摘要：本文介紹了自協(xié)商的基本原理和工作模式，以及自協(xié)商相關(guān)細(xì)節(jié)介紹。

縮略語(yǔ)：

FLP：快速連接脈沖

NLP：普通連接脈沖

CSMA/CD：載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)

PCS：物理編碼子層

OSI ：開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型

關(guān)鍵詞：

自協(xié)商，F(xiàn)LP，NLP，CSMA/CD，PCS，全雙工，半雙工，并行檢測(cè)

1.概述

1.1 產(chǎn)生背景

    最早的以太網(wǎng)都是10M 半雙工的，所以需要CSMA/CD 等一系列機(jī)制保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了全雙工，接著又出現(xiàn)了100M，以太網(wǎng)的性能大大改善。但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是：如何保證原有以太網(wǎng)絡(luò)和新以太網(wǎng)的兼容？

    于是，提出了自動(dòng)協(xié)商技術(shù)來(lái)解決這種矛盾。自動(dòng)協(xié)商的主要功能就是使物理鏈路兩端的設(shè)備通過(guò)交互信息自動(dòng)選擇同樣的工作參數(shù)。自動(dòng)協(xié)商的內(nèi)容主要包括雙工模式、運(yùn)行速率以及流控等參數(shù)。一旦協(xié)商通過(guò)，鏈路兩端的設(shè)備就鎖定在同樣的雙工模式和運(yùn)行速率。

1.2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

    自協(xié)商功能允許一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)⒆约核С值墓ぷ髂Ｊ叫畔鬟_(dá)給網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)端，并接受對(duì)方可能傳遞過(guò)來(lái)的相應(yīng)信息，從而解決雙工和10M/100M 速率自協(xié)商問(wèn)題。自協(xié)商功能完全由物理層芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，因此并不使用專用數(shù)據(jù)包或帶來(lái)任何高層協(xié)議開(kāi)銷。

2.自協(xié)商介紹

2.1 概念及原理

    802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的第28條是這樣定義自動(dòng)協(xié)商功能的：它允許一個(gè)設(shè)備向鏈路遠(yuǎn)端的設(shè)備通告自己所運(yùn)行的工作方式，并且偵測(cè)遠(yuǎn)端通告的相應(yīng)的運(yùn)行方式。自動(dòng)協(xié)商的目的是給共享一條鏈路的兩臺(tái)設(shè)備提供一種交換信息的方法，并自動(dòng)配置它們工作在最優(yōu)能力下。

    照字面上來(lái)講，自動(dòng)協(xié)商就是一種在兩臺(tái)設(shè)備間達(dá)到可能的最大傳輸速率的方式。它允許設(shè)備用一種方式“討論”可能的傳輸速率，然后選擇雙方可接受的最佳速率。它們使用叫做快速鏈路脈沖的FLP 交換各自傳輸能力的通告。FLP 可以讓對(duì)端知道源端的傳輸能力是怎樣的。當(dāng)交換FLP 時(shí)，兩個(gè)站點(diǎn)根據(jù)以下從高到低的優(yōu)先級(jí)偵測(cè)雙方共有的最佳方式。

• 1000M 全雙工 注：左邊從上到下優(yōu)先級(jí)依次遞減

• 1000M 半雙工

• 100M 全雙工

• 100M 半雙工

• 10M 全雙工

• 10M 半雙工

    自協(xié)商功能的基本機(jī)制是：每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在上電、管理命令發(fā)出、或是用戶干預(yù)時(shí)發(fā)出FLP（快速連接脈沖），協(xié)商信息封裝在這些FLP 序列中。FLP 中包含有時(shí)鐘/數(shù)字序列，將這些數(shù)據(jù)從中提取出來(lái)就可以得到對(duì)端設(shè)備支持的工作模式，以及一些用于協(xié)商握手機(jī)制的其他信息。

    當(dāng)一個(gè)設(shè)備不能對(duì)FLP 作出有效反應(yīng)，而僅返回一個(gè)NLP（普通連接脈沖）時(shí)，它被作為一個(gè)10BASE-T 兼容設(shè)備。快速鏈路脈沖FLP 和普通鏈路脈沖NLP 都僅使用于非屏蔽雙絞線上，而不能應(yīng)用在光纖媒體。

