用示波器揭示以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制

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作者：硬件十萬個(gè)為什么

   1、文章概要   
本文以雙絞線以太網(wǎng)為分析對(duì)象，以混合信號(hào)示波器為分析工具，深入探秘了兩類常見的雙絞線以太網(wǎng)的編碼，且實(shí)地查看并驗(yàn)證了以太網(wǎng)在物理層的信號(hào)傳輸情況。最后，通過一個(gè)實(shí)戰(zhàn)例子對(duì)比了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中軟件接收的數(shù)據(jù)和示波器捕獲信號(hào)之間的一致性。


本文打通軟硬件之間的隔閡，從物理層揭示了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制，也充分發(fā)揮了現(xiàn)代化混合信號(hào)示波器的總線解碼能力。
本文目錄：
■ 1.  以太網(wǎng)概述
■ 2.  10 Base-T以太網(wǎng)
■ 3.  100 Base-TX以太網(wǎng)
         3.1  4B5B
         3.2  MLT-3
         3.3  NRZ-I
         3.4  示例
         3.5  實(shí)戰(zhàn)
■ 4.  總結(jié)
■ 參考文獻(xiàn)
  2、以太網(wǎng)概述   
以太網(wǎng)（Ethernet）是一種常見的計(jì)算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在IEEE 802.3中規(guī)定 [1]。目前廣泛使用的以太網(wǎng)通過雙絞線（俗稱網(wǎng)線）交換信息，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要在TIA/EIA-568中規(guī)定 [2]。

本文以最常見的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為例，利用混合信號(hào)示波器的協(xié)議解碼功能，揭秘以太網(wǎng)上的信號(hào)是如何傳輸?shù)�。通常�?duì)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析都在軟件上進(jìn)行，例如著名的Wireshark工具可以對(duì)指定網(wǎng)卡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行捕獲并解析 [3]。但這樣的操作屏蔽了物理層的差異，本文將更進(jìn)一步揭秘物理層上數(shù)據(jù)具體是如何轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并傳輸?shù)摹?br />
以太網(wǎng)（10 Base-T）和快速以太網(wǎng)（100 Base-TX）可以使用同一種雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其引腳定義如圖1所示。

圖1. 網(wǎng)線的引腳定義 [1]
以T568B為例，其中用到了4根線，構(gòu)成2個(gè)差分對(duì)（TX和RX）。不失一般性，我們?nèi)∑渲幸粚?duì)（TX）作為分析對(duì)象。因此需要引出Pin 1和Pin 2，用于連接示波器探頭來抓取信號(hào)。這里剪開一根網(wǎng)線，在Pin 1和2上分別引出一根導(dǎo)線，做成分析用的專用跳線，如圖2所示。

圖2. 在雙絞線的Pin 1和2上分別引出一根導(dǎo)線
這一對(duì)線上傳輸?shù)氖遣罘中盘?hào)，因此最好用差分探頭（例如TDP1500）。當(dāng)然這里用到的跳線比較短，用普通的無源探頭也可以，只是信號(hào)質(zhì)量會(huì)受到一定的影響。
   3、10base-T以太網(wǎng)   
10 Base-T的傳輸速率是10Mbps，使用曼徹斯特編碼（相位編碼）數(shù)據(jù)。“0”用下降沿表示，“1”用上升沿表示。如圖3所示，這是一段由示波器抓取到的差分波形。在確認(rèn)最小脈寬后，可以通過判斷周期性的邊沿方向來辨識(shí)“0”或“1”。

圖3. 10 Base-T的曼徹斯特編碼解析
接下來，需要將二進(jìn)制序列組裝成數(shù)據(jù)幀，由于包含多個(gè)協(xié)議的堆疊（MAC、IP、TCP等），手動(dòng)解碼會(huì)比較復(fù)雜，可以直接使用示波器的總線解碼工具進(jìn)行解碼并顯示。如圖4所示，將總線設(shè)為“Ethernet”，速度設(shè)為“10 Base-T”，信號(hào)類型設(shè)為“差分”，其它選項(xiàng)根據(jù)實(shí)際情況選擇或保持默認(rèn)就可以了。

