網(wǎng)卡的歷史從同軸到光纖！

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什么是網(wǎng)卡？

網(wǎng)卡即網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC），又被稱為網(wǎng)絡(luò)適配器或局域網(wǎng)接收器，是構(gòu)成電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最基本的、最重要的、最不可缺少的連接設(shè)備。雖然現(xiàn)在大家可能都不太在意網(wǎng)卡，但它確實(shí)是電腦的必備品，目前的主板、臺(tái)式機(jī)機(jī)，乃至大部分筆記本電腦都集成有網(wǎng)卡，因?yàn)榧词乖跓o(wú)線技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)的今天，要想實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)互通，還是少不了它。

每一個(gè)網(wǎng)卡都尤其獨(dú)特性，這就是一個(gè)被稱為MAC地址的獨(dú)一無(wú)二的48位串行號(hào)，它被寫(xiě)在卡上的一塊ROM中。在網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)網(wǎng)卡，一般也就是相應(yīng)的電腦都擁有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的MAC地址。沒(méi)有任何兩塊被生產(chǎn)出來(lái)的網(wǎng)卡擁有同樣的地址。這是因?yàn)殡姎怆娮庸こ處焻f(xié)會(huì)（IEEE）負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)接口控制器（網(wǎng)卡）銷(xiāo)售商分配唯一的MAC地址。

網(wǎng)卡上面裝有處理器和存儲(chǔ)器（包括RAM和ROM），網(wǎng)卡和局域網(wǎng)之間的通信是通過(guò)電纜或雙絞線以串行傳輸方式進(jìn)行的，而網(wǎng)卡和計(jì)算機(jī)之間的通信則是通過(guò)計(jì)算機(jī)主板上的I/O總線以并行傳輸方式進(jìn)行。因此，網(wǎng)卡的一個(gè)重要功能就是要進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。由于網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)率和計(jì)算機(jī)總線上的數(shù)據(jù)率并不相同，因此在網(wǎng)卡中必須裝有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存的存儲(chǔ)芯片。

現(xiàn)在我們最常見(jiàn)到的是以太網(wǎng)（Ethernet）網(wǎng)卡，對(duì)應(yīng)目前主流的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。按網(wǎng)卡所支持帶寬的不同可分為10Mb p s網(wǎng)卡、100Mbps網(wǎng)卡、100/1000Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)卡、2.5Gbps網(wǎng)卡乃至萬(wàn)兆網(wǎng)卡幾種。10Mbps網(wǎng)卡已逐漸退出歷史舞臺(tái)，而100/1000bps自適應(yīng)網(wǎng)卡是目前普通電腦上常用的以太網(wǎng)網(wǎng)卡。對(duì)于大數(shù)據(jù)流量網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，服務(wù)器應(yīng)該采用萬(wàn)兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡，這樣才能提供高速的網(wǎng)絡(luò)連接能力。

網(wǎng)卡如何工作？

那么網(wǎng)卡究竟是如何工作的呢？簡(jiǎn)單說(shuō)分為兩個(gè)部分，第一就是物理層定義數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口;第二，網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層 提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。如此一來(lái)，網(wǎng)卡才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容的傳輸。

這里我們還得了解一下互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議套件（Internet Protocol Suite，縮寫(xiě)IPS）。它代表的是網(wǎng)絡(luò)通信模型以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議家族，為網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通信架構(gòu)，通稱為T(mén)CP/IP協(xié)議族（TCP/IP Protocol Suite或TCP/IP Protocols），簡(jiǎn)稱TCP/IP，這是因?yàn)樵搮f(xié)議家族的兩個(gè)核心協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和IP（網(wǎng)際協(xié)議）是家族中最早通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)。由于在網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議普遍采用分層的結(jié)構(gòu)，當(dāng)多個(gè)層次的協(xié)議共同工作時(shí)，類(lèi)似計(jì)算機(jī)科學(xué)中的堆棧，因此又稱為T(mén)CP/IP協(xié)議棧 。TCP/IP提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接的機(jī)制，將資料應(yīng)該如何封裝、尋址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標(biāo)準(zhǔn)化。在當(dāng)前電腦的各種操作系統(tǒng)下，網(wǎng)卡就無(wú)一例外都是工作在TCP/IP協(xié)議下的。

當(dāng)有數(shù)據(jù)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，網(wǎng)卡大致是這樣一個(gè)工作流程：

1、數(shù)據(jù)的封裝、解封：有如郵寄一個(gè)包裹，包裹里面的東西是數(shù)據(jù)，包裹的外包裝就是幀頭和幀尾，用于封裝數(shù)據(jù)和解封數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)傳輸和接收）;

2、固定地址：數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，究竟需要發(fā)給誰(shuí)？這就需要固定地址來(lái)幫助電腦判斷，也就是俗稱的IP地址，可以是IPv4也可以是IPv6;

