ethernet
这里主要记录以太网协议相关的知识，包括以太网帧格式、校验、封装、解析、传输和传输控制。
1. 概述
网卡(Network Interface Card，简称NIC)，也称网络适配器。网卡主要包括了物理层、数据链路层。
因特网协议栈
七层OSI模型
| 协议栈 | 说明 | 举例 |
|---|---|---|
| 应用层 | 提供网络服务给应用程序 | HTTP, FTP, SMTP, Telnet |
表示层 | 数据表示和转换 | MIME, TLS/SSL加密 |
会话层 | 管理会话（连接）的建立、同步和终止 | RPC, SQL |
| 传输层 | 负责数据的可靠传输和流量控制 | TCP, UDP |
| 网络层 | 负责数据包的路由和转发 | IP, ICMP, IGMP, ARP, RARP |
| 数据链路层 | 负责数据帧的封装、传输和差错控制 | PPP, Ethernet, Wi-Fi |
| 物理层 | 处理物理连接和数据传输 | 电缆、光纤、无线电波 |
- 物理层（Physical Layer - PHY）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。物理层的芯片称之为PHY
- 数据链路层则提供寻址机构、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。数据链路层的芯片称之为MAC(Media Access Control)控制器
当我们的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
- 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）
2. 以太网协议
IEEE802.3 规定了以太网协议，它定义了以太网帧格式、校验和封装、解析、传输和传输控制。
以太网协议（Ethernet Protocol）是一种广泛应用于局域网（LAN）和广域网（WAN）的计算机网络通信协议。它是一种基于共享介质的局域网技术，最早由Xerox、Intel和Digital Equipment Corporation（DEC）于1970年代开发，并在1980年代初由IEEE标准化为IEEE 802.3。以太网根据最大传输速率的不同可以分为标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网 (1000Mbit/s)和万兆以太网(10Gbit/s)。
3. 以太网帧格式
以太网帧格式如下：
| 字段名称 | 长度（字节） | 描述 | 层次 |
|---|---|---|---|
| 前导码（Preamble） | 7 | 用于同步接收方和发送方的时钟，物理层连续使用7个字节的0x55实现数据同步 | PHY |
| 帧开始定界符（SFD） | 1 | 标志着以太网帧的开始，固定为0xD5 | PHY |
| 目的地址（Destination Address） | 6 | 接收方的MAC地址 | 数据链路层 |
| 源地址（Source Address） | 6 | 发送方的MAC地址 | 数据链路层 |
| 类型/长度字段 | 2 | 标识数据字段中封装的上层协议类型或数据字段长度 | 数据链路层 |
| 数据字段（Data） | 46-1500 | 实际传输的数据 | 数据链路层 |
| 填充字段（Padding） | 可变 | 如果数据字段长度不足时，用于补充至最小长度 | 数据链路层 |
| 帧校验序列（FCS） | 4 | 用于校验整个以太网帧的完整性（CRC校验。从目的地址开始算起） | 数据链路层？ |
请注意，表格中的“数据字段”长度范围是46-1500字节，这是因为以太网帧有一个最小长度限制（通常是64字节），而标准以太网帧的最大长度限制为1518字节。因此，数据字段的最小长度需要达到46字节（6字节目的地址 + 6字节源地址 + 2字节类型字段 + 46字节数据字段 + 4字节FCS = 64字节）以符合最小长度要求。
此外，以太网帧还可能包含其他可选字段，如VLAN标签等，这些字段的长度和位置会根据具体的应用和网络配置而有所不同。上表仅展示了以太网帧的基本格式。
类型/长度字段
从Type/Length字段值可以区分两种帧类型：当Type值小于等于1500（0x05DC）时，帧使用的是IEEE 802.3格式。当Type字段值大于等于1536（0x0600）时，帧使用的是Ethernet II格式。
| 类型字段 | 描述 |
|---|---|
| 0x0800 | IPv4 |
| 0x0806 | ARP |
| 0x86DD | IPv6 |
| 0x8100 | VLAN |
# --------------------------------------
# stm32 打印
# MAC.........02-00-00-48-00-45
# IP..........192.168.10.160
# netmask.....255.255.255.0
# gateway.....192.168.10.1
# --------------------------------------
# 192.168.10.109 -> 192.168.10.160 ICMP 74 Echo (ping) request
-> 02 00 00 48 00 45 2c f0 5d 25 23 f7 08 00 45 00 00 3c 99 4b 00 00 40 01 4b 18 c0 a8 0a 6d c0 a8 0a a0 08 00 4c fe 00 01 00 5d 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70 71 72 73 74 75 76 77 61 62 63 64 65 66 67 68 69
# 02:00:00:48:00:45 Broadcast ARP 60 Who has 192.168.10.109? Tell 192.168.10.160
<- ff ff ff ff ff ff 02 00 00 48 00 45 08 06 00 01 08 00 06 04 00 01 02 00 00 48 00 45 c0 a8 0a a0 00 00 00 00 00 00 c0 a8 0a 6d
# MicroStarINT_25:23:f7 02:00:00:48:00:45 ARP 42 192.168.10.109 is at 2c:f0:5d:25:23:f7
-> 02 00 00 48 00 45 2c f0 5d 25 23 f7 08 06 00 01 08 00 06 04 00 02 2c f0 5d 25 23 f7 c0 a8 0a 6d 02 00 00 48 00 45 c0 a8 0a a0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
# 192.168.10.160 192.168.10.109 ICMP 74 Echo (ping) reply
<- 2c f0 5d 25 23 f7 02 00 00 48 00 45 08 00 45 00 00 3c 99 4b 00 00 ff 01 00 00 c0 a8 0a a0 c0 a8 0a 6d 00 00 00 00 00 01 00 5d 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70 71 72 73 74 75 76 77 61 62 63 64 65 66 67 68 69
