CN1881979B - 以太网物理层低速传输的实现方法及其应用的网络设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种进行物理层低速传输的以太网网络设备，包括高速时钟单元、MAC层接口、与网口连接的信号转换单元、缓存器和低速时钟单元，其中低速时钟单元用来输出低速时钟；缓存器串接在MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟单元输出的高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，以低速时钟在网口一侧输入输出物理层数字信号。本发明实现了低于标准速率的物理层传输，使得同样带宽的连接能够支持更长的传输距离，非常适用于宽带接入领域；并且通过同时对MAC层和物理层进行传输速率控制，实现了对物理层传输速率的自适应支持，提供了良好的扩展性和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及以太网物理层传输技术，尤其涉及一种以太网物理层低速传输的实现方法、应用该方法的网络设备、以及高速物理端口与低速物理端口之间的转接装置。
背景技术
以太网具有传输速率高、网络软件丰富、安装连接简单、使用维护方便等优点，已成为国际流行的局域网标准之一。通常以太网主要包括以下几种不同的物理层技术：IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers，电气与电子工程师协会)802.3——采用同轴电缆作为传输介质，传输速率达到10Mbps(兆比特每秒)；快速以太网——通常采用双绞线作为传输介质，传输速率达到100Mbps；千兆以太网——通常采用光缆或双绞线作为传输介质，传输速率达到1000Mbps(1Gbps)；万兆以太网——通常采用光缆作为传输介质，传输速率达到10Gbps(吉比特每秒)。这几种传输速率均为以太网的标准传输速率。
网络设备中标准传输速率的物理端口主要由物理层功能模块实现，通常具有图1所示的结构。MAC(Media Access Control，媒介接入控制)层接口110作为PHY侧与MAC侧的接口，与MAC侧进行数字信号的传输，MAC侧发送的下行数字信号经过MAC层接口110后成为物理层数字信号，输出至编解码单元120；编解码单元120将从MAC层接口110接收的物理层载荷进行4b/5b或8b/10b等物理层编码后，由扰码单元130将物理层数据编码中与物理层控制信息相同的编码进行扰码处理，以防止接收端误读编码；之后传输编解码单元140将扰码模块130输出的编码信号转换为适合网口传输介质的编码信号，并输出至信号转换单元150；根据网口采用的传输介质不同，信号转换单元150将从传输编解码单元140接收的物理层数字信号转换为模拟信号或光信号，从网口输出。对从网口150接收的上行信号，处理过程与上述相反。
按照PHY侧和MAC侧的具体实现不同，MAC层接口110的功能可能会有所不同。例如当PHY侧与MAC侧在不同的芯片中实现时，MAC层接口110可能要进行不同信号格式之间的转换；而如果PHY侧与MAC侧集成在同一个芯片中，MAC层接口110可能只需将PHY侧与MAC侧连接起来即可。
物理层功能模块包括MAC层接口110、编解码单元120、扰码单元130、传输编解码单元140、信号转换单元150和最外端的网口。对标准速率的物理端口，除网口外，MAC层接口110、编解码单元120、扰码单元130、传输编解码单元140和信号转换单元150都由高速时钟单元160提供与标准速率匹配的高速时钟，对上下行物理层数字信号进行数字处理，其中包括信号转换单元150中的涉及数字信号生成与转换的部分功能，还可能包括MAC层接口110生成和将物理层数字信号转换为MAC层数字信号的处理过程。
在宽带接入领域，终端用户所需的接入带宽比较低，例如2M(兆)带宽可以满足DVD(Digital Video Disk，数字激光视盘)清晰度的IPTV(InternetProtocol Television，交互式网络电视)需求，6M带宽可以满足高清数字电视的需求。同时，由于宽带接入用户分散在局端设备周围的不同地点，接入技术所支持的传输距离对接入网络的构建成本和维护成本都有非常重要的影响。
现有的以太网技术中，通过在MAC侧进行限速来限制接入终端的带宽。如图1所示，在MAC侧限速单元210以设定时间为周期统计一个周期内收发的数据帧或字节的总数，如果MAC层的数据流量超过了设定的流量阈值，则丢弃本统计周期内后续通过的报文。
