¿Qué es una tarjeta de red?
Una pieza clave de hardware en un sistema de red es un adaptador, a menudo llamado tarjeta de red. En una red de área local (LAN), la tarjeta de red juega un papel importante. Las tarjetas de red se utilizan para la entrada y salida de señales entre computadoras. La tarjeta de red tiene su propio número de interrupción (IRQ) y terminal de tierra I/0. Las tarjetas de red utilizadas en Apple MAC son la tarjeta ISA, la tarjeta EISA y la tarjeta Ethernet. Actualmente se utilizan tarjetas ISA de 16 bits y tarjetas PCI de 32 bits. La tarjeta de red tiene una memoria intermedia para almacenar datos. Al igual que las tarjetas de sonido, las tarjetas de red suelen venir con sus propios controladores. Cuando esté en uso, inserte la tarjeta de red en la ranura de expansión de la computadora. Hay una luz indicadora en la tarjeta de red para indicar si la tarjeta de red está funcionando correctamente.
La tarjeta de red admite diferentes velocidades de transferencia, que van desde 10 Mbps a 100 Mbps por segundo, y puede ser adaptable a 10 Mbps o 100 Mbps.
Las NIC con chips de arranque remoto están disponibles para estaciones de trabajo sin disco. Una estación de trabajo sin disco no tiene disco duro ni unidad de disquete. Iniciar la computadora a través de la tarjeta de red puede garantizar la seguridad del sistema y evitar virus. Además, reduce costos.
En los portátiles existen tarjetas PCMCIA inteligentes que se utilizan para intercambiar datos con otros ordenadores. En redes de alta velocidad, también existen tarjetas FDDI para interfaces de distribución de datos de fibra óptica y tarjetas ATM para modos de transmisión de tarjetas heterogéneas. En la LAN, el puerto BNC de la tarjeta de red se utiliza para la topología del bus y el medio de transmisión es un cable coaxial delgado de 50 Ω, que debe sellarse con terminadores en ambos extremos del segmento de red para formar un bucle de red. p>
Actualmente, las tarjetas de red se han convertido en una de las configuraciones estándar de los ordenadores actuales. Sin embargo, con el desarrollo continuo de la red, las funciones de la tarjeta de red también mejoran constantemente, lo que puede aportar más comodidad a su computadora. Echemos un vistazo.
El dispositivo de red más común es la tarjeta de red. La tarjeta de red en sí es un dispositivo LAN (red de área local) y, a través de puertas de enlace, enrutadores y otros dispositivos, conecta esta LAN a Internet. La propia Internet se compone de innumerables redes de área local.
Existen muchos tipos de tarjetas de red según el control de la capa de enlace de datos, se pueden dividir en tarjetas Ethernet, tarjetas Token Ring, tarjetas ATM, etc., y se pueden dividir según la capa física; en tarjetas inalámbricas, tarjetas RJ-45, tarjetas de cable coaxial, tarjetas de fibra óptica, etc. Su control de enlace de datos, direccionamiento, estructura de trama, etc. son diferentes; sus métodos de conexión física son diferentes, y su codificación de datos, medios de señalización, consumo de energía, etc. también son diferentes. A continuación se presentan principalmente nuestras tarjetas de red Ethernet más utilizadas.
Ethernet utiliza tecnología de control CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detección). Principalmente define cómo funcionan la capa física y la capa de enlace de datos. La capa de enlace de datos y la capa física implementan cada una sus propias funciones y no les importa cómo opera la otra parte. Existen interfaces estándar (como MII, GMII, etc.) entre los dos para transmitir datos y control.
La capa física de una tarjeta Ethernet puede estar compuesta por diversas tecnologías, entre ellas RJ45, óptica, inalámbrica, etc., que se diferencian por el medio físico y los medios utilizados para transmitir la señal. Estas tecnologías se definen en detalle en la familia de protocolos 802 del IEEE.
Esta vez hablamos principalmente de la tarjeta de red RJ45 que entra dentro de la definición de IEEE802.3.
