什麽是網卡？

網絡系統中的壹個關鍵硬件是它的適配器，通常稱為網卡。在局域網中，網卡起著重要的作用。網卡用於在計算機之間輸入和輸出信號。網卡有自己的中斷號(IRQ)和I/O地。網卡包括蘋果MAC電腦上使用的ISA卡、e ISA卡和以太網卡。目前廣泛使用的是16位ISA網卡和32位PCI網卡。網卡有壹個緩沖存儲器來存儲數據。和聲卡類似，網卡壹般都是自帶驅動的。使用時，將網卡插入電腦的擴展槽。網卡上有指示燈，指示妳的工作是否正常。

網卡支持不同的傳輸速率，有的是10兆每秒，有的是100兆每秒，有的可以自適應10兆或100兆。

帶有遠程啟動芯片的網卡可以在無盤工作站上使用。無盤工作站，沒有硬盤，或沒有軟驅。通過網卡啟動電腦，可以保證系統的安全性，避免病毒。此外，還可以降低成本。

在筆記本電腦中，智能PCMCIA卡用於與其他計算機交換數據。在高速網絡中，有用於光纖數據分布接口的FDDI網卡，也有用於不同卡傳輸方式的ATM網卡。局域網中用於總線拓撲的網卡是帶BNC端口的網卡，傳輸介質是壹根50ω的細同軸電纜，需要在壹個網段兩端用終結器封好，形成網絡環路。

網卡現在已經成為電腦的標準配置之壹。壹張小小的網卡包含了多少秘密？我們壹起看吧。

我們最常用的網絡設備是網卡。網卡本身就是壹個LAN(局域網)設備，可以通過網關、路由器等設備連接到互聯網。互聯網本身就是由無數這樣的局域網組成的。

網卡有很多種，包括以太網卡、令牌環卡、ATM卡等。根據數據鏈路層控制發送數據；按物理層分，有無線網卡、RJ-45網卡、同軸電纜網卡、光網卡等等。它們的數據鏈路控制、尋址和幀結構是不同的。物理連接方式、數據編碼、信號傳輸介質和級別不同。下面主要介紹最常用的以太網卡。

以太網采用的CSMA/CD(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)控制技術。他主要定義了物理層和數據鏈路層的工作模式。數據鏈路層和物理層實現各自的功能，互不關心對方的操作。有標準接口(如MII、GMII等。)在它們之間傳輸數據和控制。

以太網卡的物理層可以包括多種技術，如RJ45、光、無線等。兩者的區別在於物理介質和傳輸信號的介質不同。這些在IEEE 802協議族中有詳細的定義。

我們這次主要討論的RJ45網卡屬於IEEE802.3的定義

二、網卡的組成

1.網卡的基本結構

以太網卡包括兩層OSI(開放系統互連)模型。物理層和數據鏈路層。物理層定義了數據發送和接收所需的電信號和光信號、線路狀態、時鐘參考、數據編碼和電路，並為數據鏈路層設備提供標準接口。數據鏈路層為網絡層提供尋址機制、數據幀構造、數據錯誤檢查、傳輸控制和標準數據接口。

以太網卡中數據鏈路層的芯片壹般簡稱MAC控制器，物理層的芯片簡稱PHY。許多網卡芯片將MAC和PHY的功能結合在壹個芯片上，如Intel。

82559網卡和3COM

3C905網卡。然而，MAC和PHY的機制仍然分開存在，但外觀是壹個單壹的芯片。當然也有很多網卡的MAC和PHY是分開做的，比如D-LINK的DFE-530TX。

2.什麽是MAC？

首先說壹下以太網卡的MAC芯片的功能。以太網數據鏈路層實際上包括MAC(媒體訪問控制)子層和LLC(邏輯鏈路控制)子層。壹塊以太網卡MAC芯片的作用不僅僅是實現MAC子層和LLC子層的功能，還要提供壹個符合規範的PCI接口來實現與主機的數據交換。

從PCI總線接收到IP包(或其他網絡層協議的包)後，MAC將其拆分並重新打包成最大1518字節、最小64字節的幀。該幀包括目標MAC地址、自身的源MAC地址和數據包中的協議類型(例如，IP數據包的類型由80表示)。最後，還有壹個雙字(4字節)CRC碼。

但是目標的MAC地址是從哪裏來的呢？這涉及到ARP協議(網絡層和數據鏈路層之間的協議)。第壹次傳輸壹個目的IP地址的數據時，會發出壹個ARP包，它的MAC的目的地址是廣播地址，上面寫著“誰是IP地址XXX的所有者。XXX。XXX？”因為它是壹個廣播數據包，所以這個局域網中的所有主機都收到了這個ARP請求。接收請求的主機將此IP地址與自己的IP地址進行比較，如果不同則忽略，如果相同則發出ARP響應包。這個IP地址的主機在收到這個ARP請求包後的ARP響應中說:“我是這個IP地址的主人”。這個包裏有他的MAC地址。具有該IP地址的未來幀的目的地MAC地址被確定。(其他協議如IPX/SPX也有相應的協議來完成這些操作。)

ip地址和MAC地址的關系存儲在主機系統中，稱為ARP表，由驅動程序和操作系統完成。Arp -a可以在微軟系統中使用。

查看ARP表的命令。當接收到數據幀時也是如此。CRC之後，如果沒有CRC驗證錯誤，幀頭會被去掉，數據包會被取出，通過標準借口傳遞給驅動和上層協議inn，最終正確到達我們的應用。

