千兆网媒体访问控制技术
1 引言
以太网问世的25年后，以太网在 局域网中已占有统治地位。它始终坚持帧格式不变（从10Mbit/s速率升级到100Mbit/s以及1Gbit/s），给用户的局域网升级带来了很大的方便；以太网用户的增长又产生了规模效应，使得以太网的价格大幅度下降，形成良性特环。现在，数以亿计的用户使 网络的效益大大增长，并且 千兆以太网问世后很快就进入了 城域网领域。根据1998年的统计，全世界以太网 网卡总数已超过4800万块，而 ATM、 FDDI和令牌环的网卡总数仅500万块左右。
千兆以太网问世后，以太网的发展并未停顿，1999年3月成立了IEEE802.3高速研究组（HSSG——Higher Speed Study Group）。HSSG的任务是致力于10G以太网的研究。以太网的发展历程同时也是一个和其它网络相互竞争，并逐渐取得胜利的过程。10Mbit/s以 太网最终淘汰了速率比它快60%的16Mbit/s的令牌环，100Mbit/s快速以太网也使得曾经构成最快局域网/城域网的FDDI变成了历史。千兆 以太网和10G以太网的问世，使以太网的市场占有率进一步地得到提高，使得ATM在城域网和 广域网中的地位受到更加严峻的挑战。
2 GMAC简述
GMAC是为了满足千兆网传输而发展起来的，它是构成千兆网必备的条件之一。GMAC在七层 ISO标准中属于数据链路层，它对逻辑链路和物理链路之间的通道进行控制和协调，可以连接各种不同物理媒介，不同物理媒介有不同的GMAC标准，GMAC的标准由IEEE802工作组制定。
GMAC可以分为四个部分：帧发送（Frame Transmission）、帧接收（Frame Reception）、GMAC控制（GMAC Control）、媒体独立接口管理（GMII）。
帧发送：接收GMAC客户（上层协议）传下来的数据，在数据段头尾加上一些控制信息，组成一个以太网数据帧，并将该数据帧以位数据流的形式传送到物理层，以待发送。
帧接收：接收从物理层来的位数据流，在接收完一帧的数据后，检查该帧是否有效（如目的地址、计算校验码、字节对齐等），若有效就去除数据帧的头尾将数据字段提交给上层协议，否则就丢弃该数据帧。
GMAC控制：用于全双工模式下控制帧的生成、检测，它处在主机和发送、接收模块之间，对普通的数据帧来说是透明的。
媒体独立接口管理：控制物理层的输入输出操作，检查物理层的状态信息。
3 GMAC工作模式
GMAC本身并不会接收和发送网络数据，而只是对物理层的接收和发送的行为进行控制。物理层是真正实现数据收发功能的地方，但它不会对数据进行任何区分 和处理，当发现网络上有数据，它就把数据从网络上取下来送给GMAC，当GMAC有数据给它时，它就把数据放到网络上。GMAC的作用是把物理层送上来的 数据进行区分，如果数据包的目的地址是本机，就把数据包适当处理后提交给上层协议，如果不是就丢弃该数据包，在发送时，GMAC在待发送的数据包上加一些 信息后直接交给物理层。实际上GMAC和PHY（物理层）之间的接口是标准的，不管是什么物理网络，MAC都可以通过标准接口对物理层的行为进行控制，而 且一个GMAC可以同时管理多个PHY的行为。
GMAC的工作方式有半双工和全双工两种。
半双工模式：GMAC client将数据传给GMAC后，GMAC先给数据加上Preamble、FSD、FCS，组成以太网帧，然后检查载波侦听信号（CRS），若有载波信号，表示有数据正在 本地网段上传播，就等待直到载波信号消失，载波信号消失后，GMAC还要等待一个帧间延时（interFrame Spacing），若在帧间延时期间，一直没有载波信号，该以太网帧就可以开始向物理层传输。
当物理层在传送数据的过程中，网络上同时也有其它数据在传输，就会产生冲突，（collision），物理层检查到冲突后，向GMAC发送冲突信 息，GMAC检查是normal collision还是late collision，如果是normal collision，停止传输数据，传送32位的jam数据流，然后等待一个随机时间段后进行重传，如果是late collision，在传送jam数据流后丢弃该数据包。如果重传的次数达到16次，丢弃该数据包。接收数据时，当GMAC收到一帧数据时，首先检查目的 地址是否正确，然后检查以太网帧是否8byte对齐（位长度是8的倍数），若没有对齐，将FCS前的数据段截取成字节对齐，接着根据收的数据产生CRC， 与收到的FCS比较，不相等就丢弃该帧。最后去除Preamble、FSD和FCS，将数据传给上层协议。
