第5章 网卡和集线器.docx

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第5章网卡和集线器

第5章网卡和集线器

随着计算机网络应用的普及，作为计算机与外部网络相连的必需配件，网卡现在已经成为了计算机的标准配置之一。

集线器也一直是使用普遍的局域网连接设备，廉价、实用。

本章主要介绍网卡和集线器的基本常识和应用。

5.1网卡

5.1.1网卡的概念

所谓网卡即网络接口卡（NIC-NetworkInterfaceCard），在Windows资源管理器中又称网络适配器（NIA-NetworkInterfaceAdapter），简称网卡。

网卡的主要功能就是用于实现联网计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。

在局域网中，每一台联网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络电缆系统。

网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码。

5.1.2网卡的分类

随着网络技术的快速发展，为了满足各种应用环境和应用层次的需求，出现了许多不同类型的网卡，网卡的划分标准也因此出现了多样化。

1．按总线接口类型分

按网卡的总线接口类型来分我们一般可分为早期的ISA接口网卡、PCI接口网卡。

目前在服务器上PCI-X总线接口类型的网卡也开始得到应用，笔记本电脑所使用的网卡是PCMCIA接口类型的。

（1）ISA总线网卡

ISA总线网卡（如图5-1所示）是早期的一种的接口类型网卡，在上世纪80年代末，90年代初期几乎所有内置板卡都是采用ISA总线接口类型，一直到上世纪90年代末期都还有部分这类接口类型的网卡。

当然这种总线接口不仅用于网卡，像现在的PCI接口一样，当时也普遍应用于包括网卡、显卡、声卡等在内所有内置板卡。

图5-1图5-2

ISA总线接口由于I/O速度较慢，随着上世纪90年代初PCI总线技术的出现，很快被淘汰了。

（2）PCI总线网卡

PCI总线网卡（如图5-2所示），这种总线类型的网卡在当前的台式机上相当普遍，也是目前主流的网卡接口类型。

因为它的I/O速度远比ISA总线型的网卡快（ISA最高仅为33MB/s，而目前的PCI2.2标准32位的PCI接口数据传输速度最高可达133MB/s），所以在这种总线技术出现后很快就替代了原来老式的ISA总线。

它通过网卡所带的两个指示灯颜色初步判断网卡的工作状态。

一般PC机的主板都会提供好几个PCI总线插槽，基本上可以满足常见PCI适配器（包括显示卡、声卡等，不同的产品利用金手指的数量是不同的）安装。

目前主流的PCI规范有PCI2.0、PCI2.1和PCI2.2三种，网卡外观一模一样。

服务器上用的64位PCI网卡外观就与32位的有较大差别，主要体现在金手指的长度较长。

（3）PCI-X总线网卡

PCI-X是PCI总线的一种扩展架构，它与PCI总线不同的是，PCI总线必须频繁的与目标设备和总线之间交换数据，而PCI-X则允许目标设备仅与单个PCI-X设备进行数据交换，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（如图5-3所示）。

图5-3图5-4

（4）PCI-E接口网卡

PCIExpress1X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，PCIExpress接口根据总线接口对位宽的要求不同而有所差异，分为PCIExpress1X（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（如图5-4所示）。

（5）USB接口网卡

在目前的计算机上很难找到没有USB接口（UniversalSerialBus，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（如图5-5所示）。

图5-5图5-6

（6）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，后者是目前市售笔记本网卡的主流（如图5-6所示）。

（7）Mini-PCI接口网卡

Mini-PCI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。

2．按网络接口划分

除了可以按网卡的总线接口类型划分外，我们还可以按网卡的网络接口类型来划分。

网卡最终是要与网络进行连接，所以也就必须有一个接口使网线通过它与其他计算机网络设备连接起来。

不同的网络接口适用于不同的网络类型，目前常见的接口主要有以太网的RJ-45接口、细同轴电缆的BNC接口和粗同轴电缆的AUI接口、FDDI接口、ATM接口等，而且有的网卡为了适用于更广泛的应用环境，提供了两种或多种类型的接口，如有的网卡会同时提供RJ-45、BNC接口或AUI接口。

