網(wǎng)卡的基本知識(shí)

網(wǎng)卡的基本知識(shí)認(rèn)識(shí)網(wǎng)卡網(wǎng)卡(NetworkInterfaceCard，簡(jiǎn)稱NIC)，也稱網(wǎng)絡(luò)適配器，是電腦與局域網(wǎng)相互連接的設(shè)備。無(wú)論是普通電腦還是高端服務(wù)器，只要連接到局域網(wǎng)，就都需要安裝一塊網(wǎng)卡。如果有必要，一臺(tái)電腦也可以同時(shí)安裝兩塊或多塊網(wǎng)卡。一塊網(wǎng)卡包括OSI模型的兩個(gè)層，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層：1、物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。2、數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。二、網(wǎng)卡的組要作用網(wǎng)卡的功能主要有兩個(gè):一是將電腦的數(shù)據(jù)封裝為幀，并通過網(wǎng)線(對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)就是電磁波)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去;二是接收網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備傳過來(lái)的幀，并將幀重新組合成數(shù)據(jù)，發(fā)送到所在的電腦中。網(wǎng)卡能接收所有在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?hào)，但正常情況下只接受發(fā)送到該電腦的幀和廣播幀，將其余的幀丟棄。然后，傳送到系統(tǒng)CPU做進(jìn)一步處理。當(dāng)電腦發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)卡等待合適的時(shí)間將分組插入到數(shù)據(jù)流中。接收系統(tǒng)通知電腦消息是否完整地到達(dá)，如果出現(xiàn)問題，將要求對(duì)方重新發(fā)送。三、網(wǎng)卡的組成和工作原理以最常見的PCI接口的網(wǎng)卡為例：網(wǎng)卡的組成：（1）主芯片：網(wǎng)卡的主控制芯片是網(wǎng)卡的核心元件，一塊網(wǎng)卡性能的好壞和功能的強(qiáng)弱多寡，主要就是看這塊芯片的質(zhì)量。如下圖所示：（2）BOOTROM槽：BOOTROM插座也就是常說(shuō)的無(wú)盤啟動(dòng)ROM接口，其是用來(lái)通過遠(yuǎn)程啟動(dòng)服務(wù)構(gòu)造無(wú)盤工作站的。如下圖所示：（3）數(shù)據(jù)泵：作用一是傳輸數(shù)據(jù)；二是隔離網(wǎng)線連接的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平，還能對(duì)設(shè)備起到一定的防雷保護(hù)作用。如下圖所示：到PHY芯片上。以太網(wǎng)的物理層又包括MII/GMII（介質(zhì)獨(dú)立接口）子層、PCS（物理編碼子層）、PMA（物理介質(zhì)附加）子層、PMD（物理介質(zhì)相關(guān)）子層、MDI子層。而PHY芯片是實(shí)現(xiàn)物理層的重要功能器件之一，實(shí)現(xiàn)了前面物理層的所有的子層的功能。2物理層PHYPHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，收到MAC過來(lái)的數(shù)據(jù)（對(duì)PHY來(lái)說(shuō)，沒有幀的概念，對(duì)它來(lái)說(shuō)，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯(cuò)碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號(hào)把數(shù)據(jù)送出去。（注：關(guān)于網(wǎng)線上數(shù)據(jù)是數(shù)字的還是模擬的比較不容易理解清楚。最后我再說(shuō)）收數(shù)據(jù)時(shí)的流程反之。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PHY還有個(gè)重要的功能就是實(shí)現(xiàn)CSMA/CD的部分功能，它可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送。網(wǎng)卡首先偵聽介質(zhì)上是否有載波（載波由電壓指示），如果有，則認(rèn)為其他站點(diǎn)正在傳送信息，繼續(xù)偵聽介質(zhì)。一旦通信介質(zhì)在一定時(shí)間段內(nèi)（稱為幀間縫隙IFG=9.6微秒）是安靜的，即沒有被其他站點(diǎn)占用，則開始進(jìn)行幀數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)繼續(xù)偵聽通信介質(zhì)，以檢測(cè)沖突。在發(fā)送數(shù)據(jù)期間，如果檢測(cè)到?jīng)_突，則立即停止該次發(fā)送，并向介質(zhì)發(fā)送一個(gè)“阻塞”信號(hào)，告知其他站點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生沖突，從而丟棄那些可能一直在接收的受到損壞的幀數(shù)據(jù)，并等待一段隨機(jī)時(shí)間（CSMA/CD確定等待時(shí)間的算法是二進(jìn)制指數(shù)退避算法）。