虽然用这种方法可以限制接入带宽，但物理层的传输速率仍维持为标准速率。相对于同样的以太网传输技术和传输介质，不同的物理层传输速率所支持的传输距离有很大区别，例如当物理层传输速率为100M时最大传输距离为300米，将速率降为10M时可以传输500米，而降至2M时可以传输2000米。但是现有技术中，即使对接入带宽比较低的接入终端，仍只能支持与标准带宽同样的传输距离。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中以太网传输的问题，以解决以太网接入方式的距离瓶颈。
本发明所述进行物理层低速传输的以太网网络设备，包括高速时钟单元、MAC层接口、与网口连接的信号转换单元、缓存器和低速时钟单元，其中：
低速时钟单元用来输出低速时钟；
缓存器串接在MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟单元输出的高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，以低速时钟在网口一侧输入输出物理层数字信号，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输；其中所述MAC层接口连接至MAC侧。
优选地，所述低速时钟单元为缓存器与网口间进行数字处理的单元提供低速时钟。
优选地，所述网络设备还包括速率控制单元，用来通过控制低速时钟单元输出的时钟频率进行物理层传输速率控制。
优选地，所述网络设备还包括速率协商单元，该速率协商单元连接信号转换单元，用来与网口外接的对端设备进行自协商确定物理层传输速率并将确定的传输速率通知速率控制单元。
优选地，所述网络设备还包括用来对所述网口进行MAC层限速的限速单元，该限速单元连接速率控制单元，由速率控制单元根据当前传输速率控制其流量阈值。
优选地，所述网络设备还包括用来对所述网口进行MAC层流控的流控单元，该流控单元连接速率控制单元，由速率控制单元根据当前传输速率控制其队列长度阈值。
本发明提供的一种进行物理层低速传输的以太网接口卡，包括高速时钟单元、MAC层接口、与网口连接的信号转换单元、缓存器和低速时钟单元，其中：
低速时钟单元用来为缓存器与网口间对物理层数字信号所进行的数字处理提供低速时钟；
缓存器串接在MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟单元输出的高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，以低速时钟在信号转换单元一侧输入输出物理层数字信号，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输；其中所述MAC层接口连接至MAC侧。
优选地，所述接口卡还包括连接信号转换单元的速率协商单元，用来通过自协商技术与该网口外接的对端设备确定物理层传输速率。
优选地，所述接口卡还包括速率控制单元，用来控制低速时钟单元输出匹配于物理层传输速率的时钟频率。
本发明提供了一种以太网物理端口转接装置，用来进行高速物理端口与低速物理端口的转接，该转接装置包括第一物理层功能模块、限速单元、第二物理层功能模块，其中：
第二物理层功能模块包括高速时钟单元、媒介接入控制MAC层接口、与网口连接的信号转换单元、缓存器和低速时钟单元；
限速单元的两端分别连接第一与第二物理层功能模块的MAC层接口，用来限制设定周期内通过本单元的MAC层数据流量；
第一物理层功能模块用来进行高速物理层信号与MAC层数据的转换；
第二物理层功能模块用来进行物理层信号与MAC层数据的转换；
缓存器串接在第二物理层功能模块的MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，以低速时钟单元输出的低速时钟在信号转换单元一侧输入输出物理层数字信号，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输。
优选地，所述低速时钟单元向缓存器至第二物理层功能模块的信号转换单元之间所进行的数字处理提供低速时钟。
优选地，所述转接装置还包括速率协商单元和速率控制单元，其中：
速率协商单元连接第二物理层功能模块的信号转换单元，用来与第二物理层功能模块外接的对端设备通过自协商技术确定其间的物理层传输速率，并向速率控制单元输出确定的传输速率；
速率控制单元用来控制低速时钟单元输出的时钟频率，使其匹配于当前第二物理层功能模块的传输速率。
优选地，所述转换装置还包括流控单元，该流控单元与限速单元串接在第一与第二物理层功能模块的MAC层接口之间，用来对通过本单元的MAC层数据进行流控。
本发明提供了一种以太网物理层低速传输的实现方法，包括以下步骤：
对在MAC层接口和网口之间传输的物理层数字信号通过缓存器进行缓存，以高速时钟从MAC侧进行缓存器的输入输出，以低速时钟从网口侧进行缓存器的输入输出，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输。
