Autonegotiation

Autonegotiation is a signaling mechanism and procedure used by Ethernet over twisted pair by which two connected devices choose common transmission parameters, such as speed, duplex mode, and flow control. In this process, the connected devices first share their capabilities regarding these parameters and then choose the highest-performance transmission mode they both support.

Autonegotiation for twisted pair is defined in clause 28 of IEEE 802.3.^[1] and was originally an optional component in the Fast Ethernet standard.^[2] It is backwards compatible with the normal link pulses (NLP) used by 10BASE-T.^[3] The protocol was significantly extended in the Gigabit Ethernet standard, and is mandatory for 1000BASE-T gigabit Ethernet over twisted pair.^[4]

In the OSI model, autonegotiation resides in the physical layer.

In 1995, the Fast Ethernet standard was released. Because this introduced a new speed option for the same wires, it included a means for connected network adapters to negotiate the best possible shared mode of operation. The autonegotiation protocol included in IEEE 802.3 clause 28 was developed from a patented technology by National Semiconductor known as NWay. The company gave a letter of assurance for anyone to use their system for a one time license fee.^[5] Another company has since bought the rights to that patent.^[6][a]

تم تطبيق الإصدار الأول من مواصفات التفاوض التلقائي، في معيار IEEE 802.3u لشبكة إيثرنت السريعة لعام 1995، بشكل مختلف من قبل الشركات المصنعة، مما أدى إلى مشاكل في التوافق . دفعت هذه المشاكل العديد من مديري الشبكات إلى ضبط سرعة ووضع الإرسال والاستقبال لكل واجهة شبكة يدويًا. مع ذلك، قد يؤدي استخدام الإعدادات اليدوية إلى عدم تطابق وضع الإرسال والاستقبال . يصعب تشخيص هذه المشاكل لأن الشبكة تعمل ظاهريًا بشكل طبيعي. قد تُظهر أدوات اختبار الشبكة البسيطة، مثل ping، اتصالًا صحيحًا. لكن أداء الشبكة سيتأثر بشكل كبير بانقطاعات الإرسال وفقدان إطارات الإيثرنت اللاحقة الناتجة عن عدم تطابق وضع الإرسال والاستقبال. عند حدوث عدم تطابق في وضع الإرسال والاستقبال، سيُبلغ جانب الاتصال الذي يستخدم وضع الإرسال والاستقبال النصفي عن تصادمات متأخرة، بينما سيُبلغ الجانب الذي يستخدم وضع الإرسال والاستقبال الكامل عن أخطاء FCS .

تم تحسين مواصفات التفاوض التلقائي في إصدار IEEE 802.3 عام 1998. تبع ذلك إصدار معيار IEEE 802.3ab لشبكة جيجابت إيثرنت عام 1999، والذي نصّ على إلزامية التفاوض التلقائي لتقنية 1000BASE-T . كما يُعدّ التفاوض التلقائي إلزاميًا أيضًا لتطبيقات 1000BASE-TX و 10GBASE-T . حاليًا، يُوصي معظم مُصنّعي معدات الشبكات باستخدام التفاوض التلقائي على جميع منافذ الوصول، وتفعيله كإعداد افتراضي من المصنع. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

يمكن استخدام التفاوض التلقائي بواسطة الأجهزة القادرة على أكثر من معدل إرسال واحد، وأوضاع ازدواج مختلفة (نصف ازدواج وازدواج كامل)، ومعايير إرسال مختلفة بنفس السرعة (على الرغم من أنه عمليًا يتم دعم معيار واحد فقط لكل سرعة على نطاق واسع).

أثناء التفاوض التلقائي، يُعلن كل جهاز عن قدراته التقنية ، أي أوضاع التشغيل الممكنة. ويتم اختيار أفضل وضع مشترك، مع تفضيل السرعة الأعلى على السرعة الأقل، والوضع المزدوج الكامل على الوضع المزدوج النصفي عند نفس السرعة.

