СЕТЕВЫЕ АДАПТЕРЫ ETHERNET

Сетевые адаптеры выступают в качестве физического интерфейса между компьютером и сетевым кабелем. Обычно они вставляются в слоты расширения рабочих станций и серверов. Чтобы обеспечить физическое соединение между компьютером и сетью, к соответствующему порту адаптера после его установки подключается сетевой кабель.

LAN-адаптеры служат для выполнения следующих функций:

• подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю.
• передача данных другому сетеобразующему оборудованию (компьютеру, концентратору, коммутатору и т.п.).
• осуществляет преобразование параллельного потока данных в последовательный при передаче в сеть и обратно при приеме, завершая эти преобразования переводом цифровых данных в электрические или оптические с помощью трансиверов.
• управление потоком данных между рабочей станцией и кабельной системой (принимает/передает данные из кабеля и переводит их в форму, “понятную” центральному процессору/сетеобразующему оборудованию).

Плата любого сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в ПЗУ. Эти программы реализуют функции подуровней Управления логической связью и Управления доступом к среде Канального (второго) Уровня модели OSI. Тем самым LAN-адаптеры “покрывают” собой первый (физический) и второй (канальный) уровни этой модели.

Операции, производимые сетевыми адаптерами

Все виды сетевых адаптеров производят следующие операции при приеме или передаче данных (последовательность приведена для режима передачи, при приеме она обратна приведенной):

�         Передача данных. Данные передаются из ОЗУ компьютера в адаптер (или в ОЗУ при приеме) через программируемый канал ввода/вывода, канал DMA или разделяемую память.

�         Буферизация данных. Во время обработки в сетевом адаптере данные хранятся в буфере. Буфер позволяет осуществить доступ ко всему пакету. Поэтому буфер должен иметь объем, достаточный для размещения целого пакета данных. Использование буферов необходимо для согласования между собой скоростей обработки информации различными компонентами ЛВС и компьютера.

�         Формирование пакета данных. Сетевой адаптер должен разделить данные на порции или блоки (при приеме собрать). В сетях Ethernet размер этих блоков составляет 1500 байт, (для справки, в сетях Token Ring - 4Kb). Адаптер добавляет к пакету данных заголовок и окончание. Заголовок и окончание пакета являются оболочками физического уровня. После завершения этой операции в буфере адаптера лежит готовый к передаче пакет.

�         Доступ к кабелю. (эту операцию адаптер выполняет только в режиме передачи). В адаптерах типа Ethernet перед началом передачи адаптер убеждается, что линия не занята. В сетях Token Ring адаптер ждет поступления маркера, который он имеет право захватить, после чего возможно начало передачи.

�         Преобразование данных. (при передаче - из параллельного кода в последовательный, а при приеме - из последовательного в параллельный). Этот этап необходим потому, что данные передаются по кабелю в последовательной побитной форме.

�         Кодирование/декодирование данных. На этом этапе формируются электрические сигналы, используемые для представления данных. Наиболее популярно Манчестерское кодирование, при котором не требуется передача синхронизирующих сигналов.

�         Передача/прием импульсов. На этом этапе закодированные электрические импульсы, несущие в себе представление данных, передаются в кабель.

Отличия сетевых адаптеров друг от друга

Адаптеры делятся на группы по используемому в их работе протоколу: Ethernet, Token Ring, ARCnet и т.п. Но внутри любой из групп всегда можно выделить адаптеры, которые работают лучше других. Сетевой адаптер может быть более быстродействующим из-за того, что имеет большой объем собственного ОЗУ или встроенный микропроцессор, или более производительный интерфейс для связи с материнской платой компьютера и т.п. Поэтому вполне естественно, что, например, в сервера целесообразно устанавливать наиболее быстродействующие сетевые адаптеры.

Сетевые адаптеры отличаются друг от друга следующими основными возможностями:

�         наличием или отсутствием гнезда для установки ПЗУ программ самозагрузки (boot ROM) удаленного клиента.

�         по типу системной шины, на применение которой они рассчитаны: ISA (8-ми и 16-ти разрядные), MCA (16-ти разрядные), EISA (32-х разрядные), PCI (32-х разрядные).

�         наличием альтернативных внешних портов (UTP, BNC, AUI, FO). Имейте в виду, что не смотря на возможное наличие альтернативных портов, активным может быть только один из них.

�         количеством каналов запроса прерываний (IRQ), которые может обрабатывать адаптер.

�         программным конфигурированием (jamper less) или конфигурированием с помощью перемычек (jampers).

�         емкостью оперативной памяти, предназначенной для буферизации пакетов.

�         наличием или отсутствием светодиодных индикаторов: передачи (Transmit), приема (Receive), состояния связного бита (Link Beat Status), выбранного порта (Port Selected).

