从局域网线路故障规律讨论新网卡的设计

胡清桂

（内江师范学院现代教育技术中心，四川内江 641112）

0 引 言

随着计算机网络的发展，网络在各行各业得到越来越广泛的应用，解决网络故障、维护网络正常运行显得日益重要[1]。局域网故障按照其性质可分为物理故障和逻辑故障。按照局域网故障的对象可分为线路故障、路由器故障和主机故障。文中研究了局域网线路故障规律，得出了大部分网络线路故障是由线路接触不良造成的结论，为此，提出了一种新的8线制10/100 M自适应网卡的设计思想。分析表明，局域网中一旦采用新设计的网卡，绝大部分线路故障都将得到解决，这也就说明了新网卡有着巨大的市场前景。

1 设计新网卡的必要性和可行性

1.1 10/100 M自适应网卡介绍

网卡又称网络适配器或网络接口卡（NIC）。它是使计算机联网的设备，平常所说的网卡就是将PC机和 LAN连接的网络适配器。网卡（NIC）插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输。根据网络技术以及传输介质的不同，网卡的分类也有所不同。

目前，使用最为广泛的是10/100 M自适应网卡，它采用PCI总线和RJ-45接口。和这类网卡连接的RJ45型网线插头又称水晶头，共有8芯做成。根据EIA/TIA规定，如果看网线插头，将插头的末端面对眼睛，而且针脚的接触点在插头的下方，那么从最左边到最右边8芯序号分别是从1到8[2]。网络线中8芯线的作用见表1。

表1 网络线中8芯线的作用

这8根针脚中，1号和2号分别用于发送+和发送-，3号和6号分别用于接收+和接收-，4，5，7，8号不使用（Not connected）。

事实上，很多10/100 M自适应网卡接口中仅有4根金属连接线，分别对应水晶头1，2，3，6号针脚，对于水晶头中的4，5，7，8号针脚，在10/100 M自适应网卡接口中并没有相应的金属连接线与之连接。

1.2 设计新网卡的必要性和可行性

与10/100 M自适应网卡连接的RJ45型网线插头又称水晶头，共有8芯做成。这8根针脚中，1号和2号分别用于发送+和发送-，3号和6号分别用于接收+和接收-，4，5，7，8号不使用，它最初是为电话线预留[3]，但实际上目前几乎没有任何连接局域网的网线同时用于连接电话，也就是说，目前4，5，7，8号线完全是空闲的。

另一方面，由于网络中连接点众多，一个局域网运行一段时间后，由于线路接触不良造成线路故障的情况频繁发生，给网络维护带来极大负担。鉴于这种情况，文中提出一个新的观点:网线的8芯线中，除1，2，3，6号线分别用于发送和接收外，4，5，7，8号线同时也用来发送和接收数据，它和1，2，3，6号线发送和接收的数据完全一样，这样，即使出现1根线甚至几根线路接触不良，也有可能不影响数据的发送和接收。

下面以内江师范学院24幢学生宿舍楼网络为例，分析局域网线路故障规律，分析表明，线路故障大部分情况都是由线路接触不良造成，而线路接触不良很多时候都属于4根针脚中只有1根针脚不连通的情况，2根或者3根甚至4根同时不连通的时候很少。事实上，由于网络中连接点众多，一个局域网运行一段时间后，线路接触不良造成线路故障是不可避免的[4]。

文中之所以仅选择学生宿舍楼网络进行研究，而不包括教师宿舍楼网络以及办公区网络，是因为学生和老师对网络的使用状况区别较大，不便于比较[3]。比如说，学生寝室的电脑经常搬动，网线经常拔掉然后又插上，学生上网时间也比较多，并且经常在线观看网络电视;而老师家庭和办公室电脑一旦安装完毕，一般很少搬动，老师上网时间也比学生少，他们一般不在网上在线观看网络电视。这些因素都会使学生宿舍网络故障比教师宿舍网络故障相对多一些。

内江师范学院学生宿舍楼大部分是6层建筑，每层24个寝室，共144个寝室。这些学生宿舍楼是2003年统一布线组建校园局域网的，学生寝室的电脑通过下面的路径连接上Internet，如图1所示。