优选地，所述方法还包括：以低速时钟对物理层数字信号进行缓存器至网口的数字处理。
优选地，所述方法还包括：按照与物理层传输速率匹配的流量阈值对物理层数字信号中承载的MAC层数据进行限速；
所述方法还包括：按照与物理层传输速率匹配的队列长度阈值对该网口接收的MAC层数据进行流控。
优选地，所述方法还包括：与该网口连接的对端设备进行物理层传输速率自协商，确定该网口的传输速率。
优选地，所述进行传输速率自协商具体为：
设定本端支持的工作模式；
通过快速连接脉冲的下一页信息编码承载本端支持的工作模式；
向对端发送所述快速连接脉冲；
根据对端的响应消息确定连接速率。
本发明在上下行物理层数字信号的传输过程中对其进行缓存，通过缓存器两侧的时钟频率变化改变物理层传输速率，实现了低于标准速率的物理层传输，使得同样带宽的连接能够支持更长的传输距离；
进一步地，本发明通过采用自协商技术和同时对MAC层和物理层进行传输速率控制，从而实现了对物理层传输速率的自适应支持，提供了良好的扩展性和灵活性。
附图说明
图1为现有技术中实现物理层标准传输速率的网络设备结构示意图；
图2为本发明所述网络设备中进行物理层低速传输的物理端口PHY层的结构示意图；
图3为本发明中所述网络设备中进行物理层低速传输速率的物理端口PHY层和MAC层的结构示意图；
图4为本发明中高速物理端口和低速物理端口的转接装置的结构示意图；
图5为本发明中物理层低速传输实现方法的流程图
图6为以太网自协商技术中快速连接脉冲的波形示意图；
图7为以太网自协商技术中基本页信息的编码格式图；
图8为以太网自协商技术中下一页信息的编码格式图；
图9是本发明中低速传输的速率自协商实现方法的流程图。
具体实施方式
当MAC侧的限速单元对网口的带宽进行限制时，以标准传输速率工作的物理层功能模块实际上有部分时段处于空闲的状态。如果把物理层功能模块的工作时钟降低为与网口受限的带宽相匹配，就可以降低物理层的传输速率，从而增加支持的传输距离。为了解决MAC侧对应于较高传输速率的突发流量，可以在物理层功能模块中串接缓存器，对上下行传输的物理层信号进行缓存。
在本发明所述网络设备中，能够进行物理层低速传输的物理端口PHY层的结构如图2所示，物理层功能模块中的高速时钟单元160连接MAC层接口110和缓存器180；MAC层接口110、缓存器180、编解码单元120、扰码单元130、传输编解码单元140、信号转换单元150和网口按顺序串接；低速时钟单元170连接编解码单元120、扰码单元130、传输编解码单元140、信号转换单元150和速率控制单元310；速率协商单元190连接速率控制单元310和信号转换单元150。
缓存器180有两路时钟输入，高速时钟单元160提供的频率匹配于物理层标准传输速率或其他较高传输速率的时钟和低速时钟单元170提供的频率匹配于物理层低速传输的时钟。缓存器180工作在先入先出模式，在下行方向，MAC层接口单元110输出的下行物理层数字信号以高速时钟输入到缓存器180中，在缓存器180的另一侧，下行物理层数字信号以低速时钟输出到编解码单元120；在上行方向，编解码单元120输出的上行物理层数字信号采用低速时钟输入缓存器180，而MAC层接口110采用高速时钟读取缓存器180中的上行物理层数字信号。
本发明中，物理端口的MAC层通常按照标准物理层传输速率与物理层进行信号传输，因此缓存器180在MAC层接口110一侧采用高速时钟工作，而在网口一侧采用低速时钟工作，以实现物理层的低速传输。
在缓存器180与网口之间，编解码单元120、扰码单元130、传输编解码单元140和信号转换单元150均需完成对物理层数字信号进行相应数字处理的功能。低速时钟单元170为缓存器180与网口之间上述进行数字处理的单元提供低速时钟，使缓存器180至网口间的物理层数字信号维持在与低速传输的速率相匹配的频率。
可见，在PHY层的物理层功能模块中增加缓存器180和低速时钟单元170即可实现以低于标准速率的预定速率进行物理层传输，而只需改变低速时钟单元170的时钟频率即可改变网口的物理层传输速率。为此，可以增加速率控制单元310，对低速时钟单元170输出的时钟频率进行控制。当改变速率控制单元310中的传输速率设置时，速率控制单元310使得低速时钟单元170输出的时钟频率匹配于新的物理层传输速率，从而实现同一物理端口的可变传输速率。而当低速时钟单元170支持与高速时钟频率一致的输出时钟频率时，该物理端口即可同时支持高速和低速物理层传输。
具有可变物理层传输速率的物理端口可以根据其连接的对端设备的传输速率来自适应地调整本端的传输速率。在物理层功能模块中增加速率协商单元190，采用自协商技术与连接的对端设备在双方均支持的物理层工作模式中择优确定其中的一种，工作模式中最为重要的参数即为物理层传输速率。速率协商单元190将协商确定的传输速率通知速率控制单元310，由速率控制单元310通过控制低速时钟单元170的输出时钟频率来控制物理端口的传输速率。
