一种以太网收发通路增距传输的实现

一种以太网收发通路增距传输的实现

何姝禹

第七一五研究所 浙江 杭州310023

摘要由于嵌入式以太网设备在长距离传输上受限，不能适应远端网络传输场景，本文设计一条以太网物理层收发通路，使其能够应用在十兆、百兆自适应传输速率的芯片中。数据流在物理层上进行回环，计算带宽和链路中数据包数量来验证传输能力。与现有的以太网收发通路相比，该通路的远距离传输能力较强，经测试最大稳定传输距离可达到170米，可在一定程度上解决在现实科研生产过程中节点之间距离制约的问题，为科研生产提供更多可能性。

关键词以太网；PHY；增距传输

随着嵌入式以太网技术的高速发展，嵌入式以太网在智能监控、智能制造、自动化测试系统等嵌入式芯片系统中广泛应用[1]。特别在智慧海洋领域中，数字化水平逐步提高，嵌入式设备均需要网络的支撑[2]。采用网线连接的嵌入式以太网目前较多使用超五类线（CAT 5e），超五类双绞线的衰减和串扰更小，可提供更坚实的网络基础[2-3]。然而网络信号在双绞线上的传输，必然要受到电阻和电容的影响，导致网络信号的衰减和畸变，影响信号的稳定传输。当网线长度超过100米时，不能及时检测冲突，因冲突而受破坏的信息包在链路中传送且被接收方接收。由于无法通过验证，信息包被丢弃，此时重发机制未被激活，数据包产生丢失[4-5]。

为了解决以太网传输距离的限制问题，本文基于 IEEE802.3 标准以太网协议[6]的相关内容，设计一条长距离物理层收发通路。该通路能够满足增距传输，最高稳定传输距离可达到170米，且链路中丢包率较低。

1系统架构

本文设计一条传输链路，并测试其150米以上远距离传输能力，传输链路的系统构成如图1所示。数据流由PC端生成，由于PC端传输距离最大为100米，无法满足测试超过150米长距离传输的要求，因此采用两个DP83T510E-EVM[7]开发板配合测试。DP83T510E-EVM开发板服从802.3协议并支持10BASE-TX标准以太网协议，无差错数据传输距离可以达到200米以上。在链路中，数据流经由PC端网口发送到DP83T510E开发板，数据包在网口进入DP83T510E开发板后，数据流在DP83T510E之间经过单对以太网电缆传输，后经由网口传到DP83826开发板[8]。在数据流到达DP83826开发板后，在回环模式下数据包经由发送通路原路回环到PC端。本文通过计算回传的数据包的带宽和丢包数来验证链路中的传输能力。

图1 系统结构图

2采集传输电路模块设计

本文所使用的DP83826-EVM开发板验证DP83826的所有特性。DP83826是一种低延迟、确定以及低功耗的以太网物理层收发器，它集成PMD子层，支持10BASE-Te和100BASE-TX以太网协议。DP83826提供集成电缆诊断工具、内置自检和回环功能。它通过媒体独立接口(Media Independent Interface, MII)或精简MII (reduction MII, RMII)与MAC层进行接口连接，具有Master和Slave两种模式。

DP83826支持10BASE-Te和100BASE-TX以太网协议，并提供自协商和强制百兆模式，100BASE-TX的数据包可在超过150米的CAT5电缆之间传输。DP83826-EVM通过引脚将DP83826与 MII和RMII相连。板载MSP430F5529提供MDIO寄存器访问，通过读写寄存器配置板卡。

PHY是IEEE802.3中定义的一个标准模块，是一个物理层接口收发器。通过读写PHY内部寄存器实现行为、状态管理和控制。PHY寄存器的地址空间为5位，从0到31最多可以定义32个寄存器。寄存器0为控制寄存器，配置各种状态，对PHY的主要工作状态进行设置。Loopback是调试、故障诊断常用功能， PHY和外部MDI的逻辑连接被断开，从MAC经过MII/GMII发送数据将不会到MDI上，而是内部回环到本端口MII/GMII接收通道上，Loopback用于MII/GMII及PHY接口是否正常工作、端口不通等故障定位。在DP83826开发板中，有近端回环、MII回环、PCS回环、电子回环、模拟回环、远端回环6种回环模式。远端回环数据从网口流入和流出，其余模式数据流都来源于MAC。因此仅有远端回环模式符合本项目的测试需求。寄存器配置如图2所示。

图2 寄存器配置

当组播或广播发送数据，PHY芯片会回环一个相同数据包。因此编写收发程序来测试回环功能。在PC端分别运行发送和接收两个线程。发包线程发送UDP包给组播组，接收线程裸接收数据包并判断数据报中收方地址是否为发包地址中的组播组地址。

3测试数据及分析

设计实验分别测试在不同长度的CAT5网线下链路的传输能力。分别对170米和210米长网线进行测试，并计算带宽和丢包率两个参数来判断传输能力。CAT5网线长度测量图如图3所示。设置发包间隔，数值越大数据包之间时间间隔越大，单位时间内发送包数越少。单次发送432000个包，并记录发送结束后一分钟内接收数据包的个数。