3、數(shù)據(jù)的編碼和譯碼：在數(shù)據(jù)得傳輸需要搭載在實(shí)物介質(zhì)上，在實(shí)際過(guò)程中，傳送的是電信號(hào)或光信號(hào)，那么就需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)（光口網(wǎng)卡或者電口網(wǎng)卡，前者只出現(xiàn)在萬(wàn)兆網(wǎng)卡上）;

4、鏈路管理：以太網(wǎng)是共享式鏈接，所以當(dāng)你在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果別人也在使用，那么就會(huì)產(chǎn)生沖突，所以當(dāng)你要求發(fā)送的時(shí)候，就需要檢查鏈路的狀態(tài)是否處于空閑狀態(tài);

5、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

只有經(jīng)過(guò)這幾步的工作流程，數(shù)據(jù)才可能被“傳遞”，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接、傳輸。

注意，這里的IPV4/IPV6地址需要配合MAC地址的綁定才能正確讓數(shù)據(jù)“認(rèn)識(shí)自己的傳輸對(duì)象”。前文我們也提到過(guò)這個(gè)MAC地址，這里具體說(shuō)一下，MAC地址（英語(yǔ)：Media AccessControl Address）直譯為媒體訪問(wèn)控制地址，也稱為局域網(wǎng)地址（LAN Address）、以太網(wǎng)地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一個(gè)用來(lái)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置的地址。在OSI模型中，第三層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)IP地址，第二層數(shù)據(jù)鏈接層則負(fù)責(zé)MAC地址。MAC地址用于在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)示一個(gè)網(wǎng)卡，一臺(tái)設(shè)備若有一或多個(gè)網(wǎng)卡，則每個(gè)網(wǎng)卡都需要并會(huì)有一個(gè)唯一的MAC地址。MAC地址共48位（6個(gè)字節(jié)），以十六進(jìn)制表示。第1Bit為廣播地址（0）/群播地址（1），第2Bit為廣域地址（0）/區(qū)域地址（1）。前3～24位由IEEE決定如何分配給每一家制造商，且不重復(fù)，后24位由實(shí)際生產(chǎn)該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的廠商自行指定且不重復(fù)。例如一臺(tái)路由器，含有一個(gè)WAN端口及四個(gè)LAN端口。它的WAN端口會(huì)有一個(gè)如192.168.0.1的IPv4地址，也會(huì)有一個(gè)如00：0A：02：0B：03：0C的MAC地址。而它的四個(gè)LAN端口會(huì)各分配到一個(gè)例如192.168.1.0/24的IP地址，四個(gè)端口各會(huì)有一個(gè)不同的MAC地址。

網(wǎng)卡的類(lèi)型

網(wǎng)卡經(jīng)過(guò)時(shí)間漫長(zhǎng)的發(fā)展，形態(tài)也變化頗多，而且技術(shù)規(guī)格也不可同日而語(yǔ)，具體來(lái)說(shuō)分為這么幾個(gè)特征：

1、總線類(lèi)型，網(wǎng)卡的總線大致分為ISA、PCI、PCI-E、USB，其中ISA、PCI是較為早期的總線，早已淘汰。而USB接口的網(wǎng)卡主要應(yīng)用在消費(fèi)級(jí)電子中，日常使用還是PCI-E總線產(chǎn)品為主。這其中，早期的ISA總線為模擬總線，所以還需要設(shè)置中斷值才可以讓網(wǎng)卡正常工作。也就是說(shuō)，電腦在安裝好網(wǎng)卡后，還需要手動(dòng)設(shè)置才可以讓它正常工作，非常麻煩?，F(xiàn)如今的網(wǎng)卡則基本上可以實(shí)現(xiàn)“即插即用”的狀態(tài);

2、形態(tài)類(lèi)型，從形態(tài)上劃分，網(wǎng)卡現(xiàn)在主要分為板載集成網(wǎng)卡、PCI-E接口的獨(dú)立網(wǎng)卡、USB外接網(wǎng)卡三類(lèi)?，F(xiàn)如今大多數(shù)板載網(wǎng)卡實(shí)際是PHY網(wǎng)絡(luò)芯片，它和獨(dú)立網(wǎng)卡的最大區(qū)別是將網(wǎng)絡(luò)控制芯片的運(yùn)算部分交由處理器或南橋芯片處理，以簡(jiǎn)化線路設(shè)計(jì)，從而降低成本。獨(dú)立網(wǎng)卡則是具備完整的網(wǎng)絡(luò)控制芯片，這是二者之間最大的區(qū)別。

3、速度區(qū)別，目前主流的網(wǎng)卡為100/1000Mbps，2.5Gbps網(wǎng)卡也日漸成熟，而萬(wàn)兆網(wǎng)卡則主要集中在服務(wù)器領(lǐng)域使用，而且分為光口和電口兩種形態(tài)。至于10/100Mbps網(wǎng)卡，早已被淘汰了;