需要说明的是，在物理层功能模块中，从MAC层接口110至信号转换单元150，其间上下行传输的均为物理层数字信号。缓存器180可以连接在其间的任意两个单元之间，对处理过程中的物理层数字信号进行缓存并完成高速至低速的转换功能。相应地，低速时钟单元170向缓存器180与信号转换单元150之间的各个单元输出低速时钟，这些单元也包括缓存器180和信号转换单元150。
在网络设备中，物理端口的PHY层功能通常在接口卡上实现。图2中的结构可以应用在接口卡上，使该接口卡上的至少一个物理端口能够进行物理层低速传输。
图3为网络设备中能够进行物理层低速传输的物理端口PHY层和MAC层的结构示意图。对比图2可以看出，除缓存器180的位置连接在扰码单元130和传输编解码单元140之间，对应地缓存器180至MAC层接口110之间的编解码单元120、扰码单元130改为由高速时钟单元160提供高速时钟之外，图3中PHY层的结构与图2中相同。并且，除与MAC层的限速单元210、流控单元220连接的速率控制单元310外，图3中其他单元的功能与图2中相同，此处不再重复。
MAC层的限速单元210连接速率控制单元310和PHY层的MAC层接口110，对通过网口的流量进行MAC层限速。限速单元210按照设定的时间周期对通过网口的MAC层数据流量进行统计，当流量超过设置的流量阈值时，本统计周期内后续到达的报文将会被丢弃。限速单元210对MAC层流量的统计以帧为单位或以字节为单位进行。
本发明中，当物理层传输速率可变时，MAC层可以根据传输速率进行流控。速率控制单元310根据物理层传输速率对限速单元210的流量阈值进行控制，使MAC层的平均流量匹配于物理层传输速率。当物理层传输速率发生变化时，速率控制单元310使限速单元210的流量阈值进行相适应地更新。
MAC层的流控单元220连接速率控制单元310和PHY层的MAC层接口110，对网口的接收的流量进行MAC层流控。
MAC层流控针对为物理端口在MAC层设置的接收缓冲队列进行，当某个物理端口接收缓冲队列的长度超过进行流控的队列长度阈值时，流控单元210向该物理端口连接的对端设备发送具有约定格式的流控通知帧，指示对方暂停发送；当该物理端口接收缓冲队列的长度低于取消流控的队列长度阈值时，流控单元210即向对方发送具有约定格式的流控终止帧，对方收到后开始发送信息。
本发明中MAC层还可以根据传输速率的变化进行相应地流控。速率控制单元310根据物理层传输速率对流控单元220的队列长度阈值进行控制，使MAC层的接收缓冲队列长度的范围匹配于物理层传输速率。当物理层传输速率发生变化时，速率控制单元310使流控单元220的队列长度阈值进行相适应地更新。
图3的结构可以应用于网络设备中，使该网络设备的至少一个物理端口能够进行物理层低速传输。
为了与现有的高速物理端口兼容，本发明提供了一种高速物理端口和低速物理端口的转接装置，其结构如图4所示。
图4中，在高速PHY侧，第一物理层功能模块在通过高速网口的物理层信号和通过其MAC层接口110的MAC层数据之间进行转换，第一物理功能模块可以采用现有的高速物理端口的PHY层结构。
在低速PHY侧，第二物理层功能模块在通过低速网口的物理层信号和通过其MAC层接口110的MAC层数据之间进行转换；第二物理功能模块中的各单元与低速时钟单元170、缓存器180、速率控制单元310和速率协商单元190采用前述进行低速传输的物理端口的PHY层结构实现低速传输。
其中，缓存器180串接在第二物理层功能模块的MAC层接口110与信号转换单元150之间，在MAC层接口110一侧以高速时钟输入输出物理层数字信号，在信号转换单元150一侧以低速时钟输入输出物理层数字信号；低速时钟单元170输出由速率控制单元310控制的低速时钟，提供给串接在缓存器180至第二物理层功能模块的信号转换单元150之间进行数字处理的单元；速率协商单元190连接第二物理层功能模块的信号转换单元150，与物理层功能模块的低速网口外接的对端设备进行传输速率自协商，并将协商结果通知速率控制单元310。
在MAC侧，MAC层的限速单元210和流控单元220串接在第一物理层功能模块的MAC层接口110和第二物理层功能模块的MAC层接口110之间，并且均与速率控制单元310连接。
在转接装置中，需要通过限速单元210对通过高速PHY侧的流量进行控制，以避免低速PHY侧的缓存器180频繁溢出。由于IP(Internet Protocol，网际协议)协议栈中很多MAC层以上的协议都具有重传机制和流控功能，因此丢弃报文不会影响双方的通信，而当上层协议感知到底层传输速率较低时，会自动放慢通信的速度。