图1 学生寝室电脑连接Internet的路径

1）每一个寝室分布1个网络信息模块IDE RJ45，它与学生寝室的电脑相连接。

2）每一个寝室的网络信息模块IDE RJ45通过双绞线即网络线经过配线架和楼层交换机连接。

3）楼层交换机通过跳线和3层交换机连接。

4）3层交换机通过跳线和光收发器DVI连接。

5）光收发器DVI通过光纤线连接到学校中心路由器Center Router，最终连接到Internet。

任何一个接触点出现故障，都会使相应的学生寝室出现网络故障（见图1）。文中对2010年5月1日至2010年6月1日这1个月时间内所有学生寝室出现的网络线路故障进行了统计。需要说明的是，尽管连接光收发器的跳线出现故障会使整个一幢楼所有宿舍无法上网，但我们还是把它当作只出现1次故障来统计。另外，当某一宿舍电脑无法上网时，如果是电脑本身故障或者宿舍内学生自己的网络线路故障，均不在文中统计范围内。下面是具体的统计结果。

1）在这1个月时间内，学生寝室出现网络线路故障的次数总共是93次。

2）这些线路故障分为2个大类:第一个大类是学生寝室内网络信息模块IDE RJ45中被使用的4根针脚有1根或多根不连通，这种故障情况有71次;第二个大类是学生寝室内网络信息模块IDE RJ45中4根针脚均是连通的，这种故障情况有22次。

学生寝室内网络信息模块中4根针脚是否连通是用网络测线仪测试的。如果被使用的4根针脚有1根或者2根不连通，表明这个网络信息模块与交换机的连接出现了故障。如果4根针脚全是连通的，表明这个网络信息模块与交换机的连接没有出现故障，而是该交换机与3层交换机的连接出现故障，或者是3层交换机与光收发器的连接出现故障，导致相应的学生寝室出现网络故障。

3）在第二个大类中，学生寝室内网络信息模块IDE RJ45中4根针脚均是连通的，这表明该网络信息模块与交换机的连接正常。出现网络故障有2种情况:第一种情况是这一楼层交换机与3层交换机的连接出现故障，这种故障情况共出现19次;第二种情况是3层交换机与光收发器的连接出现故障，这种故障情况出现3次。这段时间内光收发器与学校中心路由器的连接并没有出现过故障。

对于学生寝室内网络信息模块IDE RJ45中被使用的4根针脚有1根或多根不连通的情况进行了进一步的统计，结果发现4根针脚中只有1根不通（1 failure stitch）的时候最多，出现了51次，2根或者3根甚至4根同时不通的时候很少，具体结果见表2。

表2 第一类线路故障中有多少根针脚同时不连通的统计

学生寝室内网络信息模块IDE RJ45中被使用的4根针脚全是连通时，表明学生寝室内网络信息模块与交换机的连接是正常的，是该交换机与3层交换机的连接出现故障，或者是3层交换机与光收发器的连接出现故障导致对应的学生寝室出现网络故障。需要说明的是，虽然3层交换机使用的是1 000 M交换机，但楼层交换机还是100 M交换机，交换机IDE接口中也是只有4根针脚被使用[5]。对于该交换机与3层交换机的连接出现故障的情况作了进一步统计，结果也是4根针脚中只有1根不通（1 failure stitch）的时候最多，出现了11次，2根或者3根甚至4根同时不通的时候很少，具体结果见表3（交换机本身的设备故障没有统计在内）。

表3 第二类线路故障中有多少根针脚同时不连通的统计

对于3层交换机与光收发器连接出现故障的情况只出现3次。这3次故障都是只有1根针脚不通造成的。每一幢学生宿舍楼有1个3层交换机和多个楼层交换机，由于校园网主干带宽是1 000 M，所以3层交换机使用的是1 000 M交换机。它与光收发器相连的接口8根针脚全被使用，但它与楼层交换机相连的接口只有4根针脚被使用，因为楼层交换机是采用的100 M交换机。