還有壹些控制幀，比如流量控制幀，也需要MAC直接識別並執行相應的行為。

以太網MAC芯片的壹端連接到計算機PCI總線，另壹端連接到PHY芯片。以太網的物理層包括MII/GMII(媒體獨立接口)子層、PCS(物理編碼子層)、PMA(物理媒體附件)子層、PMD(物理媒體依賴)子層和MDI子層。PHY芯片是實現物理層的重要功能器件之壹，它實現了前壹物理層各子層的所有功能。

3.網絡傳輸的過程

發送數據時，PHY從MAC接收數據(對PHY來說，沒有幀的概念，對PHY來說，不管地址、數據、CRC都是數據)，每4比特加1比特的檢錯碼，然後將並行數據轉換成串行流數據，再根據物理層的編碼規則(10Based-T NRZ編碼或65438)。(註:網上的數據是數字的還是模擬的，不好理解。我最後再講)

接收數據的過程是相反的。

PHY的另壹個重要功能是實現CSMA/光盤的部分功能。它可以檢測網絡上是否有數據正在傳輸，如果有數據正在傳輸就等待，壹旦檢測到網絡空閑，就在等待壹段隨機時間後將數據發送出去。如果兩個網卡恰好同時發送數據，必然會產生沖突。此時，沖突檢測機制可以檢測到沖突，然後等待壹個隨機時間重新發送數據。

這個隨機時間是很講究的，它不是壹個常數，不同時間計算出來的隨機時間是不壹樣的，而且有多種算法處理同樣兩臺主機的第二次沖突的概率很低。

在接入Internt寬帶時，很多網民喜歡使用“搶線”能力強的網卡。就是因為不同的PHY碰撞方法設計的計算隨機時間不壹樣，讓壹些網卡“占盡了便宜”。但是搶線只是針對廣播域網絡，對於交換網、ADSL等本地設備的點對點連接沒有意義。而“搶線”只是相對的，不會有質變。

4.關於網絡之間的沖突

現在交換機的普及使得交換網絡普及，使得沖突域網絡少了很多，大大提高了網絡帶寬。但是如果用HUB或者共享帶寬上網，還是屬於沖突域網絡，存在沖突和碰撞。交換機和集線器最大的區別在於，壹個是構建點對點網絡的局域網交換設備，壹個是構建沖突域網絡的局域網互聯設備。

我們的PHY還提供了與對面設備連接的重要功能，通過LED燈顯示其當前的連接狀態和工作狀態，讓我們了解。當我們將網線連接到網卡時，PHY發出的脈沖信號會不斷檢測到對面有設備。它們通過標準的“語言”進行通信，並相互協商確定連接速度、雙工模式以及是否采用流量控制。

通常協商的結果是兩臺設備同時支持的最大速度和最佳雙工模式。這項技術被稱為自動協商或NWAY，它們指的是同壹個東西——自動協商。

5.5的輸出部分。PHY

現在讓我們來理解PHY輸出的後面部分。壹個CMOS工藝芯片產生的信號電平總是大於0V(取決於芯片的工藝和設計要求)，但是這樣的信號送到100米甚至更遠的地方會有很大的DC分量損耗。而且如果外網直接連接芯片，電磁感應(雷電)和靜電很容易對芯片造成損壞。

那麽，設備的接地方式不同，電網環境不同，就會導致雙方0V電平不壹致，這樣信號就會從A點傳到B點，由於A點設備和B點的0V電平不同，就會有很大的電流從高電位的設備流向低電位的設備。怎麽才能解決這個問題？

這時變壓器(隔離變壓器)出現了。它用差模耦合線圈過濾PHY發出的差分信號以增強信號，並通過電磁場的轉換耦合到連接網線的另壹端。這樣不僅網線和PHY沒有物理連接，而且傳輸信號，切斷了信號中的DC成分，數據可以在不同0V電平的設備中傳輸。

隔離變壓器本身的設計能承受2KV~3KV的電壓。還起到防雷感應的作用(我個人認為這裏用防雷不太合適)。有些朋友的網絡設備在雷雨天氣容易燒壞，多是PCB設計不合理造成的，燒壞的多是設備的接口。芯片燒壞的很少，就是隔離變壓器起保護作用。

6.關於傳輸媒體

隔離變壓器本身是壹個無源元件，只把PHY信號耦合到網絡線路上，不起到功率放大的作用。那麽壹個網卡信號的最長傳輸距離是誰決定的呢？

網卡的最大傳輸距離和與對方設備連接的兼容性主要由PHY決定。但是PHY的輸出功率也比較大，可以發送100米以上的信號，更容易產生EMI問題。這時候就需要壹個合適的變壓器與之配合。the boss公司Marvell PHY經常可以傳輸180 ~ 200m的距離，遠遠超過IEEE標準的100m。