يُستخدم الكشف المتوازي عند توصيل جهاز يدعم التفاوض التلقائي بجهاز آخر لا يدعمه. يحدث هذا إذا كان الجهاز الأول لا يدعم التفاوض التلقائي أو إذا كانت هذه الخاصية مُعطّلة عليه. في هذه الحالة، يستطيع الجهاز الذي يدعم التفاوض التلقائي تحديد سرعة الاتصال ومطابقتها مع سرعة الجهاز الآخر. لا يُمكن لهذه العملية تحديد إمكانية الاتصال ثنائي الاتجاه، لذا يُفترض دائمًا استخدام الاتصال نصف ثنائي الاتجاه.

إلى جانب السرعة ووضع الإرسال والاستقبال المزدوج، تُستخدم آلية التفاوض التلقائي لتوصيل معلمات الجهاز الرئيسي والتابع لشبكة إيثرنت جيجابت . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

عند استلام القدرات التقنية للجهاز الآخر، يحدد كلا الجهازين أفضل وضع تشغيل ممكن يدعمه كلاهما. ومن بين الأوضاع التي يدعمها كلا الجهازين، يختار كل جهاز الوضع ذو الأولوية الأعلى. وتكون أولوية الأوضاع كما يلي: ^{[ 12 ] [ 13 ]}

1. 40GBASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
2. 25GBASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
3. 10GBASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
4. 5GBASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
5. 2.5GBASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
6. 1000BASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
7. نصف مزدوج 1000BASE-T
8. 100BASE-T2 ثنائي الاتجاه الكامل
9. 100BASE-TX ثنائي الاتجاه الكامل
10. نصف مزدوج 100BASE-T2
11. نصف مزدوج 100BASE-T4
12. نصف مزدوج 100BASE-TX
13. 10BASE-T ثنائي الاتجاه الكامل
14. نصف مزدوج 10BASE-T

تعتمد عملية التفاوض التلقائي على نبضات مشابهة لتلك التي تستخدمها أجهزة 10BASE-T للكشف عن وجود اتصال بجهاز آخر. تُرسل أجهزة الإيثرنت نبضات اختبار سلامة الرابط (LIT) هذه عندما لا ترسل أو تستقبل أي إطارات. وهي نبضات كهربائية أحادية القطب موجبة فقط، ذات مدة اسمية تبلغ100  نانوثانية ، مع أقصى عرض نبضة يبلغ200  نانوثانية ، ^{[ 14 ]} تم توليدها عندفاصل زمني قدره 16  مللي ثانية مع هامش خطأ في التوقيت قدره8  مللي ثانية . يكتشف الجهاز فشل الرابط إذا لم يتم استلام أي إطار، أو نبضتين من نبضات LIT، لمدة تتراوح بين 50 و150  مللي ثانية. ^{[ 15 ] : §14.2.1.7} لكي يعمل هذا النظام، يجب على الأجهزة إرسال نبضات LIT بغض النظر عن استلام أي منها. في مواصفات التفاوض التلقائي، تُسمى هذه النبضات نبضات الرابط العادية (NLP).

لا تزال تقنيات معالجة اللغة الطبيعية المستخدمة في التفاوض الذاتي أحادية القطب، وإيجابية فقط، وذات مدة اسمية تبلغ100  نانوثانية ؛ ولكن يتم استبدال كل LIT بنبضة تتكون من 17 إلى 33 نبضة مرسلةيفصل بين كل نبضة وأخرى 125  ميكروثانية . تُسمى كل نبضة منها نبضة وصلة سريعة (FLP). الفاصل الزمني بين بداية كل نبضة FLP هو نفسه.16  مللي ثانية بين عمليات معالجة اللغة الطبيعية.

تتكون دفعة FLP من 17 NLP عندفاصل زمني قدره 125  ميكروثانية مع هامش خطأ قدره14  ميكروثانية . بين كل زوج من اثنين من عمليات معالجة اللغة الطبيعية المتتالية (أي عندبعد مرور 62.5  ميكروثانية من أول نبضة غير خطية في زوج النبضات، قد تظهر نبضة موجبة إضافية. يشير وجود هذه النبضة الإضافية إلى القيمة المنطقية 1، بينما يشير غيابها إلى القيمة المنطقية 0. ونتيجةً لذلك، يحتوي كل زوج نبضات خطية على كلمة بيانات مكونة من 16 بت. تُسمى كلمة البيانات هذه كلمة رمز الربط (LCW). تُرقّم بتات كلمة رمز الربط من 0 إلى 15، حيث يُمثل البت 0 أول نبضة ممكنة زمنيًا، بينما يُمثل البت 15 آخر نبضة.

