第07章 接口技术.docx
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第07章接口技术
第7章接口技术
本章主要讲述迈普系列路由器中一些模块接口通信方面的原理及调试信息，旨在帮助用户了解一些路由器的深层次的技术知识，从此亦可以找出路由器出现故障的原因，迅速排除故障。
7.1以太网口模块
7.1.1以太网地址（MAC地址）
在以太网环境中，标识网络节点设备的地址称为以太网地址。
以太网地址为长度48位的二进制数，通常用点分十六进制数表示，形如00.00.00.00.00.00，称为以太网物理地址。
这个地址不仅可以表示一个硬件接口，还可以表示广播地址和多播地址。
用全1表示广播地址，即在以太网范围内所有网络节点都可以收到广播报文。
广播地址形如ff.ff.ff.ff.ff.ff。
用左起第8位为1（二进制）的地址表示多播地址，形如01.00.00.00.00.00。
一个主机接口通常能接收两种发送：
对本接口物理地址寻址的发送和广播发送。
7.1.2地址解析
在IP网络中，一个设备有数据链路（MAC）地址（在局域网上唯一地标识一个接口），也可能有一个网络地址（标识设备所在的那个网络和主机号）。
在以太网上当两台设备通讯时，必须首先从设备的IP地址确定设备的48位MAC地址，然后才能实现物理层的通信。
从一个IP地址确定局部数据链路地址的过程称作地址解析。
相反，从局部数据链路地址确定IP地址的过程称作反地址解析。
迈普路由器支持以太网的地址解析协议（ARP）。
ARP用于将IP地址与MAC地址相关联。
将IP地址作为输入，ARP确定相关联的MAC地址。
一旦确定了MAC地址之后，IP地址/MAC地址关联就存放在ARP高速缓存中以便高速检索。
然后，IP数据报被封装在链路层的帧中，并在网上发送。
7.1.3以太网的控制方法
以太网的控制方法是所谓的带有冲突检测的载波侦听多路存取（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD），CSMA/CD是对格式化了的数据帧进行传输和解码的算法（计算机逻辑）。
在以太网中，发送结点使用CSMA/CD将帧封装以备传输。
网络上想要传输帧的所有结点都与另外的结点竞争资源，没有哪个结点的优先级比其它结点高。
结点在电缆上监听所有包的传输，如果检测到一个包，非发送结点就进入“延迟”状态。
以太网协议要求每次只有一个结点进行传输。
传输通过发送一个载波信号来完成。
为了检测传输中是否有载着数据的信号，需要检查通信电缆中特定的电压级别，这个过程就是载波侦听（carriersense）。
当在给定时间内没有在通信介质中检测到信号流量时，所有结点便都具备传输的资格。
在少数情况下，会出现多个结点同时传输的现象，这就会引起冲突（collision）。
传输结点是通过测量信号长度来检测冲突的：
如果信号至少有正常长度的两倍长，就说明发生了冲突。
传输结点应用冲突检测软件算法从包冲突中恢复，这种算法会给已经传输了的数据站分配一段时间让它们继续传输。
继续传输的是全部为二进制1的停发信号，通知所有的结点出现了冲突。
然后在每个结点上的软件产生随机的数字，作为传输前需要等待的时间值。
这样就保证了不会有两个结点试图同时再次传输。
7.1.4以太网帧格式
7.1.4.1802.3帧格式
当数据在以太网中传输时，被封装在帧中（见图7-1。
帧的组成部分都是预定义的。
第1部分为前同步信号，56位长。
前同步信号同步帧的传输，由交替的0和1构成。
下一个域是8位的帧起始定界符（StartFrameDelimiter，SFD）。
帧起始定界符的形式为10101011。
在帧起始定界符之后，跟随着两个包含目标地址和源地址的地址域。
根据IEEE802.3标准，地址域是48位。
接下来就是指定帧长度的16位域。
帧的数据部分在长度域之后。
封装的数据的长度必须是8位的倍数，如果不是，就必须包含一个填充域。
帧的最末部分是帧校验序列（FrameCheckSequence，FCS）域，32位长，允许使用循环冗余校验法（CyclicRedundancyCheck，CRC）进行错误检测。
这个值是在封装时从帧的其它域中计算出来的，当目标结点接收到帧时会重新计算一次。
如果重新计算的值与原来计算出来的值不同，就会产生错误，接收结点就要求帧重新传输。
当重计算的值与原来的值完全匹配时，CRC比较算法产生结果0，不发出重新计算的要求。
