网卡

     网络适配器又称网卡或网络接口卡（NIC），英文名NetworkInterfaceCard。它是使计算机联网的设备。平常所说的网卡就是将PC机和LAN连接的网络适配器。网卡（NIC） 插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。它的基本功能为：从并行到串行的数据转换，包的装配和拆装，网络存取控制，数据缓存和网络信号。

    网卡的主要工作原理: 发送数据时, 计算机把要传输的数据并行写到网卡的缓存,网卡对要传输的数据进编码(10M 以太网使用曼切斯特码,100M 以太网使用差分曼切斯特码), 串行发到传输介质上.接收数据时, 则相反。数据在计算机总线中传输是并行方式即数据是肩并肩传输的，而在网络的物理缆线中说数据以串行的比特流方式传输的，网卡承担串行数据和并行数据间的转换。

一、网卡的基本构造

       以最常见的PCI 接口的网卡为例，一块网卡主要由 PCB 线路板、主芯片、数据汞、金手指( 总线插槽接口) 、BOOTROM 、EEPROM 、晶振、RJ45接口、指示灯、固定片等等，以及一些二极管、电阻电容等组成。网卡包括硬件和固件程序（只读存储器中的软件例程），该固件程序实现逻辑链路控制和媒体访问控制的功能，还记录唯一的硬件地址即mac地址，网卡上一般有缓存。网卡须分配中断irq及基本i/o端口地址，同时还须设置基本内存地址（base memory address）和收发器（transceiver）
      （1）网卡的控制芯片是网卡中最重要元件，是网卡的控制中心，有如电脑的cpu，控制着整个网卡的工作，负责数据的传送和连接时的信号侦测。早期的10/100m的双速网卡会采用两个控制芯片（单元）分别用来控制两个不同速率环境下的运算，而目前较先进的产品通常只有一个芯片控制两种速度。

       常见的 10/100/1000M 自适应网卡芯片有 Intel 的8254* 系列，Broadcom 的BCM57**系列，Marvell的
88E8001/88E8053/88E806*系列，Realtek的RTL8169S-32/64、RTL8110S-32/64(LOM)、RTL8169SB、RTL8110SB(LOM) 、RTL8168(PCI Express) 、RTL8111(LOM、PCI Express) 系列，VIA 的VT612*系列等等
       （2）晶体震荡器负责产生网卡所有芯片的运算时钟，其原理就象主板上的晶体震荡器一样，通常网卡是使用20或25hz的晶体震荡器。千兆网卡使用62.5MHz或者125MHz晶振。
       （3）boot rom插槽如无特殊要求网卡中的这个插槽处在空置状态。一般是和boot rom芯片搭配使用，其主要作用是引导电脑通过服务器引导进入操作系统。boot rom就是启动芯片，让电脑可以在不具备硬盘、软驱和光驱的情况下，直接通过服务器开机，成为一个无硬盘无软驱的工作站。没有软驱就无法将资料输出，这样也可以达到资料保密的功能。同时，还可以节省下购买这些电脑部件的费用。在使用boot rom时要注意自己使用何种网络操作系统，通常有boot rom for nt，boot rom for unix，boot rom for netware等，boot rom启动芯片要自行购买。
       （4）eeprom从前的老式网卡都要靠设置跳线或是dip开关来设定irq、dma和i/o port等值，而现在的网卡则都使用软件设定，几乎看不见跳线的存在。各种网卡的状态和网卡的信息等数据都存在这颗小小的eeprom里，通过它来自动设置。里面记录了网卡芯片的供应商ID、子系 统供应商ID、网卡的MAC地址、网卡的一些配置，如SMI总线上PHY的地址，BOOTROM的容量， 是否启用BOOTROM引导系统等东西

（5）数据汞是消费级PCI 网卡上都具备的设备，数据汞也被叫做网络变压器或可称为网络隔离变压器。它在一块网卡上所起的作用主要有两个，一是传输数据，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不同电平的连接网线的另外一端;一是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。除此而外，数据汞还能对设备起到一定的防雷保护作用。
       
