Основные характеристики. Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) – это основная часть аппаратуры локальной сети

Сетевой адаптер – NIC

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) – это основная часть аппаратуры локальной сети. Назначение сетевого адаптера – сопряжение компьютера с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Вместе со своим драйвером сетевой адаптер реализу­ет канальный уровень модели OSI в конечном узле сети – компьютере. Точнее, в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802 в сетевой ОС пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и MAC-уровней, а LLC-уровень обычно реализуется модулем ОС, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Например, в ОС Windows LLC реализуется в модуле NDIS (Network Driver Interface Specifications), общем для всех драйверов сетевых адаптеров, незави­симо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

Таким образом, сетевой адаптер, его драйвер и модуль ОС реализуют функции двух нижних уровней модели OSI.

Современные материнские платы имеют встроенную NIC. На материнской плате обычно имеется один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети.

Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся функции, которые осуществляют взаимодействие адаптера с магистралью – системной шиной компьютера. Это опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания процессора и т.д. Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.

К основным сетевым функциям NIC относятся:

Ø гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети, для этого обычно используются импульсные трансформаторы;

Ø преобразование логических сигналов в электрические или световые и обратно;

Ø кодирование и декодирование сетевых сигналов, то есть прямое и обратное преобразование сетевых кодов передачи информации, например, манчестерский код;

Ø опознание принимаемых пакетов – выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту или всем абонентам сети одновременно;

Ø преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;

Ø буферизация передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера;

Ø организация доступа к сети в соответствии с принятым методом управления обменом;

Ø подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.

Типичный алгоритм взаимодействия компьютера с сетевым адаптером выглядит следующим образом.

Если компьютер хочет передать пакет, то он сначала формирует этот пакет в своей памяти, затем пересылает его в буферную память сетевого адаптера и дает команду адаптеру на передачу. Адаптер анализирует текущее состояние сети и при первой же возможности выдает пакет в сеть – выполняет управление доступом к сети. При этом он производит преобразование информации из буферной памяти в последовательный вид для побитной передачи по сети, подсчитывает контрольную сумму, кодирует биты пакета в сетевой код и через узел гальванической развязки выдает пакет в кабель сети. Буферная память в данном случае позволяет освободить компьютер от контроля состояния сети, а также обеспечить требуемый для сети темп выдачи информации.

Если по сети приходит пакет, то сетевой адаптер через узел гальванической развязки принимает биты пакета, производит их декодирование из сетевого кода и сравнивает сетевой адрес приемника из пакета со своим собственным адресом. Адрес сетевого адаптераустанавливается производителем адаптера. Если адрес совпадает, то сетевой адаптер записывает пришедший пакет в свою буферную память и сообщает компьютеру сигналом аппаратного прерывания о том, что пришел пакет и его надо читать. Одновременно с записью пакета производится подсчет контрольной суммы, что позволяет к концу приема сделать вывод, имеются ли ошибки в этом пакете. Буферная память в данном случае опять же позволяет освободить компьютер от контроля сети, а также обеспечить высокую степень готовности сетевого адаптера к приему пакетов.

Чаще всего сетевые функции выполняются специальными микросхемами высокой степени интеграции, что дает возможность снизить стоимость адаптера и уменьшить площадь его платы.

Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной загрузки, то есть поддерживать работу в сети бездисковых компьютеров, загружающих свою операционную систему прямо из сети. Для этого в состав таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей программой загрузки. Но не все сетевые программные средства поддерживают данный режим работы.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра.

Передача кадра из компьютера в кабель состоит из следующих этапов:

1.Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня.

2.Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC. Заполнение адресов назначения и источ­ника, вычисление контрольной суммы.

3.Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скремблирование кодов для получения более равномерного спектра сиг­налов. Этот этап используется не во всех протоколах, например, технология Ethernet 10 Мбит/с обходится без него.

4.Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом — ман­честерским, NRZI, MLT-3 и т п.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия:

1.Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.

2.Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию выполняют специализированные микросхемы.

3.Если данные перед отправкой в кабель подвергались скремблированию, то они пропускаются через дескремблер, после чего в адаптере восстанавливаются сим­волы кода, посланные передатчиком.

4.Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс протоколу LLC передается соответ­ствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра извле­кается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов. В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекла­дывается на драйвер, поэтому этот адаптер проще и дешевле. Недостат­ок такого подхода – высокая степень загрузки ЦП компьютера работой по передаче кадров из ОЗУ в сеть и обратно. Адаптеры для серверов снабжаются собствен­ными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

В зависимости от реализуемого протокола адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и др. Протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора. Многие адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100. Это свойство назы­вают авточувствительностью.

