以太网的硬件架构（MAC+PHY）

基于FPGA的以太网设计（2）----以太网的硬件架构（MAC+PHY）

1、概述

以太网的电路架构一般由MAC、PHY、变压器、RJ45和传输介质组成，示意图如下所示：

• PHY：Physical Layer，即物理层。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。简单来讲，就是PHY芯片决定了电信号/光信号如何传输。PHY主要是个模拟芯片，我们作为FPGAer，只要稍微了解一下就行。在千兆以太网设计中，PHY芯片一般都是独立的集成芯片，并不需要在FPGA层面上来设计PHY，我们只需要掌握好PHY和MAC之间的接口，以及PHY的一些常见寄存器配置即可。

• MAC：Media Access Control，即媒体访问控制。MAC是数据链路层的芯片，它的功能是提供寻址机构、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。

• 隔离变压器：Transformer，也叫网络变压器。它主要实现电气上的功能而不实现逻辑功能。比如增强信号从而使传输距离更远；使芯片端与外部隔离，大大增强抗干扰能力，同时对芯片起到了很大的保护作用（如雷击）。理论上变压器不是必需的，没有变压器以太网物理层也能正常工作，只是电气性能会下降，传输距离会受限。

• RJ45：网络连接器，RJ是Registered Jack的缩写即 “注册的插座” 。网络连接器并不一定是RJ45，只是目前在千兆以太网中，RJ45是最常见的连接器。它实现的是连接不同主机的网络接口的功能。

• 传输介质：也就是俗称的 “网线” 。电信号/光信号在这上面以一定的规范进行传输，它是发送和接收信息的载体。传输介质可以分为有线和无线两个大类，有线就是我们日常生活中常见的网线，而无线则是电磁波，例如WIFI和手机通讯等。

根据MAC和PHY的集成程度，可以分成3种常见的设计方案：

• 主芯片同时集成了MAC和PHY，难度较高

• 主芯片实现MAC功能，PHY则采用独立芯片，这是当前的主流方案

• 主芯片不集成MAC和PHY，MAC和PHY均采用独立芯片，这种方案的成本较高，适用于某些高端应用

对于一个基于FPGA的千兆以太网设计来说，MAC部分的工作是由FPGA来完成，具体实现可以是自己写逻辑代码，或者直接调用官方的MAC IP核；而PHY芯片则一般采用独立的集成电路芯片实现。

2、什么是PHY？

PHY是物理层的芯片，它负责实现数据在物理层的传输功能。PHY芯片将数字信号转换为模拟信号，并把它发送到通信介质上；同时从接收的模拟信号中恢复出数字信号，再传输到上层芯片处理。

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址、数据还是CRC校验值），然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去；收数据时的流程反之。

PHY芯片的主要作用是通过网络介质（例如双绞线或光纤）传输数据。具体地说，它需要完成以下任务：

• 将数字信号转换为模拟信号，并输出到网络介质上

• 监测网络介质上的信号质量，并根据需要调整发送功率、电流等参数

• 从网络介质上接收模拟信号，并将其还原为数字信号

• 根据协议规范和控制器芯片的指令，对接收到的数据进行错误检测、纠错、解码等处理

• 将处理后的数据输出到MAC芯片或其他高层芯片进行进一步处理

常见的PHY芯片有LAN8742A、YT8531(D)H、RTL8211F、Marvell 88E1145等，以我手头这块开发板板载的YT8531(D)H为例，它的架构示意图如下：

架构看起来很复杂，但是和我们搞FPGA的关系不大。首先因为这是一个独立的集成芯片，其次PHY的主要部分都是模拟电路，所以我们并不需要深入了解PHY，只需要了解它的几个对外接口即可：

1. RGMII接口：即Reduced Gigabit Media Independant Interface，精简吉比特MII接口，是MII接口的一种。MII（Media Independent Interface）接口是介质无关接口，MAC确实要发什么数据，PHY则决定数据收发的电气参数，而MII接口则是MAC和PHY之间传输数据的通道。MII接口有很多种类型，这里使用的RGMII接口是一种千兆网接口。关于MII接口的更多内容会在后面专门出一篇文章详细聊聊。

2. MDIO接口：即Management Data Input/Output，管理数据输入输出接口，也称为 SMI 接口（Serial Management Interface，串行管理接口）。它的主要功能是对PHY内部的寄存器进行读取和配置，速率比较低，一般在10M以下，协议也比较简单。现在的PHY其实都设计得比较先进了，一般上电就可以直接使用，比不需要对内部寄存器进行多余的配置，除非一些特殊的需求。但为了确保PHY的稳定运行，有时候也需要定时读取PHY的一些状态寄存器来确定其处于正常的运行状态。关于MDIO接口的使用，也会在后面专门出一篇文章详细聊聊。

