Karty sieciowe

Aby podłączyć komputer do sieci LAN niezbędny jest element sprzętowy: karta sieciowa, która ma podstawowe znaczenie i wymaga rozpatrzenia wielu opcji.

Niskonapięciowe sygnały elektryczne, które reprezentują dane w postaci cyfrowej przesyłane są wewnątrz komputera poprzez 8, 16, 32 lub 64 równoległe przewody, nazywane zbiorczo magistralami danych. Magistrale danych przenoszą sygnały pomiędzy procesorem, pamięcią RAM i urządzeniami wejścia-wyjścia, takimi jak porty szeregowe, równoległe i USB (Universal Serial Bus), znajdującymi się na płycie głównej.

Karta sieciowa, zwana także kartą adaptera LAN lub kartą interfejsu sieciowego (Network Interface Card - NIC) instalowana jest w złączu rozszerzeń lub na płycie głównej (systemowej) komputera PC. Karta ta przekształca niskonapięciowe, równoległe sygnały przesyłane z magistrali danych w szybki strumień elektrycznych zer i jedynek przesyłanych szeregowo kablem łączącym stacje w sieci.

 

Karta sieciowa dokonuje konwersji niskonapięciowego strumienia danych równoległych z komputera na mocniejszy strumień danych szeregowych w kablu sieciowym i odwrotnie. Do sterowania transmisją danych w kablu sieciowym karta sieciowa używa protokołów sterowania z dostępem do nośników.

Karta sieciowa ma dwa rodzaje złącz: złącza magistrali rozszerzeń i złącza od strony kabla sieciowego. Złącza obu rodzajów mogą występować w kilku odmianach

Sterownik (driver) to program, który umożliwia współpracę karty z resztą sprzętu komputera i z określonym systemem operacyjnym. To sterowniki umożliwiają przesyłanie danych pomiędzy komputerem a karta sieciową. W szczególności do nich należy odczyt i zapis danych w buforach sprzętowych. Sterowniki implementują również określone protokoły, które stanowią element procesu komunikacji w sieci.

Opcje wejścia-wyjścia

Istnieje kilka różnych technik komunikacji komputera z kartą sieciową poprzez magistralę danych. Aby wybór karty sieciowej był optymalny pod względem wydajności, poziomu złożoności i ceny, konieczne jest bliższe poznanie różnych opcji wejścia-wyjścia.

Do przesyłania danych pomiędzy kartą sieciową a pamięcią RAM komputera konstruktorzy współczesnych kart używają jednej z czterech technik: programowalnych układów wejścia-wyjścia (Progammed I/O - PIO), bezpośredniego dostępu do pamięci (Direct Memory Access - DMA), pamięci wspólnej lub przejmowania magistrali DMA. Ale nie w każdym komputerze działają wszystkie te rozwiązania interfejsów. Z tego powodu większość kart pozwala wybrać jedno z przynajmniej dwóch rozwiązań

Programowalne układy wejścia-wyjścia (PIO)

Technika PIO oferuje wydajną metodę przesyłania danych pomiędzy kartą sieciową a komputerem. W technice tej wykorzystuje się specjalny procesor na karcie, który steruje wspólnymi blokami pamięci o wielkości 8, 16 lub 32 kB. Procesor karty komunikuje się z procesorem komputera poprzez te standardowe lokalizacje wejścia-wyjścia.

Obydwa urządzenia szybko przesyłają dane, zapisując je i odczytując w tych samych blokach pamięci, które przypominają okno pomiędzy zapleczem kuchennym a stołówką w barach szybkiej obsługi. Podobnie jak w barze - procesor po jednej ze stron wspólnego okna sygnalizuje drugiemu obecność danych w oknie. W przypadku techniki PIO sygnał ten nosi nazwę I/O Ready.