При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, номер канала прямого доступа к памяти и базовый адрес портов ввода/вывода. Современные сетевые адаптеры, hardware и ОС поддер­живают стандарт Plug-and-Play, поэтому конфигурирование адаптера и его драйвера осу­ществляется автоматически. В общем случае, детали процедуры конфигурирования сетевого адаптера и его драй­вера во многом зависят от производителя адаптера, а также от возможностей шины, для которой разработан адаптер.

Каждый сетевой адаптер должен иметь уникальный MAC-адрес. IEEE разработала принцип формирования MAC-адресов. Используется 48-битный адрес, содержащий следующие поля:

Ø Individual/Group (I/G) – тип адреса (1 бит), если I/G = 0, то адрес индивидуальный, если 1 – групповой;

Ø Universal/Local (U/L) - флаг универсального/местного управления (1 бит), если U/L = 1, то адрес задан не производителем NIC, а организацией, использующей данную сеть;

Ø Organizationally Unique Identifier (OUI) – организационно уникальный идентификатор, IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров;

Ø Organizationally Unique Address (OUA) – организационно уникальный адрес (24 бита), часть адреса, присваиваемая NIC ее производителем

Сетевые адаптеры по классификации фирмы 3Comпрошли в своем развитии три поколения.

Адаптеры первого поколения были выполнены на мик­росхемах и обладали низкой надежностью. Они имели буферную память только на один кадр, поэтому обладали низкой производительностью. Конфигурирование адаптера выполнялось вручную с помощью перемычек. Для каждого типа адаптеров ис­пользовался свой драйвер, причем интерфейс между драйвером и сетевой операци­онной системой не был стандартизирован.

В адаптерах второго поколения для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. При этом следующий кадр загружается из памяти компьютера в буфер адаптера одновременно с передачей предыдущего кадра в сеть. В режиме приема адаптер мог передавать кадр из буфера в память ком­пьютера одновременно с приемом другого кадра из сети. Адаптеры второго поколения строились на микросхемах с высокой степенью интеграции, что повышало их надежность. Драйверы этих адаптеров основывались на стандартных спецификациях. Адаптеры вто­рого поколения поставлялись с драйверами, работающими как в стандарте NDIS (спецификация интерфейса сетевого драйвера), разработанном фирмами 3Com и Microsoft и одобренном IBM, так и в стандарте ODI (интерфейс открытого драй­вера), разработанном фирмой Novell.

В сетевых адаптерах третьего поколения (к ним фирма 3Com относит свои адап­теры семейства EtherLink III) осуществляется конвейерная схема обработки кад­ров. Процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени. Таким образом, после приема нескольких первых байт кадра начинается их передача. Это на 25–55% повышает производительность цепочки оперативная память–адаптер–физический канал–адаптер–оперативная память.Такая схема очень чувствительна к количеству байт кадра, которое загружается в буфер адаптера перед началом передачи в сеть. Сетевой адаптер третьего поколения осуществляет самонастройку этого параметра. Само­настройка обеспечивает максимально возможную производительность для конк­ретного сочетания производительности внутренней шины компьютера, его системы прерываний и системы прямого доступа к памяти.

Адаптеры третьего поколения строятся на специализированных интеграль­ных схемах, что повышает производительность и надежность адаптера при одновременном снижении его стоимости. Компания 3Com назвала свою техноло­гию конвейерной обработки кадров Parallel Tasking, другие компании также реали­зовали похожие схемы в своих адаптерах. Повышение производительности канала адаптер-память очень важно для повышения производительности сети в целом, так как производительность сложного маршрута обработки кадров, включающего, например, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, глобальные каналы связи и т. п., всегда определяется производительностью самого медленного элемента это­го маршрута. Следовательно, если сетевой адаптер сервера или клиентского компь­ютера работает медленно, никакие быстрые коммутаторы не смогут повысить скорость работы сети.

Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры относятся к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит специализированная интегральная схема, выполняющая функции МАС-уровня и других высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга, алгоритм приоритезации кадров, функции дистанционного управления компьютером и т. п. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор. Примером сетевого адапте­ра четвертого поколения может служить адаптер компании 3Com – Fast EtherLink XL 10/100.