全双工模式：GMAC从GMAC Client接收到数据后，不需要载波侦听和冲突检测，直接向物理层传送，其它操作与半双工相同。
4 GAMC中几个重要概念介绍
4.1 载波侦听
（适用于半双工）在GMAC开始向物理层传输数据之前，GMAC进行载波侦听，如果物理网路上有载波，说明有数据正在传输，本地数据必须要等待，当侦听 到载波消失，本地数据就可以准备发送，但GSMA/CD协议规定两帧数据之间必须有inter-FrameGap（或 interFrameSpacing），以便使整个网路上的其它设备有足够的时间恢复状态，所以载波消失后还要等待interFrameGap的时间，当 inter-FrameGap结束而且其间一直没有载波时，数据就可以开始发送了，如果在interFrameGap其间侦听到载波信号，本地数据重新开 始等待过程。
4.2 冲突检测
（适用于半双工）在数据向物理层传输的过程中，网络上可能会同时出现两组数据在传输，当两组数据在网路上相遇时，就发生冲突（collision），GMAC检测到冲突后，判别冲突的类型：
（1）normal collision：冲突发生在以太网帧的前512bit内，它又可分为两类：
①冲突发生在（Preamble+FSD）之内，则将（Preamble+FSD）传送完，接着传送一个32bit的jam数据流，然后开始back off（等待重传）；
②站突发生在（Preamble+FSD）之后，则立即停止当前的数据传送，接着传送一个32bit的jam数据流，然后开始back off（等待重传）；
（2）late collision：突冲发生在以太网帧的512bit之后，结果冲突发生，则立即停止当前的数据传送，接着传送一个32bit的jam数据流，并且将该数据包丢弃，通知上层协议发生late collision（寄存器置位）；
* * * *传送jam数据流是为了保证本地网路的值是任意的，只要求不是有意的使其等于已经传送数据的CRC。
4.3 Slot Time
对于半双工来说，这是一个很重要的概念。因为半双工模式下工作时会出现冲突，就要求当冲突出现时网路上的每个设备都能检测到，所以CSMA/CD规定了与物理层紧密联系的Slot Time。
4.4 Interframe Gap(Interframe Spacing)
连续两帧之间的空闲时间，用于设备恢复，以便下一帧数据的接收，长度为96bit时（24个时钟周期），任何一个以太网帧，则在传输前都要等待 InterframeGap。InterframeGap分成0.06us和0.036us两个部分，如果在前面0.06us内检测到载波，停止等待，直 到载波消失再重新开始等待InterframeGap，如果在后面的0.036us内检测到载波，忽略该载波信号。InterframeGap使网路上的 各个设备都有相同的机会获得网路。
4.5 Back off
当发生normal collision时，就需要back off，等待数据重传，back off实际上是一个等待的过程，等待的时间r是0和二进制递增值之间的随机数，如果数据帧是第n次重传（前面n-1次都发生冲 突，n≤16），k=min(n,10)，二进制递增值就是2k，所以随机数值的范围为0≤r<2k，当本地数据等待r个Slog Time后，就可以准备重传数据（需要再等待interFrameGap）。
4.6 Pause Frame
控制帧的一种（也是目前唯一的控制帧），在全双工模式下，A、B之间进行通信，当A的数据传送很快，造成B出现拥塞状况的时候，B可以向A发送一个 Pause Frame，要求A暂停发送数据，A收到暂停帧后，就停止数据发送，暂停的时间有Pause Frame中的字段决定，当暂停时间结束时，A继续传送数据。暂停帧是控制帧的一种，所以Length/Type的值为h8808（控制帧类型），操作码 为h0001（表示暂停），16bit的参数决定暂停的时间，单位：Slot Time，范围：h0000-hffff。在暂停期间，暂停帧仍旧能够发送和接收，若A处于暂停状态，又接收到B的一个暂停帧，则A开始等待新的暂停时 间，若新的暂停时间为0，则立即恢复以前的状态继续发送数据，所以发送一个0时间的暂停帧可以取消对方的暂停状态。
4.7 无效数据帧
下面几种情况的数据帧是无效的：
①收到的数据帧的长度和Length/Type（表示长度）的值不相等；
②收到的数据帧的长度不是整数个字节，在这种情况下，要进行字节对齐截取成最近的整数个字节；