圖4. 10 Base-T解碼設(shè)置
解碼結(jié)果如圖5所示，可以看到這是一個(gè)IPv4的數(shù)據(jù)幀，放大后可以看到MAC地址等數(shù)據(jù)包內(nèi)的具體內(nèi)容。

圖5. 10 Base-T解碼結(jié)果
   4、100base-TX以太網(wǎng)   
相比10 Base-T，100 Base-TX帶來了10倍的速度提升，達(dá)到100Mbps。它的編碼協(xié)議也變得復(fù)雜得多，主要涉及3個(gè)關(guān)鍵詞：4B5B、MLT-3和NRZ-I。
3.1
4B5B
4B5B表示使用5位二進(jìn)制編碼來表示1組4 bits數(shù)據(jù) [4]。這樣做的原因是使得傳輸線上有足夠多的跳變用來恢復(fù)時(shí)鐘。4B5B的編碼規(guī)則是預(yù)先定義的，如果僅僅用來解碼，只需要查表即可，如圖6所示。

舉例：“0000”或“1111”如果直接傳輸，會(huì)帶來4個(gè)一樣的編碼，很有可能引入較強(qiáng)的直流分量，但經(jīng)過4B5B編碼后，分別變成了“11110”和“11101”，就緩解這個(gè)問題了。4B5B的缺點(diǎn)是，需要增加額外的25%傳輸帶寬，因此100 Base-TX雖然數(shù)據(jù)傳輸率是100MBps，卻需要125Mhz的時(shí)鐘頻率。

圖6. 4B5B對(duì)應(yīng)關(guān)系表
3.2
MLT-3
MLT-3表示“Multi-Level Transmit”，即使用多個(gè)電壓級(jí)別來傳輸數(shù)據(jù) [5]。MLT-3使用3個(gè)電壓，在差分傳輸線上，3個(gè)電壓可以歸一化記為“-1”、“0”和“+1”。
MLT-3通過切換電壓來實(shí)現(xiàn)跳變，順序遵循兩個(gè)規(guī)則：一是，如果跳變前電壓是-1或+1，則跳變后電壓是0；二是，如果跳變前電壓是0，則跳變后電壓與上一個(gè)非0值的電壓相反。

因此可簡(jiǎn)單總結(jié)跳變順序?yàn)椋?1 → 0 → +1，或+1 → 0 → -1。
3.3
NRZ-I
MLT-3描述了電壓跳變的規(guī)則，但沒有說明電壓跳變與數(shù)據(jù)“0”、“1”的關(guān)系。NRZ-I為“Non-Return-to-Zero Inverted”的縮寫，即不歸零反轉(zhuǎn)碼。這種編碼規(guī)定數(shù)據(jù)“0”不跳變，數(shù)據(jù)“1”跳變。
3.4
示例
綜合前面三個(gè)關(guān)鍵詞，可以簡(jiǎn)單概括100 Base-TX的電信號(hào)變化規(guī)律如下：

100 Base-TX首先通過4B5B編碼將每4位數(shù)據(jù)編碼成5位二進(jìn)制編碼；接著使用3種電壓傳輸數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)為“0”，電壓不跳變，如果數(shù)據(jù)為“1”，電壓跳變1次，且總是往歷史電平相反的方向跳變，例如-1 → 0 → +1，或+1 → 0 → -1。

最后，100 Base-TX并不直接傳輸信號(hào)本身，而是傳輸信號(hào)與擾碼的異或結(jié)果，如圖7所示。截取的信號(hào)首先通過MLT-3的規(guī)則解碼，每5位一組，用綠色字體標(biāo)識(shí)。接下來，找到解擾碼（scrambler key）序列。

