以太網自協商機制—雙絞線自協商案例（四）

10M/100M/1000M自協商基理

10M/100M/1000M自協商，主要協商的內容為“速度雙工”、“流控”和“主從”三大類，下面先介紹10M/100M/1000M自協商的BasePage和NextPage的bits分配，然后就這三大類內容進行闡述。

10M/100M/1000M自協商交互方式

1000BASE-T PHY（無EEE能力時）按順尋地不間斷地交換一個自動協商基本頁、一個1000BASE-T格式的下一頁，和兩個1000BASE-T未格式化的下一頁；1000BASE-T PHY（有EEE能力時）按順尋地不間斷地交換一個自動協商基本頁、一個1000BASE-T格式的下一頁，兩個1000BASE-T未格式化的下一頁，一個1000BASE-T格式的下一頁，和一個1000BASE-T未格式化的下一頁；

1000BASE-T BasePage和NextPage編碼格式分別如下圖：

速度雙工協商

速度雙工協商主要靠設置“本地廣告能力寄存器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實現的。下面為描述問題方便，把Reg 9.bit9:8＋Reg 4.bit9:5合并為T[11:5].本端和遠端選擇彼此都有的能力（T[11:5]中的置1的相關bit）中優先級高的那種能力作為本端PHY和遠端PHY的實際工作的速度雙工狀態。

PHY能力優先級由高到低排序如下：

1000BASE-Tfull duplex

1000BASE-T half duplex[沒有芯片支持]

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

下面分為“本端遠端均為千兆PHY”和“一端為千兆PHY，另一端均為百兆PHY”兩種情況討論。

“本端遠端均為千兆PHY”：

例子1：本端PHY的T[11:5]=2b1001111；雙絞線另一側的遠端PHY的T[11:5]=2b0000101。此時他倆的彼此能力的交集為PHY的T[11:5]=2b0000101,即雙絞線鏈路雙方都支持的PHY能力為T[5]=1(10BASE-T half duplex)和T[7]=1（100BASE-TX half duplex），并且因為優先級順序為100BASE-TX half duplex>10BASE-T half duplex，故此時本端和遠端速度雙工自協商的結果為“100BASE-TX half duplex”；

例子2：本端PHY的T[11:5]=2b1001111；雙絞線另一側的遠端PHY的T[11:5]=2b1001010。此時他倆的彼此能力的交集為PHY的T[11:5]=2b1001010,即雙絞線鏈路雙方都支持的PHY能力為T[6]=1(10BASE-T full duplex)、 T[8]=1（100BASE-TX full duplex）和T[11]=1(1000BASE-T full duplex)，并且因為優先級順序為1000BASE-Tfull duplex >100BASE-TX full duplex>10BASE-T full duplex，故此時本端和遠端速度雙工自協商的結果為“1000BASE-T full duplex”;

例子3：本端PHY的T[11:5]=2b1000000；雙絞線另一側的遠端PHY的T[11:5]=2b0001111。此時他倆的彼此能力的交集為PHY的T[11:5]=2b0000000,即雙絞線鏈路雙方沒有PHY能力交集，故此時本端和遠端永遠無法建立正確鏈接。

寫到這里，可能有小伙伴感覺到疑惑，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）可設置為1，為什么說芯片均不支持1000BASE-T half duplex呢？筆者曾經實踐多款不同廠家的PHY（broadcom,marvell,vitesse,realtek,micrel等），發現即使本端和遠端的該能力bit均置1，但是實測效果是1000BASE-Thalf duplex模式實際并未生效，為避免產生不必要的混淆，建議驅動工程師將此bit永遠初始化0。其實芯片廠家普遍選擇不實現1000BASE-T half duplex是合乎情理的。我們知道以太網PHY半雙工的技術需求主要是20年前，因為當年LAN主要是基于集線器組網（集線器基于總線廣播模式而非地址表交換模式），并且當年的計算機的CPU能力普遍孱弱，硬件無環境無法支持全雙工的應用。

而在進入1000BASE-T時代（大概是2007年）后，集線器已經被性能優越的交換機（基于SRAM地址表架構的交換機天生支持全雙工能力）完全取代，同時計算機的CPU的處理性能極大飛躍，故此時此刻半雙工的需求不復存在。所有廠家就沒有花額外的成本去支持1000BASE-T half duplex必要。（還有另外一個原因，理論上如果支持基于CSMA/CD的1000BASE-T半雙工200米的沖突域的需求，以太網的最小幀長要從64Byte提高到512Byte,這樣的變動的歷史代價太大）。

“一端為千兆PHY，另一端均為百兆PHY”：

千兆PHY通過“LinkPartner Ability Register - Base Page, Copper Page 0, Register 5”的bit15獲知雙絞線的另一端為百兆PHY（bit15 NextPage=0），故千兆PHY也只支持BasePage發送（此時NextPage永遠不對外發送）。那當前的情況就完全等同于10M/100M自協商了，該部分在“10M/100M自協商基理”章節已闡述過，故這里就不再贅述了。

流控協商

流控主要靠設置“本地廣告能力寄存器Auto-Negotiation Advertisement Register Register 4”的bit11:10實現的。軟件通過本端和遠端的bit11:10的各種組合進行對本端MAC的tx和rx方向的802.3流控進行設置，具體規則如下表：

“MAC-PCS控制寄存器”需要軟件根據“PHY-AN廣告寄存器”和“PHY-AN LP廣告狀態寄存器”的內容進行動態更新配置，交換芯片硬件并不會自動聯動。 流控設置之所以有上表的規則要求，是需要保證雙絞線鏈路雙方的流控狀態匹配(雙方都“tx 使能rx使能”，雙方都“tx關閉rx關閉”和一方“tx關閉rx使能”另一方“tx使能rx關閉”)。如果出現雙絞線鏈路雙方流控失配，在鏈路擁塞時不但不能享受流控的優點，反而會引起鏈路中出現大量Pause流控幀使已經擁塞的鏈路更加擁塞。

主從協商

在1000BASE-T模式中，鏈路的兩端執行環路定時（loop timing）。鏈接的一端協商配置為主設備，另一個協商配置為從設備。主設備發送和接收時鐘鎖定在本地晶振輸入。從設備發送和接收時鐘被鎖定到傳入的接收數據流。環路定時（loop timing）通過確保發射機和接收機在鏈路的每一端都以相同的頻率工作。

主從協商主要靠設置 “本地控制寄存器1000BASE-T ControlRegister Page 0, Register 9”的bit12:10實現的。具體規則如下表：

網絡管理員因避免出現上述表格的最后兩種情況，一旦出現此情況10M/100M/1000M自協商將永遠無法完成，故此時本端和遠端永遠無法建立正確鏈接。 好的小伙伴們，這期10M/100M/1000M自協商就講完啦，下一課會開始“10M/100M/1000M/2.5G/5G/10G/25G/40G自協商”相關內容。

審核編輯：劉清