# ping ...
-> 02 00 00 48 00 45 2c f0 5d 25 23 f7 08 00 45 00 00 3c 99 4c 00 00 40 01 4b 17 c0 a8 0a 6d c0 a8 0a a0 08 00 4c fd 00 01 00 5e 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70 71 72 73 74 75 76 77 61 62 63 64 65 66 67 68 69
<- 2c f0 5d 25 23 f7 02 00 00 48 00 45 08 00 45 00 00 3c 99 4c 00 00 ff 01 00 00 c0 a8 0a a0 c0 a8 0a 6d 00 00 00 00 00 01 00 5e 61 62 63 64 65 66 67 68 69 6a 6b 6c 6d 6e 6f 70 71 72 73 74 75 76 77 61 62 63 64 65 66 67 68 69
# ...... ping 4 times in total
# MicroStarINT_25:23:f7 02:00:00:48:00:45 ARP 42 Who has 192.168.10.160? Tell 192.168.10.109
-> 02 00 00 48 00 45 2c f0 5d 25 23 f7 08 06 00 01 08 00 06 04 00 01 2c f0 5d 25 23 f7 c0 a8 0a 6d 02 00 00 48 00 45 c0 a8 0a a0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
# 02:00:00:48:00:45 MicroStarINT_25:23:f7 ARP 60 192.168.10.160 is at 02:00:00:48:00:45
<- 2c f0 5d 25 23 f7 02 00 00 48 00 45 08 06 00 01 08 00 06 04 00 02 02 00 00 48 00 45 c0 a8 0a a0 2c f0 5d 25 23 f7 c0 a8 0a 6d 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
4. MAC控制器
IEEE802.3定义了相关以太网行业标准
MII接口
MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。[IEEE803.2-2022 : 22.2.1]
以下是一个通用的MII接口描述：
| 信号名 | 数量 | 全称 | 功能描述 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| TXD[3:0] | 4 | Transmit Data | 从MAC层到物理层的发送数据总线 | 数据信号 |
| TX_EN | 1 | Transmit Enable | 表示MAC层正在发送有效数据的信号 | 控制信号 |
| TX_ER | 1 | Transmit Error | 当MAC层检测到发送错误时发送的信号 | 错误信号 |
| TX_CLK | 1 | Transmit Clock | PHY芯片提供并传递给MAC层的连接时钟信号，用于同步发送数据 | 时钟信号 |
| RXD[3:0] | 4 | Receive Data | 从物理层到MAC层的接收数据总线 | 数据信号 |
| RX_DV | 1 | Receive Data Valid | 表示物理层正在向MAC层发送有效数据的信号 | 状态信号 |
| RX_ER | 1 | Receive Error | 当物理层检测到接收错误时发送的信号 | 错误信号 |
| RX_CLK | 1 | Receive Clock | PHY芯片提供并传递给MAC层的连接时钟信号，用于同步接收数据 | 时钟信号 |
| COL | 1 | Collision Detect | 碰撞检测信号，表示在物理层检测到网络碰撞 | 状态信号 |
| CRS | 1 | Carrier Sense | 载波检测信号，表示物理层检测到网络载波 | 状态信号 |
| MDIO | 1 | Management Data Input/Output | 用于MAC层和物理层之间的控制和状态信息交换的数据线 | 数据信号 |
| MDC | 1 | Management Data Clock | 用于MDIO接口的时钟信号 | 时钟信号 |
- 在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为 25Mhz
- 在 10Mbps 传输速率下，时钟频率为 2.5Mhz
RMII接口
RMII（Reduced Media Independent Interface）是MII接口的简化版本，主要用于低成本的以太网应用。以下是一个简化的RMII接口的MAC层定义接口：
