一塊以太網(wǎng)網(wǎng)卡包括OSI（開方系統(tǒng)互聯(lián)）模型的兩個層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標準接口。數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標準的數(shù)據(jù)接口等功能。
1．網(wǎng)卡的基本結(jié)構(gòu)
以太網(wǎng)卡中數(shù)據(jù)鏈路層的芯片一般簡稱之為MAC控制器，物理層的芯片我們簡稱之為PHY。許多網(wǎng)卡的芯片把MAC和PHY的功能做到了一顆芯片中，比如Intel 82559網(wǎng)卡的和3COM 3C905網(wǎng)卡。但是MAC和PHY的機制還是單獨存在的，只是外觀的表現(xiàn)形式是一顆單芯片。當(dāng)然也有很多網(wǎng)卡的MAC和PHY是分開做的。
2．什么是MAC?
首先我們來說說以太網(wǎng)卡的MAC芯片的功能。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層其實包含MAC（介質(zhì)訪問控制）子層和LLC（邏輯鏈路控制）子層。一塊以太網(wǎng)卡MAC芯片的作用不但要實現(xiàn)MAC子層和LLC子層的功能，還要提供符合規(guī)范的PCI界面以實現(xiàn)和主機的數(shù)據(jù)交換。
MAC從PCI總線收到IP數(shù)據(jù)包（或者其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的數(shù)據(jù)包）后，將之拆分并重新打包成最大1518Byte，最小64Byte的幀。這個幀里面包括了目標MAC地址、自己的源MAC地址和數(shù)據(jù)包里面的協(xié)議類型（比如IP數(shù)據(jù)包的類型用80表示）。最后還有一個DWORD(4Byte)的CRC碼。
可是目標的MAC地址是哪里來的呢？這牽扯到一個ARP協(xié)議（介乎于網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的一個協(xié)議）。第一次傳送某個目的IP地址的數(shù)據(jù)的時候，先會發(fā)出一個ARP包，其MAC的目標地址是廣播地址，里面說到：”誰是xxx.xxx.xxx.xxx這個IP地址的主人？”因為是廣播包，所有這個局域網(wǎng)的主機都收到了這個ARP請求。收到請求的主機將這個IP地址和自己的相比較，如果不相同就不予理會，如果相同就發(fā)出ARP響應(yīng)包。這個IP地址的主機收到這個ARP請求包后回復(fù)的ARP響應(yīng)里說到：”我是這個IP地址的主人”。這個包里面就包括了他的MAC地址。以后的給這個IP地址的幀的目標MAC地址就被確定了。（其它的協(xié)議如IPX/SPX也有相應(yīng)的協(xié)議完成這些操作。）
IP地址和MAC地址之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系保存在主機系統(tǒng)里面，叫做ARP表，由驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)完成。在Microsoft的系統(tǒng)里面可以用 arp -a 的命令查看ARP表。收到數(shù)據(jù)幀的時候也是一樣，做完CRC以后，如果沒有CRC效驗錯誤，就把幀頭去掉，把數(shù)據(jù)包拿出來通過標準的借口傳遞給驅(qū)動和上層的協(xié)議客棧，最終正確的達到我們的應(yīng)用程序。
還有一些控制幀，例如流控幀也需要MAC直接識別并執(zhí)行相應(yīng)的行為。
以太網(wǎng)MAC芯片的一端接計算機PCI總線，另外一端就接到PHY芯片上。以太網(wǎng)的物理層又包括MII/GMII（介質(zhì)獨立接口）子層、PCS（物理編碼子層）、PMA（物理介質(zhì)附加）子層、PMD（物理介質(zhì)相關(guān)）子層、MDI子層。而PHY芯片是實現(xiàn)物理層的重要功能器件之一，實現(xiàn)了前面物理層的所有的子層的功能。
3．網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鞒?/span>
PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號把數(shù)據(jù)送出去。
收數(shù)據(jù)時的流程反之。
PHY還有個重要的功能就是實現(xiàn)CSMA/CD的部分功能。它可以檢測到網(wǎng)絡(luò)上是否有數(shù)據(jù)在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中就等待，一旦檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑，再等待一個隨機時間后將送數(shù)據(jù)出去。如果兩塊網(wǎng)卡碰巧同時送出了數(shù)據(jù)，那樣必將造成沖突，這時候，沖突檢測機構(gòu)可以檢測到?jīng)_突，然后各等待一個隨機的時間重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
