Теоретические сведения

Сетевой адаптер - это плата, которая вставляется в материнскую плату компьютера. Она имеет два разъема для подключения к сетевому кабелю.  

Для Ethernet в стандарте ISA используется три вида сетевых адаптеров: 8-битовые, 16-битовые и 32-битовые. 8-битовый адаптер может вставляться в 8-битовый или 16-битовый слоты материнской платы и используется, главным образом, в компьютерах IBM XT&IBM PC, где нет 16-битовых слотов. Иногда 8-битовые адаптеры используются для компьютеров IBM AT, если требования к скорости передачи данных не высоки. Для 16-битового адаптера необходимо использовать 16-битовый слот.  На компьютерах серии P54, P55C&iPII и выше имеет смысл использовать скоростные 32-битовые адаптеры, по крайней мере для тех станций, на которые приходится максимальная нагрузка. ммммммм         Сетевые адаптеры могут быть рассчитаны на архитектуру ISA/EISA/PCI или Micro Channel. Первая архитектура используется в серии компьютеров IBM AT и совместимых с ними, вторая - в станциях на базе процессоров i80486, третья - в мощных станциях на базе процессоров iP и выше, четвертая - в компьютерах PS/2 серии IBM. Конструктивно эти типы адаптеров отличаются друг от друга. Для ускорения работы на плате сетевого адаптера может находиться буфер. Размер этого буфера различен для адаптеров разных типов и может составлять от 8 Кб для 8-битовых адаптеров до 16 Кб и более для 16- и 32-битовых адаптеров.        Сетевые адаптеры Ethernet используют порты ввода/вывода и один канал прерывания. Некоторые адаптеры могут работать с каналами прямого доступа к памяти (DMA).    На плате адаптера может располагаться микросхема постоянного запоминающего устройства (так же называемая Boot ROM) для создания так называемых бездисковых рабочих станций. Это компьютеры, в которых нет ни винчестера, ни флоппи-дисков. Загрузка операционной системы выполняется из сети, и выполнят ее программа, записанная в микросхеме дистанционной загрузки. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.ииииииииииииииииииииииииииииииииииииииииииии   Если сетевой адаптер не поддерживает стандарт Plug&Pray, то перед тем как вставить сетевой адаптер в материнскую плату компьютера, необходимо с помощью переключателей (расположенных на плате адаптера) задать правильные значения для портов ввода/вывода, канала прерывания, базовый адрес ПЗУ дистанционной загрузки бездисковой станции. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя. Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении. Примером такого адаптера может служить сетевой адаптер SMS EtherPower со встроенным процессором Intel i960.

Функции и характеристики сетевых адаптеров

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети - компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров.

Сетевые адаптеры (СА) или интерфейсные карты (NIC - Network Interface Card), служат для подключения компьютеров к локальной вычислительной сети (ЛВС).

Основные функции СА: организация приема/передачи данных из/в компьютер, согласование скорости приема/передачи информации (буферизация), формирование пакета данных, параллельно-последовательное преобразование (конвертирование), кодирование/декодирование данных, проверка правильности передачи, установление соединения с требуемым абонентом сети, организация собственно обмена данными.

Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода/вывода операционной системы.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра. Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов ( некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования), в прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня.

Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.

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

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 могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP. В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.

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 наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Классификации сетевых адаптеров

По среде передачи данных:

• проводные (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно);

• беспроводные (инфракрасная связь, Bluetooth, wireless LAN).

По выполняемым функциям СА:

• реализующие функции физического и канального уровней. Такие адаптеры, выполняемые в виде интерфейсных плат, отличаются технической простотой и невысокой стоимостью. Они применяются в сетях с простой топологией, где почти отсутствует необходимость выполнения таких функций, как маршрутизация пакетов, формирование из поступающих пакетов сообщений, согласование протоколов различных сетей и др.

• реализующие функции первых четырех уровней базовой модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) - физического, канального, сетевого и транспортного. Эти адаптеры, кроме функций СА первой группы, могут выполнять функции маршрутизации, ретрансляции данных, формирования пакетов из передаваемого сообщения (при передаче), сборки пакетов в сообщение (при приеме), согласования протоколов передачи данных различных сетей, сокращая таким образом затраты вычислительных ресурсов ЭВМ на организацию сетевого обмена. Технически они могут быть выполнены на базе микропроцессоров.

По топологии ЛВС адаптеры разделяются на группы, поддерживающие различные топологии ЛВС: шинную; кольцевую; звездообразную; древовидную; комбинированную.

По принадлежности к типу компьютера:

• адаптеры для клиентских компьютеров;

• адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы по приему и передаче сообщений перекладывается на программу, выполняемую в ПК. Такой адаптер проще и дешевле, но он дополнительно загружает центральный процессор компьютера. Адаптеры для серверов снабжаются собственными процессорами, выполняющими всю нужную работу.

Основные характеристики СА:

• установленная микросхема контроллера (микрочип);

• разрядность - имеются 8-, 16-, 32- и 64-битные сетевые карты (определяется микрочипом);

• скорость передачи - от 10 до 10 000 Мбит/с (наиболее популярные 100 Мбит/с);

• тип подключаемого кабеля - коаксиальный кабель толстый и тонкий, неэкранированная витая пара, волоконно-оптический кабель;

• поддерживаемые стандарты передачи данных - Ethernet, IEEE 802.3, Token Ring, FDDI и т. д.

Микросхема контроллера имеет важнейшее значение, она определяет многие параметры адаптера, в том числе надежность и стабильность работы.

На сетевых картах может быть установлен также чип ПЗУ BootROM, обеспечивающий возможность удаленной загрузки операционной системы с сервера сети, то есть использовать сетевой компьютер без дисковой памяти.

В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100/1000. Это свойство некоторые производители называют авточувствительностью.

Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ (Interrupt Request), используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA- Direct Memory Access) и базовый адрес портов ввода/вывода. Если сетевой адаптер, аппаратура компьютера и операционная система поддерживают стандарт Plug-and-Play, то конфигурирование адаптера и его драйвера осуществляется автоматически. В противном случае нужно сначала сконфигурировать сетевой адаптер, а затем повторить параметры его конфигурации для драйвера. 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.

Современные сетевые адаптеры базируются на специализированных интегральных схемах (ASIC), что повышает производительность и надежность адаптера при одновременном снижении его стоимости. 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.

ASIC выполняет функции МАС-уровня, а также большое количество высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга RMON, схема 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 10/100/1000.