    電口和光口自協(xié)商主要區(qū)別是在OSI 中它們所處的位置不同。對(duì)于電口來(lái)說(shuō),協(xié)商發(fā)生在鏈路信號(hào)傳輸之前；對(duì)于光口來(lái)說(shuō)，自協(xié)商機(jī)制與PCS（物理編碼子層）在同一層，這意味著光口的協(xié)商必須先建立鏈路同步以后才可以進(jìn)行協(xié)商。

2.2 相關(guān)術(shù)語(yǔ)

2.2.1 全雙工和半雙工概念

    全雙工是在微處理器與外圍設(shè)備之間采用發(fā)送線和接受線各自獨(dú)立的方法，可以使數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行傳送操作。指在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進(jìn)行，這好像我們平時(shí)打電話一樣，說(shuō)話的同時(shí)也能夠聽(tīng)到對(duì)方的聲音。

    所謂半雙工就是指一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)動(dòng)作發(fā)生，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，一條窄窄的馬路，同時(shí)只能有一輛車通過(guò)，當(dāng)有兩輛車對(duì)開(kāi)，這種情況下就只能一輛先過(guò)，等到頭后另一輛再開(kāi)，這個(gè)例子就形象的說(shuō)明了半雙工的原理。早期的對(duì)講機(jī)、以及早期集線器等設(shè)備都是基于半雙工的產(chǎn)品。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在制造的網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器都支持全雙工模式。半雙工的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已經(jīng)逐漸退出歷史舞臺(tái)。

2.2.2 全雙工和半雙工以太網(wǎng)的特點(diǎn)

     1.半雙工以太網(wǎng)

    ①任意時(shí)刻只能接收數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)

    ②采用CSMA/CD 訪問(wèn)機(jī)制

    ③有最大傳輸距離的限制

     2.全雙工以太網(wǎng)

    ①同一時(shí)刻可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)

    ②傳輸數(shù)據(jù)幀的效率大大提高，最大吞吐量達(dá)到雙倍速率

    ③全雙工從根本上解決了以太網(wǎng)的沖突問(wèn)題，以太網(wǎng)從此告別CSMA/CD

    ④消除了半雙工的物理距離限制

2.2.3 協(xié)商脈沖FLP

    自協(xié)商是通過(guò)一種叫做快速連接脈沖（Fast Link Pulse）的信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，簡(jiǎn)稱FLP。自協(xié)商的雙方通過(guò)FLP 來(lái)交換數(shù)據(jù)。FLP 的編碼方式如下圖

（1）FLP脈沖波形

（2）FLP編碼方式

    在具備自協(xié)商能力的端口沒(méi)有Link 的情況下，端口一直發(fā)送FLP，在FLP 中包含著自己的連接能力信息，包括支持的速率能力、雙工能力、流控能力等。這個(gè)連接能力是從自協(xié)商能力寄存器中得到的（PHY 標(biāo)準(zhǔn)寄存器地址4），依靠脈沖位置編碼攜帶數(shù)據(jù)。

    一個(gè)FLP 突發(fā)包含33 個(gè)脈沖位置。17 個(gè)奇數(shù)位置脈沖為時(shí)鐘脈沖，時(shí)鐘脈沖總是存在的；

    16 個(gè)偶數(shù)位置脈沖用來(lái)表示數(shù)據(jù)：此位置有脈沖表示1，此位置沒(méi)有脈沖表示0。這樣1 個(gè)FLP的突發(fā)就可以傳輸16bit 的數(shù)據(jù)。自協(xié)商交互數(shù)據(jù)就這樣通過(guò)物理線路被傳輸。

    如果兩端都支持自協(xié)商，則都會(huì)接收到對(duì)方的FLP，并且把FLP中的信息解碼出來(lái)。得到對(duì)方的連接能力。并且把對(duì)端的自協(xié)商能力值記錄在自協(xié)商對(duì)端能力寄存器中（Auto-Negotiation Link Partner Ability Register ， PHY 標(biāo)準(zhǔn)寄存器地址5 ）。同時(shí)把狀態(tài)寄存器（PHY 標(biāo)準(zhǔn)寄存器地址1）的自協(xié)商完成bit（bit5）置成1。在自協(xié)商未完成的情況下，這個(gè)bit一直為0。

    然后各自根據(jù)自己和對(duì)方的最大連接能力，選擇最好的連接方式。比如，如果雙方都即支持10M 也支持100M，則速率按照100M連接；雙方都即支持全雙工也支持半雙工，則按照全雙工連接。一旦連接建立后，F(xiàn)LP就停止發(fā)送。直到鏈路中斷，或者得到自協(xié)商Restart命令時(shí)，才會(huì)再次發(fā)送FLP。

