PHY以太网自动协商原理

自协商原理：
自协商是通过一种叫做快速连接脉冲（Fast Link Pulse）的信号实现的，简称FLP。自协商的双方通过FLP来交换数据。

在具备自协商能力的端口没有Link的情况下，端口一直发送FLP，在FLP中包含着自己的连接能力信息，包括支持的速率能力、双工能力、流控能力等。这个连接能力是从自协商能力寄存器中得到的（Auto-Negotiation Advertisement Register ，PHY标准寄存器地址4 ）。FLP中的编码方式如图。依靠脉冲位置编码携带数据。一个FLP突发包含33个脉冲位置。17个奇数位置脉冲为时钟脉冲，时钟脉冲总是存在的；16个偶数位置脉冲用来表示数据：此位置有脉冲表示1，此位置没有脉冲表示0。这样1个FPL的突发就可以传输16bit的数据。自协商交互数据就这样通过物理线路被传输。

如果两端都支持自协商，则都会接收到对方的FLP，并且把FLP中的信息解码出来。得到对方的连接能力。并且把对端的自协商能力值记录在自协商对端能力寄存器中（Auto-Negotiation Link Partner Ability Register ， PHY标准寄存器地址5 ）。同时把状态寄存器（PHY标准寄存器地址1）的自协商完成bit（bit5）置成1。在自协商未完成的情况下，这个bit一直为0。然后各自根据自己和对方的最大连接能力，选择最好的连接方式Link。比如，如果双方都即支持10M也支持100M，则速率按照100M连接；双方都即支持全双工也支持半双工，则按照全双工连接。一定连接建立后，FLP就停止发送。直到链路中断，或者得到自协商Restart命令时，才会再次发送FLP。
并行检测
为了保证在对端不能支持自协商的情况下也能连接，引入了被称为并行检测（Parallel Detection）的机制。在一端打开自协商，另一端关闭自协商的情况下，连接的建立就依靠并行检测功能实现。
并行检测机制是这样的：在具有自协商能力的设备端口上，如果接收不到FLP，则检测是否有10M链路的特征信号或100M链路的特征信号。
1）如果设备是10M设备，不支持自协商，则在链路上发送普通连接脉冲（Normal Link Pulse）简称NLP。NLP仅仅表示设备在位，不包含其它的额外信息。
2）如果是100M设备，不支持自协商，则在没有数据的情况下，在链路上一直发送4B/5B编码的Idle符号。
并行检测机制如果检测到NLP，则知道对方支持10M速率；如果检测到4B/5B编码的Idle符号，则知道对方支持100M速率。但是对方是否支持全双工、是否支持流控帧这些信息是无法得到的。因此在这种情况下，认为对方只支持半双工，不支持全双工，且不支持流控帧。

基于以上原理，在对端不打开自协商时，打开自协商的一方只能协商成半双工模式。

802.3协议规定，通过并行检测建立连接后，PHY的状态寄存器（PHY标准寄存器地址1）的自协商完成bit（bit5）依然要置位成1，尽管链路上并非使用了真正的自协商操作。同时规定在自协商完成bit为1的情况下，本地自协商能力寄存器（PHY标准寄存器地址4）和对端自协商能力寄存器（PHY标准寄存器地址5）是有意义的。所以，要把寄存器5中的数据更新。如果建立的连接为10M，则寄存器5的10M能力bit（bit5）置1，其它bit置0，表示对端只能支持10M半双工；如果建立的连接为100M，则寄存器5的100M能力bit（bit7）置1，其它bit置0，表示对端只能支持100M半双工。

千兆光口自协商:

千兆光口可以工作在强制和自协商两种模式。802.3规范中千兆光口只支持1000M速率，支持全双工（Full）和半双工（Half）两种双工模式。

千兆光口自协商过程：

1）两端都设置为自协商模式

双方互相发送/C/码流，如果连续接收到3个相同的/C/码且接收到的码流和本端工作方式相匹配，则返回给对方一个带有Ack应答的/C/码，对端接收到Ack信息后，认为两者可以互通，设置端口为UP状态

2）一端设置为自协商，一端设置为强制

自协商端发送/C/码流，强制端发送/I/码流，强制端无法给对端提供本端的协商信息，也无法给对端返回Ack应答，故自协商端DOWN。但是强制端本身可以识别/C/码，认为对端是与自己相匹配的端口，所以直接设置本端端口为UP状态

3）两端均设置为强制模式

双方互相发送/I/码流，一端接收到/I/码流后，认为对端是与自己相匹配的端口，直接设置本端端口为UP状态

注意：

以太网交换机的两个千兆电口对接时，如果一端配置成强制千兆全双工模式，那么协商结果很可能是千兆全双工模式。这个结果和常识相悖。正常情况下，一端强制一端自协商的话，协商结果应该是半双工模式。
　　之所以出现上面的情况，是因为这里的强制模式是假象，实际上端口依然工作在自协商模式，只是取消了千兆全双工以外的能力。这样，两个自协商模式的端口对接，协商出全双工模式也就是意料之中的事了。如果再深入一点点，就会产生一个疑问——为什么交换机要这样设定呢？这要从千兆电口的工作原理说起。
　　两个千兆电口对接时，一端要工作在master模式，另一端则工作在slave模式。Slave一端不使用自己的时钟，而是从接收到的信号中恢复时钟，自己发送信号时就使用恢复出来的时钟。这样，可以有效保证双方的同步。但是，谁当master，谁又当slave呢？这就要通过自协商功能做出裁决。正是因为这个原因，IEEE 802.3ab-1999标准规定，自协商功能是1000BASE-T以太网的必选项。

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