擾碼不是加密，只是用來改善電磁特性。因此，加擾和解擾都只需做異或（XOR）操作，使用同一個(gè)序列。100 Base-TX使用一個(gè)11位的線性反饋移位寄存器（LFSR）來生成2047位長(zhǎng)的偽隨機(jī)數(shù)序列。這對(duì)于手動(dòng)找到同步的位置帶來了非常大的困難，但是如果是程序自動(dòng)同步，就非常容易了。解擾后的數(shù)據(jù)是5 bits一組，反查4B5B的編碼表，就可以得到4 bits一組的數(shù)據(jù)。圖7中展示了3個(gè)字節(jié)的編碼分析結(jié)果。

圖7. 100 Base-TX的編碼解析
雖然100 Base-TX手動(dòng)解碼非常困難，但是借助示波器的總線解碼工具，可以非常快速方便地完成解碼。示波器的設(shè)置，如圖8所示。由于是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并沒有太多選項(xiàng)，將總線設(shè)為“Ethernet”，速度設(shè)為“100 Base-TX”，信號(hào)類型設(shè)為“差分”，其它選項(xiàng)根據(jù)實(shí)際情況選擇或保持默認(rèn)就可以了。

圖8. 100 Base-TX解碼設(shè)置
解碼結(jié)果，如圖9所示。

圖9. 100 Base-TX解碼結(jié)果
100 Base -TX的解碼流程復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，檢索不方便，通常需要協(xié)議分析軟件輔助才可以進(jìn)一步分析。現(xiàn)在混合信號(hào)示波器中已經(jīng)集成了解碼和分析功能，只需要一根特制的網(wǎng)線，就可以完成全部分析工作，徹底將以太網(wǎng)的傳輸機(jī)制展示在屏幕上。
3.5
實(shí)戰(zhàn)
我們通過2臺(tái)計(jì)算機(jī)組成一個(gè)小局域網(wǎng)，在局域網(wǎng)之間進(jìn)行ping操作的實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。通過Wireshark捕獲，我們可以看到在網(wǎng)口上已經(jīng)有了若干ping request和reply數(shù)據(jù)包，如圖10所示。在TX差分對(duì)上，我們理應(yīng)找到發(fā)出去的ping request數(shù)據(jù)包，源地址是192.168.0.2，目標(biāo)地址是192.168.0.1。

在示波器上，我們?cè)O(shè)置好Ethernet總線解碼，并將觸發(fā)設(shè)置為指定的IP。如圖11所示，觸發(fā)位置選為“IP標(biāo)頭”，源地址設(shè)為“192.168.0.2”，這樣當(dāng)出現(xiàn)指定源地址的數(shù)據(jù)包后，示波器就會(huì)被觸發(fā)。


如圖12所示，是通過上述設(shè)置后示波器捕獲并解碼的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過對(duì)比，和Wireshark上軟件捕獲的數(shù)據(jù)相一致。

圖10. Wireshark捕獲的ping request和reply數(shù)據(jù)包

圖11. 觸發(fā)設(shè)置為指定IP

圖12. 示波器捕獲并解碼的ping request數(shù)據(jù)包
4、總結(jié)
軟件和硬件總是存在一些隔閡。例如在以太網(wǎng)分析上，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域主要從軟件層面介紹邏輯鏈路層及更高層的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對(duì)于物理層的介紹比較簡(jiǎn)單。而傳統(tǒng)的硬件領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)字信號(hào)往往只介紹簡(jiǎn)單的串行總線，并不會(huì)拿比較復(fù)雜的以太網(wǎng)作為例子。

本文深入分析了兩類常見的雙絞線以太網(wǎng)的編碼，并利用混合信號(hào)示波器的總線解碼功能，查看并驗(yàn)證了以太網(wǎng)在物理層的信號(hào)傳輸情況。最后，通過一個(gè)實(shí)戰(zhàn)例子對(duì)比了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中軟件接收的數(shù)據(jù)和示波器捕獲信號(hào)之間的一致性，從物理層揭示了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制。
參考文獻(xiàn)
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/ANSI/TIA-568
[3] https://www.wireshark.org
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/4B5B
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/MLT-3_encoding
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