在等待一段隨機(jī)時(shí)間后，再進(jìn)行新的發(fā)送。如果重傳多次后（大于16次）仍發(fā)生沖突，就放棄發(fā)送。接收時(shí)，網(wǎng)卡瀏覽介質(zhì)上傳輸?shù)拿總€(gè)幀，如果其長(zhǎng)度小于64字節(jié)，則認(rèn)為是沖突碎片。如果接收到的幀不是沖突碎片且目的地址是本地地址，則對(duì)幀進(jìn)行完整性校驗(yàn)，如果幀長(zhǎng)度大于1518字節(jié)（稱為超長(zhǎng)幀，可能由錯(cuò)誤的LAN驅(qū)動(dòng)程序或干擾造成）或未能通過CRC校驗(yàn)，則認(rèn)為該幀發(fā)生了畸變。通過校驗(yàn)的幀被認(rèn)為是有效的，網(wǎng)卡將它接收下來(lái)進(jìn)行本地處理許多網(wǎng)友在接入Internt寬帶時(shí)，喜歡使用"搶線"強(qiáng)的網(wǎng)卡，就是因?yàn)椴煌腜HY碰撞后計(jì)算隨機(jī)時(shí)間的方法設(shè)計(jì)上不同，使得有些網(wǎng)卡比較"占便宜"。不過，搶線只對(duì)廣播域的網(wǎng)絡(luò)而言的，對(duì)于交換網(wǎng)絡(luò)和ADSL這樣點(diǎn)到點(diǎn)連接到局端設(shè)備的接入方式?jīng)]什么意義。而且"搶線"也只是相對(duì)而言的，不會(huì)有質(zhì)的變化。3關(guān)于網(wǎng)絡(luò)間的沖突現(xiàn)在交換機(jī)的普及使得交換網(wǎng)絡(luò)的普及，使得沖突域網(wǎng)絡(luò)少了很多，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。但是如果用HUB，或者共享帶寬接入Internet的時(shí)候還是屬于沖突域網(wǎng)絡(luò)，有沖突碰撞的。交換機(jī)和HUB最大的區(qū)別就是：一個(gè)是構(gòu)建點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)交換設(shè)備，一個(gè)是構(gòu)建沖突域網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)互連設(shè)備。我們的PHY還提供了和對(duì)端設(shè)備連接的重要功能并通過LED燈顯示出自己目前的連接的狀態(tài)和工作狀態(tài)讓我們知道。當(dāng)我們給網(wǎng)卡接入網(wǎng)線的時(shí)候，PHY不斷發(fā)出的脈沖信號(hào)檢測(cè)到對(duì)端有設(shè)備，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的"語(yǔ)言"交流，互相協(xié)商并卻定連接速度、雙工模式、是否采用流控等。通常情況下，協(xié)商的結(jié)果是兩個(gè)設(shè)備中能同時(shí)支持的最大速度和最好的雙工模式。這個(gè)技術(shù)被稱為AutoNegotiation或者NWAY，它們是一個(gè)意思--自動(dòng)協(xié)商。4PHY的輸出部分現(xiàn)在來(lái)了解PHY的輸出后面部分。一顆CMOS制程的芯片工作的時(shí)候產(chǎn)生的信號(hào)電平總是大于0V的（這取決于芯片的制程和設(shè)計(jì)需求），但是這樣的信號(hào)送到100米甚至更長(zhǎng)的地方會(huì)有很大的直流分量的損失。而且如果外部網(wǎng)現(xiàn)直接和芯片相連的話，電磁感應(yīng)（打雷）和靜電，很容易造成芯片的損壞。再就是設(shè)備接地方法不同，電網(wǎng)環(huán)境不同會(huì)導(dǎo)致雙方的0V電平不一致，這樣信號(hào)從A傳到B，由于A設(shè)備的0V電平和B點(diǎn)的0V電平不一樣，這樣會(huì)導(dǎo)致很大的電流從電勢(shì)高的設(shè)備流向電勢(shì)低的設(shè)備。我們?nèi)绾谓鉀Q這個(gè)問題呢？這時(shí)就出現(xiàn)了Transformer（隔離變壓器）這個(gè)器件。它把PHY送出來(lái)的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，并且通過電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。這樣不但使網(wǎng)線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號(hào)，隔斷了信號(hào)中的直流分量，還可以在不同0V電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。隔離變壓器本身就是設(shè)計(jì)為耐2KV~3KV的電壓的。也起到了防雷感應(yīng)（我個(gè)人認(rèn)為這里用防雷擊不合適）保護(hù)的作用。有些朋友的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時(shí)容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計(jì)不合理造成的，而且大都燒毀了設(shè)備的接口，很少有芯片被燒毀的，就是隔離變壓器起到了保護(hù)作用。