PHY概念 网络基本应用概念.pdf

PHY-PHY-概述概述PHY 指物理层，OSI 的最底层。一般指与外部信号接口的芯片。物理层是 OSI 的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。媒体和互连设备物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连设备指 DTE 和DCE 间的互连设备。DTE 既数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在内。而 DCE 则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。数据传输通常是经过DTEDCE，再经过 DCEDTE 的路径。互连设备指将 DTE、DCE 连接起来的装置，如各种插头、插座。LAN 中的各种粗、细同轴电缆、T 型接、插头，接收器，发送器,中继器等都属物理层的媒体和连接器。物理层的一些重要标准物理层的一些标准和协议早在 OSI/TC97/C16 分技术委员会成立之前就已制定并在应用了，OSI 也制定了一些标准并采用了一些已有的成果。ISO2110:称为“数据通信-25 芯 DTE/DCE接口连接器和插针分配”。它与 EIA(美国电子工业协会)的“RS-232-C”基本兼容。ISO2593：称为“数据通信-34 芯 DTE/DCE-接口连接器和插针分配”。ISO4092：称为“数据通信-37 芯 DTE/DEC-接口连接器和插针分配”。与EIARS-449 兼容。CCITT V.24：称为“数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备之间的接口电路定义表”。其功能与 EIARS-232-C及 RS-449 兼容于 100 序列线上。PHY百科名片百科名片PHY 指物理层，OSI 的最底层。一般指与外部信号接口的芯片。以太网 PHY 芯片。小小的不起眼但又无处不在的网卡。如果在 5 年前，或许网卡与您无关，但在如今这网络的时代，无论是上网冲浪还是联网玩游戏，都离不开网卡，更何况，就算您不食人间烟火，多数主板上也会为您集成一块板载网卡。所以，对于想迈入网络之门的读者而言，先认识网卡，会让您在进行各种网络应用时更得心应手。目录概述网卡的主要特点网卡的功能概述网卡的主要特点网卡的功能展开编辑本编辑本 段段概述概述网卡工作在 osi 的最后两层，物理层(phy)和数据链路层(mac)。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。物理层的芯片称之为PHY。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称之为MAC 控制器。很多网卡 的这两个部分是做到一起的。他们之间 的关系是 pci 总线接 mac 总线，mac 接 phy，phy 接网线编辑本编辑本 段段网卡的主要特网卡的主要特 点点网卡(Netw ork Interfac e Card，简称 NIC)，也称网络适 配器，是电脑与局域网相互连接的设备。无论是普 通电脑还是高端服务器，只要连接到局域网，就都需要安装一块网卡。如果 有必要，一台电脑也可以同时安装两块或多块网卡。电脑之间 在进行相互通讯时，数据不是以流而是以帧的方式进行传输的。我们可以把帧看做是 一种数据包，在数据包中不仅包含有数据信息，而且还包含有数据的发送地、接收地信息 和数据的校验信息。一块网卡包括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。编辑本编辑本 段段网卡的功能网卡的功能一、传一、传 输输是将电 脑的数据封装为帧，并通过网线(对无线 网络来说就是电磁波)将数据发送到网络上去;二是 接收网 络上其它 设备传过 来的帧，并将帧 重新组合 成数据，发送到所在的电脑中。网卡能接收所有在网络上传输的信号，但正常情况下只接受发送到该电脑的帧和广 播帧，将其余的帧丢弃。然后，传送到系统CPU 做进 一步处理。当电脑发送数据时，网卡等待合适的时间将分组插入到数据流中。接收系统通知电脑消息是否完整地到 达，如果出现问题，将要求对方重新发送。