2. La composición de la tarjeta de red
1. La estructura básica de la tarjeta de red
Una tarjeta de red Ethernet incluye dos capas de OSI (Open). Modelo de Interconexión de Sistemas). Capa física y capa de enlace de datos. La capa física define las señales eléctricas y ópticas, el estado de la línea, la referencia del reloj, la codificación de datos y los circuitos necesarios para la transmisión y recepción de datos, y proporciona interfaces estándar para dispositivos de la capa de enlace de datos. La capa de enlace de datos proporciona mecanismos de direccionamiento, construcción de tramas de datos, verificación de errores de datos, control de transmisión e interfaces de datos estándar para la capa de red.
El chip de la capa de enlace de datos en la tarjeta Ethernet generalmente se llama controlador MAC, y el chip de la capa física se llama PHY. Muchos chips NIC fusionan las funciones MAC y PHY en un solo chip, como Intel
NIC 82559 y 3COM
NIC 3C905. Pero los mecanismos MAC y PHY todavía están separados y aparecen como un solo chip. Por supuesto, también hay muchas tarjetas de red en las que MAC y PHY se realizan por separado, como la DFE-530TX de D-LINK, etc.
2. ¿Qué es MAC?
Primero, hablemos de la función del chip MAC de la tarjeta Ethernet. La capa de enlace de datos Ethernet en realidad consta de la subcapa MAC (Control de acceso a medios) y la subcapa LLC (Control de enlace lógico). La función del chip MAC de la tarjeta Ethernet no es solo implementar las funciones de la subcapa MAC y la subcapa LLC, sino también proporcionar una interfaz PCI que cumpla con las especificaciones para el intercambio de datos con el host.
El MAC recibe paquetes IP (o paquetes de otros protocolos de capa de red) del bus PCI, los divide y los reempaqueta en paquetes con un máximo de 1518 bytes y un mínimo de 64 bytes. La trama contiene la dirección MAC de destino, su propia dirección MAC de origen y el tipo de protocolo dentro del paquete (por ejemplo, el tipo de paquete IP está representado por 80). Finalmente hay un código CRC DWORD (4 bytes).
Pero ¿de dónde viene la dirección MAC de destino? Esto implica el protocolo ARP (un protocolo entre la capa de red y la capa de enlace de datos). La primera vez que se transmiten datos para una determinada dirección IP de destino, primero se enviará un paquete ARP, que contiene la dirección MAC de destino de la dirección de transmisión, es decir, "¿Quién es el propietario de la dirección IP xxx.xxx.xxx.xxx? Dado que se trata de un paquete de difusión, todos los hosts de la LAN recibirán esta solicitud ARP. El host que recibe la solicitud comparará la dirección IP con su propia dirección IP. Si no es la misma, la ignorará. De la misma manera, enviará el paquete de respuesta ARP. Cuando el host en la dirección IP recibe el paquete de solicitud ARP, responde con una respuesta ARP que dice "Soy el propietario de esta dirección IP". MAC de destino para futuras tramas enviadas a esta dirección IP. La dirección se determina (la asociación entre la dirección IP y la dirección MAC se almacena en el sistema host, denominada tabla ARP, y la completan el controlador y el sistema operativo). podemos usar el comando arp -a para ver la tabla ARP en sistemas Microsoft
. Lo mismo sucede cuando recibimos un data frame, luego de hacer la verificación CRC, si no hay error de verificación CRC, lo eliminamos. El encabezado, saca el paquete y lo pasa a través de la interfaz estándar. Pasa al controlador y a la pila de protocolos de la capa superior, y finalmente llega correctamente a nuestra aplicación.
También hay algunos marcos de control, como los marcos de control de flujo. que requieren que MAC reconozca y realice directamente las acciones correspondientes.
Un extremo del chip Ethernet MAC está conectado al bus PCI de la computadora y el otro extremo está conectado al chip PHY. de Ethernet incluye la subcapa MII/GMII (Interfaz independiente de medios), la subcapa PCS (Subcapa de codificación física) y la subcapa PMA (Adjunto de medio físico), la subcapa PMD (dependencia del medio físico) y la subcapa MDI. El chip PHY es uno de los más importantes. Dispositivos funcionales para realizar la capa física. Implementa las funciones de todas las subcapas de la capa física anterior.
