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網(wǎng)卡(Network Interface Card，簡稱NIC)，也稱網(wǎng)絡(luò)適配器，是電腦與局域網(wǎng)相互連接的設(shè)備。只要連接到局域網(wǎng)，就需要安裝網(wǎng)卡。一個(gè)網(wǎng)卡主要包括OSI模型的最下面的兩層，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，物理層的芯片稱之為PHY，數(shù)據(jù)鏈路層的芯片稱之為MAC控制器，這方面的內(nèi)容在之前已經(jīng)有過介紹。
今天我們來了解網(wǎng)卡的工作原理，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收的處理過程。
網(wǎng)卡工作在OSI的最后兩層：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(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)接口。數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。以太網(wǎng)卡中數(shù)據(jù)鏈路層的芯片稱之為MAC控制器。很多網(wǎng)卡的這兩個(gè)部分是做到一起的。他們之間的關(guān)系是PCI總線接MAC總線，MAC接PHY，PHY接網(wǎng)線(通過變壓裝置)。
下面繼續(xù)讓我們看一下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(biāo)準(zhǔn)的MII界面連接MAC和PHY。這個(gè)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把自己目前的狀態(tài)反映到寄存器里面，MAC通過SMI總線不斷地讀取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(dá)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(qiáng)制模式等。
所以，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(dòng)需要做相應(yīng)的修改。
工作過程
PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)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(cuò)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(hào)把數(shù)據(jù)送出去。收數(shù)據(jù)時(shí)的流程反之。
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(shí)候產(chǎn)生的信號(hào)電平總是大于0V的(這取決于芯片的制程和設(shè)計(jì)需求)，但是這樣的信號(hào)送到100米甚至更遠(yuǎn)的地方會(huì)有很大的直流分量的損失。而且如果外部網(wǎng)線直接和芯片相連的話，電磁感應(yīng)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(huì)導(dǎo)致雙方的0V電平不一致，這樣信號(hào)從A傳到B，由于A設(shè)備的0V電平和B點(diǎn)的0V電平不一樣，這樣會(huì)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。這時(shí)就需要Transformer(隔離變壓器)。它把PHY送出來的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，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(hào)，隔斷了信號(hào)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為耐2KV~3KV的電壓而設(shè)計(jì)的，同時(shí)起到防雷感應(yīng)保護(hù)的作用。有些用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時(shí)容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計(jì)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(hù)作用。
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)卡首先偵聽介質(zhì)上是否有載波(載波由電壓指示)，如果有，則認(rèn)為其他站點(diǎn)正在傳送信息，繼續(xù)偵聽介質(zhì)。一旦通信介質(zhì)在一定時(shí)間段內(nèi)(稱為幀間縫隙IFG=9.6微秒)是安靜的，即沒有被其他站點(diǎn)占用，則開始進(jìn)行幀數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)繼續(xù)偵聽通信介質(zhì)，以檢測沖突。在發(fā)送數(shù)據(jù)期間，如果檢測到?jīng)_突，則立即停止該次發(fā)送，并向介質(zhì)發(fā)送一個(gè)“阻塞”信號(hào)，告知其他站點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生沖突，從而丟棄那些可能一直在接收的受到損壞的幀數(shù)據(jù)，并等待一段隨機(jī)時(shí)間(CSMA/CD確定等待時(shí)間的算法是二進(jìn)制指數(shù)退避算法)。在等待一段隨機(jī)時(shí)間后，再進(jìn)行新的發(fā)送。如果重傳多次后(大于16次)仍發(fā)生沖突，就放棄發(fā)送。
接收時(shí)，網(wǎng)卡瀏覽介質(zhì)上傳輸?shù)拿總€(gè)幀，如果其長度小于64字節(jié)，則認(rèn)為是沖突碎片。如果接收到的幀不是沖突碎片且目的地址是本地地址，則對幀進(jìn)行完整性校驗(yàn)，如果幀長度大于1518字節(jié)(稱為超長幀，可能由錯(cuò)誤的LAN驅(qū)動(dòng)程序或干擾造成)或未能通過CRC校驗(yàn)，則認(rèn)為該幀發(fā)生了畸變。通過校驗(yàn)的幀被認(rèn)為是有效的，網(wǎng)卡將它接收下來進(jìn)行本地處理。
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