| 信号名 | 数量 | 全程 | 功能描述 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| CLKREF | 1 | Clock Reference | 由外部时钟源提供的50MHz参考时钟，用于RMII接口的同步 | 时钟信号 |
| TXD[1:0] | 2 | Transmit Data | 从MAC层到物理层的发送数据总线，数据位宽为2，是MII接口的一半 | 数据信号 |
| TXEN | 1 | Transmit Enable | 数据发送使能信号，与MII接口中的该信号线功能一样 | 控制信号 |
| RXD[1:0] | 2 | Receive Data | 从物理层到MAC层的接收数据总线，数据位宽为2，是MII接口的一半 | 数据信号 |
| RXER | 1 | Receive Error | 数据接收错误提示信号，与MII接口中的该信号线功能一样 | 错误信号 |
| RCS_DV | 1 | Receive Carrier Sense Detect | 载波检测信号 | 状态信号 |
| MDIO | 1 | Management Data Input/Output | MAC层和物理层之间数据管理的接口，用于控制和状态信息的交换 | 数据信号 |
| MDC | 1 | Management Data Clock | MDIO接口的时钟信号，用于同步MDIO的数据传输 | 时钟信号 |
在RMII接口中，发送和接收的数据线（TXD和RXD）的数据位宽为2，这是MII接口的一半，从而简化了接口设计。CLKREF是外部提供的参考时钟，用于RMII接口的同步，与MII接口不同，MII接口的发送和接收时钟是由物理层芯片提供的。MDIO和MDC用于MAC层和物理层之间的控制和状态信息的交换。
- 在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为 50Mhz
- 在 10Mbps 传输速率下，时钟频率为 5Mhz
GMII接口
GMII（Gigabit Media Independent Interface）是千兆位介质无关接口，它支持高达1000Mbps的数据传输速率。GMII接口在MAC层和物理层之间提供了连接，并定义了它们之间的信号交互。以下是GMII接口的MAC层定义接口的表格，包括信号名、数量、全程、功能描述以及状态：
| 信号名 | 数量 | 全程 | 功能描述 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| TXD[7:0] | 8 | Transmit Data | 从MAC层到物理层的发送数据总线，数据位宽为8 | 数据 |
| TXEN | 1 | Transmit Enable | 数据发送使能信号，与MII接口中的该信号线功能一样 | 控制信号 |
| TXCLK | 1 | Transmit Clock | MAC层发送时钟，用于同步千兆位发送数据 | 时钟信号 |
| GTXCTL | 1 | Gigabit Transmit Control | MAC层发送控制信号，用于控制发送操作 | 控制信号 |
| RXD[7:0] | 8 | Receive Data | 从物理层到MAC层的接收数据总线，数据位宽为8 | 数据 |
| RXER | 1 | Receive Error | 数据接收错误提示信号，与MII接口中的该信号线功能一样 | 错误信号 |
| RXCLK | 1 | Receive Clock | 物理层接收时钟，用于同步千兆位接收数据 | 时钟信号 |
| RXDV | 1 | Receive Data Valid | 表示物理层正在向MAC层发送有效数据的信号 | 状态信号 |
| COL | 1 | Collision Detect | 碰撞检测信号，表示在物理层检测到网络碰撞 | 状态信号 |
| CRS | 1 | Carrier Sense | 载波检测信号，表示物理层检测到网络载波 | 状态信号 |
| MDIO | 1 | Management Data Input/Output | MAC层和物理层之间数据管理的接口，用于控制和状态信息的交换 | 数据信号 |
| MDC | 1 | Management Data Clock | MDIO接口的时钟信号，用于同步MDIO的数据传输 | 时钟信号 |
请注意，GMII接口的具体实现可能因不同的网络硬件和芯片而有所不同。上述表格是基于GMII接口的一般特性。在实际应用中，需要参考相关的硬件文档和规范以获取准确的信息。
GMII接口通过GTXCLK和GRXCLK提供发送和接收的时钟信号，以确保数据的同步传输。GTXCTL和GRXCTL是发送和接收的控制信号，用于控制和报告发送和接收的状态。GTXD和GRXD是发送和接收的数据总线，数据位宽为8，支持千兆位的数据传输速率。GMDIO和GMDC则用于MAC层和物理层之间的控制和状态信息的交换。
这些信号的状态根据网络操作的情况而变化。例如，当MAC层发送数据时，GTXCTL信号将包含相应的发送控制信息；当物理层接收到数据时，GRXCTL信号将反映接收状态。GTXCLK和GRXCLK则保持稳定的时钟信号，以确保数据的正确传输。GMDIO和GMDC信号的状态取决于正在进行的控制和状态信息交换。