为了更好地控制通过转接装置的流量，还可以在MAC层加入流控单元220。在低速PHY侧能够提供可变传输速率时，可以令速率控制单元310根据第二功能模块当前的传输速率来控制限速单元210的流量阈值和流控单元220的队列长度阈值。限速单元210和流控单元220是普通MAC芯片已有的功能，在本发明中也可以按照现有技术实现。
另外，在转接装置的高速PHY侧，可以将第一物理层功能模块中的高速网口修改为能够直接连接高速网口的连接单元，增加使用的便利性。
需要说明的是，在图3所示的网络设备结构和图4所示的转接装置结构中，由于PHY层和MAC层通常由不同的芯片分别实现，因而速率控制单元310可能分为两个子单元，一个子单元在PHY层实现对速率协商结果的接收和对低速时钟单元170的控制，另一个在MAC层实现对限速单元210和流控单元220的控制，速率协商结果由PHY层的子单元传输给MAC层的子单元。
还有，在图2、图3和图4的结构中，对于某些传输速率，按照其采用的编码方式，扰码单元130和/或传输编解码单元140可以省略。例如，当MAC层速率为10M时，在一些情况下可以不做扰码处理。另外，在图2、图3和图4的结构中，高速时钟单元160和低速时钟单元170可以采用能提供两个不同频率时钟的一个时钟单元来实现。
图5所示为本发明中物理层低速传输实现方法的流程图。在步骤S510，与网口外接的对端设备通过自协商技术确定物理层传输速率。
在步骤S520，当物理层数字信号在MAC层接口与网口间进行数字处理时，以缓存器对其进行缓存。在MAC侧采用高速时钟对缓存器进行读写，在网口侧采用低速时钟对缓存器进行读写，完成高速与低速的转换。低速时钟的频率匹配于协商确定的物理层传输速率。
在步骤S530，采用低速时钟对物理层数字信号进行缓存器至网口的数字处理，使得在缓存器的网口一侧，物理层数字信号的频率匹配于传输速率。
在步骤S540，对该物理层数字信号中承载的MAC层数据进行限速，使MAC层限速的流量阈值匹配于物理层传输速率。
在步骤S550，对该物理层数字信号中承载的MAC层数据进行流控，使MAC层流控的队列长度阈值匹配于物理层传输速率。
在由PHY层至MAC层的上行方向，物理层低速传输的实现方法为：对网口接收的信号，以低速时钟将其转换为物理层数字信号，并在将其输入缓存器前始终采用低速时钟进行数字处理，直到将物理层数字信号以低速时钟输入缓存器；采用高速时钟将物理层数字信号从缓存器上行输出，并继续后续处理。
在由MAC层至PHY层的下行方向，物理层低速传输的实现方法为：对向网口输出的下行物理层数字信号，采用高速时钟将其输入至缓存器；由缓存器采用低速时钟将物理层数字信号下行输出，并在输出网口前时钟一直采用低速时钟进行数字处理。
本发明中，可以根据具体应用需求将低速物理层传输的速率分为几个等级，如2M、4M、6M、8M、30M、50M等，便于进行自适应的速率控制和速率协商。
以下介绍本发明中采用自协商技术进行物理层传输速率自协商的实现方式。
以太网自协商技术允许一个网络设备将自己所支持的工作模式信息传达给网络上连接的对端，并接受对端可能传递过来的相应信息。自协商功能完全在PHY层实现，因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销。自协商的内容包括：速率、双工模式以及流控等。
自协商功能的基本机制是将协商信息封装进一个连接整合性测试脉冲，这串脉冲被称为FLP(Fast Link Pulse，快速连接脉冲)。支持自协商功能的网络设备能够在上电、管理命令发出、或是用户干预时发出此串脉冲。
快速连接脉冲包含一系列连接整合性测试脉冲组成的时钟/数字序列，其波形如图6所示。脉冲序列中的第一个脉冲为时钟脉冲，其脉冲宽度T1＝100ns(纳秒)，并在其后每隔时间T3＝125us(微秒)出现一个时钟脉冲，数据脉冲出现的位置在相邻两个时钟脉冲的中点上，即时钟脉冲与数据脉冲的间隔T2＝62.5us。以正脉冲表示逻辑1，无脉冲表示逻辑0，即编码D0、D1、D2、D3…对应的数据位分别为1、1、0、1。当数据比特为均为1时，一个FLP脉冲序列包含17个时钟脉冲和16个数据脉冲。网络设备收到该脉冲序列后，将其中的这些数据提取出来就可以得到对端设备支持的工作模式，以及一些用于协商握手机制的其他信息。
从FLP脉冲中的16个数据脉冲中提取出来的自协商信息为16比特，可以划分为两种编码。一种是支持基本的信息交换，称为连接码字或基本页；一种是支持附加信息页的交换，称为下一页码字。自协商功能除了可以发送基本页信息来进行信息的交换，还可以通过发送下一页信息的功能来进行额外的信息的交换。
自协商技术中的基本页信息编码格式如图7所示，基本页信息编码包括选择域、技术能力域、RF(远程错误)、ACK(应答)、NP(下一页)五个域，下面分别对每个域的含义和编码进行说明：