二、图二、图 解网卡解网卡以最常见 的 PCI 接口的网卡为 例，一块网卡主要由PCB 线路板、主芯片、数据汞、金手指(总线 插槽接口)、BOOTROM、EEPROM、晶振、RJ45 接口、指示灯、固定片等等，以及一些二 极管、电阻电容等组成。下面我们就来分别了解一下其中主要部件。主芯片主芯片网卡的主 控制芯片是网卡的核心元件，一块网卡性能的好坏和功能的强弱多寡，主要就是看这 块芯片40nm 串行 phy_存储的质量。以常 见的 Realtek 公司推出的 RTL8139C 和 RTL8139D 为例，二者首先在封装上略有不同，前者是 128pin QFP/LQFP而后者为 100pin，其次在搭配的EEPROM上，8139C 比后者多出了对93c56 的支持，而 8139D 是 93C46。但是在功能方面，8139D更强一些，它 多提供了对 PCI Multi-function和 PCI-bridge I/F 的支持，PCIMulti-function 允许把 RTL8139D 芯片和其他的 功能芯片(如硬件调制解调 芯片)设计在同块 PCB 板上协同工作来做成不同种类的多功能卡，在其中8139 起的作用是 辨别LAN 信号还是 PCI 总线信号的作用;8139D 还增强了电源管理 功能。如果 按网卡 主芯片 的速度 来划分，常见的10/100M自适应 网卡芯 片有 Realtek8139 系列/810X 系列、VIA VT610*系列、Intel 82550PM/82559系列、Broadc om 44xx系列、3COM 3C920 系列、Davicom DM9102、Mxic MX98715 等等。常见的 10/100/1000M自适应网卡芯片有 Intel的 8254*系列，Broadcom的BCM57*系 列，Marvell的88E8001/88E8053/88E806*系 列，Realtek的RTL8169S-32/64、RTL8110S-32/64(LOM)、RTL8169SB、RTL8110SB(LOM)、RTL8168(PCI Express)、RTL8111(LOM、PCI Express)系列，VIA 的 VT612*系列等等。Marvell 的 88E8001 千兆芯片需要说明 的是网卡芯片也有“软硬”之分，特别是对与主板板载(LOM)的网卡芯片来说更是如此，这是怎么回事呢?大家知道，以太网接 口可分为协议层和物理层。协议层是 由一个叫 MAC(MediaAccess Layer，媒体访问层)控制 器的单一模块实现。物理层由 两部分组成，即 PHY(Physic al Layer，物理层)和传输器。常见的网 卡芯片都是把 MAC 和 PHY 集成在一 个芯片中，但目前 很多主板的南桥芯片已包含了 以太网 MAC 控制功能，只是未提供物理层接口，因此，需外接 PHY 芯片以提供以太 网的接入通道。这类PHY 网络芯片 就是俗称的“软网卡 芯片”，常见的PHY 功能的芯片有 RTL8201BL、VT6103 等等。“软网卡”一般将网络控制芯 片的运算部分交由处理器或南桥芯片处理，以简化线路设计，从而 降低成本，但其多少会更多占用系统资源.BOOTROMBOOTROMBOOTROM 插座也就是常说的无盘启动 ROM 接口，其是用来通 过远程启动服务构造无盘工作 站的。远程启动服务(Remoteboot，通常也 叫 RPL)使通 过使用服务器硬盘上的软件来 代替工作站硬盘引导一台网络上的工作站成为可能。网卡上必须装有一个 RPL(Remote Program Load 远程初始程序加 载)ROM 芯片才能实现 无盘启动，每一种 RPL ROM 芯片都是为一类特定的网络接口卡而制作的，它们之间不能互换。带有RPL 的网络接口卡 发出引导记录请求的广播(broadc asts)，服务器自动 的建立一个连接来响应它，并 加载 MS-DOS 启动文 件到工作站的内存中。此外，在 BOOTROM 插槽中 心一般还有一颗 93C46、93LC46 或 93c56 的 EEPROM芯片(93C56 是 128*16bit 的 EEPROM，而 93C46 是 64*16bit 的 EEPROM)，它相当于网卡的 BIOS，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，如总线上 PHY 的地址，BOOTROM 的容量，是否启用 BOOTROM引导系统等内 容。