从上面的统计可以看出，出现线路故障很多时候都是4根针脚中只有1根不连通造成的，2根或者3根甚至4根同时不连通的时候很少。事实上，由于网络中连接点众多，一个局域网运行一段时间后，线路接触不良造成线路故障是不可避免的。一般来说，线路接触不良不会造成线路连接彻底断开，而是4根针脚中只有1根不通或者时断时续。大部分情况下，只要将接触不良的网线插头拔出再插入，或者使用压线钳将网线插头压紧一些后再插入，线路故障就可以解决，网络也就可以恢复正常[3]。

2 一种新的8线制10/100 M自适应网卡设计

针对网络线中只有4根线在使用，4根线空闲的情况，文中提出新的观点:网线的8芯线中，除1，2，3，6号线分别用于发送和接收外，4，5，7，8号线同时也用来发送和接收数据，它和1，2，3，6号线发送和接收的数据完全一样，这样，即使出现1根线甚至几根线路接触不良，也可以不影响数据的发送和接收。为此，对10/100 M自适应网卡进行了改进，改进原理如图2所示。

图2 新网卡的设计原理

1）从网卡主控芯片RT L8139D接出的2根信号线发送+和发送-，直接并联成为4根信号线，接入数据汞1，然后连接普通网络信息模块RJ45中的1，2，7，8号线。

从网卡主控芯片接出的信号线发送+和发送-是模拟信号，所以可以直接经过分流变为4根信号线后，只是电流强度即信号强度会变小，但考虑到数据汞本身具有对信号进行增强和放大的作用，所以这种方法是可行的。7，8号线传输的信息和1，2号线传输的信息是相同的。这样，网卡主控芯片经过1，2号线发送到网络上的信息就经过7，8号线重复发送。

RJ45型网线插头从最左边到最右边8芯序号分别是从1到8，1号和2号分别用于发送+和发送-，3号和6号分别用于接收+和接收-。1号和2号是一对双绞线，3号和6号是另一对双绞线，采用双绞线是为了抵御一部分外界电磁波干扰，同时降低自身信号的对外干扰[6]。由于4号线和3号线在网线插头中相邻，所以4号线用来传输和3号线相同的信号可以减小相互串扰，3号用于接收+，所以4号线也应当用于接收+。又由于4号和5号线是一对双绞线，这样5号线就应当用于接收-。最后，7号和8号线分别用于发送+和发送-。

2）3号和6号线是接收+和接收-，4号和5号线也是接收+和接收-，它接收的信息和3号、6号线接收的信息完全相同。这4根信号线从P0.0，P0.1，P0.2，P0.3这4个引脚接入单片机，单片机接收到信息后，将P0.0和P0.3的信息从P3.1和P3.6端口传输到网卡主控芯片接收+和接收-引脚。

默认情况下，单片机将P0.0引脚接收到的信息经P3.6端口传输到网卡主控芯片接收+引脚，同时，单片机也检测从P0.0这一引脚接收到的信息是否在不断变化，如果信号确实在不断变化，说明线路连接是正常的。如果接收端信号并没有不断变化，一直处于低电平或高电平状态，同时，P0.2引脚接收到的信息又在不断变化，这就说明与P0.0引脚相连接的3号线出现故障，与P0.2引脚相连接的4号线没有故障，3号线和4号线接收到的信息应当是相同的，它们都是接收+信号线。在这种情况下，单片机就会将P0.2引脚接收到的信息经P3.6端口传输到网卡主控芯片接收+引脚。

单片机将P0.1引脚接收到的信息经P3.7端口传输到网卡主控芯片接收-引脚。同样，单片机也检测从P0.1这一引脚接收到的信息是否在不断变化，如果信号确实在不断变化，说明线路连接是正常的。如果接收端信号并没有不断变化，而是一直处于低电平或高电平状态，同时，P0.3引脚接收到的信息又在不断变化，这就说明与P0.1引脚相连接的6号线出现故障，与P0.3引脚相连接的5号线没有故障，从6号线和5号线接收到的信息应当是相同的，它们都是接收-信号线。在这种情况下，单片机就会将P0.3引脚接收到的信息经P3.7端口传输到网卡主控芯片接收-引脚。