這個隨機時間很有講究的，并不是一個常數(shù)，在不同的時刻計算出來的隨機時間都是不同的，而且有多重算法來應(yīng)付出現(xiàn)概率很低的同兩臺主機之間的第二次沖突。
許多網(wǎng)友在接入Internt寬帶時，喜歡使用”搶線”強的網(wǎng)卡，就是因為不同的PHY碰撞后計算隨機時間的方法設(shè)計上不同，使得有些網(wǎng)卡比較”占便宜”。不過，搶線只對廣播域的網(wǎng)絡(luò)而言的，對于交換網(wǎng)絡(luò)和ADSL這樣點到點連接到局端設(shè)備的接入方式?jīng)]什么意義。而且”搶線”也只是相對而言的，不會有質(zhì)的變化。
4．關(guān)于網(wǎng)絡(luò)間的沖突
現(xiàn)在交換機的普及使得交換網(wǎng)絡(luò)的普及，使得沖突域網(wǎng)絡(luò)少了很多，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬。但是如果用HUB，或者共享帶寬接入Internet的時候還是屬于沖突域網(wǎng)絡(luò)，有沖突碰撞的。交換機和HUB最大的區(qū)別就是：一個是構(gòu)建點到點網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)交換設(shè)備，一個是構(gòu)建沖突域網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)互連設(shè)備。
我們的PHY還提供了和對端設(shè)備連接的重要功能并通過LED燈顯示出自己目前的連接的狀態(tài)和工作狀態(tài)讓我們知道。當(dāng)我們給網(wǎng)卡接入網(wǎng)線的時候，PHY不斷發(fā)出的脈沖信號檢測到對端有設(shè)備，它們通過標準的”語言”交流，互相協(xié)商并卻定連接速度、雙工模式、是否采用流控等。
通常情況下，協(xié)商的結(jié)果是兩個設(shè)備中能同時支持的最大速度和最好的雙工模式。這個技術(shù)被稱為Auto Negotiation或者NWAY，它們是一個意思–自動協(xié)商。
5.PHY的輸出部分
現(xiàn)在來了解PHY的輸出后面部分。一顆CMOS制程的芯片工作的時候產(chǎn)生的信號電平總是大于0V的（這取決于芯片的制程和設(shè)計需求），但是這樣的信號送到100米甚至更長的地方會有很大的直流分量的損失。而且如果外部網(wǎng)現(xiàn)直接和芯片相連的話，電磁感應(yīng)（打雷）和靜電，很容易造成芯片的損壞。
再就是設(shè)備接地方法不同，電網(wǎng)環(huán)境不同會導(dǎo)致雙方的0V電平不一致，這樣信號從A傳到B，由于A設(shè)備的0V電平和B點的0V電平不一樣，這樣會導(dǎo)致很大的電流從電勢高的設(shè)備流向電勢低的設(shè)備。我們?nèi)绾谓鉀Q這個問題呢？
這時就出現(xiàn)了Transformer（隔離變壓器）這個器件。它把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強信號，并且通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。這樣不但使網(wǎng)線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號，隔斷了信號中的直流分量，還可以在不同0V電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。
隔離變壓器本身就是設(shè)計為耐2KV~3KV的電壓的。也起到了防雷感應(yīng)（我個人認為這里用防雷擊不合適）保護的作用。有些朋友的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計不合理造成的，而且大都燒毀了設(shè)備的接口，很少有芯片被燒毀的，就是隔離變壓器起到了保護作用。
6.關(guān)于傳輸介質(zhì)
隔離變壓器本身是個被動元件，只是把PHY的信號耦合了到網(wǎng)線上，并沒有起到功率放大的作用。那么一張網(wǎng)卡信號的傳輸?shù)淖铋L距離是誰決定的呢？
一張網(wǎng)卡的傳輸最大距離和與對端設(shè)備連接的兼容性主要是PHY決定的。但是可以將信號送的超過100米的PHY其輸出的功率也比較大，更容易產(chǎn)生EMI的問題。這時候就需要合適的Transformer與之配合。作PHY的老大公司Marvell的PHY，常?？梢詡魉?80~200米的距離，遠遠超過IEEE的100米的標準。
RJ-45的接頭實現(xiàn)了網(wǎng)卡和網(wǎng)線的連接。它里面有8個銅片可以和網(wǎng)線中的4對雙絞（8根）線對應(yīng)連接。其中100M的網(wǎng)絡(luò)中1、2是傳送數(shù)據(jù)的，3、6是接收數(shù)據(jù)的。1、2之間是一對差分信號，也就是說它們的波形一樣，但是相位相差180度，同一時刻的電壓幅度互為正負。這樣的信號可以傳遞的更遠，抗干擾能力強。同樣的，3、6也一樣是差分信號。
網(wǎng)線中的8根線，每兩根扭在一起成為一對。我們制作網(wǎng)線的時候，一定要注意要讓1、2在其中的一對，3、6在一對。否則長距離情況下使用這根網(wǎng)線的時候會導(dǎo)致無法連接或連接很不穩(wěn)定。