3. El proceso de transmisión de red
PHY envía datos después de recibirlos. MAC (para PHY, no existe el concepto de trama, porque no importa cuál sea la dirección, los datos son datos, los datos siguen siendo CRC), luego agregue 1 bit de código de detección de errores por cada 4 bits, convierta los datos paralelos en serie transmitir datos y luego codificarlos de acuerdo con las reglas de codificación de la capa física.
Luego, los datos paralelos se convierten en datos de flujo en serie, los datos se codifican de acuerdo con las reglas de codificación de la capa física (10Based-T es codificación NRZ, 100Based-T es codificación Manchester) y luego los datos se convierten en una señal analógica. y enviado. (Nota: no es fácil entender si los datos en el cable son una señal digital o una señal analógica.
Al recibir datos, el proceso es exactamente el opuesto.
Otro Una función importante de la capa física es implementar parte de CSMA/CD. Detectará si se están transfiriendo datos en la red y esperará si hay datos; una vez que detecte que la red está inactiva, esperará un poco más antes de enviar datos. si ambas NIC están al mismo tiempo, el envío de datos provocará un conflicto, y el mecanismo de detección de conflictos puede detectar el conflicto y esperar un tiempo aleatorio para reenviar los datos.
Este tiempo aleatorio es muy. específico No es una constante y se calcula en diferentes momentos. También son diferentes, y existen múltiples algoritmos para lidiar con la baja probabilidad de un segundo conflicto entre los mismos dos hosts. Utilice tarjetas de red con fuertes capacidades de "captura de línea" al acceder a Internet de banda ancha. Esto se debe a que los métodos de cálculo de tiempo aleatorio después de diferentes colisiones PHY están diseñados de manera diferente, lo que brinda a algunas tarjetas de red más "ventajas". redes de dominio y para el acceso a dispositivos locales con conexiones punto a punto, como redes de conmutación y ADSL. El método no tiene sentido. Además, "tomar la línea" es relativo, no cualitativo. En cuanto al conflicto entre redes
La popularidad de los conmutadores ahora hace que las redes conmutadas. Sin embargo, la popularidad de HUB ha reducido la cantidad de redes de dominio en conflicto y ha aumentado considerablemente el ancho de banda de la red. Al navegar por Internet, habrá conflictos. La mayor diferencia entre un conmutador y un HUB es que un dispositivo de conmutación LAN construye una red punto a punto y el otro es un dispositivo de interconexión LAN que construye una red de dominio de colisión.
Nuestro PHY también proporciona una función importante, que es conectarse al otro extremo del dispositivo e indicarlo a través de LEDs que nos permiten saber el estado de conexión actual y su estado de funcionamiento. la tarjeta de red a la red, el PHY emite continuamente pulsos para detectar la presencia del dispositivo en el otro extremo. Se comunican entre sí a través de un "lenguaje" estándar, negocian y deciden la velocidad de conexión, el modo dúplex y si se utiliza el control de flujo. , etc.
La capa física también proporciona una función importante, que es conectarse a los dispositivos en el otro extremo y hacernos saber su estado actual a través de indicadores LED.
Por lo general, el resultado de esta negociación es la velocidad máxima y el mejor modo dúplex que ambos dispositivos pueden soportar. Esta tecnología se llama negociación automática o NWAY, que significa lo mismo, negociación automática
5. parte del PHY
Ahora echemos un vistazo a la parte detrás de la salida PHY. El chip CMOS siempre puede funcionar con un nivel de señal superior a 0 V (esto depende del chip. Requisitos de proceso y diseño). pero si la distancia de transmisión de la señal supera los 100 metros, habrá una pérdida significativa de componentes de CC. Además, si la red externa está conectada directamente al chip, la inducción electromagnética (rayos) y la electricidad estática pueden dañar fácilmente el chip.
Además, los diferentes métodos de conexión a tierra de los equipos y los diferentes entornos de la red eléctrica darán lugar a niveles de 0 V inconsistentes en ambos lados. De esta manera, cuando la señal pasa de A a B, el nivel de 0 V del equipo A y el del equipo. El nivel de 0 V del punto B es diferente. Del mismo modo, una gran cantidad de corriente fluirá desde dispositivos con bajo potencial a dispositivos con alto potencial. ¿Cómo podemos solucionar este problema?
