，这就使得不同的设备（如集线器-集线器或集电器-交流机），可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。
”

PHY是IEEE 802.3规定的一个标准模块，SOC可以通过MDIO对PHY进行配置或者读取phy干系状态，PHY内部寄存器必须知足

PHY芯片的寄存器地址空间是5位，一样平常由外部硬件连接决定。

地址空间031共32个寄存器，IEEE定义了015这16个寄存器的功能，16-31这16个寄存器由厂商自行实现。
也便是说不管哪个厂商的PHY芯片，个中0~15这16个寄存器是千篇一律的。

仅靠这 16个寄存器完备可以驱动起PHY芯片，至少能担保基本的网络数据通信。
因此 Linux 内核有通用 PHY 驱动，按道理来讲，不管你利用的是哪个厂家的 PHY 芯片，都可以利用 Linux 的这个通用 PHY 驱动来验证网络事情是否正常。
事实上在实际开拓中可能会碰着一些其他的问题导致 Linux 内核的通用 PHY 驱动事情不正常，这个时候就须要驱动开拓职员去调试了。

随着现在PHY芯片性能越来越强大，32个寄存器已经无法知足厂商的需求，因此很多厂商采取了分页机制来开展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。
这些多出来的几次器可以实现厂商特有的一些技能，因此在Linux内核里面可以看到很多详细的PHY芯片驱动源码。

MAC 便是以太网掌握器，属于OSI的数字链路层。
phy 属于OSI的物理层(Physical layer)，以是叫phy。

MAC紧张处理的数字旗子暗记：

PHY卖力把MAC的数字旗子暗记进行编码，串行化等操作后，转化为仿照旗子暗记进行发送。
PHY在数据接管时， 进行如上所述的逆操作，将仿照旗子暗记转化为数字旗子暗记，解码，并行化后，传给MAC。

根本以太网物理层非常大略：它是一种物理层收发器（发射器和吸收器），能将一个设备物理地连接到另一个设备。
这种物理连接可以是铜线（例如CAT5电缆——一种家庭利用的蓝色插线电缆）或光纤电缆。