�         возможностью поддержки нескольких стандартов сетей (как правило 10Base-T и 100Base-TX или 10Base-T и 100VG-AnyLAN).

�         способом организации взаимодействия с компьютером (bus master adapter, DMA adapter).

�         режимом работы адаптера: режим разделения памяти (shared memory), циклического ввода-вывода (Rep I/O), параллельная работа каналов приема и передачи (full duplex), совмещение операций передачи данных через трансивер со считыванием данных из ОЗУ компьютера в буфер адаптера (parallel tasking) и т.п.

Из всех перечисленных отличий только два последних требуют некоторого объяснения, остальные естественны и понятны.

 Способ организации  взаимодействия с  компьютером

Способ организации взаимодействия между компьютером и сетевым адаптером - основное отличие последних друг от друга, влияющее на производительность сетевого обмена.

Вus master adapter

Адаптеры с функцией управления шиной (bus master adapter) - наиболее распространенный класс производительных сетевых контроллеров. К ним относятся адаптеры, которые могут выполнять функции устройства управления передачей данных по шине на материнской плате системы и обрабатывать требуемые транзакции.

В общем случае такие адаптеры непосредственно разрешают конфликты на шине, быстро инициируют транзакцию после предоставления шины и быстро освобождают шину после ее выполнения.

Преимущества этого класса сетевых контроллеров заключается в том, что при их применении использование центрального процессора для формирования непрерывных пакетов из фрагментарных порций информации (протокольных заголовков, отдельных данных и т. д. ) для передачи по сети (‘’gathering’’) во время передачи данных сведено к минимуму. В этом случае повышение рабочих характеристик становится более заметным при использовании серверов с высокопроизводительными дисковыми системами.

Недостатком этого типа сетевых адаптеров является разве что их цена. Они значительно дороже по сравнению с адаптерами без управления шиной, например, с прямым доступом к памяти, т.к. в их состав входят специальные схемы управления передачей данных по шине (bus master circuit).

Адаптеры этого класса целесообразно выбирать в следующих случаях :

�         когда использование центрального процессора является серьезной проблемой, например в интенсивно работающих серверах с быстродействующими дисковыми подсистемами.

�         когда стоимость адаптера не является главным фактором.

�         когда драйвер способен использовать возможности быстродействующей дисковой подсистемы персонального компьютера.

DMA adapter

Вторым по популярности типом сетевых адаптеров являются адаптеры с прямым доступом к памяти (DMA adapter). Этот тип адаптеров при своей работе посылает службам прямого доступа к памяти системы запрос на разрешение передачи данных между адаптером и памятью системы. Передача с прямым доступом к памяти инициируется после того , как главная система ‘’подтверждает’’ запрос прямого доступа к памяти.

Преимуществами этого типа контроллеров являются их меньшая (по сравнению с bus master adapter) стоимость, а также хорошая производительность.

Недостатком этого типа адаптеров приходится считать то, что при их применении несколько увеличивается коэффициент использования центрального процессора для формирования пакета данных’ во время передачи.

DMA адаптеры целесообразно применять в следующих случаях :

�         когда главными соображениями являются высокая пропускная способность и низкая стоимость сервера. Несмотря на всю важность коэффициента использования центрального процессора, этот фактор не является преобладающим.

�         для выполнения прикладных задач клиента.

Режимы работы адаптеров

Многие LAN адаптеры могут работать как в режиме циклического ввода-вывода (Rep I/O), так и в режиме разделения памяти (memory mapped mode).

Различие между этими двумя режимами работы адаптеров заключаются в следующем:

�         Режим циклического ввода-вывода (режим Rep I/O) означает, что при передаче данных между адаптером ПК и материнской платой процессора ПК используются транзакции ввода -вывода. Режим циклического ввода -вывода требует минимального реконфигурирования ПК для использования LAN адаптеров.

�         Режим разделения памяти (memory mapped mode) означает, что можно выделить блок системной памяти для использования его LAN-адаптером. Это обычно дает повышенную производительность, но требует значительно более глубоких знаний в области систем персональных компьютеров (возможностей блока управления памятью, кэш-памяти и т. д.) и конфигурирования памяти.

 Типичные ошибки и заблуждения

В заключении несколько слов о взаимосвязи производительности и разрядности шины сетевых адаптеров. К сожалению не все правильно понимают, почему логичнее применять LAN-адаптеры стандарта EISA или PCI, а не 16-разрядный ISA LAN адаптер, хотя и те и другие адаптеры обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.

LAN-адаптеры стандарта EISA и PCI имеет большую емкость памяти (обычно 64 Кбайт и более по сравнению с 32 Кбайт у 16-ти разрядных адаптеров) и большее быстродействие. Цифра 10 Мбит/с характеризует ширину полосы пропускания сети, а не пропускную способность адаптера.