       （6）rj-45和bnc接头     rj-45是采用双绞线作为传输媒介的一种网卡接口，在100mbps网中最常应用。bnc是采用细同轴电缆作为传输媒介
       （7）信号指示灯   在网卡后方会有二到三个不等的信号灯，其作用是显示目前网络的连线状态，通常具有tx和rx两个信息。tx代表正在送出资料，rx代表正在接收资料，若看到两个灯同时亮则代表目前是处于全双工的运作状态，也可由此来辨别全双工的网卡是否处于全双工的网络环境中。也有部分低速网卡只用一个灯来表示信号，通过不同的灯光变换来表示网络是否导通。  

二、网卡分类 

按传输方式分来分可分为：半双工网卡，全双工网卡。  

按传输方式分来分可分为：10M 网卡，100M 网卡，1000M 网卡，10GM 网卡。 
按主机界面来分可分为：ISA 网卡，PCI 网卡，PCI-X 网卡，PCI-E 网卡，USB 网卡，PCMCIA网卡。

按传输介质来分可分为：同轴电缆网卡，双绞线网卡，光纤网卡

三、工作过程    

       网卡工作在osi的最后两层，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。物理层的芯片称之为PHY。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称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是pci总线接mac总线，mac接phy，phy接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。

（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。

(2) 物理层PHY

         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。

       发送数据时，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。网卡首先侦听介质上是否有载波（载波由电压指示），如果有，则认为其他站点正在传送信息，继续侦听介质。一旦通信介质在一定时间段内（称为帧间缝隙IFG= 9.6微秒）是安静的，即没有被其他站点占用，则开始进行帧数据发送，同时继续侦听通信介质，以检测冲突。在发送数据期间，如果检测到冲突，则立即停止该次发送，并向介质发送一个“阻塞”信号，告知其他站点已经发生冲突，从而丢弃那些可能一直在接收的受到损坏的帧数据，并等待一段随机时间（CSMA/CD 确定等待时间的算法是二进制指数退避算法）。在等待一段随机时间后，再进行新的发送。如果重传多次后（大于16次）仍发生冲突，就放弃发送。

       接收时，网卡浏览介质上传输的每个帧，如果其长度小于64字节，则认为是冲突碎片。如果接收到的帧不是冲突碎片且目的地址是本地地址，则对帧进行完整性校验，如果帧长度大于1518字节（称为超长帧，可能由错误的LAN驱动程序或干扰造成）或未能通过CRC校验，则认为该帧发生了畸变。通过校验的帧被认为是有效的，网卡将它接收下来进行本地处理

四、传输介质

       隔离变压器本身是个被动元件，只是把PHY的信号耦合了到网线上，并没有起到功率放大的作用。那么一张网卡信号的传输的最长距离是谁决定的呢？

        一张网卡的传输最大距离和与对端设备连接的兼容性主要是PHY决定的。但是可以将信号送的超过100米的PHY其输出的功率也比较大，更容易产生EMI的问题。这时候就需要合适的Transformer与之配合。作PHY的老大公司Marvell的PHY，常常可以传送180~200米的距离，远远超过IEEE的100米的标准。

         RJ-45的接头实现了网卡和网线的连接。它里面有8个铜片可以和网线中的4对双绞（8根）线对应连接。其中100M的网络中1、2是传送数据的，3、6是接收数据的。1、2之间是一对差分信号，也就是说它们的波形一样，但是相位相差180度，同一时刻的电压幅度互为正负。这样的信号可以传递的更远，抗干扰能力强。同样的，3、6也一样是差分信号。

       网线中的8根线，每两根扭在一起成为一对。我们制作网线的时候，一定要注意要让1、2在其中的一对，3、6在一对。否则长距离情况下使用这根网线的时候会导致无法连接或连接很不稳定。

现在新的PHY支持AUTO MDI-X功能(也需要Transformer支持)。它可以实现RJ-45接口的1、2上的传送信号线和3、6上的接收信号线的功能自动互相交换。有的PHY甚至支持一对线中的正信号和负信号的功能自动交换。这样我们就不必为了到底连接某个设备需要使用直通网线还是交叉网线而费心了。这项技术已经被广泛的应用在交换机和SOHO路由器上。

       在1000Basd-T网络中，其中最普遍的一种传输方式是使用网线中所有的4对双绞线，其中增加了4、5和7、8来共同传送接收数据。由于1000Based-T网络的规范包含了AUTO MDI-X功能，因此不能严格确定它们的传出或接收的关系，要看双方的具体的协商结果。