3. MDI接口：即Medium Dependent Interface，介质相关接口。它连接的是物理层芯片即PHY和传输介质，也就是说发数据时，MAC把数据通过xMII接口传递到PHY，PHY进行编码等一系列处理后，通过MDI接口发送到传输介质，这样就把数据从主机传出去了；接收数据的过程类似。

3、什么是MAC？

以太网传输数据都是一帧一帧传，一帧数据各个部分代表什么含义都已经被定义好了，从以太网的帧结构我们就可以看出来MAC即数据链路层要完成什么工作：

以太网传输数据时按照上面的顺序从头到尾依次被发送和接收，我们下面进一步解释各个区域。

• 前导码（Preamble）：为了实现底层数据的正确阐述，物理层使用 7 个字节同步码（0 和 1 交替（55- 55-55-55-55-55-55））实现数据的同步。

• 帧起始界定符（SFD，Start Frame Delimiter）：使用 1 个字节的 SFD（固定值为 0xd5）来表示一帧的开 始，即后面紧跟着传输的就是以太网的帧头。 目的 MAC 地址：即接收端物理 MAC 地址，占用 6 个字节。

• MAC 地址：从应用上可分为单播地址、组播地址和广播地址。单播地址：第一个字节的最低位为 0，比如 00-00-00-11-11-11，一般用于标志唯一的设备；组播地址：第一个字节的最低位为 1，比如 01-00-00-11-11-11，一般用于标志同属一组的多个设备；广播地址：所有 48bit 全为 1，即 FF-FF-FF-FF-FF-FF，它用于标志同一网段中的所有设备。 源 MAC 地址：即发送端物理 MAC 地址，占用 6 个字节。

• 长度/类型：上图中的长度/类型具有两个意义，当这两个字节的值小于 1536（十六进制为 0x0600） 时，代表该以太网中数据段的长度；如果这两个字节的值大于 1536，则表示该以太网中的数据属于哪个上 层协议，例如 0x0800 代表 IP 协议（网际协议）、0x0806 代表 ARP 协议（地址解析协议）等。

• 数据：以太网中的数据段长度最小 46 个字节，最大 1500 个字节。最大值 1500 称为以太网的最大传输 单元（MTU，Maximum Transmission Unit），之所以限制最大传输单元是因为在多个计算机的数据帧排队 等待传输时，如果某个数据帧太大的话，那么其它数据帧等待的时间就会加长，导致体验变差，这就像一 个十字路口的红绿灯，你可以让绿灯持续亮一小时，但是等红灯的人一定不愿意的。另外还要考虑网络 I/O 控制器缓存区资源以及网络最大的承载能力等因素，因此最大传输单元是由各种综合因素决定的。为 了避免增加额外的配置，通常以太网的有效数据字段小于 1500 个字节。

• 帧检验序列（FCS，Frame Check Sequence）：为了确保数据的正确传输，在数据的尾部加入了 4 个字节的循环冗余校验码（CRC 校验）来检测数据是否传输错误。CRC 数据校验从以太网帧头开始即不包含前 导码和帧起始界定符。通用的 CRC 标准有 CRC-8、CRC-16、CRC-32、CRC-CCIT，其中在网络通信系统 中应用最广泛的是 CRC-32 标准。

首先MAC需要提供一个前导码，这个前导码是用来实现数据同步的。其次MAC要在一帧数据中添加上源MAC地址和目的MAC地址，因为以太网是一个多主机构成的星型结构，如果不添加上源地址和目的地址，那发出去的数据是没法找到对应的主机的，而且对应的主机也不知道要给谁回复。

因为以太网上层还可以跑IP协议/ARP协议等其他协议，所以需要用一段数据来标识这一帧数据的上层协议是什么。最后为了保证数据传输的正确性，需要添加上一个CRC校验值。

在以太网数据这一段，里面的数据并不完全是有效数据，它还可能包含了IP协议的首部和UDP协议的首部，以UDP协议为例，它的数据结构是这样的：

可以看到，在MAC的以太网帧的数据段，它是由IP首部+数据段组成。IP首部是实现IP协议的关键，它封装的是一些网络层的信息，比如源IP地址和目的IP地址等。IP层的数据段又可以分成UDP首部+数据段。UDP首部是实现UDP协议的关键，它封装的是一些传输层的信息，比如源端口和目的端口等。UDP协议再往上一层就是应用层了，这一层的数据才是原始数据。