Aquí es donde entra en juego el equipo transformador (transformador de aislamiento). Utiliza un filtro de acoplamiento de bobina de acoplamiento de modo diferencial para mejorar la señal diferencial enviada por el PHY y la acopla al otro extremo mediante conversión de campo electromagnético para conectarlo al cable de red. Esto no solo elimina la conexión física entre el cable de red y el PHY, sino que también transporta la señal, aísla el componente de CC en la señal y permite que los datos se transmitan en dispositivos con diferentes niveles de 0V.
El transformador de aislamiento en sí puede soportar un voltaje de 2KV~3KV. También actúa como protección contra la inducción de rayos (personalmente creo que los rayos son inapropiados aquí). Los equipos de red de algunos amigos se queman fácilmente durante las tormentas. La mayoría de ellas se deben a un diseño de PCB irrazonable. La mayoría de las interfaces del equipo se queman y pocos chips se queman.
6. Acerca de los medios de transmisión
El transformador de aislamiento en sí es un componente pasivo. Solo acopla la señal PHY al cable de red y no desempeña el papel de amplificación de potencia. Entonces, ¿quién determina la distancia máxima que puede alcanzar una señal NIC?
La distancia máxima de transmisión y la compatibilidad entre la NIC y el dispositivo final están determinadas por la PHY. Sin embargo, los PHY que pueden enviar señales hasta 100 metros tienen una mayor potencia de salida y son más propensos a problemas de EMI. En este momento, es necesario utilizarlo junto con el transformador correspondiente. Los PHY de Marvell, la empresa líder en PHY, normalmente pueden transmitir distancias de 180 a 200 metros, superando con creces el estándar IEEE de 100 metros.
El conector RJ-45 conecta la tarjeta de red al cable. Tiene 8 piezas de cobre en su interior y se puede conectar a 4 pares de pares trenzados (8 hilos) en el cable de red. En una red de 100M, 1 y 2 se utilizan para transmitir datos y 3 y 6 se utilizan para recibir datos. 1 y 2 son un par de señales diferenciales, es decir, la forma de onda es la misma, pero la fase es 180 grados diferente y las amplitudes de voltaje en el mismo momento son positivas y negativas. Estas señales tienen una distancia de transmisión más larga y una mayor capacidad antiinterferente. Asimismo, 3 y 6 son señales diferenciales.
Cada dos de los ocho hilos del cable de red se entrelazan para formar un par. Cuando hacemos el cable de red, debemos prestar atención a hacer 1 y 2 en un par, y 3 y 6 en un par. De lo contrario, el uso de este tipo de cable de red a largas distancias provocará una imposibilidad de conexión o una conexión muy inestable.
El nuevo PHY ahora admite la funcionalidad automática
MDI-X (también requiere soporte de transformador). Permite que las funciones de las líneas de señal de transmisión en los conectores RJ-45 1 y 2 y las líneas de señal de recepción en 3 y 6 se intercambien automáticamente entre sí. Algunos PHY incluso admiten el intercambio automático de señales positivas y negativas en un par de líneas. De esta forma, no tendremos que preocuparnos de si necesitamos utilizar un cable directo o un cable cruzado al conectar un determinado dispositivo. Esta tecnología ha sido ampliamente utilizada en conmutadores y enrutadores SOHO.
En una red 1000Based-T, el método de transmisión más común es utilizar los cuatro pares de pares trenzados del cable, más 4, 5 y 7, 8, para transmitir juntos y recibir datos. Dado que las especificaciones para las redes 1000Based-T incluyen la funcionalidad AUTO
MDI-X, la relación saliente o entrante entre ellas no se puede determinar estrictamente y depende de la negociación específica entre las partes.
7. Cómo se comunican PHY y MAC
Sigamos centrándonos en cómo PHY y MAC transmiten datos y se comunican entre sí. El MAC y el PHY están conectados a través de la interfaz estándar MII/GigaMII (Media Independent Interfade) definida por IEEE.
MAC determina el estado de funcionamiento de PHY leyendo y escribiendo registros PHY (algunos de los cuales también están definidos por IEEE) y utiliza SMI (Serial
Gestión
interfaz) para controlar el PHY. El MAC lee continuamente el registro de estado del PHY a través del bus SMI para comprender el estado actual del PHY, como la velocidad de conexión, la capacidad dúplex, etc. Por supuesto, la PHY también se puede configurar mediante SMI. Por supuesto, los registros PHY también se pueden configurar a través de SMI para lograr fines de control como control de flujo, modo de negociación automática o modo forzado.
