Сетевые адаптеры, или интерфейсные карты (NIC — Network Interface Card), предназначены для выполнения функций уровня передачи данных в компьютерах, подключенных к локальной сети. Адаптеры имеют передающую и принимающую части, которые в случае поддержки полного дуплекса должны быть независимы друг от друга.

Задача передающей части: по получении со стороны центрального процессора (ЦП) блока данных и адреса назначения для передачи, получить доступ к среде передачи, сформировать и передать кадр (добавить преамбулу, свой , адрес в поле адреса источника, CRC-код), делая повторные попытки в случае обнаружения коллизий. Адаптер должен сообщить процессору об успехе или невозможности передачи.

Приемная часть, просматривая заголовки всех кадров, проходящих в линии, «выуживает» из этого потока кадры, адресованные данному узлу уникальным, широковещательным или групповым способом. Эти кадры полностью принимаются в буфер и проверяются на отсутствие ошибок (длина кадра, корректность CRC). О приеме корректных кадров уведомляется центральный процессор и организуется передача кадра из локального буфера адаптера в системную память компьютера. Ошибочные кадры, как правило, игнорируются, хотя адаптер может собирать статистику их появления. На практике попадаются и адаптеры, не обнаруживающие ошибок в поврежденных кадрах. Диагностика сети с таким адаптером непроста.

Из описаных функций очевидно, что адаптер должен иметь следующие обязательные узлы:

Физический интерфейс подключения к среде передачи и схемы организации доступа по CSMA/CD.

Буферную память для передаваемых и принимаемых кадров.

Схему прерываний для уведомления ЦП об асинхронных событиях: завершение передачи (успешное или нет), прием кадра.

Средства доставки данных между буфером кадров и системной памятью компьютера.

Устройство управления, реализующее логику работы адаптера.

Дополнительно адаптер может иметь микросхему ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM) и средства «пробуждения» по сети (Wake On LAN), описанные в 13.4. В этом же ПЗУ иногда размещают и антивирусный модуль, контролирующий обращение по записи в системную область жесткого диска (Master Boot и Boot Record). Эта антивирусная защита хороша тем, что запускается до загрузки ОС, но только при включенном ПЗУ удаленной загрузки.

Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIC) для PC выпускались для шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card, Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC, их преимущество — отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток — при обмене они значительно загружают процессор и не обеспечивают высокой скорости передачи («потолок» — 10 Мбит/с - устарели уже). Сегодня сетевые адаптеры интегрируются в большую часть, если не сказать во все, модели системных плат.

Эффективная скорость обмена данными по сети очень сильно зависит от архитектуры сетевых адаптеров. При прочих равных условиях эта скорость зависит от скорости передачи данных между локальной памятью адаптера и системной памятью компьютера, а также от возможности параллельного выполнения нескольких операций. В качестве «средств доставки» используются каналы прямого доступа к памяти (DMA), программный ввод-вывод (РIO), прямое управление шиной. Стандартные 8-битные каналы прямого доступа шины ISA способны развивать скорость до 2 Мбайт/с, 16-битные — до 4 Мбайт/с. Кадр максимальной длины они передают примерно за 1,3 или 2,6 мс соответственно. По сравнению с 12 мс, требуемыми для передачи кадра в среде Ethernet, это время относительно невелико. Однако для Fast Ethernet, где максимальный кадр в среде передается за 1,2 мс, такая транспортировка оказывается слишком медленной. Более высокую скорость обмена с буфером адаптера обеспечивает режим программного ввода-вывода (РIO), но он полностью загружает центральный процессор на время передачи. Более эффективны интеллектуальные адаптеры, использующие прямое управление шиной (bus mastering) ISA/EISA, сочетающие относительно высокую скорость (до 8 Мбайт/с ISA 16 бит и до 33 Мбайт/с EISA). Однако для скорости 100 Мбит/с производительности шины ISA уже недостаточно, а дорогая и малораспространенная EISA имела менее чем трехкратный запас полосы пропускания. На сегодняшний день широко применяются адаптеры шины PCI, где для 32-разрядного интерфейса при частоте 33 МГц пропускная способность достигает 132 Мбайт/с. Но для технологии Gigabit Ethernet и этого только только хватает, правда, у PCI есть резервы: переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бит.

