趣谈网络协议栈，以太网基础MAC和PHY

互推小编 2023-06-03

网卡(Network Interface Card，简称NIC)，也称网络适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。无论是普通电脑还是高端服务器，只要连接到局域网，就都需要安装一块网卡。如果有必要，一台电脑也可以同时安装两块或多块网卡。

电脑之间在进行相互通讯时，数据不是以流而是以帧的方式进行传输的。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、接收地信息和数据的校验信息。

一个网卡主要包括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接收所需要的电与光信号、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提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY

数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。数据链路层的芯片称之为MAC控制器

本文针对这两层进行相关的学习，总结整个系统的框架和物理上硬件组成原理，学习数据包的发送和接收的处理过程。

一，系统概述

从硬件的角度来分析，以太网的电路接口一般由CPU、MAC(Media Access Control)控制器和物理层接口(physical Layer PHY)组成，如下图所示：

对于上述三部分，并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况

CPU内部集成了MAC和PHY，难度较高
CPU内部集成MAC,PHY采用独立芯片(主流方案)
CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片(高端采用)

PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件，芯片面积及模拟/数字混合架构是为什么先将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的原因。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合

以常用的CPU内部集成MAC，PHY采用独立的芯片方案，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。

对于这种方案，其硬件方案比独立的相对于更简单，PHY与MAC之间有以下两个重要的硬件接口

MDIO总线接口，主要是完成CPU对于PHY芯片的寄存器配置
MII总线接口，主要是完成数据收发相关的业务

当我们的PHY芯片发送数据，接受到MAC层发送过来的数字信号，然后转换成模拟信号，通过MDI接口传输出去。但是我们的网线传输的距离又很长，有时候需要送到100米甚至更远的地址，那么就会导致信号的流失。而且外网线与芯片直接相连的话，电磁感应和静电，也很容易导致芯片的损坏，所以就要使用网络变压器，其主要作用是

传输数据,它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端
隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平,以防止不同电压通过网线传输损坏设备
还能使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用，保护PHY免遭由于电气失误而引起的损坏（如雷击）

二，MAC控制器

MAC(Media Access Control)，即媒体访问控制子层协议，该部分有两个概念：MAC可以是一个硬件控制器以及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，主要是负责控制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接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术。媒体独立表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下,任何类型的PHY设备都可以正常工作.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。这里简要介绍其中的MII和RGMII。

MII接口主要包括以下三个部分：

从MAC层到PHY层的发送数据接口
从PHY层到MAC层的接收数据接口
从MAC层和PHY层之间寄存器控制和信息获取的MDIO接口

首先来看看MII的MAC层定义接口：

MII 数据接口总共需要 16 个信号，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。所以MII的特性如下：

支持10Mb/s和100Mb/s的数据速率
100M工作模式下，参考时钟是25MHz；10M工作模式下，信号参考时钟是2.5MHz
支持全双工、半双工两种工作模式
发送和接收数据时采用,4bit方式

RMII的用途：

RMII是简化的MII接口，在数据的收发上它比MII接口少了一倍的信号线（2数据位），所以它一般要求是50MHz的总线时钟。RMII一般用在多端口的交换机，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的一个端口要求7个数据线,比MII少了一倍,所以交换机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速度.

后来为了支持千兆网口，也就开始有了千兆网的MII接口，也就是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。数据信号和控制信号混合在一起，并且在工作时钟的上升沿和下降沿同时采样，其对应关系图如下：

10M带宽对应的是2.5MHz，因为4bit*2.5M=10Mbps
100M带宽对应的是25MHz，因为4bit*25M=100Mbps
1000M带宽对应的是125MHz，因为250MHz频率太高，所以采用双边沿采样技术（会带来设计复杂度）。4bit125M2=1000Mbps

2.1.2 SMI接口

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，原理上跟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：

两线制：MDC（时钟线）和MDIO（数据线）。
时钟频率：2.5MHz
通信方式：总线制，可同时接入的PHY数量为32个
通过SMI接口，MAC芯片主动的轮询PHY层芯片，获得状态信息，并发出命令信息。

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:

数据：数据字段为16位
空间: MDIO线驱动为高阻态，三态驱动器必须禁止，PHY的上拉电阻使线路保持高阻态

3.PHY

物理层位于OSI最底层，物理层协议定义电气信号、线的状态、时钟要求、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（物理介质相关）子层、MDI子层。

3.1 什么是PHY

发送数据：对于PHY来说，并没有帧的概念，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，最终转换成模拟信号发送出去

接收数据：从外部接收数据时，模拟信号先转成数字信号，再经过解码得到数据，经过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，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两个碰巧同时送出了数据，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时间重新发送数据

3.2 MDI

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信号，即100BASE-TX、FX、T4或T2信号。将集线器连接网络接口卡时，其发送和接收对通常是相互连接的。集线器之间连接时，通常需要一条跨接电缆，其中的发送和接收对是反接的。MDI是正常的UTP或STP连接，而MDI-X连接器的发送和接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-交换机），可以利用常规的UTP或STP电缆实现背靠背的级联。”

3.3 PHY基础知识简介

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相关状态，PHY内部寄存器必须满足

PHY芯片的寄存器地址空间是5位，一般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。也就是说不管哪个厂商的PHY芯片，其中0~15这16个寄存器是一模一样的。

仅靠这 16个寄存器完全可以驱动起PHY芯片，至少能保证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，不管你使用的是哪个厂家的 PHY 芯片，都可以使用 Linux 的这个通用 PHY 驱动来验证网络工作是否正常。事实上在实际开发中可能会遇到一些其他的问题导致 Linux 内核的通用 PHY 驱动工作不正常，这个时候就需要驱动开发人员去调试了。

随着现在PHY芯片性能越来越强大，32个寄存器已经无法满足厂商的需求，因此很多厂商采用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术，因此在Linux内核里面可以看到很多具体的PHY芯片驱动源码。