- 在 1000Mbps 传输速率下，时钟频率为 125Mhz
- 在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为 25Mhz
- 在 10Mbps 传输速率下，时钟频率为 2.5Mhz
RGMII接口
RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）是GMII接口的简化版本，主要用于低成本的以太网应用。以下是一个简化的RGMII接口的MAC层定义接口：
| 信号名 | 数量 | 全程 | 功能描述 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| TXD[3:0] | 4 | Transmit Data | 从MAC层到物理层的发送数据总线，数据位宽为 | 数据信号 |
| TXEN | 1 | Transmit Enable | 数据发送使能信号，与MII接口中的该信号线功能一样 | 控制信号 |
| GTXCLK | 1 | Transmit Clock | MAC层发送时钟，用于同步千兆位发送数据 | 时钟信号 |
| RXD[3:0] | 4 | Receive Data | 从物理层到MAC层的接收数据总线，数据位宽为4 | 数据信号 |
| RXER | 1 | Receive Error | 数据接收错误提示信号，与MII接口中的该信号线功能一样 | 错误信号 |
| RXCLK | 1 | Receive Clock | 物理层接收时钟，用于同步千兆位接收数据 | 时钟信号 |
| RXDV | 1 | Receive Data Valid | 表示物理层正在向MAC层发送有效数据的信号 | 状态信号 |
| COL | 1 | Collision Detect | 碰撞检测信号，表示在物理层检测到网络碰撞 | 状态信号 |
| CRS | 1 | Carrier Sense | 载波检测信号，表示物理层检测到网络载波 | 状态信号 |
| MDIO | 1 | Management Data Input/Output | MAC层和物理层之间数据管理的接口，用于控制和状态信息的交换 | 数据信号 |
| MDC | 1 | Management Data Clock | MDIO接口的时钟信号，用于同步MDIO的数据传输 | 时钟信号 |
- 在 1000Mbps 传输速率下，时钟频率为 125Mhz，在时钟上下沿同时采样数据
- 在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为 25Mhz，单个时钟采样
- 在 10Mbps 传输速率下，时钟频率为 2.5Mhz，单个时钟采样
XGMII接口
10Gbps的以太网接口
SMI接口
SMI（Serial Management Interface）是一种串行接口，是MII（Media Independent Interface）接口中的管理接口。它包含两根信号线：MDC（管理接口的时钟）和MDIO（双向的数据线）。通过SMI接口，MAC层芯片（或其他控制芯片）可以访问物理层芯片的寄存器，并通过这些寄存器来对物理层芯片进行控制和管理。
MDC是一个非周期信号，它的最小周期（即正电平时间和负电平时间之和）为400ns，最小正电平时间和负电平时间为160ns，最大的正负电平时间则无限制。MDC与TX_CLK和RX_CLK没有任何关系。而MDIO则用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息，这些数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。
此外，MDIO原本是为MII总线接口定义的，MII用于连接MAC和PHY，它包含两种信号接口：一个数据接口用于MAC和PHY之间接收和发送以太网帧数据；另一个就是PHY管理接口，即MDIO，用于读写每个PHY的控制寄存器和状态寄存器，以控制PHY的行为或获取PHY的状态。MDIO是双向的，只支持一个MAC连接最多32个PHY的连接方式，且MAC作为master，PHY作为slave。
总的来说，SMI接口在以太网通信中扮演着重要的角色，为MAC层芯片和物理层芯片之间的控制和状态信息交换提供了便捷的通道。SMI接口的帧格式通常包括几个关键的字段，用于在MAC层和物理层之间传输控制信息和状态信息，简单示例如下：
| 字段名 | 长度 | 描述 |
|---|---|---|
| START | 2b | 帧起始标识：01 |
| OPCODE | 2b | 操作码，10=读，01=写 |
| PHYAD | 5b | 物理层芯片地址，用于标识要访问的物理层芯片 |
| REGAD | 5b | 寄存器地址，用于选择物理层芯片中特定的寄存器 |
| TA | 2b | if op_read: Z0, if op_wirte: 10 |
| DATA | 16b | 数据字段 |
| IDLE | Z高阻态 |