选择域(Selector Field)：S[0:4]用于标识自协商消息的类型。已定义的类型如下表所示，所有未列出的组合的定义均保留，保留的编码组合目前不应在传输中出现；
| S4 | S3 | S2 | S1 | S0 | 选择类型 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 预留 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | IEEE Std 802.3 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | IEEE Std 802.9 ISLAN-16T |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 预留 |
技术能力域(Technology Ability Field)：A[0:7]用于描述本端网络端口所支持的各种工作模式。不同的选择域类型对应不同的技术能力域定义。下表为IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers，电气与电子工程师协会)802.3标准下定义的各种技术能力及其编码。当协商双方都支持一种以上的工作方式时，需要有一个优先级方案来确定一个最终工作方式。IEEE802.3所支持的五种模式依优先级从高到低的顺序为：100BASE-TX fullduplex、100BASE-T4、100BASE-TX、10BASE-T full duplex和10BASE-T；
| 比特 | 技术 | 最低电缆要求 |
| A0 | 10BASE-T | 两对三类线 |
| A1 | 10BASE-T全双工 | 两对三类线 |
| 比特 | 技术 | 最低电缆要求 |
| A2 | 100BASE-TX | 两对五类线 |
| A3 | 100BASE-TX全双工 | 两对五类线 |
| A4 | 100BASE-T4 | 四对三类线 |
| A[5:7] | 将来技术保留应用 |
远程错误(Remote Fault)：远程错误位RF提供了传递简单错误信息的机制。当发送方的自协商寄存器中的RF位被置位时，基本连接码字的RF位相应变为逻辑1；当接收方收到的基本连接码字的RF位为逻辑1时，如果收方具有MII(物理介质无关层接口)管理功能，则其MII状态寄存器的RF位也将被置位；
应答(Acknowledge)：应答位Ack在自协商信令中用于表明线路上的一方已经收到了另一方发出的基本连接码字；
下一页(Next Page)：下一页NP在自协商信令中表示要进行下一页的信息的传送。如果一个设备不支持下一页功能，应将此位置0，如果设备支持下一页功能，但不想进行下一页操作，也应该将此位置0，只有设备支持此功能并要进行下一页操作时才将此位置1。
自协商技术中下一页信息编码又分两种：一种是消息页编码，另外一种是非格式化页编码。其中，消息页是用来定义一套消息，非格式化页在某一消息页后发送，用来表示这一消息的数据信息。一个消息页后面可以跟随多个非格式化页。
消息页编码和非格式化页编码的格式如图8所示：其中，各个域的含义如下：
消息域(Message Code Field)：消息域为11个比特(M0-M10)，由通信双方定义，可以定义2048个消息；
非格式化域(Unformatted Code Field)：非格式化域为11个比特(U0-U10)，携带某个消息的数据信息；
比特交替域(Toggle)：比特交替域(T)位于比特11位，它的值为上一页的该比特值的非值。第1个下一页的该值为基本页的比特11位的值；
应答域2(Acknolowledge2)：应答域2(ACK2)用来表示对方可否执行本方发送过来的消息。为0表示不能执行，为1表示可以执行；
消息页域(Message Page)：消息页域(MP)用来表示此下一页编码是消息页编码还是非格式化消息页编码。为1表示是消息页编码，为0表示是非格式化消息页编码；
应答域(Acknolowledge)：应答域(ACK)与基本页中的应答域的含义类似，表示对方收到了本方发送过来的下一页编码数据；
下一页(Next Page)：此域(NP)为1表示还有后续页要发送，此域为0表示此页为最后一个下一页。
在本发明中可以利用上述消息页中的消息域，分别设定物理层传输速率为2Mbps、4Mbps、6Mbps、8Mbps、10Mbps、30Mbps、50Mbps等的消息编码，定义其消息号，在该消息号对应的消息页后的非格式化页中设定其支持的半双式、全双工等传输模式。
通过上述消息页和非格式化页承载现有标准中不能支持的其他速率的自协商信息，这样，就可使不同的网络接口按照协商的速率等级进行数据的发送和接收。
