以太网基础：Auto-Negotiation影响启动时间？

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1、为什么需要Auto-Negotiation？

最开始的以太网，以太网通信速率只有10M，半双工通信模式。随着以太网技术的迭代，现在的以太网速率可以达到100M、1000M、10G...还可以支持全双工通信。但是，两个以太网节点在通信之前，必须匹配好对应的速率和工作模式，方能有效通信，否则，就是“鸡同鸭讲”，无法有效通信。学习以太网，大家可能玩过开发板，开发板一般使用RJ45，但是，这和我们车辆MCU级的以太网连接有所不同，协议标准也不同。

比如：节点A支持10M/100M通信速率，节点B仅支持100M的通信速率，节点C仅支持10M的通信速率。所以，节点A可以与节点B通信，也可以和节点C通信。但是，节点B和节点C无法直接通信，示意如下：

如上，节点A会面临一个问题，有时可能和节点B通信，有时可能和节点C通信。可是，节点A与节点B、节点C通信时需要切换到双方都能支持的通信速率，面对这样的场景，节点数量不多时，手动操作即可完成。但是，如果节点A需要和更多的节点通信呢？因此，Auto-Negotiation机制应运而生。

（一）Auto-Negotiation工作原理

在很多Phy芯片手册中，大家可能会看到类似这样的一段描述：

"Auto-Negotiation provides a mechanism for exchanging configuration information between the two ends of a link segment. This mechanism is implemented by exchanging Fast Link Pulses (FLP). FLPs are burst pulses that provide the information used to communicate the abilities between two devices at each end of a link segment."

什么意思呢？Auto-Negotiation是两种以太网通信节点交互配置信息的方法。通过FLP(Fast Link Pluse，快速链路脉冲)方式，一端发送自身可支持的工作模式(速度/是否支持全双工)给对端，对端收到之后，与自身可支持的工作模式相比较，进而匹配一种最佳的工作方式。

百度百科对Auto-Negotiation功能的解释：“它允许一个设备向链路远端的设备通告自己所运行的工作方式，并且侦测远端通告的相应的运行方式。自动协商的目的是给共享一条链路的两台设备提供一种交换信息的方法，并自动配置它们工作在最优能力下。”（1）

怎么理解最优能力呢？比如：节点A支持10/100/1000M通信速率，节点B支持10/100通信速率，那么，两者将以100M速率通信，以此实现通信速率的最大性能，即：自动协商使得两个通信节点以最大传输速率方式通信。

对于Auto-Negotiation功能解释，可以参考更权威的解释：802.3规范。

（二）Auto-Negotiation功能所在层级

在OSI的七层模型中，Auto-Negotiation（简写AUTONEG）功能在Physical（物理层），更具说，在Phy中配置。一般，Phy芯片中会有对应寄存器配置Auto-Negotiation功能。Auto-Negotiation所在层级如下所示(2)：

既然Auto-Negotiation需要通信双方的"讨论"，那么，这个过程势必需要消耗一定的时间，而这个时间恰恰会影响着控制器的启动时间。

那么，Auto-Negotiation对控制器的启动时间到底有多大影响呢？

2、Auto-Negotiation对Link Up的影响

在以太网TC8的测试中，会有一个Phy芯片Link Up时间测试，示意如下：

所以，在这个测试中，PHY的Link Up时间会制约着控制器的启动性能。本文通过使用Auto-Negotiation和不使用Auto-Negotiation的方式，在CANoe（型号：5650）中测试Link Down到Link Up的时间。

测试步骤：

1. CANoe中设置模拟节点，发送UDP/TCP报文；
   

2. CANoe的模拟节点不断发送ARP报文寻找目标节点；
   

3. DUT（Device Under Test）通过调试器进行系统复位；

4. 启动DUT；

5. 观测CANoe Trace窗口中的Link down到Link up时间。

（一）使用Auto-Negotiation的Link Up时间

如下图，使用Auto-Negotiation时，Link Down到Link Up大约用时1.6s，示意如下：

提示：

打开"Vector Hardware Configuration"中，选中使用的端口（本文使用Port13），在General的Channel Mode中选择"Auto-Negotiation"，示意如下：

（二）不使用Auto-Negotiation的Link Up时间

如下图，不使用Auto-Negotiation时，Link Down到Link Up大约用时6ms，示意如下：

提示：

打开"Vector Hardware Configuration"中，选中使用的端口（本文使用Port13），在General的Channel Mode中选择"No-Negotiation（100M bit）"，示意如下：

（三）小结

通过对比可以看出，使用Auto-Negotiation将极大的影响控制器的启动时间。所以，在开发中，如果要提高控制器的启动时间，可以关闭Auto-Negotiation功能。如果选择关闭Auto-Negotiation功能，不能单一的关闭一个节点 的Auto-Negotiation功能，需要同时关闭通信双方的Auto-Negotiation功能，并且，通信双方设置相同的工作模式（eg：100M，全双工）。如果通信双方，一个使能Auto-Negotiation功能，一个没有使能Auto-Negotiation功能，两者将不能稳定通信。

参考资料：

(1)https://baike.baidu.com/item/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91%E8%87%AA%E5%8A%A8%E5%8D%8F%E5%95%86/362467?fr=ge_ala

(2)802.3-2015_SECTION2.pdf