③GMAC根据数据帧产生的CRC校验码与数据帧中的FCS不等（一般用Magic Number来检测）；
5 以太网帧的格式
①Preamble：该字段为7个10101010’b，数值没有实际的意义，只是让物理层做好接收数据的准备；
②SFD（start framc delimiter）：紧跟着Preamble，固定值10101011'b，表示数据帧开始；
③DA（dest.MAC address）：以太网帧的目的地址，可以是单机地址，也可以使多播、广播地址；
④SA（source MAC address）：以太网帧的源地址，单机地址，如果GMAC Client给GMAC传输的数据帧中SA为空，GMAC必须填充SA；
⑤Length/Type：当该值小于1536时表示数据段的长度，当大于等于1536时表示上层协议的类型，此时传送的以太网帧都是固定长度的（相应于帧类型），一般用于控制等特殊用途；
⑥GMAC Client Data：上层协议的数据字段；
⑦Pad：填充字段，当GMAC Client Data的长度小于46b时，由于规定了最小以太网帧长度，所以必须对GMAC Client Data进行填充（padding），使其达到48b，填充的内容任意；
⑧FCS（frame check sequence）：CRC字段，32 b CRC校验码由802.3规定的校验公式决定，作用范围是从DA字段到Pad字段（如果有的话）；
6 GMAC的接收框图。
7 GMAC发送框图
8 结束语
GMAC是构建千兆网所必须的，随着千兆网的深入研究和广泛应用，GMAC有着广阔的前景。但GMAC芯片的设计还是有很多问题有待解决，GMAC和host端的接口问题、GMAC本身的延时控制、FIFO的大小及速度问题等待。
参考文献
[1] SIO/IEC 8802-3 Carrier sense multiple access with Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications [J]. IEEE Communications Magazine,2000
[2] Igor Mohor Ethernet IP Core Opencores.org Feb.18-2002
以太网问世的25年后，以太网在 局域网中已占有统治地位。它始终坚持帧格式不变（从10Mbit/s速率升级到100Mbit/s以及1Gbit/s），给用户的局域网升级带来了很大的方便；以太网用户的增长又产生了规模效应，使得以太网的价格大幅度下降，形成良性特环。现在，数以亿计的用户使 网络的效益大大增长，并且 千兆以太网问世后很快就进入了 城域网领域。根据1998年的统计，全世界以太网 网卡总数已超过4800万块，而 ATM、 FDDI和令牌环的网卡总数仅500万块左右。
千兆以太网问世后，以太网的发展并未停顿，1999年3月成立了IEEE802.3高速研究组（HSSG——Higher Speed Study Group）。HSSG的任务是致力于10G以太网的研究。以太网的发展历程同时也是一个和其它网络相互竞争，并逐渐取得胜利的过程。10Mbit/s以 太网最终淘汰了速率比它快60%的16Mbit/s的令牌环，100Mbit/s快速以太网也使得曾经构成最快局域网/城域网的FDDI变成了历史。千兆 以太网和10G以太网的问世，使以太网的市场占有率进一步地得到提高，使得ATM在城域网和 广域网中的地位受到更加严峻的挑战。
2 GMAC简述
GMAC是为了满足千兆网传输而发展起来的，它是构成千兆网必备的条件之一。GMAC在七层 ISO标准中属于数据链路层，它对逻辑链路和物理链路之间的通道进行控制和协调，可以连接各种不同物理媒介，不同物理媒介有不同的GMAC标准，GMAC的标准由IEEE802工作组制定。
GMAC可以分为四个部分：帧发送（Frame Transmission）、帧接收（Frame Reception）、GMAC控制（GMAC Control）、媒体独立接口管理（GMII）。
帧发送：接收GMAC客户（上层协议）传下来的数据，在数据段头尾加上一些控制信息，组成一个以太网数据帧，并将该数据帧以位数据流的形式传送到物理层，以待发送。
帧接收：接收从物理层来的位数据流，在接收完一帧的数据后，检查该帧是否有效（如目的地址、计算校验码、字节对齐等），若有效就去除数据帧的头尾将数据字段提交给上层协议，否则就丢弃该数据帧。
GMAC控制：用于全双工模式下控制帧的生成、检测，它处在主机和发送、接收模块之间，对普通的数据帧来说是透明的。