Technika PIO charakteryzuje się mniejszym wykorzystaniem pamięci niż inne strategie transferu danych

Bezpośredni dostęp do pamięci (DMA)

Wiele kart sieciowych komunikuje się z procesorem PC, posługując się techniką bezpośredniego dostępu do pamięci. Technika ta jest szczególnie użyteczna w przypadku starszych, ale wciąż użytkowanych komputerów PC. Kiedy procesor PC odbiera żądanie DMA z karty sieciowej, przerywa inne operacje, aby obsłużyć transfer danych.

Pamięć wspólna

Metoda pamięci wspólnej została opracowana w celu przezwyciężenia pewnych niedostatków technik PIO i DMA. Karta sieciowa w tej metodzie posiada pamięć, do której procesor komputera ma bezpośredni dostęp z pełną prędkością bez cykli oczekiwania. Takie karty dostępne są z interfejsem magistrali danych o szerokości 8 i 16 bitów, jednak karty 16-bitowe często powodują konflikty z innymi urządzeniami wewnątrz komputera.

Przejmowanie magistrali (bus mastering) umożliwia przesyłanie danych pomiędzy kartą a pamięcią komputera bez przerywania pracy procesora. Pracujące w tej technice adaptery przejmują kontrolę na magistralą danych i umożliwiają przesyłanie danych bezpośrednio pomiędzy kartą sieciową i pamięcią RAM, podczas gdy procesor może w tym czasie wykonywać inne operacje. Wykorzystujące metodę przejmowania magistrali karty sieciowe są obecnie szeroko dostępne i zazwyczaj są zgodne z magistralą PCI, opisaną w następnej sekcji.

Struktura magistrali

Karty sieciowe muszą być dobrane do magistrali znajdującej się wewnątrz komputera. W większości sprzedawanych dzisiaj pecetów wykorzystywana jest architektura złączy rozszerzeń o nazwie Peripheral Component Interconnect (PCI), choć wciąż w użyciu są komputery ze złączami standardu Industry Standard Architecture (ISA). Ponadto w milionach komputerów na całym świecie używane są jeszcze inne rozwiązania. Oto przegląd konfiguracji magistrali, z jakimi można się spotkać:

    ISA. Oryginalny komputer PC wykorzystywał magistralę ośmiobitową (przez którą przesyłano 8 bitów jednocześnie) zwaną magistralą PC lub XT. Wraz z komputerami PC AT z procesorem 286 magistralę poszerzono do 16 bitów i przyjęto jako Standardową Architekturę Przemysłową (Industry Standard Architecture - ISA). Gniazda magistrali ISA mają złącza o długości 5,5 cala (niecałe 14 cm - przyp. tłum.).

Micro Channel. Kiedy IBM wprowadził linię komputerów PS/2, próbował pozyskać klientów, wprowadzając szybką, 32-bitową magistralę Micro Channel (MCA). Chcąc jednak połączyć w sieć stare maszyny PS/2 z gniazdami rozszerzeń MCA, ciężko będzie znaleźć odpowiednie karty sieciowe. Karty ISA i MCA znacznie się od siebie różnią.

  EISA. Aby zareagować na wprowadzenie architektury Micro Channel i rozszerzyć magistralę ISA z 16 do 32 bitów, grupa dostawców pod wodzą Compaqa wprowadziła Extended Industry Standard Architecture (EISA). Z magistralą EISA można używać kart EISA i ISA, jednak została ona całkowicie wyparta przez magistralę PCI.

Kolejnym pożądanym atrybutem komputerów i kart sieciowych jest port I2O (Intelligent I/O). I2O to wewnętrzna architektura, która poprzez zastosowanie specjalistycznego sprzętu poprawia sposób współpracy komputerów i systemów operacyjnych z urządzeniami sieciowymi, SCSI i innymi urządzeniami wejścia-wyjścia. Trzeba zauważyć, że komputery z portem I2O są droższe, więc potrzebny jest system operacyjny obsługujący I2O i karty adapterów z tymi samymi możliwościami.

..

