以太网自协商机制—双绞线自协商案例（四）

10M/100M/1000M自协商基理

10M/100M/1000M自协商，主要协商的内容为“速度双工”、“流控”和“主从”三大类，下面先介绍10M/100M/1000M自协商的BasePage和NextPage的bits分配，然后就这三大类内容进行阐述。

10M/100M/1000M自协商交互方式

1000BASE-T PHY（无EEE能力时）按顺寻地不间断地交换一个自动协商基本页、一个1000BASE-T格式的下一页，和两个1000BASE-T未格式化的下一页；1000BASE-T PHY（有EEE能力时）按顺寻地不间断地交换一个自动协商基本页、一个1000BASE-T格式的下一页，两个1000BASE-T未格式化的下一页，一个1000BASE-T格式的下一页，和一个1000BASE-T未格式化的下一页；

1000BASE-T BasePage和NextPage编码格式分别如下图：

速度双工协商

速度双工协商主要靠设置“本地广告能力寄存器Auto-NegotiationAdvertisement Register Register 4”的bit9:5和“本地控制寄存器1000BASE-T Control Register Page 0, Register 9”的bit9:8实现的。下面为描述问题方便，把Reg 9.bit9:8＋Reg 4.bit9:5合并为T[11:5].本端和远端选择彼此都有的能力（T[11:5]中的置1的相关bit）中优先级高的那种能力作为本端PHY和远端PHY的实际工作的速度双工状态。

PHY能力优先级由高到低排序如下：

1000BASE-Tfull duplex

1000BASE-T half duplex[没有芯片支持]

100BASE-T2 full duplex[已淘汰]

100BASE-TX full duplex

100BASE-T2[已淘汰]

100BASE-T4[已淘汰]

100BASE-TX half duplex

10BASE-T full duplex

10BASE-T half duplex

下面分为“本端远端均为千兆PHY”和“一端为千兆PHY，另一端均为百兆PHY”两种情况讨论。

“本端远端均为千兆PHY”：

例子1：本端PHY的T[11:5]=2b1001111；双绞线另一侧的远端PHY的T[11:5]=2b0000101。此时他俩的彼此能力的交集为PHY的T[11:5]=2b0000101,即双绞线链路双方都支持的PHY能力为T[5]=1(10BASE-T half duplex)和T[7]=1（100BASE-TX half duplex），并且因为优先级顺序为100BASE-TX half duplex>10BASE-T half duplex，故此时本端和远端速度双工自协商的结果为“100BASE-TX half duplex”；

例子2：本端PHY的T[11:5]=2b1001111；双绞线另一侧的远端PHY的T[11:5]=2b1001010。此时他俩的彼此能力的交集为PHY的T[11:5]=2b1001010,即双绞线链路双方都支持的PHY能力为T[6]=1(10BASE-T full duplex)、 T[8]=1（100BASE-TX full duplex）和T[11]=1(1000BASE-T full duplex)，并且因为优先级顺序为1000BASE-Tfull duplex >100BASE-TX full duplex>10BASE-T full duplex，故此时本端和远端速度双工自协商的结果为“1000BASE-T full duplex”;

例子3：本端PHY的T[11:5]=2b1000000；双绞线另一侧的远端PHY的T[11:5]=2b0001111。此时他俩的彼此能力的交集为PHY的T[11:5]=2b0000000,即双绞线链路双方没有PHY能力交集，故此时本端和远端永远无法建立正确链接。

写到这里，可能有小伙伴感觉到疑惑，既然88e1111 PHY的“本地控制寄存器1000BASE-T Control Register Page 0, Register 9”的bit8（1000BASE-T half duplex）可设置为1，为什么说芯片均不支持1000BASE-T half duplex呢？笔者曾经实践多款不同厂家的PHY（broadcom,marvell,vitesse,realtek,micrel等），发现即使本端和远端的该能力bit均置1，但是实测效果是1000BASE-Thalf duplex模式实际并未生效，为避免产生不必要的混淆，建议驱动工程师将此bit永远初始化0。其实芯片厂家普遍选择不实现1000BASE-T half duplex是合乎情理的。我们知道以太网PHY半双工的技术需求主要是20年前，因为当年LAN主要是基于集线器组网（集线器基于总线广播模式而非地址表交换模式），并且当年的计算机的CPU能力普遍孱弱，硬件无环境无法支持全双工的应用。

而在进入1000BASE-T时代（大概是2007年）后，集线器已经被性能优越的交换机（基于SRAM地址表架构的交换机天生支持全双工能力）完全取代，同时计算机的CPU的处理性能极大飞跃，故此时此刻半双工的需求不复存在。所有厂家就没有花额外的成本去支持1000BASE-T half duplex必要。（还有另外一个原因，理论上如果支持基于CSMA/CD的1000BASE-T半双工200米的冲突域的需求，以太网的最小帧长要从64Byte提高到512Byte,这样的变动的历史代价太大）。

“一端为千兆PHY，另一端均为百兆PHY”：

千兆PHY通过“LinkPartner Ability Register - Base Page, Copper Page 0, Register 5”的bit15获知双绞线的另一端为百兆PHY（bit15 NextPage=0），故千兆PHY也只支持BasePage发送（此时NextPage永远不对外发送）。那当前的情况就完全等同于10M/100M自协商了，该部分在“10M/100M自协商基理”章节已阐述过，故这里就不再赘述了。

流控协商

流控主要靠设置“本地广告能力寄存器Auto-Negotiation Advertisement Register Register 4”的bit11:10实现的。软件通过本端和远端的bit11:10的各种组合进行对本端MAC的tx和rx方向的802.3流控进行设置，具体规则如下表：

“MAC-PCS控制寄存器”需要软件根据“PHY-AN广告寄存器”和“PHY-AN LP广告状态寄存器”的内容进行动态更新配置，交换芯片硬件并不会自动联动。 流控设置之所以有上表的规则要求，是需要保证双绞线链路双方的流控状态匹配(双方都“tx 使能rx使能”，双方都“tx关闭rx关闭”和一方“tx关闭rx使能”另一方“tx使能rx关闭”)。如果出现双绞线链路双方流控失配，在链路拥塞时不但不能享受流控的优点，反而会引起链路中出现大量Pause流控帧使已经拥塞的链路更加拥塞。

主从协商

在1000BASE-T模式中，链路的两端执行环路定时（loop timing）。链接的一端协商配置为主设备，另一个协商配置为从设备。主设备发送和接收时钟锁定在本地晶振输入。从设备发送和接收时钟被锁定到传入的接收数据流。环路定时（loop timing）通过确保发射机和接收机在链路的每一端都以相同的频率工作。

主从协商主要靠设置 “本地控制寄存器1000BASE-T ControlRegister Page 0, Register 9”的bit12:10实现的。具体规则如下表：

网络管理员因避免出现上述表格的最后两种情况，一旦出现此情况10M/100M/1000M自协商将永远无法完成，故此时本端和远端永远无法建立正确链接。 好的小伙伴们，这期10M/100M/1000M自协商就讲完啦，下一课会开始“10M/100M/1000M/2.5G/5G/10G/25G/40G自协商”相关内容。

审核编辑：刘清