2.2.4 并行檢測(cè)

    為了保證在對(duì)端不能支持自協(xié)商的情況下也能連接，引入了被稱為并行檢測(cè)（Parallel Detection）的機(jī)制。在一端打開(kāi)自協(xié)商，另一端關(guān)閉自協(xié)商的情況下，連接的建立就依靠并行檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)。

    并行檢測(cè)機(jī)制是這樣的：在具有自協(xié)商能力的設(shè)備端口上，如果接收不到FLP，則檢測(cè)是否有10M鏈路的特征信號(hào)或100M鏈路的特征信號(hào)。

    如果設(shè)備是10M設(shè)備，不支持自協(xié)商，則在鏈路上發(fā)送普通連接脈沖（Normal Link Pulse）簡(jiǎn)稱NLP。NLP僅僅表示設(shè)備在位，不包含其它的額外信息。NLP脈沖如圖：

    如果是 100M 設(shè)備，不支持自協(xié)商，則在沒(méi)有數(shù)據(jù)的情況下，在鏈路上一直發(fā)送4B/5B編碼的Idle符號(hào)。

    并行檢測(cè)機(jī)制如果檢測(cè)到NLP，則知道對(duì)方支持10M速率；如果檢測(cè)到4B/5B編碼的Idle符號(hào)，則知道對(duì)方支持100M 速率。但是對(duì)方是否支持全雙工、是否支持流控幀這些信息是無(wú)法得到的。因此在這種情況下，認(rèn)為對(duì)方只支持半雙工，不支持全雙工，且不支持流控幀。

    基于以上原理，在對(duì)端不打開(kāi)自協(xié)商時(shí)，打開(kāi)自協(xié)商的一方只能協(xié)商成半雙工模式。

    802.3 協(xié)議規(guī)定，通過(guò)并行檢測(cè)建立連接后，PHY 的狀態(tài)寄存器（PHY標(biāo)準(zhǔn)寄存器地址1）的自協(xié)商完成bit（bit5）依然要置位成1，盡管鏈路上并非使用了真正的自協(xié)商操作。同時(shí)規(guī)定在自協(xié)商完成bit 為1 的情況下，本地自協(xié)商能力寄存器（PHY 標(biāo)準(zhǔn)寄存器地址4）和對(duì)端自協(xié)商能力寄存器（PHY 標(biāo)準(zhǔn)寄存器地址5）是有意義的。所以，要把寄存器5 中的數(shù)據(jù)更新。如果建立的連接為10M，則寄存器5 的10M能力bit（bit5）置1，其它bit置0，表示對(duì)端只能支持10M半雙工；如果建立的連接為100M，則寄存器5 的100M能力bit（bit7）置1，其它bit置0，表示對(duì)端只能支持100M半雙工。

2.3 以太網(wǎng)電口自協(xié)商

    1．以太網(wǎng)口的兩端工作模式（10M半雙工、10M全雙工、100M半雙工、100M全雙工、自協(xié)商）必須設(shè)置一致。

    2.如果一端是固定模式(無(wú)論是10M、100M)，另外一端是自協(xié)商模式，即便能夠協(xié)商成功，自協(xié)商的那一端也將只能工作在半雙工模式。

    3.如果一端工作在全雙工模式，另外一端工作在半雙工模式(包括自協(xié)商出來(lái)的半雙工，也一樣處理)，Ping是沒(méi)有問(wèn)題的，流量小的時(shí)候也沒(méi)有任何問(wèn)題，流量達(dá)到約15%以上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)沖突、錯(cuò)包，最終影響了工作性能！

    4.對(duì)于兩端工作模式都是自協(xié)商，最后協(xié)商成的結(jié)果是“兩端都支持的工作模式中優(yōu)先級(jí)最高的那一類”。

    5. 如果A端自協(xié)商，B端設(shè)置為100M全雙工，A協(xié)商為100M半雙工后，再?gòu)?qiáng)制將B改為10M全雙工，A端也會(huì)馬上向下協(xié)商到10M半雙工；如果A端自協(xié)商，B端設(shè)置為10M全雙工，A協(xié)商為10M半雙工后，再?gòu)?qiáng)制將B改為100M全雙工，會(huì)出現(xiàn)協(xié)商不成功，連接不上！這個(gè)時(shí)候，如果插拔一下網(wǎng)線，又會(huì)重新協(xié)商在100M半雙工。

