Функции и характеристики сетевых адаптеров.

Сетевой адаптер (сетевая интерфейсная карта NIC – Network Interface Card) является физическим интерфейсом или соединением между компьютером и моноканалом, т.е. служит для подключения серверов и рабочих станций к физической среде.

Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов (некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования).

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

- Оформление кадра данных МАС - уровня, в который инкапсулируется (вкладывается) 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 Ethernet10 Мбит/с обходится без него.

Одним из эффективных методов уменьшения влияния пакетных ошибок является перемежение или перемешивание (англ. - interleaving). Данные, перед передачей по каналу связи, переставляются в заданном порядке, а в приемной части восстанавливается исходный порядок, т.е. выполняется деперемежение. При этом пакетная ошибка, возникшая в канале связи, превращается в набор рассредоточенных во времени одиночных ошибок, которые проще обнаруживаются и исправляются с помощью кодов, исправляющих ошибки.

Термином скремблирование в стандарте MPEG-2 называют изменение характеристик потока данных (видео, аудио или другой информации) с целью предотвращения несанкционированного получения этой информации в неискаженном виде. Дескремблирование - это обратная операция, т.е. обратное изменение характеристик потока данных.

Скремблирование – это шифрация потока данных, в результате которой он выглядит как поток случайных битов. Последовательности битов в исходном массиве данных, как регулярные, так и нерегулярные, обратимо разрушаются, так что вероятности появления логической единицы и логического нуля в каждой последующей битовой позиции потока одинаковы и не зависят от предыстории. Применительно к телекоммуникационным системам скремблирование повышает надёжность синхронизации устройств, подключенных к противоположным сторонам линии связи, и уменьшает уровень помех, излучаемых на соседние линии многожильного кабеля. Есть и иная область применения скремблеров – защита передаваемой информации от несанкционированного доступа; однако эта область здесь не рассматривается.

Скремблирование может быть использовано также как способ повышения эффективности и конфиденциальности передачи в цифровых системах связи с подвижными объектами.

Скремблер устанавливается на передающей стороне. Он складывает исходную двоичную последовательность с псевдослучайной последовательностью по модулю 2. Дескремблер устанавливается на приемной стороне и восстанавливает исходную последовательность. Скремблер и дескремблер выполняются в виде сдвигового регистра с обратными связями.

- 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.

- Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.

- 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.

- Если данные перед отправкой в кабель подвергались скрэмблированию, то они пропускаются через дескрэмблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком.

- 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 MAC- 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. 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.

В качестве примера классификации адаптеров используем подход фирмы 3Com, имеющей репутацию лидера в области адаптеров Ethernet. Фирма 3Com считает, что сетевые адаптеры Ethernet прошли в своем развитии три поколения.

Адаптеры первого поколения были выполнены на дискретных логических микросхемах, в результате чего обладали низкой надежностью. Они имели буферную память только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптера, так как все кадры передавались из компьютера в сеть или из сети в компьютер последовательно. Кроме этого, задание конфигурации адаптера первого поколения происходило вручную, с помощью перемычек. Для каждого типа адаптеров использовался свой драйвер, причем интерфейс между драйвером и сетевой операционной cистемой не был стандартизирован.

В сетевых 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, после того как адаптер полностью принял один кадр, он может начать передавать этот кадр из буфера в память компьютера одновременно с приемом другого кадра из сети. В сетевых адаптерах второго поколения широко используются микросхемы с высокой степенью интеграции, что повышает надежность адаптеров. Кроме того, драйверы этих адаптеров основаны на стандартных спецификациях. Адаптеры второго поколения обычно поставляются 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 Ether Link III) осуществляется конвейерная схема обработки кадров. Она заключается в том, что 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 существенно (на 25-55 %) повышает производительность цепочки оперативная память — адаптер — физический канал — адаптер — оперативная память. Такая схема очень чувствительна к порогу начала передачи, то есть к количеству байт кадра, которое загружается в буфер адаптера перед началом передачи в сеть. Сетевой адаптер третьего поколения осуществляет самонастройку этого параметра путем анализа рабочей среды, а также методом расчета, без участия администратора сети. Самонастройка обеспечивает максимально возможную производительность для конкретного сочетания производительности внутренней шины компьютера, его системы прерываний и системы прямого доступа к памяти.

Адаптеры третьего поколения базируются на специализированных интегральных схемах (ASIC), 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 можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит ASIC, выполняющая 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 Ether Link XL 10/100.

Отдельное удаленное оборудование ЛВС (компьютеры, периферийное оборудование, другие сети) могут подключаться через модемы и линии связи (телефонные, радио, спутниковые). Связь сетевого адаптера с сетевым программным обеспечением осуществляют драйверы сетевых адаптеров. Именно благодаря драйверу компьютер может не знать никаких аппаратных особенностей адаптера (его адресов, правил обмена с ним, его характеристик). Драйвер унифицирует, делает единообразным взаимодействие программных средств высокого уровня с любым адаптером данного класса. Сетевые драйверы, поставляемые вместе с сетевыми адаптерами, позволяют сетевым программам одинаково работать с платами разных поставщиков и даже с платами разных локальных сетей (Ethernet, Arcnet, Token-Ring и т.д.). Если говорить о стандартной модели OSI, то драйверы, как правило, выполняют функции канального уровня, хотя иногда они реализуют и часть функций сетевого уровня (рис.3.2). Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу, информируют компьютер о приеме пакета.

Рис. 5.1. Функции драйвера сетевого адаптера в модели OSI

Качество написания программы драйвера во многом определяет эффективность работы сети в целом. Даже при самых лучших характеристиках сетевого адаптера некачественный драйвер может резко ухудшить обмен по сети.

Прежде чем приобрести плату адаптера, необходимо ознакомиться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операционных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в перечень HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше его не покупать. Обобщённая структура сетевой карты представлена на рисунке 5.2.

Рис. 5.2. Обобщенная структура сетевой карты

Плата сетевой карты выпускается в конструктиве IBM PC и подключается к свободному слоту компьютера.

Схема выработки физических сигналоввыполняет усиление и преобразование сигналов к виду, в котором они передаются по физической среде, например, в код “Манчестер 2”.

Сетевой процессор, совместно с сетевым ПЗУ,выполняют протокольные преобразования принимаемой и передаваемой информации в соответствии с протоколами физического и канального уровней.

Буферное ОЗУслужит для буферизации принимаемых и передаваемых кадров.

Схема сопряжения с системной шиной служит для организации интерфейса с системной шиной ПЭВМ.

Существует ряд параметров характеризующих сетевую карту:

– разрядность (8, 16 и 32 бита);

– объем сетевого буфера;