پروتکل Ethernet (بخش سوم)

0

پروتکل Ethernet

Ethernet یک پروتکل دسترسی چندگانه با قابلیت شنود سیگنال حامل[1] آسنکرون با طول Payload بین 46 تا 1500 بایت و نرخ داده صدها مگابایت در ثانیه است. این پروتکل، یک پروتکل لایه data link و Physical است که استاندارد IEEE 802.3 مشخصه­های آن را مشخص کرده است. مشخصه­های Ethernet در سالیان اخیر برای داشتن سرعت انتقال بالاتر و ارایه قابلیت­های جدید گسترش یافته است. در جدول 1 برخی از استانداردهای رایج Etrhernet نشان داده شده است. لازم به ذکر است که Ethernet در کاربردهای Low power ، گزینه مناسبی نیست.

 

برخی از مشخصه های استانداردهای مهم Ethernet
برخی از مشخصه های استانداردهای مهم Ethernet

ساختار فریم Ethernet

ساختار فریم بیسیک10/100 Ethernet  در شکل  5 نشان داده شده است.

ساختار فریم Ethernet
ساختار فریم Ethernet

Preamble: این فیلد برای بازیابی داده و کلاک در نظر گرفته شده است که شامل 7 بایت متوالی 0x55 است.

Start-of-Frame Delimiter: این فیلد که گاهی اوقات بخشی از Preamble در نظر گرفته می­شود بصورت 0b10101011 است.

(Destination Address (DA: آدرس MAC مقصد است که طول آن 6 بایت است.

(Source Address (SA: آدرس MAC مبدا است.

Length/Type: در صورتی­ که مقدار این فیلد کمتر از 1500 باشد، طول Payload را مشخص می­کند. در غیر اینصورت نوع Payload را تعیین می­کند. متداول ترین انواع Payload عبارتند از:

IPv4 = 0x0800

IPv6 = 0x86DD

ARP = 0x0806

RARP = 0x8035

Payload: داده موردنظر در این فیلد قرار می­گیرد. حداقل طول Payload، 46 بایت و حداکثر طول آن 1500 بایت است.

Pad: در صورتیکه طول Paylaod کمتر از 46 بایت باشد، تعدادی بایت در فیلد Pad به فریم اضافه می­شود تا محدودیت حداقل طول فریم را رعایت کند.

(Frame Check Sequence (FCS: چهار بایت CRC فریم است که برای تشخیص خطای احتمالی قرار داده شده است.

(End-of-Stream Delimiter (ESD: در اترنت 100 Mbit/s این فیلد انتهای فریم را مشخص می­کند.

همانطورکه در قسمت­های بیان شد، مشخصه­های Ethernet سالیان اخیر بسیار گسترش یافته است. در شکل ** ساختار فریم استانداردهای رایج Ethernet نشان داده شده است.

ساختار فریم Ethernet در استانداردهای متفاوت آن
نحوه اضافه شده Header در هر لایه

زیرلایه های MAC و PHY

در بخش­های اول این گزارش در مورد جایگاه پروتکل Ethernet در لایه­های پیوند داده و فیزیکی در مدل TCP/IPتوضیح داده شد. در Ethernet اصطلاحاً به لایه پیوند داده، لایه MAC گفته می­شود. از استاندارد Ethernet سریع به بعد، برای تشریح بهتر چگونگی عملکرد اترنت و پیاده سازی عملی آن، عملکرد اترنت در این دو لایه به زیر لایه­های مختلف تقسیم بندی شد. در این بخش در مورد هر یک از زیر لایه های MAC و PHY صحبت خواهد شد. لایه­های MAC و PHY در استاندارد IEEE 802.3 و سرعت 100 Mb/s در شکل  7 نشان داده شده است.

مدل پروتکل Ethernet
مدل پروتکل Ethernet

واسط فیزیکی برای اتصال به رسانه انتقال MDI (Media Dependent Interface)  نامیده می­شود و با توجه به نوع رسانای مورد استفاده (کابل CAT، فیبر نوری و …) تغییر می­کند.