تنقل كل نبضة من نبضات الربط السريع 16 بت من البيانات تُعرف باسم كلمة رمز الربط. تُعرف الكلمة الأولى من هذه الكلمات باسم كلمة رمز الربط الأساسية ، وتُستخدم بتاتها على النحو التالي:

• 0-4: حقل الاختيار - يشير إلى المعيار المستخدم بين IEEE 802.3 و IEEE 802.9 
• 5-12: مجال القدرة التكنولوجية - سلسلة من البتات التي تشفر أوضاع التشغيل الممكنة بين أوضاع 100BASE-T و 10BASE-T (انظر أدناه) 
• 13: عطل عن بُعد - يتم ضبطه على واحد عندما يكتشف الجهاز عطلًا في الاتصال 
• ١٤: الإقرار – يقوم الجهاز بتعيين هذه القيمة إلى واحد للإشارة إلى استلام كلمة رمز الارتباط الأساسية بشكل صحيح من الطرف الآخر؛ ويتم الكشف عن ذلك من خلال استلام ثلاث كلمات رمز ارتباط أساسية متطابقة على الأقل. عند استلام هذه النسخ الثلاث المتطابقة، يرسل الجهاز كلمة رمز ارتباط مع تعيين بت الإقرار إلى واحد من ست إلى ثماني مرات. 
• 15: الصفحة التالية - تُستخدم للإشارة إلى نية إرسال كلمات رمزية أخرى للرابط بعد كلمة رمز الرابط الأساسية 

يتكون مجال القدرة التقنية من ثمانية بتات. بالنسبة لمعيار IEEE 802.3، تكون هذه البتات كما يلي:

• البت 0: يدعم الجهاز 10BASE-T
• البت 1: يدعم الجهاز تقنية 10BASE-T في وضع الإرسال والاستقبال المتزامن الكامل
• البت 2: يدعم الجهاز تقنية 100BASE-TX
• البت 3: يدعم الجهاز تقنية 100BASE-TX في وضع الإرسال والاستقبال المتزامن الكامل
• البت 4: يدعم الجهاز 100BASE-T4
• البت 5: يدعم الجهاز إطار الإيقاف المؤقت
• البت 6: يدعم الجهاز الإيقاف المؤقت غير المتماثل للاتصال ثنائي الاتجاه الكامل
• البت 7: محجوز

تُسمى كلمات رمز الربط أيضًا بالصفحات . ولذلك، تُسمى كلمة رمز الربط الأساسية بالصفحة الأساسية. تكون بتة الصفحة التالية في الصفحة الأساسية 1 عندما ينوي الجهاز إرسال صفحات أخرى، والتي يمكن استخدامها للتواصل بشأن وظائف أخرى. تُرسل هذه الصفحات الإضافية فقط إذا أرسل كلا الجهازين صفحات أساسية مع ضبط بتة الصفحة التالية على 1. لا تزال الصفحات الإضافية مُشفّرة ككلمات رمز ربط (باستخدام 17 نبضة ساعة، وبحد أقصى 16 نبضة).

تكفي الصفحة الأساسية للأجهزة للإعلان عن أي من أوضاع 10BASE-T و100BASE-TX و100BASE-T4 تدعمها. أما بالنسبة لشبكة إيثرنت جيجابت، فيلزم وجود صفحتين إضافيتين. تُرسل هاتان الصفحتان إذا أرسل كلا الجهازين صفحات أساسية مع ضبط بت الصفحة التالية على واحد.

The additional pages are of two kinds: message pages and unformatted pages. These pages are still 16-bit words encoded as pulses in the same way as the base page. Their first eleven bits are data, while their second-to-last bit indicates whether the page is a message page or an unformatted page. The last bit of each page indicates the presence of an additional page.^[16]

The 1000BASE-T supported modes and master-slave data (which is used to decide which of the two devices acts as the master, and which one acts as the slave) are sent using a single message page, followed by a single unformatted page. The message page contains:

• half duplex capability
• whether the device is single port or multiport
• whether master/slave is manually configured or not
• whether the device is manually configured as master or slave

The unformatted page contains a 10-bit word, called a master-slave seed value.