4、從接口上區(qū)分，網(wǎng)卡主要分為電口（RJ45）和光纖口（SC、LC等等）兩類(lèi)，前者就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖褂秒p絞線的網(wǎng)卡，線纜類(lèi)型多為CAT-5/E、CAT-6（俗稱五類(lèi)線、超五類(lèi)線和六類(lèi)線）;而光纖口則使用光纖線纜為傳輸載體，用于服務(wù)器。此外在10Mbps的網(wǎng)卡上，還曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)使用BNC同軸細(xì)纜的接口——一如我們使用的電視信號(hào)線纜。

不得不提的2.5Gbps網(wǎng)卡

因?yàn)橛脖P(pán)速度的提升加之寬帶速度的提升，1000Mbps網(wǎng)卡已經(jīng)不能滿足使用需求了，而萬(wàn)兆網(wǎng)卡因?yàn)楣脑O(shè)計(jì)、成本等因素，很難普及，因此才出現(xiàn)了2.5Gbps網(wǎng)卡。2.5Gbps的網(wǎng)卡是個(gè)“意外”產(chǎn)物，它的正式名稱是IEEE802.3bz，由“2.5G/5GBASE-T項(xiàng)目小組”在2015年3月開(kāi)始著手于2.5GBASE-T和5GBASE-T標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)，你沒(méi)看錯(cuò)，除了2.5Gbps之外，這一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上還有5Gbps的速率產(chǎn)品，只不過(guò)現(xiàn)階段沒(méi)有出現(xiàn)。802.3bz的標(biāo)準(zhǔn)具體是可以在最長(zhǎng)100米的CAT-5E線纜上達(dá)到2.5Gbit/s（特定情況下實(shí)現(xiàn)5Gbit/s的速度），而在最長(zhǎng)100米的CAT-6線纜上達(dá)到5 Gbit/s速度。

在2014年左右，人們意識(shí)到現(xiàn)有的1000Mb p s網(wǎng)絡(luò)并不能滿足未來(lái)使用需求，而在CAT-5E線纜上也不可能實(shí)現(xiàn)10Gbps（即萬(wàn)兆網(wǎng)）的連接，尤其是IEEE802.11ac、Wi-Fi 6無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，這就決定了需要在1000Mbps和10Gbps之間提供一個(gè)可以兼容使用現(xiàn)有雙絞線纜（CAT-5E、CAT-6）提供一個(gè)更為廉價(jià)但又高速的選擇，畢竟10Gbps的相關(guān)設(shè)備成本高昂，更不用提無(wú)法利用現(xiàn)有的雙絞線網(wǎng)絡(luò)了。

然而，時(shí)至今日，盡管Intel已經(jīng)在自家主板上提供了2.5Gbps的網(wǎng)絡(luò)芯片（從Intel400系列芯片組主板產(chǎn)品開(kāi)始，AMD平臺(tái)也有很多主板采用）I225-V，但是配套的設(shè)備價(jià)格并不便宜，例如2.5Gbps最廉價(jià)的交換機(jī)目前也需要四百余元（1000Mbps交換機(jī)不足百元）。

而且，這個(gè)Intel I225-V的2.5Gbps網(wǎng)卡本身也存在缺陷——丟包掉速，這對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)幾乎是不可原諒的錯(cuò)誤，這個(gè)問(wèn)題通過(guò)軟件層面也無(wú)法修復(fù)。之后Intel推出了B2版本的I255-V網(wǎng)絡(luò)芯片（之前購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品無(wú)法替換），丟包掉速問(wèn)題得到了改善，但是依舊存在些許問(wèn)題，直到I225-V推出了B3版本才算徹底解決這些問(wèn)題。

而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)芯片的“大戶”RTL瑞昱也推出了2.5Gbps的網(wǎng)卡產(chǎn)品，包括USB接口的RTL8156和獨(dú)立網(wǎng)卡芯片RTL8125B。但是，目前除了USB網(wǎng)卡銷(xiāo)量還算不錯(cuò)之外，用于老電腦升級(jí)的獨(dú)立網(wǎng)卡普及度并不高——畢竟價(jià)格依舊不算便宜。

簡(jiǎn)言之，2.5Gbps的網(wǎng)卡距離普及還有一段時(shí)間，筆者預(yù)計(jì)從2022年開(kāi)始才有望正式開(kāi)啟普及的大幕——屆時(shí)新一代主板芯片組將全面覆蓋2.5Gbps網(wǎng)絡(luò)芯片，同時(shí)升級(jí)用的獨(dú)立網(wǎng)卡、交換機(jī)等產(chǎn)品有望將價(jià)格進(jìn)一步拉低。現(xiàn)階段除非對(duì)局域網(wǎng)傳輸速度有較高要求的用戶，普通消費(fèi)者還沒(méi)有升級(jí)2.5Gbps網(wǎng)絡(luò)的迫切性。