图3 CAT5网线长度测量图

PHY芯片回环模式为透明转发，回环数据包格式与发送内容一致，理想情况下，链路中接收包数应为864000个。设置不同数据包长和时间间隔，计算每24000个包的收发带宽，得到链路中平均带宽。DP83T510E-EVM开发板传输上限是10Mbps，每个场景测试10次，计算平均值并记录。本文所用PC机为DELL Precision T7400工作站，操作系统为Ubuntu。

（1）170米CAT5网线下传输能力

在170米网线下分别发送1400字节、1000字节、600字节、200字节的数据包。

a)发送1400字节数据包

图4 170米CAT5线下1400字节数据包在不同发送间隔的收发带宽

发送1400字节数据包带宽表现如图4所示，收发速率几乎一致，数据包有效地回传。发送间隔较低和较高时收发带宽几乎一致，当发送间隔较高时传输速率则大幅下降。丢包个数与带宽关系如图5所示。低带宽丢包数较高带宽时小，表明低带宽时芯片可以更好处理链路中数据。值得注意的是，尽管带宽已降到很低，链路中的仍有少量（6/432000）丢包。

图5 170米CAT5线下1400字节数据包在不同发送带宽的丢包情况

b)发送1000字节数据包

带宽如图6所示，数据包有效回传。发送间隔较低时带宽几乎一致，发送间隔较高时传输速率大幅下降。

图6 170米CAT5线下1000字节数据包在不同发送间隔的收发带宽

发送1000字节数据包时丢包个数与带宽关系如图7所示。丢包情况存在，且带宽越高丢包数越多，表明低带宽时芯片可以更好处理链路中数据。与1400字节相比，相同带宽发送1000字节丢包数较1400字节时多，这是由于相同带宽下短包更多，链路中的数据包越多，丢包就越多。

图7 170米CAT5线下1000字节数据包在不同发送带宽的丢包情况

c)发送600字节数据包

图8 170米CAT5线下600字节数据包在不同发送间隔的收发带宽

发送600字节数据包时带宽如图8所示，收发速率几乎一致，最高带宽9.0Mbps。发送间隔较高时传输速率则大幅下降。丢包率在1.4%到7.5%之间。

d)发送200字节数据包

发送间隔最小时，丢包率为8.32%，最大带宽为7.526729Mbps，这表明短包难以接近最高带宽。在低带宽情况下，收发速率基本一致，丢包率偏高，表明链路中短包更易丢失。

（2）210米CAT5网线下传输能力

在210米网线下分别发送1000字节、600字节的数据包。

a)发送1000字节数据包

发送1000字节数据包时带宽表现如下图9所示。分别设置10000和8000的传输间隔。发送间隔设置为10000时数据几乎可以完全回传，然而接收带宽不高。发送间隔为8000时，丢包数量巨大，丢包率急速上升至60%，带宽也大幅下降。发送效率较低。

图9 210米CAT5线下1000字节数据包在不同发送间隔的收发带宽

（3）测试结果分析

实验表明，170米CAT5网线数据传输更稳定，200米CAT5网线存在大量丢包。传输距离为170米时，长包（1400字节）可以稳定可靠且接近满带宽的传输，短包（200字节）的传输尽管可靠，但带宽却有很大的限制。然而，不论传输间隔设置多少，链路中始终存在极少量丢包的情况。

4 结论

本文设计的物理层收发通路，验证了DP83826在150米以上CAT5网线的传输能力，链路能够有效传输。与现有的以太网收发通路相比，本文设计的通路远距离传输能力较强，经测试最大稳定传输距离可达到170米。未来可灵活地运用在工业制造、智能监控、测试系统等需要超长距离传输的领域。

参考文献:

[1]唐成. 深海地震长缆水下低功耗模块化数据传输系统设计[D].中国科学技术大学,2019.

[2]SERGIO S.嵌入式Internet TCP/IP 基础实现及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008

[3]吴俊杰,吴建辉．以太网MAC 控制器的MII接口转RMII接口的实现[J].电子器件,2008,31(2):172-715．

[4]周鑫,田晔非.基于DM9161EP的嵌入式光纤以太网传输系统设计[J].仪表技术与传感器,2019(06):42-46.

[5]史磊磊.计算机网络协议及其应用分析[J].信息通信,2013, (10):144.

[6]王海树,赵小锋.低成本长距离以太网传输实现方案[J].信息系统工程,2011(11):42-43+91.

[7]TI(德州仪器). DP83TD510-EVM user's guide[M].2020

[8]TI(德州仪器). DP83826e datasheet[M].2020

作者简历：何姝禹（1994.07.07-)，女，汉族，籍贯：安徽安庆，学历：硕士研究生，职称：助理工程师，研究方向：数据传输技术研究。