Особенно эффективны активные адаптеры для шины PCI, имеющие собственный процессор. Они выполняют передачи на полной скорости PCI, практически не загружая центральный процессор. Это свойство особенно важно для серверов. Параллельное выполнение операций подразумевает поддержку полного дуплекса — полную независимость принимающей и передающей частей, а также возможность одновременного выполнения приема кадра в буфер, передачи другого кадра и обмена данными между буферной памятью адаптера и системной памятью компьютера. На производительность адаптера для ISA/EISA влияет и объем буферной памяти: при ограниченной (по сравнению со скоростью в линии) пропускной способности шины применяют буферную память объемом до 64 Кбайт, которую делят между передатчиком и приемником либо поровну, либо с преимуществом для передатчика. Для шины PCI при эффективных средствах доставки (интеллектуальное прямое управление шиной) для скорости 100 Мбит/с большой буфер не нужен — достаточно по 2 Кбайт на приемник и передатчик. Однако адаптеры Gigabit Ethernet опять снабжают буфером значительного размера (256 Кбайт).

Адаптеры разных моделей могут различаться по цене на порядок. Их можно разделить на две группы — адаптеры для рабочих станций и адаптеры для серверов. Деление условно — адаптеры для рабочих станций могут иметь черты, относящиеся к серверным. Использовать простые карты в серверах не стоит — они могут стать узким местом сети и пожирателями ресурсов ЦП.

Адаптеры для рабочих станций проще и дешевле — полный дуплекс используется редко, к использованию процессорного времени особо жестких требований не предъявляют. Карты обычно имеют колодку для установки Boot ROM, современные модели часто обеспечивают возможность «пробуждения» по сети (remote wake up), поддерживают интерфейс DMI и ACPI. Долгие годы широко используются адаптеры, программно совместимые с картами NE2000 — 16-битными неинтеллектуальными картами для шины ISA разработки Novell-Eagle. Совместимость с этой моделью имеют и ряд карт для шины PCI. Наиболее удобны и популярны мульти-скоростные карты 10/100/1000 Мбит/с — для их подключения в современных сетях легко найти оптимальное место.

Адаптеры для серверов должны иметь высокопроизводительную шину как правило используют PCI 32/64 бит с частотами от 33 МГц и выше, раньше в серверах часто применяли шину EISA или МСА. Для серверных карт критична загрузка ЦП при обмене данными, поэтому эти карты наделяют интеллектом для прямого управления шиной и параллельной работы узлов адаптера. Полнодуплексные адаптеры должны поддерживать управление потоком по 802.Зх. Ряд продвинутых моделей поддерживают приоритизацию трафика по 802.1р, фильтрацию многоадресного трафика, поддержку ВЛС с маркированными кадрами (tagged VLAN), Fast IP, аппаратный подсчет контрольных сумм IP-пакетов. Поддержка ВЛС позволяет серверу, подключенному одной линией к коммутатору, быть членом нескольких ВЛС, определенных на всей локальной сети. Для повышения надежности серверные карты могут поддерживать резервирование линий (Resilient Link) — резервный адаптер и линия связи заменяют основной канал в случае его отказа. При этом резервному адаптеру присваивается МАС-адрес основного, чтобы сеть «не заметила» подмены. Резервирование линий должно поддерживаться программными драйверами, чтобы замена происходила прозрачно и для серверных приложений. «Самоизлечивающиеся» драйверы (Self-Healing Drivers) в случае обнаружения проблем функционирования («зависании») могут автоматически выполнить сброс и реинициализацию адаптера. Удаленная загрузка и пробуждение по сети серверам, как правило, не требуется. Адаптеры (совместно с драйверами) могут поддерживать SNMP и RMON. Для серверов выпускаются и многопортовые (как правило, на 4 порта) адаптеры, конфигурируемые как для раздельного независимого использования, так и для резервирования друг друга. Такие карты позволяют экономить слоты PCI (для шины EISA проблема экономии слотов не была острой). Типовая скорость для серверных карт на сегодняшний день 100/1000 Мбит/с.