现在CRC算法已经被指定为IEEE标准。
前同步信号
56
帧起始定界符
8
目标地址
48
源地址
48
数据段长度
16
数据位
0-12000
填充位
0-368
校验和
32
图7-1802.3的帧格式
7.1.4.2EthernetII帧格式
EthernetII是一种以太网数据格式化方法，用于Internet和其它现代网络中，与IEEE802.3标准的差别很小，从而使得网络传输更有效。
在EthernetII中，前同步信号为64位长，包含有起始分界符和帧开始定界符（SOF）。
EthernetII中的目标和源地址都是严格的48位（图7-2）。
EthernetII使用16位类型域而不是长度域，该域用于高水平的网络通信。
数据域无须填充域来封装，长度界于576位和12,208位之间。
域尺寸的最小值和最大值有利于提高包的冲突检测，并确保一个大型的包不会太长时间地占据网络。
EthernetII帧中的最后一个域是32位长的帧校验序列（FCS）域，按照802.3标准中的方法执行CRC。
前同步信号
56
SOF
8
目标地址
48
源地址
48
类型
16
数据
576-12,208
FCS
32
前同步信号
图7-2EthernetII的帧格式
7.1.4.3Ethernet_SNAP帧格式
LLC的IEEE802.2标准的另一特征就是子网络访问协议（SubNetworkAccessProtocol，SNAP）。
SNAP提供了一条快速适应与802.2标准不完全一致的协议（如AppleTalk、DEC的LAT协议等）的途径。
当这些协议没有预建立的SAP时，DSAP和SSAP域包含着16进制的值AA，即SNAP帧的SAP。
同时，SNAP帧的控制域为16进制的03。
当实施SNAP帧时，在控制域之后和数据域之前将放置一个协议鉴别器。
各种类型的帧是哪家厂商（如Apple公司）的可以在协议鉴别器的头三个字节中进行鉴别，以太网帧的类型则在最后两个字节中判断。
以太网络提供了扩展的设备选项，被计算机厂商们广泛支持。
以太网流行的原因之一在于，它提供了许多扩展路径进行高速的网络互连。
例如，用户应用现成的NIC和电缆线路就可以轻易地将10Mbps的以太网升级为100Mbps的快速以太网。
而且，还有许多适用于以太网的网络测试和管理工具。
7.1.5以太口故障诊断
当以太口不能正确连通，或者在数据流量大时丢包严重，可从以下步骤逐步排除故障。
首先确定路由器的以太网口连接是否正确。
若使用HUB或LANSwitch连接以太网，确认HUB或LANSwitch上的指示灯显示和路由器以太口等显示是否正常。
硬件连接不正确时，经常表现出的故障为：
测试机ping路由器无响应，路由器以太网接口的输入、输出报文计数无变化。
路由器的以太网接口配置的IP地址是否正确，包括路由器与以太网口相连的其它设备的网络地址应相同，仅有主机地址不同；以及是否有地址冲突。
是否正确设置ARP代理，默认情况下，MP路由器以太口打开ARP代理功能，有时需将其关掉。
有双以太口的路由器，不能将两个以太口的地址设为同一网段，这样会导致ARP代理工作不正常。
察看是否有冲突包出现（察看接口可以看到），协议是否匹配。
目前，以太网接口对IP协议可支持的帧格式有两种，Ethernet_
和Ethernet_SNAP。
迈普路由器均可以同时接收这两种不同格式的IP包，
以太网工作方式是否正常。
迈普路由器以太网接口可以支持10/100Mbps两种速率，同时也支持半双工、全双工两种工作方式，其工作方式、传输速率都可以通过自动协商实现自适应目的，因此这一步的检查可以忽略。
通过路由器的调试命令“showinterfacef0“察看接口工作是否正常。
1．例：
router#showinterfacefastethernet0
fastethernet0:
1Flags:
（0xc063）UPBROADCASTMULTICASTARPRUNNING
2Type:
ETHERNET_CSMACD
3Internetaddress:
128.255.0.143
4Netmask0xffff0000Subnetmask0xffff0000
5Broadcastaddress:
128.255.255.255
6Queuestrategy:
FIFO
7Metric:
0,MTU:
1500,BW:
100000Kbps,DLY:
