羅德與施瓦茨RTO示波器的100BASE-TX協(xié)議解碼分析

今天我們用以太網(wǎng)連接兩臺(tái)電腦，然后用示波器解碼。一邊做實(shí)驗(yàn)一邊講解百兆以太網(wǎng)波形和幀結(jié)構(gòu)，最終還會(huì)講解以太網(wǎng)如何從波形得到數(shù)據(jù)的整個(gè)解碼過程。

準(zhǔn)備工作

我們需要準(zhǔn)備一臺(tái)電腦運(yùn)行簡單的UDP發(fā)送程序：

并且將這臺(tái)電腦通過百兆以太網(wǎng)口接上另一臺(tái)電腦，同時(shí)我們用差分探頭和夾具在網(wǎng)線中間探測波形，觀察波形是否能與程序中發(fā)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。

（連線圖）

黃色網(wǎng)線接DUT（運(yùn)行udp_send.py的電腦），灰色網(wǎng)線接Link Partner（另一臺(tái)電腦，可接收到udp數(shù)據(jù)）。

（udp_send.py代碼截圖）

DUT信息:

MAC地址：00:E0:4C:7A:5F:18

IP地址：192.168.2.123

Link Partner信息：

MAC地址：00:E0:33:0B:D3:B9

IP地址：192.168.2.100

我們提前了解過，網(wǎng)線中一共有4對(duì)差分線，100Base-TX只在其中2對(duì)差分線上單向發(fā)送信號(hào)的。DUT發(fā)往Link Partner的1對(duì)差分線線是夾具上的A，反方向的1對(duì)差分線是夾具上的B。當(dāng)我們探頭按連線圖這樣接線時(shí)，測的波形只是從DUT電腦發(fā)出的。

（以太網(wǎng)解碼設(shè)置）

我們可以開啟百兆以太網(wǎng)解碼，并按上圖選擇100BASE-TX，還可以點(diǎn)擊自動(dòng)設(shè)置。

（以太網(wǎng)顯示設(shè)置）

在顯示設(shè)置中，右側(cè)的數(shù)據(jù)格式指的是對(duì)于解出數(shù)據(jù)結(jié)果如何顯示，如果要觀察MAC地址建議選十六進(jìn)制，如果要觀察IP地址建議選無正負(fù)（整數(shù)），最終要對(duì)比4B5B結(jié)果時(shí)建議選二進(jìn)制。解碼層也很重要，尤其是后面對(duì)比波形和解碼結(jié)果時(shí)，打開后會(huì)在彩色解碼結(jié)果下出現(xiàn)額外的藍(lán)色結(jié)果，我們會(huì)在文章的后半部分對(duì)其詳細(xì)講解。

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

我們可以先來大致看一下以太網(wǎng)解碼結(jié)果。

電腦發(fā)送UDP數(shù)據(jù)后，建議示波器使用Normal觸發(fā)，并點(diǎn)擊Single，這樣示波器在抓到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)后就會(huì)暫停，方便觀察。

（1 MAC結(jié)構(gòu)）

你可以看到縮放窗口中是完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，開頭是前導(dǎo)碼，后面淡藍(lán)色是SFD，然后是目標(biāo)MAC和源MAC，綠色是LenType，橙色是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)后面是FCS也就是CRC，再然后深灰色是EOS，淺灰色是IDLE。

可以觀察到目標(biāo)MAC和源MAC確實(shí)與Link Partner和DUT的MAC地址是對(duì)應(yīng)的。

大家習(xí)慣的MAC地址都是用16進(jìn)制顯示，所以顯示頁面中數(shù)據(jù)格式要選擇“十六進(jìn)制”。

（2 IP結(jié)構(gòu)）

我們?cè)倏匆幌鲁壬珨?shù)據(jù)，Data13~16對(duì)應(yīng)的是192.168.2.123也就是DUT的IP。

Data17~20對(duì)應(yīng)的是192.168.2.100，也就是Link Partner的IP。

由于IP地址普遍習(xí)慣用十進(jìn)制數(shù)表示，因此顯示頁面中數(shù)據(jù)格式要選擇“無正負(fù)（整形）”。

（3載荷內(nèi)容）

再往后看到Data29~Data31，它們是0x31,0x32,0x33，也就是字符串“123”對(duì)應(yīng)的ASCII碼，這個(gè)字符串正好就是我們電腦上python程序中發(fā)送的數(shù)據(jù)。到此為止，我們就成功地用示波器解碼出了電腦發(fā)出的數(shù)據(jù)。