MAC的实现一般就是用FPGA写逻辑，或者调用Xilinx的MAC IP核，后面的文章，我们主要是手撕代码实现MAC的功能，但是Xilinx的三速以太网IP核也尽量讲解一下。

4、什么是网络变压器？

当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）

从理论上来说，可以不需要接变压器，直接接到RJ45上也是能正常工作的。但是传输距离就很受限制，而且当接到不同电平网口时，也会有影响。而且外部对芯片的干扰也很大。

5、什么是RJ45？

以太网通信离不开连接端口的支持，网络数据连接的端口就是以太网接口。以太网接口类型有 RJ45 接口、RJ11 接口（电话线接口）、SC 光纤接口等。其中 RJ45 接口是我们现在最常见的网络设备接口 （如：电脑网口）。

RJ45 接口俗称“水晶头”，专业术语为 RJ45 连接器，由插头（接头、水晶头）和插座（母座）组成， 属于双绞线以太网接口类型。RJ45 插头只能沿固定方向插入，设有一个塑料弹片与 RJ45 插槽卡住以防止脱落。其示意图如下：

RJ45 接口定义以及各引脚功能在不同通信速率下的定义有区别，下图是在 10M/100M 通信速率下 的定义，RJ45 插座只使用了 1、2、3、6 这四根线，其中 1、2 这组负责传输数据（TX+、 TX-），而 3、6 这组负责接收数据（RX+、RX-），另外四根线是备用的。

而在 1000M 的通信速率下，RJ45 插座的 8 根线都有用到，且都是双向引脚。需要说明的是，支持千兆网通信的 RJ45 接口是向下兼容的，即也支持 10M/100M 通信速率，只不过不同的通信速率，其引脚功能有区别。千兆网各引脚功能如下图所示：

因为网络连接器和变压器实现起来相对比较简单，所以现在很多RJ45插座都集成了网络变压器的功能，比如我手头开发板所用的RJ45型号是HR 911131A，它就同时具备网络变压器的功能：

RJ45 座子上一般有两个灯用来指示PHY的运行状态，这两个灯的信号是从PHY来的。一般一个黄色(橙色)，一个绿色，绿色亮的话表示网络连接正常，黄色闪烁的话说明当前正在进行网络通信，黄灯闪动频率快表示网速好。

6、什么是传输介质

简单来说，传输介质就是“网线”，它是以太网不同主机之间传输信息的载体。传输介质可以分为有线介质和无线介质，常见的无线介质就是电磁波，比如WIFI和手机等；而以太网则是一种有线协议，它使用的都是有线介质。

常见的以太网传输介质有3种：

• 同轴电缆（Coaxial）

• 双绞线（Unshield Twisted Pair，UTP）

• 光纤（Fiber Optic）

根据不同的传输速度和距离要求，基于这三类介质的信号线又衍生出很多不同的种类。最常用的是“五类线”适用于 100BASE-T和 10BASE-T 的网络，它们的网络速率分别为 100Mbps 和 10Mbps。以太网有许多不同的标准，速度从 10 Mbps（兆比特每秒）到 100 Gbps（千兆比特每秒）。以下是一些流行的以太网标准的概述：

不同的标准是由不同的名字组合而成：

• 10/100/1000： 数字100用单位MHz (Megahertz)表示网线设计的频率。即100 MHz。MHz的值越大，网线所支持的速度就越快。如果你尝试将这种类型的网线用于更高的频率(和速度)中，那么它将不工作或者变得极为不可靠。100 MHz以每秒100Mbit的速度传输，这在理论上指的就是12 Mbps。然而，在实际中，可能还无法获得超过4 Mbps。

• BASE： BASE是英文baseband的缩写，指的就是基带。表示没有使用频分复用或者其它频率转换技术，每一个信号在一个单一频率上完全控制线缆。

• 数字T/F/C等： 一般数组表示传输长度；T代表承载信号的物理介质是双绞线缆（分为UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线）和STP（Shielded Twicted Pair，屏蔽双绞线）），在这里每一对传送信号的双绞线互相缠绕以(FEXT和NEXT之间)减少电磁干扰和串扰；F表示光纤。

• 最后的字母或数字（4/X等）： 在同一种传送速率下有多种不同的标准，它们之间以一个字母或数字跟随T/F/C之后的方式来区隔（例如TX）。它显示了网线的结构并指出包含的绞线对的数量。某些高速标准使用同轴电缆，则分配代号为CX。