100usec
8Ethernetaddressis0001.7a01.97cd
9Rate:
100Mbit/s Duplex:
halfduplex
10Babblingrecvive0,babblingtransmit0,heartbeatfail0
11Txlatecollision0,Txretransmitlimit0,Txunderrun0
12Txcarriersense0,Rxlengthviolation0
13Rxnotaligned0,RxCRCerror0,Rxoverrun0
14Rxtruncframe0,Rxtoosmall0,Rxallocmbuffail0
155minuteinputrate1000bits/sec,1packets/sec
165minuteoutputrate0bits/sec,0packets/sec
17973packetsreceived;121packetssent
18897multicastpacketsreceived
199multicastpacketssent
208inputerrors;0outputerrors
210collisions;0dropped
接口属性和IP层属性：
1flags标志表示当前接口的状态（即：
UP/DOWN）
2type表示当前接口的封装类型。
F0接口为ETHERNET_CSMACD
3显示接口的本地地址为128.255.0.143
4显示接口本地地址对应的网络掩码为255.255.0.0和子网掩码为255.255.0.0
5显示接口的广播地址为128.255.255.255
6显示接口上的队列策略为FIFO（firstinfirstout）
7显示接口上的Metric为0,MTU（最大传输单元）为1500,BW（网络带宽）为100000Kbps,DLY（网络延迟）为100usec
接口物理属性：
8显示接口以太网硬件地址为0001.7a01.97cd
9以太接口的速率和双工模式
接口链路层统计：
10Babbling（超过1518字节）帧的接收和发送数,heartbeat（一种自检）失败统计
11发送冲突，发送重传，和发送underrun（发送数据准备不及）的统计
12发送载波丢失,和接收帧长度非法统计
13接收不对齐，CRC错和overrun（接收数据处理不及）错统计
14接收帧太长,接收帧太短,接收buffer不够的错误统计
接口IP层统计：
15-16显示接口的5分钟流量计信息。
即：
5分钟内平均每秒发送的比特数和数据包
17显示到目前为止，接口上发送和接收的数据包数目
18-19显示到目前为止，接口上发送和接收的多播报文的数目
20因为数据报文格式错误等出现的输入输出错误统计
21因为数据冲突和不能入IP队列而丢掉的错误统计
7.1.65分钟接口流量统计
接口5分钟流量统计信息是统计5分钟内，平均每秒接口发送、接收的比特数和数据包数。
单位分别是bits/sec和packets/sec。
接口首先定时记录接口的流量信息，然后根据设置流量统计的时间间隔值，动态的计算出在指定时间间隔内，接口的流量信息。
同时流量统计的时间间隔可以通过接口的load-interval命令进行配置，从最小30秒到最大600秒之间进行流量统计。
默认时间为5分钟——300秒。
子接口也可以有流量统计，子接口的流量统计仅仅代表子接口的流量信息。
而主接口的流量统计包括子接口和主接口的统计信息。
其他接口流量统计类似。
7.2串行接口
在数据通信设备、数据终端设备、网络设备和其它数据处理设备中，配置着各种串行数据通信接口。
要用好这些设备，正确地理解和使用串行数据通信接口是一个基本前提。
在数据设备的安装、使用和维护中，技术人员要与大量的各式各样的串行数据通信接口打交道。
在工作实践中存在着这样的现象：
技术人员许多时间和精力都花在了处理串行数据通信接口的问题上，其实很大部分的‘问题’并不是设备有缺陷，而是对接口的理解和使用不当。
7.2.1串行传输和并行传输
在数据通信设备之间，通常通过一根导线或电缆上的电压变化来传输数据。
如果在传输中多条线路同时传输一个位组，称之为并行传输。
反之，如果数据是在一根线路上一位一位地传送，则称之为串行传输。
下图说明了这两种传输方式。
信号线1比特1=1
2比特2=1
3比特3=0
4比特4=1
5比特5=0
6
比特6=0
7比特7=1
8比特8=0
定时时钟