各种接口网卡如图5-７所示。

（1）RJ-45接口网卡

这是最为常见的一种网卡，也是应用最广的一种接口类型网卡，这主要得益于双绞线以太网应用的普及。

因为这种RJ-45接口类型的网卡就是应用于以双绞线为传输介质的以太网中，它的接口类似于常见的电话接口RJ-11，但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）。

在网卡上还自带两个状态指示灯，通过这两个指示灯颜色可初步判断网卡的工作状态。

图5-7

（2）BNC接口网卡

这种接口网卡对应用于用细同轴电缆为传输介质的以太网或令牌网中，目前这种接口类型的网卡较少见，主要因为用细同轴电缆作为传输介质的网络就比较少。

（3）AUI接口网卡

这种接口类型的网卡（如图3）对应用于以粗同轴电缆为传输介质的以太网或令牌网中，这种接口类型的网卡目前更是很少见。

（4）ATM接口网卡

这种接口类3型的网卡是应用于ATM光纤（或双绞线）网络中。

它能提供物理的传输速度达155Mbps，图5-7中图④分别是两款接口不一样（分别为MMF-SC光接口或RJ45电接口）的ATM网卡产品外型图。

（5）FDDI接口网卡

这种接口的网卡是适应于FDDI网络中，这种网络具有100Mbps的带宽，但它所使用的传输介质是光纤，所以这种FDDI接口网卡的接口也是光模接口的。

3．按带宽划分

随着网络技术的发展，网络带宽也在不断提高，但是不同带宽的网卡所应用的环境也有所不同，当然价格也完全不一样了，为此我们有必要对网卡的带宽作进一步了解。

目前主流的网卡主要有10Mbps网卡、100Mbps以太网卡、10Mbps/100Mbps自适应网卡、1000Mbps千兆以太网卡四种。

（1）10Mbps网卡

10Mbps网卡主要是比较老式、低档的网卡。

它的带宽限制在10Mbps，这在当时的ISA总线类型的网卡中较为常见，目前的网卡一般是PCI总线接口，10/100自适应类型的。

（2）100Mbps网卡

100Mbps网卡在目前来说是一种技术比较先进的网卡，它的传输I/O带宽可达到100Mbps，这种网卡一般用于骨干网络中。

（3）10Mbps/100Mbps网卡

这是一种10Mbps和100Mbps两种带宽自适应的网卡，也是目前应用最为普及的一种网卡类型，最主要因为它能自动适应两种不同带宽的网络需求，保护了用户的网络投资。

它既可以与老式的10Mbps网络设备相连，又可应用于较新的100Mbps网络设备连接，所以得到了用户普遍的认同。

这种带宽的网卡会自动根据所用环境选择适当的带宽，如与老式的10Mbps旧设备相连，那它的带宽就是10Mbps，但如果是与100Mbps网络设备相连，那它的带宽就是100Mbps，仅需简单的配置即可（也有不用配置的）。

也就是说它能兼容10Mbps的老式网络设备和新的100Mbps网络设备。

（4）1000Mbps以太网卡

千兆以太网（GigabitEthernet）是一种高速局域网技术，它能够在铜线上提供1Gbps的带宽。

与它对应的网卡就是千兆网卡（如图5-1所示）了，同理这类网卡的带宽也可达到1Gbps。

图5-8图5-9

千兆网卡的网络接口也有两种主要类型，一种是普通的双绞线RJ-45接口，另一种是多模SC型标准光纤接口。

5.1.3网卡的组成

图5-9所示是一块以太网网卡，它包括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Intel82559网卡的和3COM3C905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。

①RJ-45接口

②Transformer（隔离变压器）

③PHY芯片

④MAC芯片

⑤EEPROM

⑥BOOTROM插槽

⑦WOL接头

⑧晶振

⑨电压转换芯片

⑩LED指示灯

1．主芯片

网卡的主控制芯片（如图5-10所示）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的质量。

图5-10图5-11

常见的10/100M自适应网卡芯片有Realtek8139系列/810X系列、VIAVT610*系列、Intel82550PM/82559系列、Broadcom44xx系列、3COM3C920系列、DavicomDM9102、MxicMX98715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（PCIExpress）、RTL8111（LOM、PCIExpress）系列，VIA的VT612*系列等等（如图5-11所示）。

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（MediaAccessLayer，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（PhysicalLayer，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（如图5-12所示）、VT6103等等。

