以太网网卡的结构和工作原理

以太网网卡的结构和工作原理

 

论文摘要：以太网（Ethernet）是一种由美国Xerox公司，DEC公司和Intel公司共同开发的基带局域数据通信网，目的是建立分布式处理和办公室自动化应用方面的工业标准，目前已经成为使用最多的一种局域网。以太网的拓扑结构是总线结构，所以也称为总线局域网。计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入一块网络接口板，又称为网络适配器（Adapter）或网络接口卡（NetWork Interface Card，NIC），或“网卡”。

 

第一部分：以太网网卡的结构

以太网卡是最常见的网络接口卡，采用的CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）控制技术，主要定义物理层和数据链路层的工作方式。数据链路层和物理层实现各自的功能，相互之间不关心对方如何操作。二者之间由标准接口（例如MII，GMII等）来传递数据和控制。

以太网卡的物理层根据连接的传输介质分为RJ-45，光纤，无线等，它们的区别在于传送信号的物理介质和媒介不同。这些都在IEEE的802协议族中有详细的定义。

下面以符合IEEE 802.3和IEEE 802.3u规范的网卡为例说明网卡的基本结构和工作原理。

 

1.以太网网卡的基本结构

     网络接口卡（NetWork Interface Card，NIC），简称网卡，又叫做网络适配器（如下图所示），是连接计算机和网络硬件的设备，它一般插在计算机的主板扩展槽中。它的标准是由IEEE来定义的。网卡工作于OSI的最底层，也就是物理层。网卡的类型不同，与之对应的网线或者其他网络设备也不同，不能盲目混合使用。

 

一块以太网卡包括OSI（开放系统互联）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为MAC控制器，物理层的芯片简称为PHY。许多网卡把MAC和PHY的功能做到了一颗芯片中，比如Intel 82559网卡和3COM 3C905网卡。（如图一）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（如图二）。

图一   MAC和PHY集成在一颗芯片上

 

 

图二    MAC和PHY分开的以太网卡

     RJ-45网卡通常包含一下10个部件：RJ-45接口，隔离变压器（Transformer），PHY芯片，MAC芯片，EEPROM，BOOTROM插槽，WOL接头，晶振，电压转换芯片和LED指示灯。

 

2.以太网网卡的芯片---MAC芯片

主板网卡芯片是指整合了网络功能的主板所集成的网卡芯片，与之相对应，在主板的背板上也有相应的网卡接口(RJ-45)，该接口一般位于音频接口或USB接口附近。

以太网数据链路层包含MAC（介质访问控制）子层LLC（逻辑链路控制）子层。一块以太网卡MAC的芯片不但要实现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交换。

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。

 

3.以太网网卡信号的处理

MAC芯片从PCI总线接收到IP数据包（包括其它网络层协议的数据包）后，将包拆分并重新打包成最大1518B，最小64B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（4B）的CRC码。

目标MAC地址通过ARP协议来获得。第一次传送某个目的IP地址的数据的时候，先发出一个ARP包，其MAC帧的目标地址是广播地址，询问：“谁的IP地址是xxx.xxx.xxx.xxx(IP地址)？”因为是广播包，所以局域网所有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，如果不相同就丢弃，如果相同就发出ARP响应包，并把自己的MAC地址封装在相应数据包中，这样，发给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了（其他的协议如IPX/SPX也有相应的协议完成这些操作）。

第二部分：以太网网卡的工作原理

· 网卡充当计算机和网络缆线之间的物理接口或连线，负责将计算机中的数字信号转换成电或光信号。

· 网卡要承担串行数据或并行数据间的转换，数据在计算机总线中并行传输，而在网络的物理缆线中以串行的比特流传输。

     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。

     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，对他来说，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。收数据时的流程反之。目前来了解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)，不过这样的信号送到100米甚至更长的地方会有非常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，非常容易造成芯片的损坏。

以太网工作原理图

 

 

以太网网卡的远程唤醒

远程唤醒技术(WOL，Wake-on-LAN) 是由网卡配合其他软硬件，可以通过局域网实现远程开机的一种技术，无论被访问的计算机离我们有多远、处于什么位置，只要处于同一局域网内，就都能够被随时启动。这种技术非常适合具有远程网络管理要求的环境，如果有这种要求在选购网卡时应注意是否具有此功能。

