什么是网卡

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。

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。

网卡并一定指以太网卡，还可以为其他令牌环网卡，并口网卡等等。只是在当前应用最多的是以太网卡而已。网卡上面可以使用的协议可以任意指定，包括TCP/IP，IPX等等。

目前驱动程序设计只关注网卡本身，即数据包的收发，而不考虑协议，即不关心包的内容。协议是由内核维护的。

网卡分类

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。

网络接入方式	接入接口	速率	总线类型	IC组成
有线网卡	RJ45 、BNC、AUI、FDDI、ATM	10M、100M、1000M、10G不常见	PCI、PCIE、ISA、USB、PCMCIA、其他非PC	独立MAC+PHY、集成MAC+PHY
无线网卡	无线	11M、54M	PCI、PCI-E、USB、PCMCIA、其他非PC	独立MAC+PHY、集成MAC+PHY

网卡的组成

一块以太网网卡包括OSI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

图二：MAC和PHY集成在一颗芯片的以太网卡

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

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。

什么是MII？

MII即媒体独立接口,它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准."媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下,任何类型的PHY设备都可以正常工作.它包括一个数据接口,以及一个MAC和PHY之间的管理接口.

数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道.每条信道都有自己的数据,时钟和控制信号.MII数据接口总共需要16个信号,包括TX_ER,TXD< 3:0>,TX_EN,TX_CLK, COL,RXD < 3:0>, RX_EX, RX_CLK, CRS,RX_DV等.MII以4位半字节方式传送数据双向传输,时钟速率25MHz.其工作速率可达100Mb/s;

MII管理接口是个双信号接口,一个是时钟信号,另一个是数据信号.通过管理接口,上层能监视和控制PHY.其管理是使用SMI(Serial Management Interface)总线通过读写PHY的寄存器来完成的.PHY里面的部分寄存器是IEEE定义的,这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里面,MAC通过SMI总线不断的读取PHY的状态寄存器以得知目前PHY的状态,例如连接速度,双工的能力等.当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达到控制的目的,例如流控的打开关闭,自协商模式还是强制模式等.不论是物理连接的MII总线和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有IEEE的规范的,因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作.当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能,驱动需要做相应的修改.
MII支持10Mbps和100Mbps的操作,一个接口由14根线组成,它的支持还是比较灵活的,但是有一个缺点是因为它一个端口用的信号线太多,如果一个8端口的交换机要用到112根线,16端口就要用到224根线,到32端口的话就要用到448根线,一般按照这个接口做交换机,是不太现实的,所以现代的交换机的制作都会用到其它的一些从MII简化出来的标准,比如RMII,SMII,GMII等.

RMII是简化的MII接口,在数据的收发上它比MII接口少了一倍的信号线,所以它一般要求是50MHz的总线时钟.RMII一般用在多端口的交换机,它不是每个端口安排收,发两个时钟,而是所有的数据端口公用一个时钟用于所有端口的收发,这里就节省了不少的端口数目.RMII的一个端口要求7个数据线,比MII少了一倍,所以交换机能够接入多一倍数据的端口.和MII一样,RMII支持10Mbps和100Mbps的总线接口速度.

SMII是由思科提出的一种媒体接口,它有比RMII更少的信号线数目,S表示串行的意思.因为它只用一根信号线传送发送数据,一根信号线传输接受数据,所以为了满足100Mbps的总线接口速度的需求,它的时钟频率就达到了125MHz,为什么用125MHz,是因为数据线里面会传送一些控制信息.SMII一个端口仅用4根信号线完成100Mbps的传输,比起RMII差不多又少了一倍的信号线.SMII在工业界的支持力度是很高的.同理,所有端口的数据收发都公用同一个外部的125MHz时钟.

GMII是千兆网的MII接口,这个也有相应的RGMII接口,表示简化了的GMII接口.

什么是PHY?

PHY是物理接口收发器,它实现物理层.IEEE-802.3标准定义了以太网PHY.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.它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14条)和100BaseTX(第24条和第25条)的规范.

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.对于100BaseTX因为使用4B/5B编码,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把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去.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.如果两个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.

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.

除此之外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AutoNegotiation或者NWAY,它们是一个意思–自动协商.

具体传输过程为,发送数据时,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.

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。

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。

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。

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。

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。

PHY和MAC之间如何进行沟通

下面继续让我们来关心一下PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的。通过IEEE定义的标准的MII/GigaMII（Media Independed Interfade，介质独立界面）界面连接MAC和PHY。这个界面是IEEE定义的。MII界面传递了网络的所有数据和数据的控制。

而MAC对PHY的工作状态的确定和对PHY的控制则是使用SMI（Serial Management Interface）界面通过读写PHY的寄存器来完成的。PHY里面的部分寄存器也是IEEE定义的，这样PHY把自己的目前的状态反映到寄存器里 面，MAC通过SMI总线不断的读取PHY的状态寄存器以得知目前PHY的状态，例如连接速度，双工的能力等。当然也可以通过SMI设置PHY的寄存器达 到控制的目的，例如流控的打开关闭，自协商模式还是强制模式等。

我们看到了，不论是物理连接的MII界面和SMI总线还是PHY的状态寄存器和控制寄存器都是有IEEE的规范的，因此不同公司的MAC和PHY一样可以协调工作。当然为了配合不同公司的PHY的自己特有的一些功能，驱动需要做相应的修改。

一片网卡主要功能的实现就基本上是上面这些器件了。

其他的，还有一颗EEPROM芯片，通常是一颗93C46。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。

很多网卡上还有BOOTROM这个东西。它是用于无盘工作站引导操作系统的。既然无盘，一些引导用必需用到的程序和协议栈就放到里面了，例如RPL、 PXE等。实际上它就是一个标准的PCI ROM。所以才会有一些硬盘写保护卡可以通过烧写网卡的BootRom来实现。其实PCI设备的ROM是可以放到主板BIOS里面的。启动电脑的时候一样 可以检测到这个ROM并且正确识别它是什么设备的。AGP在配置上和PCI很多地方一样，所以很多显卡的BIOS也可以放到主板BIOS里面。这就是为什 么板载的网卡我们从来没有看到过BOOTROM的原因。

网卡的供电

大多数网卡现在都使用3.3V或更低的电压。有的是双电压的。因此需要电源转换电路。

而且网卡为了实现Wake on line功能，必须保证全部的PHY和MAC的极少一部分始终处于有电的状态，这需要把主板上的5V Standby电压转换为PHY工作电压的电路。在主机开机后，PHY的工作电压应该被从5V转出来的电压替代以节省5V Standby的消耗。（许多劣质网卡没有这么做）。

有Wake on line功能的网卡一般还有一个WOL的接口。那是因为PCI2.1以前没有PCI设备唤醒主机的功能，所以需要着一根线通过主板上的WOL的接口连到南桥里面以实现WOL的功能。

新的主板合网卡一般支持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。