主板板载网卡的EEPROM 信息一般集成在主板BIOS 中。LEDLED 指示灯指示灯一般来讲，每块网卡 都具有 1 个以上的 LED(Light Emitting Diode发光二极管)指示灯，用来表 示网 卡的不 同工 作状态，以 方便我 们查 看网卡 是否 工作正 常。典型的LED 指示灯 有 Link/Act、Full、Power 等。Link/Act 表示连接 活动状态，Full 表示是否全双工(Full Duplex)，而 Power 是电源指示(主要用在 USB 或 PCMCIA 网卡上)等。网络唤网络唤 醒接口醒接口早期网卡 上还有一 个专门的3 芯插座网络唤 醒(WOL)接口(PCI2.1标准网 卡)，Wake On LAN(网络唤醒)提供了远程唤 醒计算机的功能，它是IBM 公司和 Intel 公司于 1996 年 10 月成立 的先进管理性联盟(Advanc ed Manageability Alliance)的一项成果，它可以让管理 员在非工作时间远程唤醒计算机，并使它们自动完成一些管理服务，例如软件的更新 或者病毒扫描。它也是Wired for Management基本规范中的一 部分。网络唤醒的工作 原理是先由一个管理软件包发出一个基于 Magic Packet 标准 的唤醒帧，支持网络唤 醒的网卡收到唤醒帧后对其进行分析并确定该帧是否包含本网卡的MAC地址。如果包 含本网卡的 MAC 地址，该计算机系 统就会自动进入开机状态。目前主流 的独立网卡或主板板载网卡都符合 PCI2.2 及以上的规 范，所以不再需要这个接口，要启动网络唤醒功能，只需到主板 BIOS 中启 用“Wake on PCI Card”功能即可。数据汞数据汞数据汞是 消费级 PCI 网卡上都具备的设备，数据汞也被叫做 网络 变压器 或可称为网络隔离变压 器。它在一块网卡上所起的作用主要有两个，一是传输数据，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不同电 平的连接 网线的另 外一端;一是 隔离网线 连接的 不同网络 设备间的 不同电平，以防止不同电压通 过网线传输损坏设备。除此而外，数据汞还能对设备起到一定的防雷保护作 用。晶振晶振晶振是石 英振荡器的简称，英文名为Crystal，它是时钟电路 中最重要的部件，它的作用是向显 卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造 成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于 制造工艺不断提高，现 在晶振的频率偏差、温 度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好，已不容易出现故 障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量。例如某网 卡的时钟电路采用了高精度的SKO25MHz 的晶振，较可*保证了数据传输的 精确同步性，大大减少了 丢包的可能性，并且在线路 的设计上尽 量*近主芯片，使信 号走线的长度 大大缩短，可*性进一步增加。而如果采用劣 质晶振，这 样做虽然可以降低一点 网卡成本，但因为频率的准确性问题，极易造成传输过程中的数据丢包的情况。网线接网线接 口口在桌面消 费级网卡中常见网卡接口有BNC 接口和 RJ-45 接口(类似电话的接口)，也有两种接口 均有的双口网卡。接口的选择与网络布线形式有关，在小型共享式局域网中，BNC 口网卡通过同轴电缆直接与其它计算机和服务器相连;RJ-45 口网卡通过双绞线连接集线 器(HUB)或交换机，再通过集线器或交换机连接其它计算机和服务器。目前 BNC 接口这种接口类型的 网卡已很少见，主要因为用细同轴电缆作为传输介质的网络就 比较少及组网方式问题较多有关。RJ-45 是 8 芯线，而 电话线的接口是4 芯的，通常只接2 芯线(ISDN 的电话线接 4 芯线);但大家可以仔细看看，其实10M网卡的 RJ-45 插口也只用了 1、2、3、6 四根针，而 100M 或 1000M 网卡的则是八根针都是全的，这也是区别 10M 和 100M 网卡的一种方法(见上图 8)。