媒体独立接口管理：控制物理层的输入输出操作，检查物理层的状态信息。
3 GMAC工作模式
GMAC本身并不会接收和发送网络数据，而只是对物理层的接收和发送的行为进行控制。物理层是真正实现数据收发功能的地方，但它不会对数据进行任何区分 和处理，当发现网络上有数据，它就把数据从网络上取下来送给GMAC，当GMAC有数据给它时，它就把数据放到网络上。GMAC的作用是把物理层送上来的 数据进行区分，如果数据包的目的地址是本机，就把数据包适当处理后提交给上层协议，如果不是就丢弃该数据包，在发送时，GMAC在待发送的数据包上加一些 信息后直接交给物理层。实际上GMAC和PHY（物理层）之间的接口是标准的，不管是什么物理网络，MAC都可以通过标准接口对物理层的行为进行控制，而 且一个GMAC可以同时管理多个PHY的行为。
GMAC的工作方式有半双工和全双工两种。
半双工模式：GMAC client将数据传给GMAC后，GMAC先给数据加上Preamble、FSD、FCS，组成以太网帧，然后检查载波侦听信号（CRS），若有载波信号，表示有数据正在 本地网段上传播，就等待直到载波信号消失，载波信号消失后，GMAC还要等待一个帧间延时（interFrame Spacing），若在帧间延时期间，一直没有载波信号，该以太网帧就可以开始向物理层传输。
当物理层在传送数据的过程中，网络上同时也有其它数据在传输，就会产生冲突，（collision），物理层检查到冲突后，向GMAC发送冲突信 息，GMAC检查是normal collision还是late collision，如果是normal collision，停止传输数据，传送32位的jam数据流，然后等待一个随机时间段后进行重传，如果是late collision，在传送jam数据流后丢弃该数据包。如果重传的次数达到16次，丢弃该数据包。接收数据时，当GMAC收到一帧数据时，首先检查目的 地址是否正确，然后检查以太网帧是否8byte对齐（位长度是8的倍数），若没有对齐，将FCS前的数据段截取成字节对齐，接着根据收的数据产生CRC， 与收到的FCS比较，不相等就丢弃该帧。最后去除Preamble、FSD和FCS，将数据传给上层协议。
全双工模式：GMAC从GMAC Client接收到数据后，不需要载波侦听和冲突检测，直接向物理层传送，其它操作与半双工相同。
4 GAMC中几个重要概念介绍
4.1 载波侦听
（适用于半双工）在GMAC开始向物理层传输数据之前，GMAC进行载波侦听，如果物理网路上有载波，说明有数据正在传输，本地数据必须要等待，当侦听 到载波消失，本地数据就可以准备发送，但GSMA/CD协议规定两帧数据之间必须有inter-FrameGap（或 interFrameSpacing），以便使整个网路上的其它设备有足够的时间恢复状态，所以载波消失后还要等待interFrameGap的时间，当 inter-FrameGap结束而且其间一直没有载波时，数据就可以开始发送了，如果在interFrameGap其间侦听到载波信号，本地数据重新开 始等待过程。
4.2 冲突检测
（适用于半双工）在数据向物理层传输的过程中，网络上可能会同时出现两组数据在传输，当两组数据在网路上相遇时，就发生冲突（collision），GMAC检测到冲突后，判别冲突的类型：
（1）normal collision：冲突发生在以太网帧的前512bit内，它又可分为两类：
①冲突发生在（Preamble+FSD）之内，则将（Preamble+FSD）传送完，接着传送一个32bit的jam数据流，然后开始back off（等待重传）；
②站突发生在（Preamble+FSD）之后，则立即停止当前的数据传送，接着传送一个32bit的jam数据流，然后开始back off（等待重传）；
（2）late collision：突冲发生在以太网帧的512bit之后，结果冲突发生，则立即停止当前的数据传送，接着传送一个32bit的jam数据流，并且将该数据包丢弃，通知上层协议发生late collision（寄存器置位）；
* * * *传送jam数据流是为了保证本地网路的值是任意的，只要求不是有意的使其等于已经传送数据的CRC。
4.3 Slot Time
对于半双工来说，这是一个很重要的概念。因为半双工模式下工作时会出现冲突，就要求当冲突出现时网路上的每个设备都能检测到，所以CSMA/CD规定了与物理层紧密联系的Slot Time。