RJ-45連接器實現網卡和網線的連接。它有8個銅片，可以與網線中的4對雙絞線(8根線)連接。在100M網絡中，1和2發送數據，3和6接收數據。1和2之間有壹對差分信號，也就是說，它們的波形相同，但相位差為180度，同壹時刻的電壓幅值為正負。這樣的信號可以傳輸得更遠，抗幹擾能力強。同樣，3和6也是差分信號。

網絡電纜中的八根電線中的每壹根都絞在壹起形成壹對。我們做網線的時候壹定要註意把1和2做成壹對，3和6做成壹對。否則在長距離使用這種網線時，會導致無法連接或者連接非常不穩定。

現在新的PHY支持汽車。

MDI-X功能(還需要變壓器支持)。可以自動交換RJ-45接口1、2上發送信號線和3、6上接收信號線的功能。壹些PHYS甚至支持壹對導線中正負信號的自動交換。這樣我們就不用擔心需要用直通網線還是交叉網線來連接某個設備了。這項技術已經廣泛應用於交換機和SOHO路由器。

在1000Basd-T網絡中，最常見的壹種傳輸方式是使用網線中的全部四根雙絞線，其中增加4、5、7、8根，共同傳輸和接收數據。因為1000Based-T網絡的規格包含了AUTO。

MDI-X功能，所以不能嚴格確定它們的發送或接收關系，要看雙方具體的協商結果。

7.7之間如何溝通？PHY和麥克？

讓我們繼續關註PHY和MAC如何傳輸數據和相互通信。通過由IEEE定義的標準MII/MII/千兆米(媒體獨立)

交叉存取(媒體獨立接口)接口連接MAC和PHY。這個接口是由IEEE定義的。MII接口傳遞網絡的所有數據和數據控制。

MAC使用SMI(串行)來確定PHY的工作狀態並控制PHY。

管理

Interface)接口是通過讀寫PHY寄存器來完成的。PHY的壹些寄存器也是IEEE定義的，讓PHY將其當前狀態反映到寄存器中，MAC不斷通過SMI總線讀取PHY的狀態寄存器，了解PHY的當前狀態，如連接速度、雙工能力等。當然，PHY的寄存器也可以通過SMI設置來達到控制的目的，比如流量控制的開啟和關閉，自協商模式或者強制模式。

我們已經看到，物理連接的MII接口和SMI總線以及PHY的狀態寄存器和控制寄存器都是由IEEE標準化的，因此不同公司的MAC可以與PHY協調工作。當然，為了配合不同公司的PHY的壹些獨特功能，需要對驅動程序進行相應的修改。

網卡主要功能的實現基本上就是以上設備。

另外還有壹個EEPROM芯片，壹般是93C46。它記錄了網卡芯片的廠商ID，子系統廠商ID，網卡的MAC地址，網卡的壹些配置，比如SMI總線上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否啟用BOOTROM引導系統等等。

很多網卡還有BOOTROM。它用於引導無盤工作站的操作系統。由於沒有磁盤，所以壹些引導所需的程序和協議棧都放在裏面，比如RPL和PXE。其實就是壹個標準的PCI。

只讀存儲器.所以有些硬盤寫保護卡可以通過燒網卡的BootRom來實現。其實PCI設備的ROM可以放入主板的BIOS中。當妳啟動電腦的時候，也可以檢測這個ROM，正確識別它屬於什麽設備。AGP在很多地方的配置和PCI是壹樣的，所以很多顯卡的BIOS也可以放到主板BIOS裏。這就是為什麽我們從來沒有在板載網卡上看到BOOTROM的原因。

8.網卡電源

最後是電源部分。大多數網卡現在使用3.3V或更低的電壓。有些是雙電壓。因此，需要電源轉換電路。

並且為了實現喚醒，網卡

線路功能，必須保證所有PHY和極小壹部分MAC始終處於通電狀態，這就要求主板上5V。

將待機電壓轉換成PHY工作電壓的電路。主機開機後，PHY的工作電壓應由5V轉換的電壓代替，以節省5V。

待機的消耗。(很多劣質網卡不這麽做)。

有喚醒

支持線路的網卡通常有壹個WOL接口。那是因為PCI2.1之前沒有用PCI設備喚醒主機的功能，所以需要壹根線通過主板上的WOL接口連接南橋來實現WOL功能。

新主板網卡普遍支持PCI2.2/2.3，擴展了PME#的信號功能，可以通過PCI總線實現喚醒功能，不需要那個接口。

標簽

以太網卡由這些部分組成。他們密切合作，相互協調，為我們提供了壹個穩定和知情的網絡接入。網絡的普及不僅大大提高了工作效率，也使我們能夠在互聯網的海洋中自由遨遊！

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