واسط بین لایه MAC و PHY را MII (Media Independent Inteface) می­نامند و دارای یک مسیر فرستنده و یک مسیر گیرنده و یک مسیر برای مدیریت است که برای خواندن و نوشتن در رجیسترهای PHY استفاده می­شود. عرض مسیر فرستنده و گیرنده یکسان است و با توجه به سرعتی که لایه­های MAC و PHY پیاده سازی می­کنند متفاوت است مانند:

  • 10 Mbit/s: که عرض 2 بیت در فرکانس 5 MHz
  • 100 Mbit/s: که عرض 4 بیت در فرکانس 25 MHz

Reconciliation Layer

نشان دهنده وضعیت­های بخش فیزیکی (مانند تصادم) به لایه MAC است.

Media Independent Interface

فراهم کننده مسیر فرستنده و گیرنده بین لایه­های MAC و PHY است.

Physical Coding Sublayer

کد کردن، مالتی پلکس کردن و همزمانسازی جریان سمبل­های خروجی بر عهده این بخش است.

Physical Medium Attachment

انجام اعمالی مانند Serialization، Deserialization، بازیابی کلاک و … بر روی جریان سمبل­های ورودی و خروجی بر عهده این بخش می­باشد.

Auto-Negotiation

تنظیم مشخصات ارتباط بر عهده این بخش است.

Medium Dependent Interface/Physical Media Dependent MDI/PMD

شامل تراشه transceiver برای پیاده­سازی ارتباط در شبکه و کانکتور RJ-45 است.

Medium

مانند کابل­های UTP ، فیبر نوری و

طرح اصلی MII برای کاهش تعداد سیگنال­ها و افزایش سرعت گسترش یافته است که در زیر انواع آن آورده شده است:

v  reduced media-independent interface RMII

Ø  The two clocks TXCLK and RXCLK are replaced by a single clock. This clock is an input to the PHY rather than an output, which allows the clock signal to be shared among all PHYs in a multiport device, such as a switch.

Ø  The clock frequency is doubled from 25 MHz to 50 MHz, while the data paths are narrowed to 2 bits rather than 4 bits.

Ø  RXDV and CRS signals are multiplexed to one signal.

Ø  The COL signal is removed.

v  gigabit media-independent interface GMII

Ø  speeds up to 1000 Mbit/s

Ø  data interface clocked at 125 MHz

Ø  eight-bit data paths for receive and transmit

Ø  can also operate on fall-back speeds of 10 or 100 Mbit/s

v  reduced gigabit media-independent interface RGMII

Ø  uses half the number of data pins as used in the GMII interface

Ø  clocking data on both the rising and falling edges of the clock in 1000 Mbit/s

Ø  eliminating non-essential signals (carrier-sense and collision-indication

v  serial gigabit media-independent interface SGMII

Ø  uses differential pairs at 625 MHz clock frequency for TX and RX data and TX and RX clocks

Ø  Transmit and receive path each use one differential pair for data and another differential pair for clock

Ø  low-power and low pin-count serial 8b/10b-coded interface

v  Quad serial gigabit media-independent interface QSGMII

Ø  combining four SGMII lines into a 5 Gbit/s interface

v  10 gigabit media-independent interface

Ø  a standard defined in IEEE 802.3 for connecting full duplex 10 Gigabit Ethernet

Ø  It is composed from two 32-bit datapaths (Rx & Tx) and two four-bit control flows (Rxc

and Txc, operating at 156.25 MHz DDR 312.5 MT/s

بلوک دیاگرام اتصال به شبکه اترنت

به طور کلی با توجه به تراشه­های مورد استفاده در طراحی، چهار حالت برای اتصال به شبکه اترنت در کاربردهای embedded وجود دارد:

حالت اول:

در این حالت لایه­های فیزیکی و پیوند داده (شامل دو زیر لایه MAC و LLC) در میکروکنترلر وجود دارد و نیازی به استفاده از تراشه­های جانبی وجود ندارد.