I.并行传输ASCII码”K”和偶校验
起始位停止位
传号1|1111
空号00|00
II.串行传输ASCII“K”和偶校验
图7-3串行和并行数据传输
在并行传输中，1个字符的各个数据位在不同的线路上传输，并有一根附加线路传输选通或时钟脉冲信号。
并行传输使用于距离很近时的数据传输（几英尺之内），而串行方式则被用于长距离的传输。
在串行传输中，所有数据位都在一条线路上先后发送。
7.2.2同步和异步传输
在线路上，表示数据的脉冲信号有两个特征：
幅度和脉冲宽度。
收方通过一定的时钟序列对接收到的信号进行采样。
因此，要正确收发数据，定时是一个极为重要的因素。
这时需要确定两种边界，位之间的边界（位定时）和字符或帧之间的边界。
位定时有两种方式，其一是用专门一条线路传递发方的时钟信号，收方将本地时钟锁相到发方时钟上；其二是接收数据中提取时钟（跳变沿）对本地时钟进行校准，这种就要求数据中不要出现长串的连“0”或连“1”码，后一种定时方式就是同步与异步之间的根本区别。
在字符或帧定时时（异步常采用此种定时方式），在异步传输中，它在字符的前后分别加上起始位和停止位。
这样将字符隔开。
如图7-3中所示，在线路空闲时，线路为一高电平（也称传号，MARK），在第一个数据到来前，电平有一个从高电平到低电平（空号，SPACE）的跳变，并将低电平保持一个数据位，这就标志着字符的开始。
当字符结束时，电平又变为高电平，即停止位，表示字符结束，字符之间可以是不连续的。
在集成电路中，异步传输是通过对通用异步发生器（UART），如8250、Z80S10等实现的。
当一个UART处于发送状态时，它通过移位寄存器将计算机送来的字符转换为一个串行数据流，在适当时候将各数据位传送到串行接口。
在等待发送的UART字符中，除了起始位和停止位外，还有可选的奇偶校验位。
当UART处于接收模式时，它采样输入信号，并移去起始位、停止位和奇偶校验位，把采样的位流转换成字符。
在同步传输中，字符是成帧组发送的。
每帧数据开始部分放置有一些特殊的同步字符SYN。
它是一个独特的比特组合，用于通知接收方一个帧已经到达。
收方在正确接收到同步字符SYN后开始接收数据。
除了同步字符与数据外，通常还有一些控制字符。
不同的传输协议有不同的帧格式。
同步串行数据通信的定时信号有两种传递方式：
一种是在数据流中携带定时信息，它要求数据流的码型易于从数据流中提取定时信号，这种方式不需要专门的信号线来传递时钟；另一种方式则用专门的信号线来传递时钟。
在实际应用中，一条同步串行数据通信链路常常由许多段电路构成，定时信号从一端传递到另一端可能涉及到上述两种传递方式。
因此，在讨论接口的时钟问题时，要明白整条通信链路时钟传递关系。
7.2.3单工、半双工和全双工
图7-4通信线路的通信方式
通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。
如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但任何时刻只能有一个方向上的传输存在，称为半双工传输。
如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输，则称为全双工。
电话线就是二线全双工信道。
7.2.4流量控制
流量控制是是保证串行通信正常进行的一种重要技术。
不只是因为时钟频率有差异需要流量控制，使用串行通信来交换数据的设备因处理速度不同也需要流量控制。
例如用异步串行通信链路连接主机和打印机。
当打印大量数据的时候，打印机因来不及打印源源不断的输入数据而使其缓冲区中的数据越积越多。
如果没有流量控制，输入数据就会溢出丢失。
这就是实践中常常发生的“打印时丢数据”现象。
实现流量控制时接收方要向发送方传递暂停发送和恢复发送的信息，可以采用软件方式或硬件方式来传递流量控制信息。
应该指出：
这里所说的是物理层的流量控制，应该理解成接口上的流量控制，不是链路层或更高层的流量控制。
软件流量控制（以下简称软流控）是接收方用特殊的字符来通知发送方发数或不发数。
常用XOFF（13H）表示暂停发送；XON（11H）表示恢复发送。
从信息的流向来看，流量控制信息和它要控制的数据流是反向的。
发送方在它接收到的字节流中不断地搜索流控字符，收到XOFF就暂停发送，直至收到XON才恢复发送。
并非所有的通信设备都用XOFF和XON来作为流控字符，有些通信设备收到91H和93H也会产生流控动作。