图9所示为本发明中速率协商方法的实现流程，在步骤S910，设定本端物理端口支持的工作模式。为了便于工作模式选择，可以建立本端物理端口支持的工作模式列表。在网络设备上电时自动选择默认的工作模式进行协商，也可以通过管理命令选择预定的工作模式进行协商。
在步骤S920，通过快速连接脉冲的下一页信息编码承载本端物理端口支持的工作模式。在本发明中，利用快速连接脉冲中的下一页信息编码承载本端物理端口支持的工作模式，可以通过下一页信息编码中的消息页编码承载本端物理端口支持的连接速率，通过非格式化页编码承载本端物理端口支持的传输模式。
例如，在消息页中定义消息编码为2Mbps的消息，如消息号设定为1；在其后的非格式化页中定义该速率下的传输模式，比如半双工传输模式为1，全双工传输模式为2。这样，对2Mbps的传输速率，快速连接脉冲的基本页信息编码为：
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
下一页信息编码为：
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
[0115]
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
依照上述方式，同样可以设定本端物理端口支持的其他工作模式。
需要说明的是，10Mbps、100Mbps和1000Mbps三个传输速率的协商信息可以通过上述方式承载，也可以如现有技术中那样，由快速连接脉冲中的基本页信息编码承载。
在步骤S930，当本端网络设备上电时或通过管理命令使本端物理端口向对端发送快速连接脉冲，开始自协商过程。
首先，发送基本页的信息编码，基本页的选择域信息编码表明是IEEE802.3标准，技术支持域为0，表明是非标准工作模式，并且在基本页中将下一页比特标志NP设为有效；随后，紧接着发送消息页和非格式化页，在这些页的信息中携带双方需要协商的数据传输速率及传输模式。
当对端设备收到该快速连接脉冲后，将每个快速连接脉冲中的数据从中提取出来，得到发送快速连接脉冲的物理端口支持的工作模式，与接收快速连接脉冲的物理端口所支持的工作模式相比较，根据比较结果回送响应消息。
在步骤S940，根据对端的响应消息确定连接速率。
如果对端的响应消息表明支持协商的速率及传输模式，则双方设备以该速率及传输模式进行数据的收发。如果对端的响应消息表明不支持协商的速率及传输模式，则协商失败。这时，可以通过手工方式选择其他工作模式，再次进行协商；也可以通过建立本端物理端口支持的工作模式列表自动选择其他工作模式，再次进行协商。
为了提高自动协商效率，当协商双方都支持多种工作方式时，通过设定优先级来确定一个最优的工作方式。在工作模式列表中按优先级顺序排列每个设备支持的所有工作模式，当根据对端的响应消息确定其不支持协商的工作模式时，自动选择工作模式列表中的下一种工作模式进行自协商。
当对端不支持协商的工作模式时，也可以由对端根据其支持的工作模式列表选择相应的工作模式，向本端发送快速连接脉冲，主动发起自协商过程。
可见，利用本发明，可以实现以太网物理层的低速传输，并且能够自动完成物理层速率协商。在宽带接入领域，局端设备一般来说集中放置，而接入的用户分散在局端设备机房周围的不同地点，不同的用户与机房之间的距离可能有很大差别。由于不同的传输速率支持的最大接入距离不同，因此采用本发明的可变物理层传输速率，可以为远距离用户提供接入，更好地满足以太网在宽带接入网络中的应用需求。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (15)
1.一种进行物理层低速传输的以太网网络设备，包括高速时钟单元、媒介接入控制MAC层接口和与网口连接的信号转换单元，其特征在于，还包括缓存器和低速时钟单元，其中：
低速时钟单元用来输出低速时钟；
缓存器串接在MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟单元输出的高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，由低速时钟单元为缓存器与网口间进行数字处理的单元提供低速时钟，以低速时钟在网口一侧输入输出物理层数字信号，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输；其中所述MAC层接口连接至MAC侧。
2.如权利要求1所述的以太网网络设备，其特征在于：所述网络设备还包括速率控制单元，用来通过控制低速时钟单元输出的时钟频率进行物理层传输速率控制。
3.如权利要求2所述的以太网网络设备，其特征在于：所述网络设备还包括速率协商单元，该速率协商单元连接信号转换单元，用来与网口外接的对端设备进行自协商确定物理层传输速率并将确定的传输速率通知速率控制单元。
