佟為明,高 蕾,李中偉,劉 勇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系,黑龍江哈爾濱150001)

以太網(wǎng)媒體接入控制幀MAC由以太網(wǎng)控制器進(jìn)行發(fā)送和接收,幀格式如圖1所示[1]。其中,前導(dǎo)碼(包含7字節(jié)的前同步碼和1字節(jié)的幀起始定界符)和幀校驗(yàn)序列FCS兩個(gè)字段由以太網(wǎng)控制器在MAC幀發(fā)送前和接收MAC幀時(shí)自動(dòng)進(jìn)行添加和刪除,用戶無(wú)法干預(yù)[2]。

圖1 以太網(wǎng)M AC幀格式

通常,學(xué)生對(duì)MAC幀的完整格式的理解較為抽象,即使通過(guò)Sniffer和Etherreal等協(xié)議分析軟件直觀的分析截獲到的MAC幀,都只能獲得缺少前導(dǎo)碼和幀校驗(yàn)序列字的不完整的MAC幀[3],而無(wú)法獲得物理介質(zhì)上傳送的完整的以太網(wǎng)MAC幀。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為接收節(jié)點(diǎn),與發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的連接采用標(biāo)準(zhǔn)的10Base-T雙絞線。當(dāng)雙絞線上有MAC幀傳輸時(shí),該節(jié)點(diǎn)能夠捕捉并檢測(cè)該幀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)微處理器選擇S3C44B0X。以太網(wǎng)接口單元通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)RJ-45接口和雙絞線相接。微處理器與RJ-45之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器20F-01連接,以濾除MAC幀中的直流信號(hào),提高系統(tǒng)的抗干擾能力。MAC幀采樣單元通過(guò)模擬電壓比較器,將雙絞線上經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為微處理器可識(shí)別的邏輯電平。然后在網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器接收管腳處對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣:當(dāng)比較器的同相端采樣電壓大于反相端參考電壓(3.3V)時(shí),微處理器檢測(cè)到邏輯高電平;反之,微處理器檢測(cè)到邏輯低電平。其中,電壓比較器的同相端與20F-01的接收管腳 TPIN-連接。液晶顯示單元選擇圖形點(diǎn)陣式液晶 WG320240B,并采用SED1335 LCD控制器對(duì)其進(jìn)行控制。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)微處理器S3C44B0X檢測(cè)到雙絞線上出現(xiàn)下降沿時(shí),便進(jìn)入中斷狀態(tài),MAC幀采樣單元開(kāi)始對(duì)雙絞線上的電平進(jìn)行采樣,并將采樣結(jié)果存入微處理器內(nèi)部RAM中。采樣結(jié)束后微處理器對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果通過(guò)液晶顯示單元進(jìn)行顯示,使用戶能夠?qū)z測(cè)到的MAC幀進(jìn)行分析。由于S3C44B0X的最高工作頻率為66MHz,為了使S3C44B0X能夠采樣到完整的MAC幀,設(shè)定系統(tǒng)通信速率為1Mbps。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 MAC幀結(jié)束檢測(cè)

由圖1所示的MAC幀格式可知,以太網(wǎng)MAC幀無(wú)結(jié)束標(biāo)志,一般以太網(wǎng)控制器能夠通過(guò)硬件設(shè)計(jì)判斷MAC幀結(jié)束[4]。但以太網(wǎng)控制器在接收MAC幀時(shí),利用前導(dǎo)碼字段判斷幀起始以及幀校驗(yàn)字段判斷傳輸正確后,就自動(dòng)將前導(dǎo)碼字段和幀校驗(yàn)字段刪除[5],這也是為何協(xié)議分析軟件無(wú)法捕捉到完整MAC幀的原因。因此本文設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有以太網(wǎng)控制器,MAC幀采樣單元如何判斷MAC幀結(jié)束就成為一個(gè)亟需解決的難題。

為了確定MAC幀結(jié)束的標(biāo)志,我們利用示波器進(jìn)行MAC幀結(jié)束的檢驗(yàn)。圖3所示為10Mbps數(shù)據(jù)率下,變壓器20F-01接收腳TPIN-與地之間的MAC幀結(jié)束波形。由于以太網(wǎng)MAC幀的最后一個(gè)字節(jié)是FCS幀檢驗(yàn)字段,無(wú)法保證所有MAC幀的最后一位均是高電平或低電平。但由圖可知,當(dāng)MAC幀最后一位為高電平時(shí),MAC幀結(jié)束后雙絞線將持續(xù)三個(gè)周期的高電平再恢復(fù)至無(wú)載波狀態(tài);當(dāng)MAC幀最后一位為低電平時(shí),MAC幀結(jié)束后雙絞線將持續(xù)三個(gè)周期的低電平再恢復(fù)至無(wú)載波狀態(tài)。根據(jù)雙絞線傳輸特性,通信速率為1Mbps和10Mbps下所捕捉到的MAC幀波形相同,只是頻率不同而已,因此本文的結(jié)論也適用于在1Mbps通信速率下得到的MAC幀結(jié)束標(biāo)志。