5關(guān)于傳輸介質(zhì)隔離變壓器本身是個(gè)被動(dòng)元件，只是把PHY的信號(hào)耦合了到網(wǎng)線上，并沒有起到功率放大的作用。那么一張網(wǎng)卡信號(hào)的傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)距離是誰(shuí)決定的呢？一張網(wǎng)卡的傳輸最大距離和與對(duì)端設(shè)備連接的兼容性主要是PHY決定的。但是可以將信號(hào)送的超過100米的PHY其輸出的功率也比較大，更容易產(chǎn)生EMI的問題。這時(shí)候就需要合適的Transformer與之配合。作PHY的老大公司Marvell的PHY，常?？梢詡魉?80~200米的距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IEEE的100米的標(biāo)準(zhǔn)。RJ-45的接頭實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)卡和網(wǎng)線的連接。它里面有8個(gè)銅片可以和網(wǎng)線中的4對(duì)雙絞（8根）線對(duì)應(yīng)連接。其中100M的網(wǎng)絡(luò)中1、2是傳送數(shù)據(jù)的，3、6是接收數(shù)據(jù)的。1、2之間是一對(duì)差分信號(hào)，也就是說(shuō)它們的波形一樣，但是相位相差180度，同一時(shí)刻的電壓幅度互為正負(fù)。這樣的信號(hào)可以傳遞的更遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。同樣的，3、6也一樣是差分信號(hào)。網(wǎng)線中的8根線，每?jī)筛ぴ谝黄鸪蔀橐粚?duì)。我們制作網(wǎng)線的時(shí)候，一定要注意要讓1、2在其中的一對(duì)，3、6在一對(duì)。否則長(zhǎng)距離情況下使用這根網(wǎng)線的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致無(wú)法連接或連接很不穩(wěn)定。現(xiàn)在新的PHY支持AUTOMDI-X功能(也需要Transformer支持)。它可以實(shí)現(xiàn)RJ-45接口的1、2上的傳送信號(hào)線和3、6上的接收信號(hào)線的功能自動(dòng)互相交換。有的PHY甚至支持一對(duì)線中的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)的功能自動(dòng)交換。這樣我們就不必為了到底連接某個(gè)設(shè)備需要使用直通網(wǎng)線還是交叉網(wǎng)線而費(fèi)心了。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在交換機(jī)和SOHO路由器上。在1000Basd-T網(wǎng)絡(luò)中，其中最普遍的一種傳輸方式是使用網(wǎng)線中所有的4對(duì)雙絞線，其中增加了4、5和7、8來(lái)共同傳送接收數(shù)據(jù)。由于1000Based-T網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范包含了AUTOMDI-X功能，因此不能嚴(yán)格確定它們的傳出或接收的關(guān)系，要看雙方的具體的協(xié)商結(jié)果。6PHY和MAC之間如何進(jìn)行溝通下面繼續(xù)讓我們來(lái)關(guān)心一下PHY和MAC之間是如何傳送數(shù)據(jù)和相互溝通的。通過IEEE定義的標(biāo)準(zhǔn)的MII/GigaMII（MediaIndependedInterfade，介質(zhì)獨(dú)立界面）界面連接MAC和PHY。這個(gè)界面是IEEE定義的。MII界面?zhèn)鬟f了網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的控制。而MAC對(duì)PHY的工作狀態(tài)的確定和對(duì)PHY的控制則是使用SMI（SerialManagementInterface）界面通過讀寫PHY的寄存器來(lái)完成的。PHY里面的部分寄存器也是IEEE定義的，這樣PHY把自己的目前的狀態(tài)反映到寄存器里面，MAC通過SMI總線不斷的讀取PHY的狀態(tài)寄存器以得知目前PHY的狀態(tài)，例如連接速度，雙工的能力等。當(dāng)然也可以通過SMI設(shè)置PHY的寄存器達(dá)到控制的目的，例如流控的打開關(guān)閉，自協(xié)商模式還是強(qiáng)制模式等。我們看到了，不論是物理連接的MII界面和SMI總線還是PHY的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是有IEEE的規(guī)范的，因此不同公司的MAC和PHY一樣可以協(xié)調(diào)工作。當(dāng)然為了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驅(qū)動(dòng)需要做相應(yīng)的修改。7網(wǎng)卡的供電最后就是電源部分了。大多數(shù)網(wǎng)卡現(xiàn)在都使用3.3V或更低的電壓。有的是雙電壓的。因此需要電源轉(zhuǎn)換電路。而且網(wǎng)卡為了實(shí)現(xiàn)Wakeonline功能，必須保證全部的PHY和MAC的極少一部分始終處于有電的狀態(tài)，這需要把主板上的5VStandby電壓轉(zhuǎn)換為PHY工作電壓的電路。在主機(jī)開機(jī)后