Адаптер может иметь один или несколько интерфейсных разъемов:

 BNC — для сегмента 10Base2;

 AUI - для 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF, FOIRL;

 RJ-45 MDI - для 10BaseT, 100/1000BaseTX и/или 100BaseT4, подключение к концентратору (MDIX-порту) «прямым» кабелем;

 SC (пара), иногда ST - для 100BaseFX, 1000BaseSX, 1000BaseLX.

Для 10-мегабитных адаптеров характерны сочетания BNC+AUI или RJ-45+AUI.

AUI/RJ 45. Первые модели карт на 10 и 100 Мбит/с имели пару разъемов RJ-45 — каждый для своей скорости. При наличии нескольких разных разъемов (например, ВNС и RJ-45) одновременно они использоваться не могут — адаптер не может работать в качестве повторителя. Многопортовые серверные карты имеют несколько независимых адаптеров, каждый со своим интерфейсом. Интерфейсные карты потребляют системные ресурсы компьютера:

Пространство ввода-вывода — как правило, 4-32 смежных адреса из области, адресуемой 10-битным (для шины ISA) или 16-битным (EISA, PCI) адресом. Используется для обращения к регистрам адаптера при инициализации, текущем управлении, опросе состояния и передаче данных.

Запрос прерывания — одна линия (IRQ3, 5, 7, 9, 10, 11. 12 или 15), возбуждаемая по приему кадра, адресованного данному узлу, а также по окончании передачи кадра (успешной или безуспешной из-за коллизий). Прерывания — самый дефицитный ресурс PC, и из-за него часто возникают конфликты. Без прерываний сетевые карты работать не могут, при некорректном назначении обращения к сети «зависают». Иногда обмен данными все-таки происходит — прием и передача пакета драйвером могут фиксироваться и при опросе состояния по тайм-ауту (секунды), но скорость обмена будет удивительно низкой. Используемый номер прерывания должен быть с помощью BIOS Setup компьютера закреплен за шиной, на которой установлен адаптер: Legacy ISA для карт ISA без поддержки РпР, PCI/PnP — для карт PCI и ISA с поддержкой РпР.

Канал прямого доступа к памяти (DMA) используется в некоторых картах ISA/EISA, для прямого управления (bus mastering) шины ISA пригодны только 16-битные каналы 5-7.

Разделяемая память (adapter RAM) адаптера — буфер для передаваемых и принимаемых кадров — для карт ISA обычно приписывается к области верхней памяти (UMA), лежащей в диапазоне A0000h-FFFFFh. Карты PCI могут располагаться в любом месте адресного пространства, не занятого оперативной памятью компьютера. Разделяемую память используют не все модели карт. Теневую память (shadow RAM) и кэширование на область adapter RAM в BIOS Setup задавать нельзя, поскольку ее содержимое при приеме кадра модифицируется неожиданно для контроллера памяти.

Постоянная память (adapter ROM) — область адресов для модулей расширения ROM BIOS, 4/8/16/32 Кбайт в диапазоне C0000-DFFFFh. Используется для установки ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM) .

Под конфигурированием адаптера подразумевается настройка на использование системных ресурсов PC и выбор среды передачи. Конфигурирование, в зависимости от модели карты, может осуществляться разными способами:

С помощью переключателей (джамперов), установленных на карте. Используется на адаптерах первых поколений шины ISA. Для каждого ресурса, а также выбора среды передачи имеется свой блок джамперов.

С помощью энергонезависимой памяти конфигурации (NVRAM, EEPROM), установленной на карте с шиной ISA, Эти карты не имеют джамнеров (jumper!ess), но конфигурируются вручную. Для конфигурирования требуется специальная утилита, специфическая для конкретной модели (семейства) карт.

