网卡究竟工作在OSI的哪一层?

答案:网卡工作在物理层和数据链路层的MAC子层。

解密网络传输 工程师带你深入认识网卡

一、什么是网卡?

网卡现在已经上成为了目前电脑里的标准配置之一。小小的网卡,究竟蕴涵着多少秘密呢?让我们一起来看。

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。

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。以下主要介绍我们最常用到的以太网网卡。

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,光纤,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。

这次我们主要讨论的RJ45的网卡属于IEEE802.3定义的范围。

二、网卡的组成

1.网卡的基本结构

一块以太网网卡包括OSI(开方系统互联)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。

2.什么是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。

3.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。(注:关于网线上数据是数字的还是模拟的比较不容易理解清楚。最后我再说)

收数据时的流程反之。

内容版权声明:除非注明,否则皆为本站原创文章。

转载注明出处:https://www.heiqu.com/20344.html