A duplex mismatch occurs when two connected devices are configured in different duplex modes. This may happen, for example, if one is configured for autonegotiation while the other one has a fixed mode of operation that is full duplex (no autonegotiation). In such conditions, the autonegotiation device correctly detects the speed of operation but is unable to correctly detect the duplex mode. As a result, it sets the correct speed but assumes half-duplex mode.

When a device is operating in full duplex while the other one operates in half duplex, the connection works reliably only at a very low throughput. A full-duplex device may transmit data while it is receiving. However, if the half-duplex device receives data while it is sending, it senses a collision and aborts transmission and then attempts to resend the frame. The full-duplex device will report frame check sequence (FCS) errors on the aborted transmissions. Depending on timing, the half-duplex device may sense a late collision, which it will interpret as a hard error rather than a normal consequence of CSMA/CD and may not attempt to resend the frame. The full-duplex device does not detect any collision and assumes the frame was received without error. This combination of (late) collisions reported at the half-duplex end and FCS errors reported by the full-duplex end are indicators that a duplex mismatch is present.

تُغطى عملية التفاوض الذاتي ببراءات الاختراع الأمريكية التالية: براءة الاختراع الأمريكية رقم 5,617,418 ، وبراءة الاختراع الأمريكية رقم 5,687,174 ، وبراءة الاختراع الأمريكية الأوروبية رقم RE39,405 ، وبراءة الاختراع الأمريكية الأوروبية رقم RE39,116 ، والطلب الأمريكي رقم 971018 (المقدم بتاريخ 2 نوفمبر 1992) ، والطلب الأمريكي رقم 146729 (المقدم بتاريخ 1 نوفمبر 1993) ، والطلب الأمريكي رقم 430143 (المقدم بتاريخ 26 أبريل 1995) ؛ ^{[ 6 ] : 6} طلبات براءات اختراع أوروبية برقم SN 93308568.0 (ألمانيا، فرنسا، المملكة المتحدة، إيطاليا، هولندا)؛ وبراءة الاختراع الكورية رقم 286791؛ وبراءة الاختراع التايوانية رقم 098359؛ وبراءة الاختراع اليابانية رقم 3705610. براءة الاختراع اليابانية رقم 4234. طلبات رقم SN H5-274147؛ طلبات براءات الاختراع الكورية رقم SN 22995/93؛ طلبات براءات الاختراع التايوانية رقم SN 83104531. ^{[ أ ]}   

بسبب طبيعتها، تمتلك شبكة إيثرنت أحادية الزوج نسخة اختيارية خاصة بها من التفاوض التلقائي. وتستخدم صفحات ترميز مانشستر التفاضلي (DME) للتفاوض على الإمكانيات بطريقة نصف مزدوجة. وتُستخدم سرعتان مختلفتان للإشارة: تدعم 10/5/2.5GBASE-T1 و1000BASE-T1 و100BASE-T1 و10BASE-T1S وضع السرعة العالية (HSM) بسرعة 16.667  ميجابت/ثانية، ووضع السرعة المنخفضة (LSM) اختياريًا بسرعة 625  كيلوبت/ثانية، بينما يدعم 10BASE-T1L وضع السرعة المنخفضة (LSM) ووضع السرعة العالية (HSM) اختياريًا. ^{[ 17 ]}

أولوية الاختيار للأوضاع المتفاوض عليها هي: ^{[ 18 ]}

1. 10GBASE-T1
2. 5GBASE-T1
3. 2.5GBASE-T1
4. 1000BASE-T1
5. 100BASE-T1
6. 10BASE-T1S ثنائي الاتجاه الكامل
7. نصف مزدوج 10BASE-T1S
8. 10BASE-T1L

• خاصية Auto MDI-X لتكوين اتصال الكابلات المباشر أو المتقاطع تلقائيًا

• أفضل الممارسات في التفاوض التلقائي لشبكة الإيثرنت
• التفاوض التلقائي لشبكة جيجابت إيثرنت
• البندان 28 و40: التفاوض التلقائي - مقدمة لعملية التفاوض التلقائي
• دليل تكوين Cisco Catalyst
• التفاوض التلقائي، كيف يعمل؟
• توقيت وصلة 10/100/1000