3）AT系列单片机和MCS51系列单片机兼容性较好，有32个可编程I/O口，P0一般用作地址数据总线，文中使用了P0口从P0.0到P0.3这4个引脚作为数据输入。P3口除了作I/O口外，还具有复用功能，比如可以作串口，外部中断等。其中，P3.6，P3.7可以作WR，RD信号，文中使用这2个引脚作为信息输出端，只要微处理机一执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出[4]。

4）数据汞是普通PCI网卡上都具备的设备，数据汞也被叫做网络变压器或网络隔离变压器。它在一块网卡上所起的作用主要有两个:一是传输数据，它把从主控制芯片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把信号传递到网线的另外一端;二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。除此以外，数据汞还能对设备起到一定的防雷保护作用。文中从网卡主控芯片接出的信号线发送+和发送-是模拟信号，直接经过分流变为4根信号线后，只是电流强度即信号强度会变小，所以采用了2个数据汞以达到对信号进行增强和放大的目的。

5）和普通的10/100 M自适应网卡相比，文中只是对网卡主控芯片发送+和发送-，以及接收+和接收-这4根引脚进行了改变，其中，发送+和发送-这2根信号线直接经过分流变为4根信号线再把信息放置到网络上。同时，单片机对接收+和接收-这4根引脚进行判断，选取连接正常的一对线送到网卡主控芯片接收+和接收-引脚。判断是否连接正常的依据是检查接收端信号是否在不断变化，如果一直处于低电平或高电平状态，则说明连接不正常，反之，连接是正常的。

3 单片机函数程序设计

AT系列单片机和MCS51系列单片机指令集完全兼容[5]。在程序设计中，默认情况下，单片机将P0.0引脚接收到的信息经P3.6端口传输到网卡主控芯片接收+引脚，将P0.1引脚接收到的信息经P3.7端口传输到网卡主控芯片接收-引脚。只有当P0.0引脚一直处于低电平或高电平状态，同时P0.3引脚接收到的信息又在不断变化时，程序才跳转将P0.3引脚接收到的信息经P3.6端口传输到网卡主控芯片接收+引脚[5]。同样，当P0.1引脚一直处于低电平或高电平状态，P0.2引脚接收到的信息又在不断变化时，程序才跳转将P0.2引脚接收到的信息经P3.7端口传输到网卡主控芯片接收+引脚。

主程序如下:

判断子程序如下:

4 讨 论

1）假设桌面个人电脑采用了这种新的网卡，那么与之相连的交换机也需要采用这种新的网卡才能达到设计的目的。如果交换机端口采用的依然是普通的10/100 M自适应端口，那么，尽管新网卡通过1，2，3，6号线传输数据的同时，也向4，5，7，8这4根空闲的线路发送数据。但由于对方根本就没有使用这4根空闲线路，所以，新网卡无法从这4根线路中接收到任何数据。

2）假设通信双方都采用了这种新的网卡，如果8根通信线路都没损坏，那么1，2，3，6号线和4，5，7，8号线这两组线路传输的数据是相同的。如果某1根线损坏，那么对应的这一组线路就无法正常传输数据，要么是无法接收，要么就是无法发送，但另外一组线路是可以正常工作的。

3）当网络线中8根线都用于传输数据后，信号之间相互干扰对线路通信质量将会造成多大影响还需要进一步研究，但可以肯定的是，影响不会太大。曾经用网络线中的第5号线替换第1号线，因为当时本来正在使用的第1号线已损坏，替换后，第5号线和第2号线分别用于发送+和发送-，但它们已经不是一对双绞线了，结果完全能正常通信，电脑离交换机距离大约为70 m[6]。

5 结 语

文中研究表明，局域网中大部分线路故障由于线路接触不良造成。一般来说，线路接触不良不会造成线路连接彻底断开，而是4根针脚中只有1根不通或者时断时续。针对网络线中只有4根线在使用，有4根线空闲的情况，提出了让空闲的4根线也用来发送和接收数据这一新的观点，并介绍了相应的新网卡的设计方案以及工作原理。

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