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首先，了解网卡

网络接口卡(NIC)，也称为网络适配器，将计算机连接到局域网(LAN)。当计算机或高端服务器连接到局域网时，需要安装网卡。如果有必要，还可以在同一台计算机上安装两个或多个网卡。

网卡包括两层OSI模型：物理层和数据链路层：

1. 物理层定义了电信号、光信号、线路状态、时钟参考、数据编码、数据传输和接收所需的电路等，并为数据链路层设备提供标准接口。

2)数据链路层提供寻址机制、数据帧构建、数据错误检测、传输控制以及与网络层的标准数据接口等功能。

2:网卡组功能

网卡的功能如下：

一种是将计算机数据封装成帧，并通过网线(在无线网络中是电磁波)发送到网络。

另一种是接收来自网络上其他设备的帧，并将帧重新组合成数据，发送给计算机。

网卡接收通过网络传输的所有信号，但通常只接收发送到计算机的帧和广播帧，丢弃其余的帧。然后将其发送到系统CPU进行进一步处理。当计算机发送数据时，网卡等待适当的时间将数据包插入数据流。接收系统通知计算机消息是否完整到达，如果有问题，请计算机重新发送。

三：网卡的组成和工作原理

图1网卡

以最常见的PCI接口网卡为例：

网卡组件：

(1)主芯片：网卡的主控芯片是网卡的核心部件，一张网卡的性能和功能的强弱主要看芯片的质量。如下图所示：

主要芯片

(2) BOOTROM插槽：BOOTROM插槽又称无盘引导ROM接口，用于通过远程引导服务构建无盘工作站。如下图所示：

BOOTROM槽

(3)数据泵：功能一是传输数据；其次，不同网络设备之间通过隔离网线连接的不同等级也可以对设备起到一定的防雷作用。如下图所示：

数据泵

(4)晶体振荡器即石英振荡器，提供参考频率，如下图所示：

晶体振荡器是石英振荡器

(5) LED指示灯：用于识别网卡的不同工作状态。如Link/Act表示连接的主用状态，Full表示是否为全双工，Power表示电源。

(6)网线接口：使用BNC接口和RJ-45接口。主要使用8芯RJ-45接口。

有线电视接口

(7)总线接口：用于连接网卡和计算机。内置网卡需要通过俗称“金手指”的总线接口插入计算机主板的扩展槽。主要有ISA、PCI、PCMCIA和USB常用的是PCI总线接口卡。

四：网卡的工作原理

网卡充当计算机和网线之间的物理接口或电线，负责将计算机中的数字信号转换为电信号或光信号。

网卡负责串行数据或并行数据的转换。数据在计算机总线中并行传输，在网络的物理电缆中以串行位流传输。

以太网卡中数据链路层的芯片一般称为MAC控制器，物理层的芯片称为PHY。许多网卡芯片，如Intel 82559网卡和3COM 3C905网卡，将MAC和PHY功能结合在一个芯片上。但是MAC和PHY机制仍然独立存在，只是以单个芯片的形式存在。当然，也有很多网卡MAC和PHY是分开做的，比如D-LINK DFE-530TX等。

1数据链路层MAC控制器

首先我们来说说以太网卡的MAC芯片。以太网数据链路层实际上包含MAC(介质访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层。以太网卡MAC芯片的功能不仅是实现MAC子层和LLC子层的功能，还提供符合规范的PCI接口，实现与主机的数据交换。当MAC从PCI总线接收到IP包(或其他网络层协议包)时，它将它们分解并重新打包成最多1518Byte和64Byte的帧。该帧包含报文的目的MAC地址、源MAC地址和协议类型(如IP报文的类型用80表示)。最后，有一个DWORD(4Byte) CRC代码。但是目标的MAC地址是从哪里来的呢？这涉及到ARP协议(网络层和数据链路层之间的协议)。当第一次传输目的IP地址的数据时，会发送ARP报文。ARP报文的目标MAC地址为广播地址。ARP报文询问：“谁是xxx.xxx.xxx.xxx IP地址的所有者？”因为是广播报文，所以局域网内的所有主机都收到了这个ARP请求。接收请求的主机将IP地址与自己的IP地址进行比较，如果不一致则忽略，如果不一致则发送ARP响应报文。这个IP地址的主机响应一个ARP响应，说“我是这个IP地址的所有者”。包裹里有他的MAC地址。确定给定此IP地址的未来帧的目标MAC地址。(其他协议，如IPX/SPX，也有这样做的协议。)IP地址和MAC地址之间的关联存储在主机系统中，称为ARP表，由驱动程序和操作系统完成。在微软系统中，可以使用arp -a命令查看arp表。接收数据帧时也是如此，经过CRC校验后，如果没有CRC校验错误，则去掉帧报头，将数据包取出通过标准借口传递给驱动程序和上层协议inn，最终正确到达我们的应用程序。一些控制帧，如流控制帧，也要求MAC直接识别并执行相应的动作。以太网MAC芯片的一端连接计算机的PCI总线，另一端连接PHY芯片。以太网的物理层包括MII/GMII(介质无关接口)子层、PCS(物理编码子层)、PMA(物理介质附着)子层、PMD(物理介质依赖)子层和MDI子层。PHY芯片是实现物理层的重要功能器件之一，实现了之前物理层的所有功能。

