什么是网卡？

网络系统中的一个关键硬件是它的适配器，通常称为网卡。在局域网中，网卡起着重要的作用。网卡用于在计算机之间输入和输出信号。网卡有自己的中断号(IRQ)和I/O地。网卡包括苹果MAC电脑上使用的ISA卡、e ISA卡和以太网卡。目前广泛使用的是16位ISA网卡和32位PCI网卡。网卡有一个缓冲存储器来存储数据。和声卡类似，网卡一般都是自带驱动的。使用时，将网卡插入电脑的扩展槽。网卡上有指示灯，指示你的工作是否正常。

网卡支持不同的传输速率，有的是10兆每秒，有的是100兆每秒，有的可以自适应10兆或100兆。

带有远程启动芯片的网卡可以在无盘工作站上使用。无盘工作站，没有硬盘，或没有软驱。通过网卡启动电脑，可以保证系统的安全性，避免病毒。此外，还可以降低成本。

在笔记本电脑中，智能PCMCIA卡用于与其他计算机交换数据。在高速网络中，有用于光纤数据分布接口的FDDI网卡，也有用于不同卡传输方式的ATM网卡。局域网中用于总线拓扑的网卡是带BNC端口的网卡，传输介质是一根50ω的细同轴电缆，需要在一个网段两端用终结器封好，形成网络环路。

网卡现在已经成为电脑的标准配置之一。一张小小的网卡包含了多少秘密？我们一起看吧。

我们最常用的网络设备是网卡。网卡本身就是一个LAN(局域网)设备，可以通过网关、路由器等设备连接到互联网。互联网本身就是由无数这样的局域网组成的。

网卡有很多种，包括以太网卡、令牌环卡、ATM卡等。根据数据链路层控制发送数据；按物理层分，有无线网卡、RJ-45网卡、同轴电缆网卡、光网卡等等。它们的数据链路控制、寻址和帧结构是不同的。物理连接方式、数据编码、信号传输介质和级别不同。下面主要介绍最常用的以太网卡。

以太网采用的CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)控制技术。他主要定义了物理层和数据链路层的工作模式。数据链路层和物理层实现各自的功能，互不关心对方的操作。有标准接口(如MII、GMII等。)在它们之间传输数据和控制。

以太网卡的物理层可以包括多种技术，如RJ45、光、无线等。两者的区别在于物理介质和传输信号的介质不同。这些在IEEE 802协议族中有详细的定义。

我们这次主要讨论的RJ45网卡属于IEEE802.3的定义

二、网卡的组成

1.网卡的基本结构

以太网卡包括两层OSI(开放系统互连)模型。物理层和数据链路层。物理层定义了数据发送和接收所需的电信号和光信号、线路状态、时钟参考、数据编码和电路，并为数据链路层设备提供标准接口。数据链路层为网络层提供寻址机制、数据帧构造、数据错误检查、传输控制和标准数据接口。

以太网卡中数据链路层的芯片一般简称MAC控制器，物理层的芯片简称PHY。许多网卡芯片将MAC和PHY的功能结合在一个芯片上，如Intel。

82559网卡和3COM

3C905网卡。然而，MAC和PHY的机制仍然分开存在，但外观是一个单一的芯片。当然也有很多网卡的MAC和PHY是分开做的，比如D-LINK的DFE-530TX。

2.什么是MAC？

首先说一下以太网卡的MAC芯片的功能。以太网数据链路层实际上包括MAC(媒体访问控制)子层和LLC(逻辑链路控制)子层。一块以太网卡MAC芯片的作用不仅仅是实现MAC子层和LLC子层的功能，还要提供一个符合规范的PCI接口来实现与主机的数据交换。

从PCI总线接收到IP包(或其他网络层协议的包)后，MAC将其拆分并重新打包成最大1518字节、最小64字节的帧。该帧包括目标MAC地址、自身的源MAC地址和数据包中的协议类型(例如，IP数据包的类型由80表示)。最后，还有一个双字(4字节)CRC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)。第一次传输一个目的IP地址的数据时，会发出一个ARP包，它的MAC的目的地址是广播地址，上面写着“谁是IP地址XXX的所有者。XXX。XXX？”因为它是一个广播数据包，所以这个局域网中的所有主机都收到了这个ARP请求。接收请求的主机将此IP地址与自己的IP地址进行比较，如果不同则忽略，如果相同则发出ARP响应包。这个IP地址的主机在收到这个ARP请求包后的ARP响应中说:“我是这个IP地址的主人”。这个包里有他的MAC地址。具有该IP地址的未来帧的目的地MAC地址被确定。(其他协议如IPX/SPX也有相应的协议来完成这些操作。)

ip地址和MAC地址的关系存储在主机系统中，称为ARP表，由驱动程序和操作系统完成。Arp -a可以在微软系统中使用。

查看ARP表的命令。当接收到数据帧时也是如此。CRC之后，如果没有CRC验证错误，帧头会被去掉，数据包会被取出，通过标准借口传递给驱动和上层协议inn，最终正确到达我们的应用。