2.4 千兆光口自協(xié)商

    千兆光口可以工作在強(qiáng)制和自協(xié)商兩種模式。802.3規(guī)范中千兆光口只支持1000M速率，支持全雙工（Full）和半雙工（Half）兩種雙工模式。

    自協(xié)商和強(qiáng)制最根本的區(qū)別就是兩者再建立物理鏈路時(shí)發(fā)送的碼流不同，自協(xié)商模式發(fā)送的是/C/碼，也就是配置（Configuration）碼流，而強(qiáng)制模式發(fā)送的是/I/碼，也就是idle碼流。

    千兆光口自協(xié)商過(guò)程:

    1.兩端都設(shè)置為自協(xié)商模式

    雙方互相發(fā)送/C/碼流，如果連續(xù)接收到3個(gè)相同的/C/碼且接收到的碼流和本端工作方式相匹配，則返回給對(duì)方一個(gè)帶有Ack應(yīng)答的/C/碼，對(duì)端接收到Ack信息后，認(rèn)為兩者可以互通，設(shè)置端口為UP狀態(tài)

    2.一端設(shè)置為自協(xié)商，一端設(shè)置為強(qiáng)制

    自協(xié)商端發(fā)送/C/碼流，強(qiáng)制端發(fā)送/I/碼流，強(qiáng)制端無(wú)法給對(duì)端提供本端的協(xié)商信息，也無(wú)法給對(duì)端返回Ack應(yīng)答，故自協(xié)商端DOWN。但是強(qiáng)制端本身可以識(shí)別/C/碼，認(rèn)為對(duì)端是與自己相匹配的端口，所以直接設(shè)置本端端口為UP狀態(tài)

    3.兩端均設(shè)置為強(qiáng)制模式

    雙方互相發(fā)送/I/碼流，一端接收到/I/碼流后，認(rèn)為對(duì)端是與自己相匹配的端口，直接設(shè)置本端端口為UP狀態(tài)

2.5 自協(xié)商注意事項(xiàng)

    有關(guān)自動(dòng)協(xié)商的大多數(shù)問(wèn)題是由于有一方?jīng)]有工作在自動(dòng)協(xié)商方式。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)工作在自動(dòng)協(xié)商方式而另一方?jīng)]有時(shí)，只有一方發(fā)送快速鏈路脈沖。另一方已經(jīng)設(shè)定在特定的速率和雙工方式下，這樣就不會(huì)跟對(duì)端進(jìn)行協(xié)商。他已經(jīng)被強(qiáng)行設(shè)定，就不會(huì)再考慮他連接端的工作方式。

    由于強(qiáng)行設(shè)定的站點(diǎn)不會(huì)告訴正在協(xié)商的站點(diǎn)自己的速率和單雙工方式，自動(dòng)協(xié)商的站點(diǎn)就必須自己決定合適的速率和單雙工方式來(lái)匹配對(duì)端，這叫做并行檢測(cè)。協(xié)商站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)從對(duì)端過(guò)來(lái)的鏈路脈沖能夠辨別通信速率。10，100和1000Mbs以太網(wǎng)使用不同的信號(hào)方式，所以協(xié)商站點(diǎn)能識(shí)別對(duì)端的工作速率。

    然而，全半雙工又是另外一回事了。因?yàn)閺?qiáng)行設(shè)定的站點(diǎn)不進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商站點(diǎn)沒(méi)有方法知道強(qiáng)行設(shè)定站點(diǎn)工作在哪種雙工方式下。協(xié)商站點(diǎn)為了避免全半雙工不匹配，根據(jù)802.3標(biāo)準(zhǔn)，它必需與強(qiáng)行設(shè)定的站點(diǎn)使用相同的速率，但是它工作在半雙工方式下。

    不管速率如何（除了10Giga），半雙工是以太網(wǎng)的默認(rèn)方式。在許多情況下，這會(huì)產(chǎn)生全半雙工不匹配問(wèn)題。

    如上面幾幅圖，為了兩端都達(dá)到全雙工方式，要么兩端都自動(dòng)協(xié)商，要么兩端都強(qiáng)行設(shè)定。務(wù)必不要一端自動(dòng)協(xié)商，另一端強(qiáng)行設(shè)定。這會(huì)導(dǎo)致雙工不匹配。建議把兩端設(shè)置留在自動(dòng)協(xié)商以減少人為錯(cuò)誤。

3.參考文獻(xiàn)

IEEE802.3ab

IEEE 802.3u

IEEE 802.3z

OSI