2物理层PHY

当PHY发送数据时，它从MAC接收数据(对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，无论地址、数据或CRC，都是数据)，每4位增加1bit的错误检查，然后将并行数据转换为串行流数据。数据按照物理层的编码规则进行编码(10base - t NRZ编码或100base - t Manchester编码)，然后转换成模拟信号发送出去。(注：网线上的数据是数字还是模拟不容易理解。接收数据的过程是反向的。PHY在发送数据时的另一个重要功能是实现CSMA/CD的一些功能，可以检测数据是否在网络上传输。网卡首先监听介质上是否有载波(载波由电压指示)。如果存在，则认为另一个网站正在传输信息，并继续监听该媒体。一旦通信介质安静一段时间(称为帧间间隙IFG=9.6微秒)，即没有被其他站点占用，帧数据传输开始，同时继续侦听通信介质以检测冲突。在数据传输过程中，如果检测到冲突，则立即停止传输，并向介质发送一个“块”信号，通知其他站点发生冲突，从而丢弃可能已经接收并等待了一段随机时间的损坏帧数据(用于确定等待时间的CSMA/CD算法是二进制指数回归算法)。等待一段随机的时间，然后再进行新的发送。如果多次重传(超过16次)后仍发生冲突，则放弃传输。在接收时，网卡浏览在媒体上传输的每一帧，如果它的长度小于64字节，就认为它是一个冲突片段。如果收到的帧不是冲突分片，且目的地址为本地地址，则对该帧进行完整性检查。如果帧长度超过1518字节(称为极长帧，这可能是由不正确的LAN驱动程序或干扰引起的)或未能通过CRC检查，则认为该帧是扭曲的。通过检查的帧被认为是有效的，网卡接收它进行本地处理。许多互联网用户在访问互联网宽带时更喜欢使用强大的网卡。原因是不同PHY碰撞后随机时间的设计是不同的，这使得一些网卡比其他网卡“便宜”。但是，线路抓取仅适用于广播域的网络，对于交换网络和对本地设备(如ADSL)的点对点访问没有意义。而‘抢线’只是一个相对的名词，不会有质的变化。

3网络冲突

目前，交换机的普及使得交换网络的普及，大大降低了网络的冲突区，大大提高了网络带宽。但如果使用HUB或共享带宽访问Internet，仍属于冲突区域网络。交换机和HUB最大的区别是一个是LAN交换设备，用于构建点对点网络，另一个是LAN互连设备，用于构建冲突域网络。我们的PHY还提供了与对端设备连接的重要功能，通过LED灯让我们知道当前的连接状态和工作状态。当我们将网线连接到网络上时，PHY会不断地发出一个脉冲，检测到另一端有设备。它们通过标准的“语言”进行通信，并相互协商以确定连接速度、双工模式、流控制等。通常，协商的结果是两台设备同时支持的最大速度和最佳双工模式。这种技术被称为自动协商或NWAY，它们的意思是一样的——自动协商。