图5-12

“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。

2．BOOTROM

BOOTROM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（RemoteProgramLoad远程初始程序加载）ROM芯片才能实现无盘启动，每一种RPLROM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（broadcasts），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。

3．LED指示灯

一般来讲，每块网卡都具有1个以上的LED（LightEmittingDiode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（FullDuplex），而Power是电源指示（主要用在USB或PCMCIA网卡上）等。

4．网络唤醒接口

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），WakeOnLAN（网络唤醒）提供了远程唤醒计算机的功能。

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。

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MagicPacket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“WakeonPCICard”功能即可。

5．数据汞（Transformer）

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。

6．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，较可靠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靠近主芯片，使信号走线的长度大大缩短，可靠性进一步增加。

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。

5.1.4网卡的选购

网卡看似一个简单的网络设备，它的作用却是决定性的。

加上目前网卡品牌、规格繁多，稍不留意，很可能所购买的网卡根本就用不上，或者质量太差，用得根本就不称心。

如果网卡性能不好，其他网络设备性能再好也无法实现预期的效果。

下面就介绍在选购网卡时要注意的几个方面：

1．网卡的材质和制作工艺

网卡属于电子产品，所以它与其他电子产品一样，它的制作工艺也主要体现在焊接质量、板面光洁度。

另一方面是就是网卡的板材了，相当于电子产品的元器件材质，可想而知板材的重要性。

目前比较好一点的板材通常采用喷锡板，而劣质网卡在电路板选材上选用非喷锡板材（当然更不会是镀金板材了，通常就是直接清洗的铜板颜色也是黄的，通常叫画金板）。

这一点在电路板露出板材之处可以用肉眼区分开来，喷锡板板材裸露部分为白色，而劣质网卡为黄色。

优质网卡的电路板焊点大小均匀，焊脚干净，焊接质量良好；而一般网卡会出现堆焊或虚焊等现象，焊接点看上去很不均匀，有时可以看见细小的气眼。

还有要看一下网卡的布线，这一点对于非专业的人士来说恐怕比较困难，但对于有一点电子知识的人来说应是非常容易看出来的。

一般为了取得理想的数据传输效果，减少数据传输的不安全因素，网卡在布线方面应作充分的优化，通过合理的设计缩短各个线路长度的差别和过孔的数量，同时因为网卡上大部分走线为信号线，在布线上遵循信号线和地线之间回路面积最小的原则，大大减小了信号之间串扰的可能性。

劣质网卡在布线上常常不合理，线路的长度差距很大，而且过孔数量较多，这样的网卡容易造成信号传输的偏差，可靠性很差，而且会影响到系统的稳定性。

还有一点就是网卡所采用的晶振，好一点的网卡通常采用高精度的SKO25MHz的晶振，这样可靠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使晶振靠近主芯片，使信号走线的长度大大缩短，可靠性进一步增加。

而劣质网卡选用的晶振体积很小，这样因频率的准确性不高，极易造成传输过程中的数据丢包的情况。

再次，网卡上的元器件因网卡体积本身较小，所以除了电解电容以及高压瓷片电容以外的其他阻容器件应全部采用SMT贴片式元件，贴片元件比插件的可靠性要高出许多。

而且电路的体积大大减小，使散热效果更加理想。

最重要的一点是贴片元件在焊接工艺采用贴片机波峰焊接，从而使焊点的质量有非常可靠的保证。

在电解电容的使用上，就全部采用Canicen耐热105度以上的铝电解电容，只有这样才能充分满足各种滤波环境的需要，使其性能更加卓越。

最后就是板材的面积选择了，很多网卡为了降低成本，选用了12cm*4cm以下的小号电路板（质量较好的应选用12cm*6cm的大板），这在很大程度上影响了整个网卡在布局上的合理性，很容易导致为节约成本而牺牲稳定性的恶果。

还有网卡金手指就选用镀钛金，这样保证了反复插拔时的可靠接触。

同时，信号走线转弯处使用45度角，节点处为圆弧型设计，既增大了自身的抗干扰能力，又可减少对其他设备的干扰；而劣质网卡金手指大多采用非镀钛金，节点也为直角转折，影响信号传输的性能。