Podemos ver que tanto la interfaz MII conectada físicamente como el bus SMI, así como los registros de control y estado del PHY, se basan en especificaciones IEEE, por lo que los MAC y los PHY de diferentes empresas pueden trabajar juntos. Por supuesto, para igualar las capacidades únicas de las PHY de diferentes empresas, los controladores deberán modificarse en consecuencia.
Las funciones principales de la NIC se implementan básicamente mediante los dispositivos anteriores.
Además, hay un chip EEPROM (generalmente 93C46), que se utiliza para registrar el ID del proveedor del chip NIC, el ID del proveedor del subsistema, la dirección MAC de la NIC y ciertas configuraciones del NIC. Por ejemplo, la dirección del PHY en el bus SMI, la capacidad del BOOTROM y si se debe habilitar el BOOTROM para iniciar el sistema.
Muchas NIC también tienen funcionalidad BOOTROM. Se utiliza para iniciar sistemas operativos en estaciones de trabajo sin disco. Como no tiene disco, algunos de los programas y pilas necesarios para el arranque se colocan en él, como RPL, PXE, etc. De hecho, es una ROM PCI estándar, por lo que algunas tarjetas de protección contra escritura del disco duro se pueden lograr grabando la ROM de arranque de la tarjeta. De hecho, la ROM del dispositivo PCI se puede colocar en el BIOS de la placa base. La ROM para el dispositivo PCI se puede colocar en el BIOS de la placa base, y la placa base puede detectar la ROM e identificar correctamente el dispositivo al iniciar la computadora. La configuración de AGP es la misma que la de PCI en muchos lugares, por lo que el BIOS de muchas tarjetas gráficas también se puede colocar en el BIOS de la placa base. Es por eso que nunca vemos BOOTROM en la tarjeta de red integrada.
8. Fuente de alimentación de la tarjeta de red
La última parte es la fuente de alimentación. Hoy en día, la mayoría de las NIC utilizan 3,3 V o menos. Algunos son de doble voltaje. Por lo tanto, se requiere un circuito de conversión de energía.
Para realizar la función de línea de activación, la NIC debe garantizar que todos los PHY y una pequeña parte del MAC estén siempre encendidos, lo que requiere un circuito para conectar los 5 V en la placa base.
El voltaje de espera se convierte en el voltaje de funcionamiento del PHY. Después de encender el host, el voltaje de funcionamiento del PHY debe convertirse del voltaje de 5 V para ahorrar el consumo de 5 V
voltaje de espera. (Muchas NIC inferiores no hacen esto).
Las tarjetas de red con capacidad de activación en línea
normalmente también tienen un conector WOL. Esto se debe a que antes de PCI 2.1, los dispositivos PCI no tenían la funcionalidad Wake on LAN, por lo que necesitaría conectar un cable al Southbridge a través del conector WOL en la placa base para habilitar la funcionalidad WOL.
Las nuevas placas base equipadas con tarjetas de red suelen admitir PCI 2.2/2.3, lo que amplía las capacidades de señalización PME# para permitir la funcionalidad Wake-on-LAN a través del bus PCI sin la necesidad de esta interfaz.
Conclusión
La tarjeta Ethernet consta de estas partes. Trabajan en estrecha colaboración y coordinación para brindarnos un acceso a la red estable e informativo. La popularización de Internet no solo mejora enormemente la eficiencia del trabajo, sino que también nos permite vagar libremente en el océano de Internet.
Nota:
¿El cable de red es una señal analógica o una señal digital?
La respuesta son las señales analógicas. Esto se debe a que la tecnología utilizada para la transmisión y recepción es la señalización analógica. Aunque la información que transmite es digital, si la información transmitida es digital no se puede llamar señal digital.
Un ejemplo simple: sabemos que las llamadas telefónicas son señales analógicas, pero cuando marcamos a Internet, la información transmitida a través de la línea telefónica es una señal digital, pero la señal en sí sigue siendo una señal analógica. ADSL también envía señales digitales a través de líneas telefónicas. Esto depende de la tecnología utilizada para enviar y recibir la señal.