4 PHY输出部分

现在让我们看看PHY输出的其余部分。CMOS芯片总是会产生大于0V的信号电平(取决于芯片的工艺和设计要求)，但这样的信号在100米或更远的距离上会有显著的直流元件损耗。而如果外部网络直接连接芯片，电磁感应(雷)和静电，很容易对芯片造成损坏。另外，设备接地方式不同，电网环境不同，会导致双方0V电平不一致。这样信号就从A点传到了B点，由于A点设备的0V电平与B点的0V电平不同，会有大量电流从高电位设备流向低电位设备。我们如何解决这个问题？这就是变形金刚的用武之地。PHY发出的差分信号通过差分模耦合线圈耦合增强信号，并通过电磁场转换耦合到连接网线的另一端。这不仅在电缆和PHY之间没有物理连接的情况下传输信号，切断了信号的直流分量，而且还在不同0V电平的设备之间传输数据。隔离变压器本身设计可承受2KV~3KV电压。还起到了防雷感应的作用(我个人认为这里用防雷是不合适的)保护。有些朋友的网络设备在雷雨天气很容易被烧坏，多是PCB设计不合理造成的，而且多是烧坏了设备的接口，很少有芯片被烧坏，是隔离变压器起到了保护作用。

5关于传输介质

隔离变压器本身是一个无源组件，仅将PHY信号耦合到网线上，不作为功率放大器。那么谁来决定NIC信号能传播的最大距离呢？网卡的最大传输距离及其与对端设备的兼容性主要由PHY决定。但是PHY能发送100米以上信号的输出功率比较大，更容易引起EMI问题。在这种情况下，您需要正确的Transformer来使用它。Marvell的PHY是该领域的领军企业，通常能提供超过180 - 200米的信号，远远超过IEEE的100米标准。RJ-45连接器用于连接网卡和网线。它有8个铜片，连接到网线中的4对双绞线(8根)。100m组网中，1和2发送数据，3和6接收数据。在1和2之间

它们是一对微分信号，这意味着它们有相同的波形，但它们的相位相差180度，同时电压幅值是正的或负的。这样的信号可以传输得更远，抗干扰能力强。类似地，3和6是微分信号。一根网线中的8根电缆绞成一对。我们在制作网线时，一定要注意1根2根成对，3根6根成对。否则，在长距离使用该电缆时，连接将断开或不稳定。现在新的PHY支持AUTO MDI-X功能(变压器支持也是必需的)。可实现RJ-45接口1、2上的传输信号线和3、6上的接收信号线功能的自动交换。一些PHY甚至支持在一对线中自动交换正信号和负信号。因此，我们不必决定是使用直通网线还是交叉网线来连接设备。该技术已广泛应用于交换机和SOHO路由器。在1000bsd - t网络中，最常见的传输方式之一是使用网线中的所有四对双绞线，再加上4,5和7,8，一起传输接收到的数据。由于AUTOMDI-X包含在1000base - t网络规范中，因此无法严格确定出方向和入方向的函数关系，具体取决于双方协商的结果。

6如何实现PHY与MAC之间的通信

让我们继续关注PHY和MAC如何传输数据并相互通信。由MII标准定义的IEEE/GigaMII (Media independent interade, independent of medium interface) MAC和PHY接口连接。该接口由IEEE定义。MII接口传输网络中的所有数据和数据控制。MAC通过SMI (Serial ManagementInterface)接口对PHY的寄存器进行读写，从而确定PHY的工作状态并对其进行控制。PHY中的部分寄存器也是由IEEE定义的，因此PHY将其当前状态反映到寄存器中。MAC通过SMI总线不断读取PHY的状态寄存器，以了解PHY的当前状态，如连接速度、双工能力等。当然，也可以通过SMI设置PHY的寄存器来达到控制的目的，例如流量控制的开启和关闭，自动协商模式或强制模式。正如你所看到的，物理连接的MII接口和SMI总线以及PHY状态寄存器和控制寄存器都有IEEE规范，所以不同公司的mac和PHY工作得一样好。当然，需要修改驱动程序以适应不同公司的物理特性。

7网卡电源

最后，还有电源。现在大多数网卡使用3.3V或更低的电压。有些是双电压的。因此需要一个功率转换电路。为了让NIC在线唤醒，它必须确保整个PHY和MAC的一小部分始终处于充电状态，这需要一个将主板上的5V待机电压转换为PHY工作电压的电路。主机开机后，PHY的工作电压应替换为5V转过来的电压，以节省5V Standby的消耗。(许多坏牌都没有)。具有在线唤醒功能的网卡通常有一个WOL接口。这是因为PCI2.1没有PCI设备唤醒主机的功能，所以需要一根导线通过主板上的WOL接口连接到南桥来实现WOL的功能。新的主板和网卡一般支持PCI2.2/2.3，扩展了pme#信号功能，不需要那个接口而通过PCI总线就可以实现唤醒功能。