2．选择恰当的品牌

如果是为较大型的企业网络购买网卡，建议网卡的选择不应贪图便宜，随便购几十元一块的网卡，最好购买信誉较好的名牌产品。

当然这里所指的名牌，也并不是说一定要买3COM、Intel、D-Link、Accton之类的一线大牌，国产较好信誉的品牌也是不错的选择，如TP-Link、D-link等。

因为网卡现在已是低技术含量的网络产品，其实普通网卡各大品牌所采用的技术也差不多，只不过体现在制作工艺上，现在国产一些知名的厂商也在这方面做得比较好，可以放心选购，这样会比国外大牌要便宜许多。

3．根据网络类型选择网卡

由于网卡种类繁多，不同类型的网卡它的使用环境可能是不一样的。

因此，大家在选购网卡之前，最好应明确所选购网卡使用的网络及传输介质类型、与之相连的网络设备带宽等情况。

目前在市场上的网卡根据连接介质的不同，基本上可以分为粗缆网卡（AUI接口）、细缆网卡（BNC接口）及双绞线网卡（RJ45接口）。

如果是以双绞线为传输介质的则要选用RJ-45接口类型的网卡；如果传输介质是细同轴电缆的则要选用BNC接口类型的网卡；如果是采用粗同轴电缆的话则要求选用AUI接口的网卡。

还有FDDI接口类型的网卡、ATM接口类型的网卡，它们分别是用于对应的网络，这一点可以参见前面的网卡的分类介绍网卡除了按上面接口来划分外还有带宽的不同，基本上可分为10M网卡、100M网卡、10/100M自适应网卡和1000M网卡。

一般个人用户和家庭组网时因传输的数据信息量不是很大，主要选择10M和10M/100M自适应网卡。

不过现在市场上10M网卡开始逐步被淘汰，而10M/100M自适应网卡由于采用了“自动协商”管理机制，可以根据相联网卡的速率自动设定网卡速度，因而可升级性较强，因此这种10M/100M自适应网卡在目前的网卡市场中占有很大的市场份额；再者在价格方面两者相差甚微。

如果局域网传输信息量很大或者考虑到以后的升级，100M网卡是一个不错的选择，而且它也是以后发展的必然趋势。

只是要注意的一点是与网卡相联的各网络设备在速度参数方面必须保持兼容才能正常工作。

4．根据计算机插槽总线类型选购网卡

由于网卡是要插在计算机的插槽中的，这就要求所购买的网卡总线类型必须与装入计算机的总线相符。

总线的性能直接决定从服务器内存和硬盘向网卡传递信息的效率。

与CPU一样，影响硬件总线性能的因素也有两个：

数据总线的宽度和时钟速度。

网卡按总线类型，可以分为PCI网卡、ISA网卡、EISA网卡及服务器PCI-X总线网卡。

因16位总线的ISA插槽在目前新计算机主板上已经基本不见了，所以根本就没必要选择ISA接口的（事实上除了二手的，市场上基本上没有ISA接口的）；目前主流的是PCI接口的。

如果要细分的话，还可查看网卡所支持的PCI总线标准版本，PCI最新版本为PCI2.2，当然是版本越高，性能越好。

5．根据使用环境来选择网卡

为了能使选择的网卡与计算机协同高效地工作，我们还必须根据使用环境来选择合适的网卡。

例如，如果我们购买了一块价格昂贵、功能强大、速度快捷的网卡，安装到一台普通的工作站中，可能就发挥不了多大作用，这样就给资源造成了很大的浪费和闲置。

相反，如果在一台服务器中，安装一只性能普通、传输速度低下的网卡，这样很容易会产生瓶颈现象，从而会抑制整个网络系统的性能发挥。

因此，大家在选用时一定要注意应用环境，比如服务器端网卡由于技术先进，价钱会贵很多，为了减少主CPU占有率，服务器网卡应选择带有自高级容错、带宽汇聚等功能，这样服务器就可以通过增插几块网卡提高系统的可靠性。

此外，如果要在笔记本中安装网卡的话，我们最好要购买与计算机品牌相一致的专用网卡，这样才能最大限度地与其他部件保持兼容，并发挥最佳性能。

5.1.5网卡的安装

下面以PCI接口的普通网卡为例介绍一下安装方法。

第1步关闭计算机，并断开电源。

第2步打开机箱。

第3步在