更有一些通信设备的流控字符是可以设定的。
不论是采用默认流控字符或是设定流控字符都必须注意：
发送方和接收方必须使用相同的流控字符。
硬件流量控制（以下简称硬流控）是接收方用接口上某些硬件控制线的电平信号（例如RTS/CTS）来通知发送方发数或不发数。
与软流控相比，硬流控的发送方不需要在数据流中插入流控字符，接收方也不必检查是否收到流控字符。
所以，硬流控技术支持全透明的数据传输。
异步串口常用RTS和CTS作为流控信号。
RTS是DTE控制DCE的信号；CTS是DCE控制DTE的信号。
之所以说‘常用’，是因为有些设备不用RTS和CTS作为流控信号。
例如，用DTR和DSR作为流控信号。
所以，对于具体的设备，一定要以使用手册的说明为准。
7.2.5RS-232接口标准
RS-232是一种最常用的数据通信（传输）设备与用户终端设备（DTE）之间接口的工业标准。
它由电子工业协会（EIA）于60年代早期制定，并经过几次修订。
于60年代晚期制定的RS-232-C是最常见的版本。
这里我们只介绍RS-232-C标准
RS-232-C是用于数字终端设备（DataTerminalEguipment，DTE）与数字通信设备（DataCommunicationEquipment，DCE）之间的接口标准。
RS-232-C与CCITT的V.28建议很相近。
RS-232-C接口标准所定义的内容属于国际标准化组织ISO所制订的开放式系统互联（OSI）7层参考模型中的最低层—物理层所定义的内容。
RS-232-C接口规范的内容包括机械特性、电气特性、功能特性等几个方面。
现分别介绍如下：
⏹机械特性
RS-232-C接口规范并没有对机械接口作出严格规定。
RS-232-C的机械接口一般有9针、15针和25针3种类型。
标准的RS-232-C接口使用25针的DB连接器（插头、插座）。
RS-232-C在DTE设备上用作接口时一般采用DB25M插头（针式）结构，而在DCE（如Modem）设备上用作接口时采用DB25F插座（孔式）结构。
特别要注意的是，在针式结构和孔式结构的插头插座中引脚号的排列顺序（顶视）是不同的，使用时要务必小心。
图7-5RS-232接口连接器
⏹电气特性
RS-232-C的电气特性有一些不足之处，首先是参考地（信号地）问题。
发送端和接收端是对信号地测量的，信号地与逻辑地连接在一起，但发送端和接收端的逻辑地可能不一致，使信号地中有地电流。
而导线是有电阻的，所以导线的两端存在电压降，当发送器对接口电路施加电压时，这个电压降会使接收器收到的电压与没有电位差时收到的电压不同。
为尽量减少地电位对信号的影响，RS-232-C接口使用较高的传送电压。
另一个电气问题是电缆电容。
EIA标准规定在数据传输率为20kbps时，被驱动电路的电容（包括所连电缆电容）必须小于2500pf。
对于一个多芯电缆来说，每英尺40～50pf电容是很平常的，所以满足电容特性的电缆长度为50英尺（15.24m）。
因此RS-232-C标准中规定在数据传输率为20Kbps时，RS-232-C传输电缆的长度不能超过50英尺（15.24m）。
实际上可以正常工作的电缆长度远远大于给出的限制，但由于电缆电容、时钟频率变化、噪声干扰和地电位差的影响，会使工作不可靠，所以电缆长度只能限制为不能超过50英尺。
当数据传输率较低时，可以适当增加电缆长度。
如数据传输率为1200bps时，电缆长度可达3000英尺；当数据传输率为9600bps时，传输电缆长度为200英尺。
CCITTV.24接口的电气特性由CCITTV.28给出，V.24的电气特性和RS-232-C的相同。
注：
注：
1英尺（ft）=0.3048米（m）
⏹功能特性
RS-232-C接口连线的功能特性，主要是对接口各引脚的功能和连接关系作出定义。
RS-232-C接口规定了21条信号线和25芯的连接器，其中最常用的是引脚号为1～8、20这9条信号线。
表7–6列出了接口电路的名称和方向。
RS-232-C接口在不同的应用场合所用到的信号线是不同的。
例如，在异步传输时，不需要定时信号线；在非交换应用中则不需要某些控制信号；在不使用备用信道操作时，则可省去5个反向信号线。
25芯连接器引脚号
接口电路名称
信号方向DTE--DCE
数据
控制
定时
地线
1
屏蔽地PG
√
7
信号地GND
√
2
发送数据TxD
√
3
接收数据RxD
√
4
升级会员 