 

可被远程唤醒的计算机对硬件有一定的要求，主要表现在网卡、主板和电源上。

A: 网卡 能否实现远程唤醒，其中最主要的一个部件就是支持WOL的网卡。远端被唤醒计算 

机的网卡必须支持WOL，而用于唤醒其他计算机的网卡则不必支持WOL。另外，当一台计算机中安装有多块网卡时，只将其中的一块设置为可远程唤醒。

 

B: 主板 主板也必需支持远程唤醒，可通过查看CMOS的"Power Management Setup"菜单中是否拥有"Wake on LAN"项而确认。另外，支持远程唤醒的主板上通常都拥有一个专门的3芯插座，以给网卡供电（PCI2.1标准）。 由于现在的主板通常支持PCI 2.2标准，可以直接通过PCI插槽向网卡提供+3.3V Standby电源，即使不连接WOL电源线也一样能够实现远程唤醒，因此，可能不再提供3芯插座。主板是否支持PCI2.2标准，可通过查看CMOS的"Power Management Setup"菜单中是否拥有"Wake on PCI Card"项来确认。

 

C: 电源 若欲实现远程唤醒，计算机安装的必须是符合ATX 2.01标准的ATX电源，+5V Standby电流至少应在600mA以上。计算机拥有远程唤醒功能并不等于能够实现远程唤醒，在实现之前，还必须对硬件作必要的连接和设置。 以及需要借助相应的软件才能实现。例如使用AMD公司的Magic Packet来作为远程唤醒软件等。

 

 

 

第三部分：低端网卡和高端网卡的比较

8139D网卡芯片（高端网卡）

RTL8139D网卡是高性能的10M/100M自适应快速以太网卡。该网卡支持PCI总线，是为了满足网上高速传输而设计的。采用的三合一技术，单片集成PHY,MAC和PCI接口芯片。具备自动协商功能，能自动识别所连接的交换机,集线器等网络设备的速率的工作方式，并自动将网卡的速率和工作方式调整到正确的模式以之相适应（10M/100M,全双工/半双工）。另外还支持全双工流控等功能及远程启动。
主要性能
 * 方便的自适应功能：自动在10BASE-T和100BASE-TX之间进行切换，自动识别并调整传输方式和传输速度。10M的用户在任何时间无需改变驱动程序，即可升级到100M。
 * 强大而稳定的性能：工作在32位的PCI总线上，与PC之间的传输速率为32M，能有效减轻CPU的负荷。网卡可以不通过CPU直接访问内存，进一步减轻CPU的负荷。
 * 丰富的驱动程序：提供Windows系列，NT系列，Netware系列，Linux等操作系统的驱动程序，适用于多种操作系统。
 * 支持流控功能：支持IEEE802.3X的全双工流控在全双工模式下，采用发送PAUSE帧的方式来进行流量控制。
 * 远程启动：可以安装自启动引导芯片，安装的自启动芯片的网卡可以制作各种无盘工作站，从Windows或Netware服务器上远程引导，确保网络安全。

 

 

Intel网卡（低端网卡）

品牌:Intel 型号:8559 适用网络类型: 以太网 传输速率:10/100 总线类型及宽度: PCI 32位  网络标准: IEEE 802.21 网线接口类型: RJ-45 传输介质: 普通双绞线 远程唤醒: 支持 全双工:支持

 

 

 

高端网卡与低端网卡的对比：

高端网卡优势在于 PING会稍微低，掉包率更少，速度更稳定。高端网卡有方便的自适应功能，强大而稳定，丰富的驱动程序以及可以远程启动，而低端网卡可能具备的功能就没有那么全面。高端网卡价格更高，低端网卡比好便宜。（上面的主要性能中有所介绍）

 

参考文献：

【1】沈红，李爱华主编.   《计算机网络》（第二版），2010年2月第一版，2015年7

     月第二版。

【2】王卫亚，孙大跃主编。《计算机网络--原理，应用和实现》，2007年2月第一版。

注：第一次写了个小论文，有很多网卡的图片的，好像传不上去，难过ing