現(xiàn)在新的PHY支持AUTO MDI-X功能(也需要Transformer支持)。它可以實現(xiàn)RJ-45接口的1、2上的傳送信號線和3、6上的接收信號線的功能自動互相交換。有的PHY甚至支持一對線中的正信號和負信號的功能自動交換。這樣我們就不必為了到底連接某個設(shè)備需要使用直通網(wǎng)線還是交叉網(wǎng)線而費心了。這項技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在交換機和SOHO路由器上。
在1000Basd-T網(wǎng)絡(luò)中，其中最普遍的一種傳輸方式是使用網(wǎng)線中所有的4對雙絞線，其中增加了4、5和7、8來共同傳送接收數(shù)據(jù)。由于1000Based-T網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范包含了AUTO MDI-X功能，因此不能嚴格確定它們的傳出或接收的關(guān)系，要看雙方的具體的協(xié)商結(jié)果。
7．PHY和MAC之間如何進行溝通
下面繼續(xù)讓我們來關(guān)心一下PHY和MAC之間是如何傳送數(shù)據(jù)和相互溝通的。通過IEEE定義的標準的MII/GigaMII（Media Independed Interfade，介質(zhì)獨立界面）界面連接MAC和PHY。這個界面是IEEE定義的。MII界面?zhèn)鬟f了網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的控制。
而MAC對PHY的工作狀態(tài)的確定和對PHY的控制則是使用SMI（Serial Management Interface）界面通過讀寫PHY的寄存器來完成的。PHY里面的部分寄存器也是IEEE定義的，這樣PHY把自己的目前的狀態(tài)反映到寄存器里面，MAC通過SMI總線不斷的讀取PHY的狀態(tài)寄存器以得知目前PHY的狀態(tài)，例如連接速度，雙工的能力等。當(dāng)然也可以通過SMI設(shè)置PHY的寄存器達到控制的目的，例如流控的打開關(guān)閉，自協(xié)商模式還是強制模式等。
我們看到了，不論是物理連接的MII界面和SMI總線還是PHY的狀態(tài)寄存器和控制寄存器都是有IEEE的規(guī)范的，因此不同公司的MAC和PHY一樣可以協(xié)調(diào)工作。當(dāng)然為了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驅(qū)動需要做相應(yīng)的修改。
一片網(wǎng)卡主要功能的實現(xiàn)就基本上是上面這些器件了。
其他的，還有一顆EEPROM芯片，通常是一顆93C46。里面記錄了網(wǎng)卡芯片的供應(yīng)商ID、子系統(tǒng)供應(yīng)商ID、網(wǎng)卡的MAC地址、網(wǎng)卡的一些配置，如SMI總線上PHY的地址，BOOTROM的容量，是否啟用BOOTROM引導(dǎo)系統(tǒng)等東西。
很多網(wǎng)卡上還有BOOTROM這個東西。它是用于無盤工作站引導(dǎo)操作系統(tǒng)的。既然無盤，一些引導(dǎo)用必需用到的程序和協(xié)議棧就放到里面了，例如RPL、PXE等。實際上它就是一個標準的PCI ROM。所以才會有一些硬盤寫保護卡可以通過燒寫網(wǎng)卡的BootRom來實現(xiàn)。其實PCI設(shè)備的ROM是可以放到主板BIOS里面的。啟動電腦的時候一樣可以檢測到這個ROM并且正確識別它是什么設(shè)備的。AGP在配置上和PCI很多地方一樣，所以很多顯卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面。這就是為什么板載的網(wǎng)卡我們從來沒有看到過BOOTROM的原因。
8．網(wǎng)卡的供電
最后就是電源部分了。大多數(shù)網(wǎng)卡現(xiàn)在都使用3.3V或更低的電壓。有的是雙電壓的。因此需要電源轉(zhuǎn)換電路。
而且網(wǎng)卡為了實現(xiàn)Wake on line功能，必須保證全部的PHY和MAC的極少一部分始終處于有電的狀態(tài)，這需要把主板上的5V Standby電壓轉(zhuǎn)換為PHY工作電壓的電路。在主機開機后，PHY的工作電壓應(yīng)該被從5V轉(zhuǎn)出來的電壓替代以節(jié)省5V Standby的消耗。（許多劣質(zhì)網(wǎng)卡沒有這么做）。
有Wake on line功能的網(wǎng)卡一般還有一個WOL的接口。那是因為PCI2.1以前沒有PCI設(shè)備喚醒主機的功能，所以需要著一根線通過主板上的WOL的接口連到南橋里面以實現(xiàn)WOL的功能。
新的主板合網(wǎng)卡一般支持PCI2.2/2.3，擴展了PME#信號功能，不需要那個接口而通過PCI總線就可以實現(xiàn)喚醒功能。
結(jié)語
一塊以太網(wǎng)卡就是這些部分組成。它們緊密地配合并且相互協(xié)調(diào)，供給我們一個穩(wěn)定而告訴的網(wǎng)絡(luò)接入。網(wǎng)絡(luò)的普及不但極大地增加了工作效率，而且使我們可以自由的馳騁在Internet的海洋中！