还有一些控制帧，比如流量控制帧，也需要MAC直接识别并执行相应的行为。

以太网MAC芯片的一端连接到计算机PCI总线，另一端连接到PHY芯片。以太网的物理层包括MII/GMII(媒体独立接口)子层、PCS(物理编码子层)、PMA(物理媒体附件)子层、PMD(物理媒体依赖)子层和MDI子层。PHY芯片是实现物理层的重要功能器件之一，它实现了前一物理层各子层的所有功能。

3.网络传输的过程

发送数据时，PHY从MAC接收数据(对PHY来说，没有帧的概念，对PHY来说，不管地址、数据、CRC都是数据)，每4比特加1比特的检错码，然后将并行数据转换成串行流数据，再根据物理层的编码规则(10Based-T NRZ编码或65438)。(注:网上的数据是数字的还是模拟的，不好理解。我最后再讲)

接收数据的过程是相反的。

PHY的另一个重要功能是实现CSMA/光盘的部分功能。它可以检测网络上是否有数据正在传输，如果有数据正在传输就等待，一旦检测到网络空闲，就在等待一段随机时间后将数据发送出去。如果两个网卡恰好同时发送数据，必然会产生冲突。此时，冲突检测机制可以检测到冲突，然后等待一个随机时间重新发送数据。

这个随机时间是很讲究的，它不是一个常数，不同时间计算出来的随机时间是不一样的，而且有多种算法处理同样两台主机的第二次冲突的概率很低。

在接入Internt宽带时，很多网民喜欢使用“抢线”能力强的网卡。就是因为不同的PHY碰撞方法设计的计算随机时间不一样，让一些网卡“占尽了便宜”。但是抢线只是针对广播域网络，对于交换网、ADSL等本地设备的点对点连接没有意义。而“抢线”只是相对的，不会有质变。

4.关于网络之间的冲突

现在交换机的普及使得交换网络普及，使得冲突域网络少了很多，大大提高了网络带宽。但是如果用HUB或者共享带宽上网，还是属于冲突域网络，存在冲突和碰撞。交换机和集线器最大的区别在于，一个是构建点对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联设备。

我们的PHY还提供了与对面设备连接的重要功能，通过LED灯显示其当前的连接状态和工作状态，让我们了解。当我们将网线连接到网卡时，PHY发出的脉冲信号会不断检测到对面有设备。它们通过标准的“语言”进行通信，并相互协商确定连接速度、双工模式以及是否采用流量控制。

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。这项技术被称为自动协商或NWAY，它们指的是同一个东西——自动协商。

5.5的输出部分。PHY

现在让我们来理解PHY输出的后面部分。一个CMOS工艺芯片产生的信号电平总是大于0V(取决于芯片的工艺和设计要求)，但是这样的信号送到100米甚至更远的地方会有很大的DC分量损耗。而且如果外网直接连接芯片，电磁感应(雷电)和静电很容易对芯片造成损坏。

那么，设备的接地方式不同，电网环境不同，就会导致双方0V电平不一致，这样信号就会从A点传到B点，由于A点设备和B点的0V电平不同，就会有很大的电流从高电位的设备流向低电位的设备。怎么才能解决这个问题？

这时变压器(隔离变压器)出现了。它用差模耦合线圈过滤PHY发出的差分信号以增强信号，并通过电磁场的转换耦合到连接网线的另一端。这样不仅网线和PHY没有物理连接，而且传输信号，切断了信号中的DC成分，数据可以在不同0V电平的设备中传输。

隔离变压器本身的设计能承受2KV~3KV的电压。还起到防雷感应的作用(我个人认为这里用防雷不太合适)。有些朋友的网络设备在雷雨天气容易烧坏，多是PCB设计不合理造成的，烧坏的多是设备的接口。芯片烧坏的很少，就是隔离变压器起保护作用。

6.关于传输媒体

隔离变压器本身是一个无源元件，只把PHY信号耦合到网络线路上，不起到功率放大的作用。那么一个网卡信号的最长传输距离是谁决定的呢？

网卡的最大传输距离和与对方设备连接的兼容性主要由PHY决定。但是PHY的输出功率也比较大，可以发送100米以上的信号，更容易产生EMI问题。这时候就需要一个合适的变压器与之配合。the boss公司Marvell PHY经常可以传输180 ~ 200m的距离，远远超过IEEE标准的100m。

