网络数据包是如何在网线中传输的？

在上一期内容中，我们探讨了网络数据包的创建过程：应用程序将数据交给操作系统，经过传输层添加端口信息、网络层添加 IP 地址、数据链路层添加 MAC 地址并形成以太网帧。

当数据封装成以太网帧后，它暂时还保存在电脑的内存中。接下来，操作系统需要通知网卡发送这批数据。那么，数据是如何从内存“搬”到网卡，并最终变成网线中传输的电信号的呢？

1. DMA：高效的数据搬运工

CPU 不会将数据一个字节一个字地搬到网卡里，因为这样会占用大量的计算时间。真正负责搬运数据的机制叫做 DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）。

网卡是一块能够主动访问系统内存的硬件设备。其工作流程如下：

1. 准备描述符：网卡驱动会在内存中准备一个发送队列。队列里存放的不是完整数据，而是一组描述符（Descriptors）。描述符可以理解为一组数据清单，记录了需要发送的数据在内存中的地址、长度以及是否需要计算校验和等信息。
2. 通知网卡：驱动写入网卡的寄存器，通知网卡发送队列中出现了新任务。
3. DMA 传输：网卡收到通知后，通过 PCIe 总线直接读取描述符，并根据描述符中的内存地址，将真正的数据读取到网卡内部。

在这个过程中，CPU 只负责告诉网卡数据在哪里，网卡负责自己去取。CPU 无需全程参与数据搬运，可以继续运行应用程序或处理其他任务，从而大幅提升了系统效率。

2. MAC 层：数据链路层的组织者

数据进入网卡后，首先由 MAC 模块处理。这里的 MAC 并非指苹果电脑，而是 Media Access Control（介质访问控制） 的缩写。MAC 模块位于网卡的数据链路层，负责按照以太网规则组织和发送数据。

MAC 模块的主要工作包括：

• 添加前导码和帧开始定界符：
  • 前导码（Preamble）：一段规律变化的比特序列，作用是让接收端同步时钟，提前准备接收数据。
  • 帧开始定界符（SFD）：紧随前导码之后，告诉接收端同步部分结束，真正的以太网帧马上开始。
• 帧组装与校验：按照以太网规范排列字段，补齐过短的数据，并计算 FCS（帧校验序列）。
• 输出比特流：将完整的比特流交给下一层的 PHY 模块。

3. PHY 层：数字信号到物理电信号的转换

PHY（Physical Layer Transceiver，物理层收发器） 负责在数字数据和物理信号之间进行转换。它一端连接网卡中的 MAC 模块，另一端连接网线。

需要明确的是，网线里传输的不是数字 0 和 1，而是不断变化的电信号。PHY 模块的处理流程如下：

3.1 编码与扰码

PHY 首先按照当前以太网标准对数据进行编码和扰码，将一组比特转换成一个可以在线缆上传输的符号。

3.2 差分信号传输

经过编码后，PHY 会把数字符号转换成差分电信号（Differential Signal）。

• 原理：在同一对线路上，传输方向相反的电压变化。接收端不判断某一根线的绝对电压高低，而是比较两根线之间的电压差。
• 抗干扰优势：假设外界电磁干扰同时影响了两根线，两根线的电压会一起变化，但它们之间的差值变化较小。这样就能抵消大部分共模干扰。
• 双绞线设计：网线内部将几根铜线缠绕成双绞线，并不断改变几根线所处的位置，使得它们受到的外界干扰更加接近，从而进一步提高差分传输的抗干扰能力。

3.3 信号发射

电信号通过网卡接口中的隔离变压器进入网线，再沿着铜线向另一端传播。传输的是连续变化的电磁信号，而非一颗颗独立的“0”和“1”。

4. 接收端：从电信号回到应用程序

当电信号到达接收端时，过程逆向进行：

1. PHY 层处理：接收端的 PHY 检测到电压变化后，进行放大均衡、时钟恢复和信号判决，将收到的符号解码成比特流。
2. MAC 层处理：接收端的 MAC 模块识别前导码和帧开始定界符，提取目标 MAC、源 MAC、类型、数据和 FCS，并检查 CRC 结果。
3. 数据写入内存：如果帧没有损坏且目标 MAC 地址符合接收条件，网卡通过 DMA 将收到的数据写入系统内存，并通知 CPU 和操作系统。
4. 逐层拆封：
   • 数据链路层去掉以太网头部；
   • 网络层读取 IP 头部；
   • 传输层读取 TCP 或 UDP 头部；
   • 最后根据目标端口，将数据交给对应的应用程序。

至此，一个网络数据包完成了从发送端内存到接收端应用程序的完整旅程。