حالت دوم:

 

 

حالت دوم نحوه اتصال میکروکنترلر به Ethernet
حالت دوم نحوه اتصال میکروکنترلر به Ethernet

در این حالت لایه پیوند داده در میکروکنترلر و لایه فیزیکی توسط تراشه Transceiver پیاده سازی می­شود، البته معمولاً حالت اول متداول­تر است و میکروکنترلرهایی که دارای اترنت هستند، لایه فیزیکی را نیز پیاده­ سازی می­کنند.

حالت سوم:

حالت سوم نحوه اتصال میکروکنترلر به Ethernet
حالت سوم نحوه اتصال میکروکنترلر به Ethernet

در این حالت لایه پیوند داده و لایه فیزیکی توسط تراشه Ethenet Controller پیاده سازی می­شود.

حالت چهارم:

حالت دوم نحوه اتصال میکروکنترلر به Ethernet
حالت چهارم نحوه اتصال میکروکنترلر به Ethernet

در این حالت لایه پیوند داده در تراشه Ethernet Controller و لایه فیزیکی در تراشه Tranciever پیاده سازی می­شود.

معرفی تراشه های Tranciver

در این بخش برخی از آی­سی­های tranciver های قابل موجود در بازار بررسی شده اند.

  • RTL8201
  • سازگاری با استاندارد MIIبرای ارتباط با تراشه لایه پیوند داده
  • پشتیبانی از سرعت­های 100Mbit/s و 10Mbit/s
  • دارای پکیج 48 پایه LQFP
  • DM916
  • مطابق استانداردهای 10Base-T و BASE-TX
  • طبق استاندارد 3u برای 100BASE-TX شامل تمام استانداردهای لایه فیزیکی
  • پشتیبانی از auto-negotiation برای تشخیص نوع و سرعت ارتباط
  • شامل فیلترهای جانبی، بدون نیاز به فیلترهای خارجی برای اتصال به شبکه
  • سازگاری با استاندارد MII برای ارتباط با تراشه لایه پیوند داده
  • DP83848
  • پشتیبانی از سرعت­های 10Mbit/s و 100Mbit/s
  • دارای فیلترهای جانبی برای اتصال مستقیم به شبکه
  • تطبیق با استانداردهای IEEE 802.3، IEEE 802.3u و IEEE 802.3ab
  • پشتیبانی ازAUTO-MDIX
  • پشتیبانی ازJTAG
  • تغذیه 3V
  • استفاده از تکنولوژی CMOS و توان مصرفی بسیار پایین
  • محافظت در برابر ESD
  • پکیجQFP
  • LAN8710A
  • پشتیبانی از سرعت­های 10 Mbit/s و 100 Mbit/s
  • تطبیق با استانداردهای IEEE 802.3، IEEE 802.3u ، ISO 802-3
  • پشتیبانی ازAUTO-MDIX ، Auto-negotiation
  • ولتاژ تغذیه3 V ، رگولاتور 1.2 V باقابلیت غیرفعال سازی
  • قابلیت تحمل ولتاژ 6 V بر روی پایه­های I/O
  • پکیج 32 پایه QFN
  • LAN8720
  • پشتیبانی از سرعت­های 10Mbit/s و 100Mbit/s
  • تطبیق با استانداردهای IEEE 802.3، IEEE 802.3u
  • پشتیبانی از AUTO-MDIX
  • استفاده از تغذیه 3V با رگولاتور داخلی 1.2V یا ولتاژ تغذیه 1.2V بدون رگولاتور داخلی
  • قابلیت تحمل ولتاژ 6V بر روی پایه­های I/O
  • پکیج 24 پایه QFP

تراشه ­های tranciver معمولاً دارای تعدادی رجیستر برای انجام تنظیمات اولیه هستند. از این تنظیمات می­توان به تنظیم استاندارد مورد استفاده، سرعت ارتباط، فعالسازی Auto-Negotiation ، آدرس PHY و … اشاره نمود.

Choose your Reaction!
دیدگاه خود را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

redronic.com