6.1、同轴电缆

同轴电缆是由一对导体组成的，但它们是按“同轴”形式构成线对。同轴电缆以单根铜导线为内芯，外裹一层绝缘材料，覆密集网状导体，最外面是一层保护性塑料，金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同时也使中心导体免受外界干扰。故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。同轴电缆结构如下图所示。最里层是内芯，向外依次是绝缘材料层，屏蔽层和塑料外皮，内芯和屏蔽层构成一对导体。

广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50Ω（指沿电缆导体各点的电磁电压对电流之比）同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种为75Ω同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。

同轴电缆主要用于10M以太网也就是标准以太网的传输，主要代表是两个标准：10BASE5和10BASE2。10BASE5 又称粗缆（Thick Ethernet）或黄色电缆；10BASE2又称细缆（Thin Ethernet）或模拟网络。现在同轴电缆在以太网的应用中已经是非常少了。

6.2、双绞线

双绞线是最常用的传输介质，双绞线芯一般是铜质的，具有良好的传导率，既可以用于传输模拟信号,也可以用于传输数字信号。

双绞线分为屏蔽双绞线（ShieldedTwisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（UnshieldedTwisted Pair，UTP）。非屏蔽双绞线用线缆外皮层作为屏蔽层,适用于网络流量不大的场合中。屏蔽双绞线是用铝箔将双绞线屏蔽起来，对电磁干扰具有较强的抵抗能力，适用于网络流量较大的高速网络协议应用。结构示意图如下所示。

双绞线根据性能可分为3类，5类，6类和7类。3类无屏蔽双绞线能够承载的频率带宽是16MHz；5类无屏蔽双绞线其频率带宽为100MHz,能够可靠地运行4MB、ICME和16MB的网络系统。6类、7类双绞线分别可工作于200MHz和600MHz的频率带宽之上，且采用特殊设计的RJ45插座。当运行100M以上的以太网时,也可以使用屏蔽双绞线以提高网络在高速传输时的抗干扰特性。

• StarLAN是第一个双绞线上实现的以太网络标准10 Mbit/s，后发展成10BASE-T，以及100BASE-TX和1000BASE-T。

• 10BASE-T使用两对非屏蔽双绞线，一对线发送数据，另一对线接收数据，用RJ-45模块作为端接器，星形拓扑结构，信号频率为20MHz，必须使用3类或更好的UTP电缆。

• 100base-T称Fast Ethernet（快速以太网），是许多以标称速率100 Mbit/s（较早的以太网速度为10 Mbit / s）传输流量的以太网标准的统称。在快速以太网标准中，100BASE-TX是最常见的。

• 1000BASE-T采用四对五类平衡电缆的1000 Mb/s 物理层规格。与10Base-T、100Base-T完全兼容。前面两种标准有两根线对，一根用于传输，另一根用于接收。然而，1000BASE-T使用所有 4 对线。它不是使用不同的线对进行传输/接收，而是能够在每个线对上同时发送和接收。

6.3、光纤

光纤是光导纤维（FiberOptic）的简称。光导纤维是软而细的、利用内部全反射原理来传导光束的传输介质。它由能传导光波的超细石英玻璃纤维外加保护层构成，多条光纤组成一束，就可构成一条光缆。光纤有单模和多模之分，单模(即Mode，入射角)光纤多用于通信业；多模光纤则多用于网络布线系统。

光纤为圆柱状，由3个同心部分组成：纤芯,包层和护套，每一路光纤包括两根,一根接收，一根发送。与同轴电缆比较,光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长(2千米以上).传输率高(可达数千Mbps)、抗干扰性强，是构建安全性网络的理想选择。

不同于在铜线中使用电脉冲传输信息，在光纤中使用光脉冲传输信息。光纤和电传输介质相比有几个优点，如更快的数据传输速率、更高的信道容量(每次传输更多的信号)，以及更可靠的长距离传输和光纤不易受电磁干扰的影响。光纤的主要缺点是成本高，要比同轴电缆、UTP和STP的成本都高。 光纤通常用作电信领域和网络互连的介质。因为和电缆相比，通过光纤传输的光的衰减很小，所以光纤适用于长距离传输。通常，光纤的数据传输速率可达10~40Gbps，甚至可以超过100Gbps。

常见的使用光纤作为传输介质的以太网标准有100BASE-FX、100BASE-SX、100BASE-LX等。