С помощью энергонезависимой памяти конфигурации, установленной на карте с шиной EISA или МСА, и системной памяти конфигурирования устройств (ESCD для EISA). Конфигурирование ресурсов осуществляется пользователем с помощью системной утилиты (ECU — EISA Configurati­on Utility для шины EISA).

Автоматическое — РпР для шин ISA и PCI. Распределение ресурсов осуществляется на этапе загрузки ОС.

Каждый из этих способов имеет достоинства и недостатки. «Железное» конфигурирование (джамперами) дает максимальную свободу пользователю (в том числе и для ошибок), но для переконфигурирования адаптер приходится вынимать из компьютера. Назначенная конфигурация держится постоянно, но установленные параметры приходится сообщать драйверам ОС вручную. Конфигурирование «безджамперных» карт с помощью утилиты при установке нескольких карт, особенно разнотипных, может оказаться проблематичным. Утилита может обнаруживать несуществующие конфликты и не давать возможности установить требуемые параметры. При ошибочном задании адресов RAM и ROM с перекрытием областей видеоадаптера компьютер или перестанет загружаться из-за ошибки тестирования видеоадаптера, или загрузится со «слепым» экраном. В та­ком состоянии для исправления ошибки запустить утилиту будет сложно (спасение — конфигурирование карты в системе с видеоадаптером MDA/Hercules). Хорошим компромиссом были карты с несколькими джамперамн, с помощью которых можно выбрать 2-3 фиксированных конфигурации или включить режим программного конфигурирования (soft configuration). Полностью автоматическое конфигурирование РпР нормально работает лишь с ОС, поддерживающими РпР. Здесь надо быть готовым к тому, что при установке в систему нового оборудования (или удалении устройств) настройки карты «уйдут». Больше всего неприятностей с картами РпР ISA, особенно если их устанавливается несколько. К счастью, режим РпР можно отключать утилитой конфигурирования карты.

Выбор среды и скорости передачи может быть ручным (программным) или автоматическим. В ряде случаев имеет смысл делать явные назначения, чтобы избегать сюрпризов излишней автоматизации. Автоматическая настройка вносит дополнительные задержки в процесс инициализации (при загрузке) и не со всяким сетевым оборудованием работает корректно. Для некоторых моделей карт с интерфейсом 10Base2 (BNC-разъем) предлагается расширенный режим, увеличивающий дальность связи до 305 м против штатных 185. При необходимости использования длинных сегментов этим режимом можно воспользоваться, но при условии, что он имеется и включен во всех картах данного сегмента. В утилитах конфигурирования могут предлагаться и дополнительные опции — оптимизация для клиента или сервера, поддержка модема и некоторые другие. Их установка должна соответствовать конкретному применению.

При выборе адаптера следует обращать внимание на следующие параметры:

Интерфейс и скорость передачи должны соответствовать текущей конфигурации сети и учитывать перспективы развития. В настоящее время наиболее популярны карты с разъемом RJ-45 на 10/100/1000 Мбит/с с автоматическим выбором скорости.

Системная шина и способ обмена данными — для многозадачных применений желательно использование интеллектуальных адаптеров с прямым управлением шиной (bus-master), разгружающим процессор. Адаптеры bus-master должны иметь 32 или 64-разрядную шину PCI, в противном случае будут проблемы с пропускной способностью.

Возможность полного дуплекса в многозадачных системах (на серверах) позволяет теоретически удвоить пропускную способность (при подключении к полнодуплексному коммутатору).

Размер установленной буферной памяти — чем больше, тем лучше. Сейчас есть платы и с объемом буферной памяти, исчисляемой мегабайтами.

Наличие гнезда для микросхемы BootROM, если планируется удаленная загрузка, доступность микросхемы с соответствующей программой загрузки.

Наличие драйвера для используемой ОС в комплекте поставки адаптера или драйвера адаптера в составе используемой ОС.

Наличие утилиты конфигурирования (для программно конфигурируемых адаптеров).

Цена (соотношение цена/производительностъ).