圖3 TPIN-和地之間的幀結(jié)束波形

10Base-T雙絞線采用曼徹斯特編碼系統(tǒng)在雙絞線上傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)其編碼規(guī)則,每個(gè)0、1電平中間都需要經(jīng)歷一次跳變來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步。因而當(dāng)雙絞線上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí),MAC幀采樣單元最多能夠采樣到連續(xù) 2個(gè) 0/1。根據(jù)由圖3所得出的MAC幀結(jié)束標(biāo)志結(jié)論,當(dāng)微處理器讀取到的采樣信號(hào)中有連續(xù)3個(gè)以上的0/1時(shí)就表示MAC幀傳輸結(jié)束。本文中規(guī)定當(dāng)檢測(cè)到連續(xù) 3個(gè) 0/1時(shí)MAC幀采樣單元結(jié)束采樣。

2.2 檢測(cè)算法軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于系統(tǒng)通信速率為1Mbps的MAC幀,采樣周期應(yīng)為500ns。為提高采樣準(zhǔn)確率,本文選擇在每個(gè)傳輸數(shù)據(jù)曼徹斯特編碼的波峰時(shí)刻進(jìn)行采樣。當(dāng)微處理器檢測(cè)到下降沿時(shí),表示雙絞線上有MAC幀開(kāi)始傳送,此時(shí)微處理器必須在半個(gè)采樣周期內(nèi)讀取第一個(gè)采樣數(shù)據(jù),因此啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)210ns,并進(jìn)入采樣中斷子程序。當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí),微處理器重新啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)500ns,之后讀取與電壓比較器相連的I/O管腳狀態(tài),并將I/O管腳對(duì)應(yīng)狀態(tài)值寫(xiě)入內(nèi)部RAM,最后將計(jì)數(shù)器加1,完成對(duì)第一個(gè)雙絞線電平的采樣。在跳出采樣中斷子程序前,每隔500ns微處理器讀取一次與電壓比較器相連的I/O管腳狀態(tài)值,然后將該值寫(xiě)入內(nèi)部RAM,并將計(jì)數(shù)器加1。為了提高采樣準(zhǔn)確率,抑制電壓比較器零點(diǎn)漂流,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣160位數(shù)據(jù)后跳出采樣中斷子程序清除時(shí)鐘累積誤差。采樣數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式保存在微處理器的內(nèi)部 RAM中,每采樣一個(gè)數(shù)據(jù),就先將該數(shù)據(jù)與該數(shù)組中前面兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果相等,則微處理器結(jié)束從MAC幀采樣單元讀取采樣數(shù)據(jù);否則繼續(xù)進(jìn)行采樣。系統(tǒng)采樣程序流程圖如圖4所示。

圖4 采樣流程圖

2.3 還原算法軟件實(shí)現(xiàn)

由于以太網(wǎng)采用曼徹斯特編碼系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸,因此在信號(hào)采樣完畢后微處理器需先對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,將其還原為發(fā)送節(jié)點(diǎn)以太網(wǎng)控制器中MAC幀中的數(shù)據(jù)格式。另外,以太網(wǎng)傳送8位信息的數(shù)據(jù)是從最左端的8位到最右端的8位,則雙絞線上的MAC幀為從最左端前導(dǎo)碼中的第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始按照?qǐng)D1所示字段的順序從左向右傳輸。但是每8位內(nèi)部的傳送順序是先低位后高位,因此微處理器在采樣完畢后需對(duì)其RAM中保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理方能通過(guò)液晶進(jìn)行顯示。首先,系統(tǒng)從采樣到的第一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始每8位為一組將數(shù)據(jù)取出;然后判斷這8位數(shù)據(jù)中是否包含連續(xù)3個(gè)相同電平,如果包含則微處理器停止對(duì)采用數(shù)據(jù)的處理;否則將這8位中第i位信號(hào)與第i+1位信號(hào)進(jìn)行比較(其中,i=1,3,5,7);如果比較結(jié)果為正,則按滿堆棧遞增的存儲(chǔ)方式壓入堆棧一個(gè)0;反之則壓入堆棧一個(gè)1;每8位信號(hào)比較完畢,就將堆棧中的4個(gè)信號(hào)按順序取出并存儲(chǔ)至微處理器的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū);如果系統(tǒng)最后取出的數(shù)據(jù)不夠8位,則直接將這幾個(gè)數(shù)據(jù)丟棄,并結(jié)束對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理。

3 結(jié)語(yǔ)

以太網(wǎng)MAC幀的組裝由以太網(wǎng)控制器完成,但是幀中的前導(dǎo)碼字段和校驗(yàn)碼字段由以太網(wǎng)控制器自動(dòng)添加,用戶無(wú)法干預(yù)。針對(duì)目前沒(méi)有任何方法能夠使用戶直觀地觀察到發(fā)送節(jié)點(diǎn)MAC幀的完整結(jié)構(gòu)的情況,本文介紹了一種以太網(wǎng)MAC幀檢測(cè)與顯示方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方法可以捕捉到雙絞線上正在傳輸?shù)耐暾腗AC幀,并將捕捉到的MAC幀通過(guò)液晶進(jìn)行顯示,從而加深用戶對(duì)以太網(wǎng)MAC幀的理解。

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