При напряженном трафике сети адаптер может стать ее узким местом. Это типичное состояние сетей находящихся в состоянии непрерывного развития с последовательным вложением инвестиций под потребности �сегодняшнего дня�.

Адаптер с повышенным быстродействием и с дополнительным объемом памяти ценен тем, что он выдерживает большие нагрузки по трафику. А т.к. при работе сетевого адаптера забирается часть ресурсов центрального процессора рабочей станции или сервера, необходимо стремиться к использованию в серверах адаптеров с низким коэффициентом использования центрального процессора, особенно при большой нагрузке на сервер либо при наличии более одного LAN-адаптера. Например, если коэффициент использования центрального процессора LAN-адаптером составляет 30%, то наличие более трех сетевых карт в сервере будет приводить к периодическим �зависаниям� процесса обслуживания того сегмента сети, к которой подключен данный адаптер. Это означает, что данный сегмент сети должен будет ожидать своей очереди для обработки данных центральным процессором.

Но надо также учитывать и следующее: главным фактором, влияющим на рабочие характеристики сервера, являются быстродействие его дисковых подсистем. Никакой сверхбыстродействующий сетевой адаптер не даст заметного эффекта , если дисковая подсистема сервера или персонального компьютера действует медленно или не эффективно. Если же персональный компьютер или сервер оснащены производительной дисковой подсистемой, осуществляющей кэширование, применение непроизводительного LAN адаптера, изменит общие рабочие характеристики в худшую сторону.

 Этапы монтажа и ввода в эксплуатацию сетевых адаптеров

Сетевой адаптер имеет четыре настраиваемых компоненты, от которых зависит корректность его работы в составе сетевого комплекса. К ним относятся:

�         прерывание;

�         базовый адрес порта ввода/вывода;

�         базовый адрес памяти;

�         используемый трансивер.

В старых моделях сетевых карт эти параметры выставлялись с помощью перемычек, а в последнее время обычно выпускаются модели, у которых эти параметры устанавливаются программным образом.

Прерывание (interrupt) - это физическая линия шины компьютера (IRQ), по которой посылается запрос центральному процессору на обслуживание. Эти линии имеют различные уровни приоритетов, согласно которого процессор определяет какой из одновременно пришедших запросов самый важный. Линия IRQ задается при настройке сетевой карты. Выбирая линию IRQ необходимо следить за тем, чтобы никакое другое устройство в составе компьютера не использовало в своей работе данную линию запроса прерывания.

Базовый порт ввода/вывода (base i/o port) - определяет область оперативной памяти компьютера, через которую данные передаются из центрального процессора в адаптер и обратно. Выделяемый адаптеру базовый порт ввода/вывода, как и прерывание, не должен конфликтовать с базовыми адресами портов всех прочих устройств, установленных в компьютере.

Базовый адрес памяти (base address) - область памяти компьютера (RAM), которая используется платой LAN-адаптера в качестве буфера для входящих и исходящих кадров данных. Базовый адрес необходимо выбрать также уникальным, не занятым другими устройствами. Однако есть сетевые карты, в конфигурации которых этот параметр (base address) не задается - они не используют оперативную память системы (bus master adapter). Некоторые платы сетевых адаптеров имеют параметр, позволяющий выделить определенный объем оперативной памяти компьютера для хранения кадров данных. На сегодняшний день существуют модели, позволяющие выделить на эти цели 16, 32 и 64 Kb памяти. Однако надо иметь в виду, что чем больше памяти выделяется под буфера, тем выше скорость сети, но тем меньше памяти остается для прикладных задач.

Трансивер (transceiver) - устройство, обеспечивающее электрическое и физическое сопряжение сетевого адаптера и кабельной подсистемы сети. С их помощью осуществляется связь между кабельными линиями сети и портом AUI адаптера. Они посылают и принимают данные, обнаруживают коллизии в сети и защищают надежность сети путем текущего наблюдения и контроля сбоев (monitoring malfunctions) между линией AUI и преобразователем. Для обеспечения максимальной гибкости все преобразователи, как правило, поддерживают протоколы стандартов IEEE 802.3 и Ethernet и являются прозрачными для сетевых операционных систем. Светодиодные индикаторы обеспечивают быструю визуальную оценку состояния трансиверов.

Не все сетевые карты поставляются с одним единственным трансивером (в данном случае подразумеваются порты сопряжения с кабелями разного типа, трансиверы которых схемотехнически входят в состав сетевых адаптеров). Существует множество моделей, имеющих в своем составе два и даже три трансивера, допускающие подключение внешних или сменных трансиверов, так называемые адаптеры типа Combo. Конфигурируя LAN адаптер Вы должны задать тот трансивер, который будете использовать (обычно UTP или BNC, реже FO). Помните, активным может быть только один трансивер.