4.如权利要求2或3所述的以太网网络设备，其特征在于：所述网络设备还包括用来对所述网口进行MAC层限速的限速单元，该限速单元连接速率控制单元，由速率控制单元根据当前传输速率控制其流量阈值。
5.如权利要求2或3所述的以太网网络设备，其特征在于：所述网络设备还包括用来对所述网口进行MAC层流控的流控单元，该流控单元连接速率控制单元，由速率控制单元根据当前传输速率控制其队列长度阈值。
6.一种进行物理层低速传输的以太网接口卡，包括高速时钟单元、MAC层接口和与网口连接的信号转换单元，其特征在于，还包括缓存器和低速时钟单元，其中：
低速时钟单元用来为缓存器与网口间对物理层数字信号所进行的数字处理提供低速时钟；
缓存器串接在MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟单元输出的高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，以低速时钟在信号转换单元一侧输入输出物理层数字信号，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输；其中所述MAC层接口连接至MAC侧。
7.如权利要求6所述的以太网接口卡，其特征在于：所述接口卡还包括连接信号转换单元的速率协商单元，用来通过自协商技术与该网口外接的对端设备确定物理层传输速率。
8.如权利要求6或7所述的以太网接口卡，其特征在于：所述接口卡还包括速率控制单元，用来控制低速时钟单元输出匹配于物理层传输速率的时钟频率。
9.一种以太网物理端口转接装置，用来进行高速物理端口与低速物理端口的转接，其特征在于，包括第一物理层功能模块、限速单元、第二物理层功能模块，其中：
第二物理层功能模块包括高速时钟单元、媒介接入控制MAC层接口、与网口连接的信号转换单元、缓存器和低速时钟单元；
限速单元的两端分别连接第一与第二物理层功能模块的MAC层接口，用来限制设定周期内通过本单元的MAC层数据流量；
第一物理层功能模块用来进行高速物理层信号与MAC层数据的转换；
第二物理层功能模块用来进行低速物理层信号与MAC层数据的转换；
缓存器串接在第二物理层功能模块的MAC层接口与信号转换单元之间，用来以高速时钟在MAC层接口一侧输入输出物理层数字信号，由低速时钟单元为缓存器与网口间进行数字处理的单元提供低速时钟，以低速时钟单元输出的低速时钟在信号转换单元一侧输入输出物理层数字信号，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输。
10.如权利要求9所述的以太网物理端口转接装置，其特征在于：所述转接装置还包括速率协商单元和速率控制单元，其中：
速率协商单元连接第二物理层功能模块的信号转换单元，用来与第二物理层功能模块外接的对端设备通过自协商技术确定其间的物理层传输速率，并向速率控制单元输出确定的传输速率；
速率控制单元用来控制低速时钟单元输出的时钟频率，使其匹配于当前第二物理层功能模块的传输速率。
11.如权利要求9至10任意一项所述的以太网物理端口转换装置，其特征在于：所述转换装置还包括流控单元，该流控单元与限速单元串接在第一与第二物理层功能模块的MAC层接口之间，用来对通过本单元的MAC层数据进行流控。
12.一种以太网物理层低速传输的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
对在MAC层接口和网口之间传输的物理层数字信号通过缓存器进行缓存，以高速时钟从MAC侧进行缓存器的输入输出，由低速时钟单元为缓存器与网口间进行数字处理的单元提供低速时钟，以低速时钟从网口侧进行缓存器的输入输出，以完成高速至低速的转换，实现物理层的低速传输。
13.如权利要求12所述的以太网物理层低速传输的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：按照与物理层传输速率匹配的流量阈值对物理层数字信号中承载的MAC层数据进行限速；
所述方法还包括：按照与物理层传输速率匹配的队列长度阈值对该网口接收的MAC层数据进行流控。
14.如权利要求12至13任意一项所述的以太网物理层低速传输的实现方法，其特征在于，所述方法还包括：与该网口连接的对端设备进行物理层传输速率自协商，确定该网口的传输速率。
15.如权利要求14所述的以太网物理层低速传输的实现方法，其特征在于，所述进行传输速率自协商具体为：
设定本端支持的工作模式；
通过快速连接脉冲的下一页信息编码承载本端支持的工作模式；
向对端发送所述快速连接脉冲；
根据对端的响应消息确定连接速率。
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