【genius_platform软件平台开发】第八十三讲：网卡（mac和phy）详解

1、网卡的基本构造

• 网卡工作在，和，
• 物理层（phy）：定义了数据传送与接收所需要的、、、和等，并向设备。称之为。
• 数据链路层（mac）：则提供、、、、等功能。以太网卡中称之为。
• 的这两个部分是的。他们之间的关系是：接，mac，phy（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。网卡基本单元有4个：、、、。框图里舍去、、、等外设，根据方案差异，某些数字电路部分不同程度的整合到一个芯片内
  

4、PHY

• 物理层（PHY，Physical Layer）：是，它实现物理层.IEEE-802.3标准定义了。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。PHY是MAC的工具人，PHY是CSMA/CD的执行部件，当时它MAC，由。
• PHY眼里概念，数据、地址、CRC都同等看待。它负责网络、、。在100Base-T里PHY采用4B/5B编码，用5bit编码传递4bit信息的编码方式，带宽利用率80%，5bit可有32种编码方式，4bit有16种编码方式，从5bit里取出16组编码作为信道信息编码。对这16组编码只有两个要求：一是5bit组里至少有2个1，二是5bit里不能有连续3个0；其余的16组表示无用信号或者控制码。

5、变压器

• 变压器作用：
  ? 、
  ? 、、
  其实，没有变压器两网卡之间也可以通信，只是这个距离会很短，距离越远衰减越大，加上变压器提高信号幅度通信距离得以提高，同样远端传递的信号幅度太低，经过变压器后得以放大，实现波形修复功能。变压器使芯片端与外部隔离，，而且对芯片增加了很大的保护作用。

6、RJ45

• RJ45：是布线系统中（即通信引出端）的一种，连接器由插头（接头、水晶头）和插座（模块）组成，插头有8个凹槽和8个触点。RJ是Registered Jack的缩写，意思是“注册的插座”。
  在FCC（美国联邦通信委员会标准和规章）中RJ是描述公用电信网络的接口，计算机网络的RJ45是标准8位模块化接口的俗称。
  网线有8根4对双绞线，百兆以太网中只用到其中4根：1、2发送、3、6接收。

7、PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通

• 通过接口和。这个接口是IEEE定义的。MII接口传递了网络的所有数据和数据的控制。
• 而对和则是使用通过来完成的。PHY里面的部分也是的，这样PHY把自己的目前的，MAC通过不断的以得知目前，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，不论是还是都是有的，因此。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，通常是。里面记录了、、、，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。

8、mac、phy工作过程

• 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)，就的，然后把转化为，再按照(10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把，再变为把。收数据时的流程反之。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/li>
• 这时就出现了这个器件。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(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。
• 时，网卡首先侦听介质上（载波由电压指示），如果，则认为，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）是的，即没有被其他站点占用，则开始，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。
• 时，网卡浏览介质上传输的每个帧，如果其长度，则认为是。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（称为，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。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

9、网卡的原理及测试技术

• 网卡充当和之间的或连线将计算机中的,称为。数据在中传输是即数据是肩并肩传输的，而在中说数据以方式传输的，承担和的。网卡在发送数据前要同接收网卡进行对话以确定最大可发送数据的大小、发送的数据量的大小、两次发送数据间的间隔、等待确认的时间、每个网卡在溢出前所能承受的最大数据量、数据传输的速度。
• 基于操作系统的测试
  网卡一个重要的性能是看其是否支持多种网络操作系统，比较流行的网络操作系统有windows、unix（linux、freebsd、sco、solaris、hp厎）、novell、dec等。同时网卡应能够支持多种的网络协议，如tcp/ip、ipx/spx、apple、netbeui等。
• 基于主机的兼容性测试
  硬件上的兼容性也是非常重要的一个方面，尤其在笔记本电脑上兼容性问题比较突出，根据本人的实际经验，甚至某些名牌的网卡在一些笔记本电脑上也存在较为严重的兼容性问题。在服务器或台式电脑方面这些问题不常出现。
• 网卡传输速率测试（数据吞吐量）
  测试网卡的传输速率一般有硬件和软件两种方法，硬件是利用一些专用的仪器如网络分析仪、smartbits smartcards等其他一些设备，利用icmp echo请求和udp数据包来检测数据流量。通常测试的项目有以下几方面：
• autonegotiation test
  测试网卡速率、全双工/半双工和流控协商。协商决定着是否通过“暂停桢pause frame”来允许流量控制。
• arp test
  测试网卡是否能对arp请求做出正确回应及是否在规定时间内应答。这个时间由测试者进行设置。
• error test
  测试网卡处理错误frame的能力，通常在较低的传输速率下进行此项测试（0.5%传输速率），有以下几个方面的测试：
  网卡接收正确的frame，作出处理。
  网卡接收到存在crc校验错的frame，网卡将其丢弃。
  网卡接收到传输顺序错误的frame，网卡将其丢弃。
  网卡接收到含有少量错误bits的frame，网卡应全部接收并处理。
  网卡接收到超小frame，网卡应将其丢弃。
  网卡接收到超长frame，网卡应将其丢弃。
• packets loss test
  rfc规定测试网卡在各种传输带宽利用率下的处理frame的能力，从初始化数据传输到传输速率的不断变化一直到传输结束，检查frame的丢失情况。
• throughput test
  数据吞吐量的测试也是rfc规定的一项测试内容，测试的结果反映出传输的最大带宽的利用率，每秒处理的frame和每秒处理的bits数量。
• back-to-back test
  同样此项测试也为rfc-2544的规定，测试在一个设定的最大传输速率下网卡可处理的并发frame的数量。最终反映出在不丢失数据包的情况下可并发传输的最大frame数量。
• 利用软件测试通常是利用zd的netbench来测试，一般只利用其测试网卡的最大传输速率。测试时要组成一个网络结构，一台windows server服务器，若干个客户端，传输大容量的文件如100mbps，测试的结果将反映出网卡的最大传输速率。另一个测试项目是测试网卡对较小的数据包请求的回应能力，这里有必要讨论一下tcp/ip的ping命令的机制。ping是利用发送和接收icmp echo报文，来检测链路状态和协议设置。数据链路层封装的是frame，大小在64k~1518k之间，当发送frame时，网卡接受到frame时首先要读取桢头和桢尾的mac地址，当mac地址相匹配时再接封装读取ip地址。当网卡连续接收到frame时，要对每一个frame做出处理，当网卡或是系统无法处理这些数据包时，这些数据包将被丢弃。这种情况多发生在连续发送非常小的frame时。ping的机制是发送一个icmp报文，接收到一个icmp echo后再发送下一个icmp报文。所以较小的连续的frame会对网卡和系统造成较大的压力。在netbench中，有一项测试就是测试网卡或系统对连续的小数据包的处理能力。
• 稳定性测试
  一块好的网卡应该具有良好的稳定性，具体讲就是在不同的工作环境下和不同的工况下应具有稳定的表现。通常测试主要是高温-和传输大文件测试。
  高温测试一般是在30~35摄氏度下连续运行网卡的测试程序达一定的时间比如2小时以上，检测网卡高温下的稳定性。pcmcia接口的网卡一般有两种32位的和16位的，前者又称为cardbus网卡，数据带宽由16位增加到32位，使得pcmcia的网卡发热量成为一个显著的问题。
• 另一个测试是传输大的文件，某些品质较差的网卡在传输大容量的文件比如2gbps以上的文件时容易出错。
• 综上所述，在测试一块网卡时要进行全面的软、硬件及兼容性测试，可根据具体的应用和不同的要求，有机的选择测试项目，正确反映网卡的性能指标。

来源：隨意的風