以太网协议学习笔记

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以太网接口电路主要由MAC(Media Access Control)控制器和物理层接口PHY两大部分构成。

PHY在发送数据时,接收MAC发过来的数据,把并行的数据转化为串行流数据,按照物理层的编码规则把数据编码转化为模拟信号发送出去,接收数据时的流程反之。

1. MDIO接口

MAC和PHY芯片有一个配置接口,即MDIO接口,可以配置PHY芯片的工作模式以及获得PHY芯片的若干状态信息。

MDIO接口也称SMI接口,包括ETH_MDC(数据管理时钟)和ETH_MDIO(数据管理输入输出)两条信号线。

ETH_MDC为ETH_MDIO提供时钟,ETH_MDC的最大时钟不能超过12.5MHz;ETH_MDIO为双向数据引脚,既用于发送数据,也用于接收数据。

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2. PHY芯片

3. ARP协议

 ARP:地址解析协议,是根据IP地址获取MAC地址的一种TCP/IP协议。

在以太网通信中,数据以帧格式传输,帧格式里包含目的主机的MAC地址。目的主机的MAC地址直接被网卡接收和解析,当解析到目的MAC地址非本地MAC地址时,则直接丢弃该包数据,因此在通信前需要先获得目的MAC地址,而ARP协议正是实现了此功能。

ARP协议通过目的设备的IP地址,查询目的设备的MAC地址,以保证通信的顺利进行。MAC地址在网络中表示网卡的ID,每个网卡都需要并有且仅有一个MAC地址。在获取到目的MAC地址之后,将目的MAC地址更新至ARP缓存表中,称为ARP映射。下次通信时,可以直接从ARP缓存表中获取,而不用重新通过ARP获取MAC地址。但一般ARP缓存表会有过期时间,过期后需要重新通过ARP协议进行获取。

ARP映射分为:(1)静态映射;(2)动态映射

静态映射指手动创建一张ARP表,把IP地址和MAC地址关联起来。

动态映射指使用协议来获取相对应的物理地址,自动完成ARP表的创建和更新。

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 源主机发起查询目的MAC地址的报文称为ARP请求,目的主机响应源主机并发送包含本地MAC地址的报文称为ARP应答。

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ARP协议位于以太网MAC帧格式的数据段:

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4. 以太网

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前导码(Preamble):7个字节,实现数据的同步:55-55-55-55-55-55-55

帧起始界定符(SFD,Start Frame Delimiter):1个字节,0xd5,表示一帧的开始

目的MAC地址:即接收端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。

源MAC地址:即发送端物理MAC地址,占用6个字节。

长度/类型:

数据:以太网中的数据段长度最小为46个字节,最大1500个字节。

帧检验序列:CRC校验

帧间隔:网络设备和组件在接收一帧之后,需要短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备时间。

以太网的通信离不开物理层PHY芯片的支持,以太网MAC和PHY之间有一个接口,常用的接口有MII、RMII、GMII和RGMII等。

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RGMII接口

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