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解密网络传输 带你深入认识网卡
2007-8-2 16:34:29 文章来源：IT世界 |
一、什么是网卡？
网卡现在已经上成为了目前电脑里的标准配置之一。小小的网卡，究竟蕴涵着多少秘密呢？让我们一起来看。
我们最常用的网络设备当属网卡了。网卡本身是LAN（局域网）的设备，通过网关、路由器等设备就可以把这个局域网挂接到Internet上。而Internet本身就是无数个这样的局域网组成的。
网卡有许多种，按照数据链路层控制来分有以太网卡，令牌环网卡，ATM网卡等；按照物理层来分类有无线网卡，RJ-45网卡，同轴电缆网卡，光线网卡等等。它们的数据链路控制、寻址、帧结构等不同；物理上的连接方式不同、数据的编码、信号传输的介质、电平等不同。以下主要介绍我们最常用到的以太网网卡。
以太网采用的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）的控制技术。他主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。数据链路层和物理层各自实现自己的功能，相互之间不关心对方如何操作。二者之间有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。
以太网卡的物理层可以包含很多种技术，常见的有RJ45，光线，无线等，它们的区别在于传送信号的物理介质和媒质不同。这些都在IEEE的802协议族中有详细的定义。
这次我们主要讨论的RJ45的网卡属于IEEE802.3定义的范围。
二、网卡的组成
1．网卡的基本结构
一块以太网网卡包括OSI（开方系统互联）模型的两个层。物理层和数据链路层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。
以太网卡中数据链路层的芯片一般简称之为MAC控制器，物理层的芯片我们简称之为PHY。许多网卡的芯片把MAC和PHY的功能做到了一颗芯片中，比如Intel 82559网卡的和3COM 3C905网卡。但是MAC和PHY的机制还是单独存在的，只是外观的表现形式是一颗单芯片。当然也有很多网卡的MAC和PHY是分开做的，比如D-LINK的DFE-530TX等
图一：MAC和PHY分开的以太网卡（点击放大）
图二：MAC和PHY集成在一颗芯片的以太网卡（点击放大）
①RJ-45接口 ②Transformer（隔离变压器） ③PHY芯片
④MAC芯片 ⑤EEPROM ⑥BOOTROM插槽
⑦WOL接头 ⑧晶振 ⑨电压转换芯片
⑩LED指示灯
2．什么是MAC?
首先我们来说说以太网卡的MAC芯片的功能。以太网数据链路层其实包含MAC（介质访问控制）子层和LLC（逻辑链路控制）子层。一块以太网卡MAC芯片的作用不但要实现MAC子层和LLC子层的功能，还要提供符合规范的PCI界面以实现和主机的数据交换。
MAC从PCI总线收到IP数据包（或者其他网络层协议的数据包）后，将之拆分并重新打包成最大1518Byte，最小64Byte的帧。这个帧里面包括了目标MAC地址、自己的源MAC地址和数据包里面的协议类型（比如IP数据包的类型用80表示）。最后还有一个DWORD(4Byte)的CRC码。
可是目标的MAC地址是哪里来的呢？这牵扯到一个ARP协议（介乎于网络层和数据链路层的一个协议）。第一次传送某个目的IP地址的数据的时候，先会发出一个ARP包，其MAC的目标地址是广播地址，里面说到："谁是xxx.xxx.xxx.xxx这个IP地址的主人？"因为是广播包，所有这个局域网的主机都收到了这个ARP请求。收到请求的主机将这个IP地址和自己的相比较，如果不相同就不予理会，如果相同就发出ARP响应包。这个IP地址的主机收到这个ARP请求包后回复的ARP响应里说到："我是这个IP地址的主人"。这个包里面就包括了他的MAC地址。以后的给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了。（其它的协议如IPX/SPX也有相应的协议完成这些操作。）
IP地址和MAC地址之间的关联关系保存在主机系统里面，叫做ARP表，由驱动程序和操作系统完成。在Microsoft的系统里面可以用 arp -a 的命令查看ARP表。收到数据帧的时候也是一样，做完CRC以后，如果没有CRC效验错误，就把帧头去掉，把数据包拿出来通过标准的借口传递给驱动和上层的协议客栈，最终正确的达到我们的应用程序。
还有一些控制帧，例如流控帧也需要MAC直接识别并执行相应的行为。
以太网MAC芯片的一端接计算机PCI总线，另外一端就接到PHY芯片上。以太网的物理层又包括MII/GMII（介质独立接口）子层、PCS（物理编码子层）、PMA（物理介质附加）子层、PMD（物理介质相关）子层、MDI子层。而PHY芯片是实现物理层的重要功能器件之一，实现了前面物理层的所有的子层的功能。
3．网络传输的流程
PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则（10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码）把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。（注：关于网线上数据是数字的还是模拟的比较不容易理解清楚。最后我再说）
收数据时的流程反之。
PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两块网卡碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突，这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。
这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数，在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现概率很低的同两台主机之间的第二次冲突。
许多网友在接入Internt宽带时，喜欢使用"抢线"强的网卡，就是因为不同的PHY碰撞后计算随机时间的方法设计上不同，使得有些网卡比较"占便宜"。不过，抢线只对广播域的网络而言的，对于交换网络和ADSL这样点到点连接到局端设备的接入方式没什么意义。而且"抢线"也只是相对而言的，不会有质的变化。
4．关于网络间的冲突
现在交换机的普及使得交换网络的普及，使得冲突域网络少了很多，极大地提高了网络的带宽。但是如果用HUB，或者共享带宽接入Internet的时候还是属于冲突域网络，有冲突碰撞的。交换机和HUB最大的区别就是：一个是构建点到点网络的局域网交换设备，一个是构建冲突域网络的局域网互连设备。
我们的PHY还提供了和对端设备连接的重要功能并通过LED灯显示出自己目前的连接的状态和工作状态让我们知道。当我们给网卡接入网线的时候，PHY不断发出的脉冲信号检测到对端有设备，它们通过标准的"语言"交流，互相协商并却定连接速度、双工模式、是否采用流控等。
通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为Auto Negotiation或者NWAY，它们是一个意思--自动协商。
5.PHY的输出部分
现在来了解PHY的输出后面部分。一颗CMOS制程的芯片工作的时候产生的信号电平总是大于0V的（这取决于芯片的制程和设计需求），但是这样的信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部网现直接和芯片相连的话，电磁感应（打雷）和静电，很容易造成芯片的损坏。
再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，这样会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。我们如何解决这个问题呢？
这时就出现了Transformer（隔离变压器）这个器件。它把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间没有物理上的连接而换传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。
隔离变压器本身就是设计为耐2KV~3KV的电压的。也起到了防雷感应（我个人认为这里用防雷击不合适）保护的作用。有些朋友的网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是PCB设计不合理造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是隔离变压器起到了保护作用。
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