4. 链路协商基础

链路协商是PHY芯片在物理连接建立后、数据通信开始前必须完成的握手过程。其核心目标是让链路两端的PHY自动确定双方都能支持的最高性能工作模式（速率+双工模式），无需人工干预。本章深入剖析自协商的底层机制、脉冲编码、冲突解决策略及Linux内核中的协商流程。

4.1 自协商(Auto-Negotiation)概述

自协商由IEEE 802.3u标准定义，最初用于100BASE-TX，后扩展到1000BASE-T及更高速度。其基本原理是：两端PHY通过交换包含各自能力信息的脉冲序列，在数百毫秒内完成模式匹配。

4.2 FLP/NLP脉冲：自协商的物理语言

自协商通过链路上的脉冲信号传递能力信息。根据链路状态不同，PHY发送两种脉冲序列：

• NLP (Normal Link Pulse)：用于链路空闲状态下的“心跳”检测。PHY在无数据时每隔16ms±8ms发送一个NLP脉冲，向对端表明自己在线且支持自协商。
• FLP (Fast Link Pulse)：自协商的核心载体。当PHY检测到对端存在并准备协商时，发送FLP突发（Burst）。每个FLP突发包含17~33个脉冲，编码为“时钟脉冲+数据脉冲”的交替序列。

4.3 Base Page 能力编码

FLP Burst 中携带的 Base Page 是一个16位寄存器，定义了PHY支持的能力。以1000BASE-T为例，Base Page格式如下：

4.4 并行检测(Parallel Detection)

当链路对端PHY不支持自协商（例如老旧的10BASE-T设备只发送NLP，不发送FLP）时，自协商机制无法完成。此时PHY会回退到并行检测模式：

1. 检测阶段： 本地PHY在等待FLP超时后（典型100ms），开始检测对端发送的物理信号特征：
   • 检测到NLP脉冲 → 判定为10BASE-T
   • 检测到MLT-3编码的100M信号 → 判定为100BASE-TX
   • 检测到PAM5编码的1000M信号 → 判定为1000BASE-T
2. 锁定模式： 根据检测到的信号类型，本地PHY强制设定为对应的速率和双工模式（通常为半双工）。
3. 局限性： 并行检测只能确定速率，无法协商双工模式，因此结果总是半双工（除非对端也支持强制全双工配置）。

4.5 优先级解析：如何选择最终工作模式

自协商完成后，两端PHY通过交换Base Page（和可选的Next Page）获得对端的能力集。最终工作模式的选择遵循严格的优先级表：

选择算法：

• 两端PHY各自将本地能力集与对端能力集取交集。
• 在交集中选择优先级最高的模式（即上表中序号最小的）。
• 如果交集为空（例如一端只支持100M全双工，另一端只支持10M半双工），则协商失败，链路无法UP。

4.6 Linux内核中的自协商实现

在Linux内核中，自协商流程由PHY驱动框架（drivers/net/phy/phy.c）和具体PHY芯片驱动共同完成。关键函数调用链如下：

// 用户空间触发自协商
ethtool -s eth0 autoneg on

// 内核调用路径
phy_ethtool_set_settings()
  -> phy_start_aneg()          // 启动自协商
    -> genphy_config_aneg()    // 通用自协商配置
      -> genphy_setup_forced() // 如果关闭自协商，强制设置
      -> genphy_restart_aneg() // 发送FLP重启协商
        -> phy_write(phydev, MII_BMCR, BMCR_ANENABLE | BMCR_ANRESTART)

// 中断或轮询方式检测协商完成
phy_interrupt() / phy_state_machine()
  -> phy_aneg_done()           // 检查自协商是否完成
    -> phy_read(phydev, MII_BMSR) & BMSR_ANEGCOMPLETE
  -> genphy_read_status()      // 读取协商结果
    -> phy_read(phydev, MII_LPA) // 读取对端能力
    -> phy_resolve_aneg_linkmode() // 优先级解析
      -> linkmode_and()        // 取能力交集
      -> phy_resolve_aneg_pause() // 流控协商

4.7 常见自协商失败场景与调试方法