RJ-45连接器实现网卡和网线的连接。它有8个铜片，可以与网线中的4对双绞线(8根线)连接。在100M网络中，1和2发送数据，3和6接收数据。1和2之间有一对差分信号，也就是说，它们的波形相同，但相位差为180度，同一时刻的电压幅值为正负。这样的信号可以传输得更远，抗干扰能力强。同样，3和6也是差分信号。

网络电缆中的八根电线中的每一根都绞在一起形成一对。我们做网线的时候一定要注意把1和2做成一对，3和6做成一对。否则在长距离使用这种网线时，会导致无法连接或者连接非常不稳定。

现在新的PHY支持汽车。

MDI-X功能(还需要变压器支持)。可以自动交换RJ-45接口1、2上发送信号线和3、6上接收信号线的功能。一些PHYS甚至支持一对导线中正负信号的自动交换。这样我们就不用担心需要用直通网线还是交叉网线来连接某个设备了。这项技术已经广泛应用于交换机和SOHO路由器。

在1000Basd-T网络中，最常见的一种传输方式是使用网线中的全部四根双绞线，其中增加4、5、7、8根，共同传输和接收数据。因为1000Based-T网络的规格包含了AUTO。

MDI-X功能，所以不能严格确定它们的发送或接收关系，要看双方具体的协商结果。

7.7之间如何沟通？PHY和麦克？

让我们继续关注PHY和MAC如何传输数据和相互通信。通过由IEEE定义的标准MII/MII/千兆米(媒体独立)

交叉存取(媒体独立接口)接口连接MAC和PHY。这个接口是由IEEE定义的。MII接口传递网络的所有数据和数据控制。

MAC使用SMI(串行)来确定PHY的工作状态并控制PHY。

管理

Interface)接口是通过读写PHY寄存器来完成的。PHY的一些寄存器也是IEEE定义的，让PHY将其当前状态反映到寄存器中，MAC不断通过SMI总线读取PHY的状态寄存器，了解PHY的当前状态，如连接速度、双工能力等。当然，PHY的寄存器也可以通过SMI设置来达到控制的目的，比如流量控制的开启和关闭，自协商模式或者强制模式。

我们已经看到，物理连接的MII接口和SMI总线以及PHY的状态寄存器和控制寄存器都是由IEEE标准化的，因此不同公司的MAC可以与PHY协调工作。当然，为了配合不同公司的PHY的一些独特功能，需要对驱动程序进行相应的修改。

网卡主要功能的实现基本上就是以上设备。

另外还有一个EEPROM芯片，一般是93C46。它记录了网卡芯片的厂商ID，子系统厂商ID，网卡的MAC地址，网卡的一些配置，比如SMI总线上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否启用BOOTROM引导系统等等。

很多网卡还有BOOTROM。它用于引导无盘工作站的操作系统。由于没有磁盘，所以一些引导所需的程序和协议栈都放在里面，比如RPL和PXE。其实就是一个标准的PCI。

只读存储器.所以有些硬盘写保护卡可以通过烧网卡的BootRom来实现。其实PCI设备的ROM可以放入主板的BIOS中。当你启动电脑的时候，也可以检测这个ROM，正确识别它属于什么设备。AGP在很多地方的配置和PCI是一样的，所以很多显卡的BIOS也可以放到主板BIOS里。这就是为什么我们从来没有在板载网卡上看到BOOTROM的原因。

8.网卡电源

最后是电源部分。大多数网卡现在使用3.3V或更低的电压。有些是双电压。因此，需要电源转换电路。

并且为了实现唤醒，网卡

线路功能，必须保证所有PHY和极小一部分MAC始终处于通电状态，这就要求主板上5V。

将待机电压转换成PHY工作电压的电路。主机开机后，PHY的工作电压应由5V转换的电压代替，以节省5V。

待机的消耗。(很多劣质网卡不这么做)。

有唤醒

支持线路的网卡通常有一个WOL接口。那是因为PCI2.1之前没有用PCI设备唤醒主机的功能，所以需要一根线通过主板上的WOL接口连接南桥来实现WOL功能。

新主板网卡普遍支持PCI2.2/2.3，扩展了PME#的信号功能，可以通过PCI总线实现唤醒功能，不需要那个接口。

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以太网卡由这些部分组成。他们密切合作，相互协调，为我们提供了一个稳定和知情的网络接入。网络的普及不仅大大提高了工作效率，也使我们能够在互联网的海洋中自由遨游！

注意事项:

网络线路上的信号是模拟的还是数字的？

答案是模拟信号。因为它是通过模拟技术传输和接收的。虽然它传递的信息是数字的，但并不是说它传递的信息是数字的，所以信号可以称为数字信号。

简单的例子:我们知道电话是模拟信号，但是我们拨号上网的时候，电话线传输的是数字信息，但是信号本身还是模拟的。不过ADSL也是通过电话线传输的，不过是数字信号。这取决于它被传输和接受的技术。