解碼過程

我們以Data30這個(gè)數(shù)據(jù)的解碼流程為例，講述百兆以太網(wǎng)解碼流程

通過上面的實(shí)驗(yàn)，你大致了解了以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)，但你有可能會(huì)問，示波器是如何解出0x31,0x32,0x33這樣的結(jié)果的？它們與模擬波形的關(guān)系是怎樣的呢？我們能否用肉眼從模擬波形中解出這個(gè)結(jié)果？

答案顯然是肯定的，下面我們以Data30這個(gè)數(shù)據(jù)的解碼流程為例，講述百兆以太網(wǎng)解碼流程。

我們放大Data30，它對(duì)應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)內(nèi)容是0x32。但為了盡量接近原始數(shù)據(jù)，建議顯示中數(shù)據(jù)格式選擇為二進(jìn)制，這樣橙色結(jié)果中就會(huì)顯示為0011 0010，它與我們電腦發(fā)的十六進(jìn)制數(shù)0x32是對(duì)應(yīng)的。接下來我們一步步演示怎樣從模擬波形解出這個(gè)橙色結(jié)果。

? 先把解碼層選擇為邊沿。

（4解碼層邊沿）

從上圖可以看到，現(xiàn)在藍(lán)色的解碼層結(jié)果是與模擬波形電平對(duì)應(yīng)的，高電平對(duì)應(yīng)1，0V附近對(duì)應(yīng)0，低電平對(duì)應(yīng)-1，這就是通常我們理解的三電平波形。

然后，我們把解碼層改為二進(jìn)制。

（5解碼層二進(jìn)制）

這時(shí)候雖然原始波形和最終數(shù)據(jù)沒變，但藍(lán)色解碼層結(jié)果有變化，現(xiàn)在變成了模擬波形無跳變時(shí)對(duì)應(yīng)0，按類似正弦波的規(guī)律跳變時(shí)對(duì)應(yīng)1，這符合MLT-3。

最后，我們把解碼層改為解擾。

（6解碼層解擾）

這時(shí)候，藍(lán)色解碼層結(jié)果又變了，它是把之前的二進(jìn)制數(shù)據(jù)做了解擾運(yùn)算后的結(jié)果（與解擾碼10010 00100求異或），我們觀察到橙色波形Data30下的藍(lán)色部分，一共對(duì)應(yīng)了10個(gè)數(shù)據(jù)，10100 10101。如果我們查詢4B5B對(duì)應(yīng)關(guān)系，這兩個(gè)5B結(jié)果對(duì)應(yīng)的應(yīng)該是0010和0011，然后再把這兩組4B數(shù)據(jù)交換，就能得0011和0010，也就是Data30的橙色部分。

(4B5B對(duì)應(yīng)表)

你可能會(huì)問，我們是怎么知道這時(shí)候要用10010 00100作為解擾碼的？

(用來生成解擾碼的移位寄存器)

答：解擾碼是使用11位的線性反饋移位寄存器（LFSR）來生成2047位長的偽隨機(jī)數(shù)[2]，這串?dāng)?shù)據(jù)是固定的，因此事先已知。但我們事先無法知道的是從解擾碼的哪個(gè)位置起作為開頭與波形的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開頭來做異或運(yùn)算。我們只能前后滑動(dòng)解擾碼，直到能解出符合我們預(yù)期的結(jié)果后才知道正確的偏移位置。這個(gè)前后滑動(dòng)的嘗試，可能會(huì)高達(dá)8000次。

（幀結(jié)構(gòu)和起始結(jié)束符號(hào)示意圖）

上圖上半部分與我們?cè)谑静ㄆ鹘缑嫔峡吹降腗AC幀結(jié)構(gòu)一致，下半部分是經(jīng)過正確解擾后的結(jié)果，在Preamble剛出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的2個(gè)符號(hào)應(yīng)該是J(11000)和K(10001)。上圖中未畫出的IDLE部分應(yīng)該在Preamble之前和FCS之后，對(duì)應(yīng)的符號(hào)是11111。

也就是說如果你前后滑動(dòng)解擾碼，并做異或運(yùn)算，直到得到了11111 11000 10001，那么你就找出了正確的解擾碼起始位置[1]，同時(shí)也找出了MAC幀從哪里開始（從J開始）。

你可能還會(huì)問為什么做了4B5B對(duì)應(yīng)后，還要按下圖的方式把連續(xù)兩個(gè)4B交換？

(Nibble交換)

(MII接口和PHY芯片)

這是因?yàn)镸II接口傳輸?shù)陌胱止?jié)(Nibble)流和PHY芯片內(nèi)的串行比特流的順序?qū)?yīng)關(guān)系導(dǎo)致的。