传输介传输介 质类型质类型说到网卡，就顺便就谈谈与网卡连接的双绞线。双绞线，是由许多在一个绝缘外套中的对线组成的数据传输线，它的特点就是价格便宜，现在的网卡大部分都是使用的双绞线做为传输线缆。双绞线一般用于星型网的布线连接，两端安装有 RJ-45 头(水晶头)，连接网卡与集线器，最大网线长 度为 100米左右。双绞线有 STP(屏蔽双绞线)和 UTP(非屏 蔽双绞线)两种。STP 的双绞线内有一层金属隔离膜，在数据传输时可减少电磁干扰，所以它的稳定性较高。而UTP 内没有这层金 属膜，所以它 的稳定性较差，但它的优势 就是价格便宜。其中 STP(屏蔽双绞线)主要分为 3 类和 5 类两种线，UTP(非屏蔽双绞线)主要 分为 3 类/4 类/5 类/超 5 类/6类几种，一般 网络主要使用的是5 类双绞线，5 类双绞线外层保护胶 皮厚，胶皮上标注“CAT5”字样。超 5 类双绞线属非 屏蔽双绞线，与普通5 类双绞线比较，超5 类双绞线在传送信 号时衰减更小，抗 干扰能力更强，在100M 网络中，用 户设备的受干扰程度只有普通 5 类线的 1/4，其也是目前 应用的主流。总线接总线接 口口网卡要与 电脑相连接才能正常使用，电脑上各种接口层出不穷，这也造成了网卡所采用的总线 接口类型纷呈。此外，提到总线接口，需要说明的是人们一般将这类接口俗称为“金手指”，为 什么叫金手指呢?是因为这类 插卡的线脚采用的是镀钛金(或其它金属)，保证了反复插拔时的 可*接触，既增大了自身的抗干扰能力又减少了对其他设备的干扰。为了方便 您了解，下面我们就分别来图解一下常见的各种接口类型的网卡。ISA 接口网卡ISA 是早期网卡 使用的一种总线接口，ISA 网卡采用程序请求I/O 方式与 CPU 进行通信，这种 方式的网络传输速率低，CPU 资源占用大，其多为 10M 网卡，目前在市面上基本上 看不到有 ISA 总线类型的网卡，笔者从旧件堆中找到了几款 ISA 网卡，D-LINK 的产品，居然用橡皮擦清洁金手指上机后还能用。PCI 接口网卡PCI(peripheralcomponentinterconnect)总线插槽仍是目前主板上最基本的接口。其基 于 32 位数据总线，可扩 展为 64 位，它的工作频率为33MHz/66MHz。数据传输率为每秒 132MB(32*33MHz/8)。目前 PCI 接口网卡仍是家用消费级市场上的绝对主流。PCI-X 接口网 卡PCI-X 是 PCI 总线的一 种扩展架构，它与PCI 总线不同的是，PCI 总线必须频繁的于目标设备 和总线之间交换数据，而 PCI-X 则允许目 标设备仅于单个 PCI-X 设备看已进行交换，同时，如果 PCI-X 设备没有任何 数据传送，总线会自动将PCI-X 设备移除，以减少 PCI 设备间的等待周期。所以，在相同的频率下，PCI-X 将能 提供比 PCI高 14-35%的性能。目前服务器网卡经常采用此类接口的网卡。PCI-E 接口网卡PCI Express1X 接口 已成 为目前 主流 主板 的必 备接 口。不 同与 并行 传输，PCIExpress 接口采用点对点的 串行连接方式，PCI Express 接口根据总线 接口对位宽的要求不同而有所 差异，分为 PCI Express 1X(标准 250MB/s，双向 500MB/s)、2X(标准500MB/s)、4X(1GB/s)、8X(2GB/s)、16X(4GB/s)、32X(8GB/s)。采用 PCI-E 接口的网卡多为千兆网 卡。USB 接口网卡在目前的 电脑上很难找到没有USB 接口(Universal Serial Bus，通用串行总线)的，USB 总线分为 USB2.0 和 USB1.1 标准。USB1.1 标准的传输速率的理论值是 12Mbps，而 USB2.0 标准的传输速率可以高达480Mbps，目前的 USB 有线网卡多为 USB2.0 标准的。PCMCIA 接口网卡PCMCIA 接口是笔记本电脑专用接口，PCMCIA 总线分为两类，一类为 16 位的PCMCIA，另一类为 32 位的 CardBus，CardBus 网卡的最大吞吐量接 近 90Mbps，其是目前市售笔 记本网卡的主流。Mini-PCI 接口网卡MiniPCI 接口是在 台式机 PCI 接口基础上 扩展出的适用 于笔记本电脑 的接口标准，其速度和 PCI 标准相当，很多此类产品都是无线网卡。