4.4 Interframe Gap(Interframe Spacing)
连续两帧之间的空闲时间，用于设备恢复，以便下一帧数据的接收，长度为96bit时（24个时钟周期），任何一个以太网帧，则在传输前都要等待 InterframeGap。InterframeGap分成0.06us和0.036us两个部分，如果在前面0.06us内检测到载波，停止等待，直 到载波消失再重新开始等待InterframeGap，如果在后面的0.036us内检测到载波，忽略该载波信号。InterframeGap使网路上的 各个设备都有相同的机会获得网路。
4.5 Back off
当发生normal collision时，就需要back off，等待数据重传，back off实际上是一个等待的过程，等待的时间r是0和二进制递增值之间的随机数，如果数据帧是第n次重传（前面n-1次都发生冲 突，n≤16），k=min(n,10)，二进制递增值就是2k，所以随机数值的范围为0≤r<2k，当本地数据等待r个Slog Time后，就可以准备重传数据（需要再等待interFrameGap）。
4.6 Pause Frame
控制帧的一种（也是目前唯一的控制帧），在全双工模式下，A、B之间进行通信，当A的数据传送很快，造成B出现拥塞状况的时候，B可以向A发送一个 Pause Frame，要求A暂停发送数据，A收到暂停帧后，就停止数据发送，暂停的时间有Pause Frame中的字段决定，当暂停时间结束时，A继续传送数据。暂停帧是控制帧的一种，所以Length/Type的值为h8808（控制帧类型），操作码 为h0001（表示暂停），16bit的参数决定暂停的时间，单位：Slot Time，范围：h0000-hffff。在暂停期间，暂停帧仍旧能够发送和接收，若A处于暂停状态，又接收到B的一个暂停帧，则A开始等待新的暂停时 间，若新的暂停时间为0，则立即恢复以前的状态继续发送数据，所以发送一个0时间的暂停帧可以取消对方的暂停状态。
4.7 无效数据帧
下面几种情况的数据帧是无效的：
①收到的数据帧的长度和Length/Type（表示长度）的值不相等；
②收到的数据帧的长度不是整数个字节，在这种情况下，要进行字节对齐截取成最近的整数个字节；
③GMAC根据数据帧产生的CRC校验码与数据帧中的FCS不等（一般用Magic Number来检测）；
5 以太网帧的格式
①Preamble：该字段为7个10101010’b，数值没有实际的意义，只是让物理层做好接收数据的准备；
②SFD（start framc delimiter）：紧跟着Preamble，固定值10101011'b，表示数据帧开始；
③DA（dest.MAC address）：以太网帧的目的地址，可以是单机地址，也可以使多播、广播地址；
④SA（source MAC address）：以太网帧的源地址，单机地址，如果GMAC Client给GMAC传输的数据帧中SA为空，GMAC必须填充SA；
⑤Length/Type：当该值小于1536时表示数据段的长度，当大于等于1536时表示上层协议的类型，此时传送的以太网帧都是固定长度的（相应于帧类型），一般用于控制等特殊用途；
⑥GMAC Client Data：上层协议的数据字段；
⑦Pad：填充字段，当GMAC Client Data的长度小于46b时，由于规定了最小以太网帧长度，所以必须对GMAC Client Data进行填充（padding），使其达到48b，填充的内容任意；
⑧FCS（frame check sequence）：CRC字段，32 b CRC校验码由802.3规定的校验公式决定，作用范围是从DA字段到Pad字段（如果有的话）；
6 GMAC的接收框图。
7 GMAC发送框图
8 结束语
GMAC是构建千兆网所必须的，随着千兆网的深入研究和广泛应用，GMAC有着广阔的前景。但GMAC芯片的设计还是有很多问题有待解决，GMAC和host端的接口问题、GMAC本身的延时控制、FIFO的大小及速度问题等待。
参考文献
[1] SIO/IEC 8802-3 Carrier sense multiple access with Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications [J]. IEEE Communications Magazine,2000
[2] Igor Mohor Ethernet IP Core Opencores.org Feb.18-2002