Niektórzy mogą potrzebować karty z portem AUI (Attachment Unit Interface). Port AUI służy do podłączania urządzenia zwanego transceiverem, które z kolei umożliwia podłączenie grubego i cienkiego kabla koncentrycznego oraz światłowodów. Niektóre firmy nazywają transceivery jednostkami MAU (Medium Attachment Unit), jednak ten skrót ma również inne znaczenie. Karta z portem AUI zwiększa elastyczność i potencjał zastosowań w sieciach z różnymi typami okablowania. Karty te są nieco droższe, jednak dają większe możliwości połączeniowe.

Podczas instalacji karty sieciowej najlepiej jest użyć domyślnych ustawień zalecanych przez producenta.

Zewnętrzne karty sieciowe

Kartę sieciową umieszcza się zwykle w jednym z gniazd rozszerzeń peceta. Jednak notebooki raczej nie mają standardowych gniazd rozszerzeń, a w niektórych komputerach wszystkie gniazda mogą być zajęte przez najróżniejsze karty. Jeśli nie ma już miejsca dla instalacji wewnętrznej karty sieciowej lub po prostu chce się uniknąć demontażu obudowy komputera, do połączenia peceta z siecią LAN można użyć zewnętrznej karty sieciowej. Chociaż karty tego rodzaju mają zwykle mniejszą przepustowość niż karty wewnętrzne, ich parametry są najczęściej wystarczające dla 99 % typowych zadań klienckiej stacji sieciowej.

Technologia EPP rozwinęła się w bardziej wszechstronny standard IEEE zwany IEEE 1284. Standard ten stanowi specyfikację portu EEP oraz innego rodzaju portu, obsługiwanego przez HP i Microsoft: portu ECP (Extended Capability Port). Standard IEEE definiuje również kable i złącza które zwiększają prędkość portu równoległego do 5 MB/s i zasięg kabla do około 10 m.

Porty EEP umożliwiają dokładną kontrolę danych w komunikacji interaktywnej z urządzeniami w rodzaju kart sieciowych, napędów CD-ROM lub napędów taśm. Z kolei porty ECP przesyłają dane w dużych blokach przez co są szczególnie użyteczne jako szybki interfejs dla skanerów i drukarek. Oba rodzaje portów są znacznie bardziej przydatne niż proste porty równoległe dostępne w większości pecetów.

Karty PC

Znaczący wpływ na produkcję kart sieciowych, szczególnie dla komputerów przenośnych, miał powstały w roku 1991 standard PCMCIA. Skrót PCMCIA pochodzi od nazwy stowarzyszenia Personal Computer Memory Card International Association, a standard PCMCIA opisuje kilka schematów połączeń dla modułów elektronicznych wielkości kart kredytowych, zawierających karty sieciowe i inne urządzenia. Jednak później stowarzyszenie zmieniło swoją nazwę i nazwę standardu na PC Card. O nowych produktach mówi się już, że są zgodne ze standardem PC Card, ale wśród użytkowników wciąż mówi się o urządzeniach „pcimcia”.

Mniej więcej w tym czasie, kiedy nastąpiła zmiana nazwy, około roku 1995, stowarzyszenie opracowało nowy standard pod nazwą CardBus. Ponieważ urządzenia zgodne z CardBus są zasilane napięciem 3,3 V (poprzednio 5 V), sprzyjają dłuższej żywotności baterii. Jednak kluczowa różnica polega na tym, że standard CardBus pracuje z częstotliwością do 33 MHz i używa 32-bitowej magistrali (w poprzednich specyfikacja magistrale były 8- i 16-bitowe). Standard CardBus jest rozszerzeniem standardu PCI. Teoretyczna prędkość transmisji danych dla produktów CardBus wynosi 132 Mb/s. Prawdopodobnie najlepsze zastosowanie tego standardu to zewnętrzne urządzenia pamięci masowej, chociaż może on również być używany do podłączenia szybkiego (100 Mb/s) Ethernetu.

Większość urządzeń sieci Ethernet 10Base-T może podtrzymać maksymalną przepustowość na poziomie 6-7 Mb/s. Komputery PC o sporej mocy obliczeniowej w sieci Fast Ethernet mogą uzyskać średnio 40 Mb/s. 16-bitowa karta PC Card daje maksymalnie 8 Mb/s w sieci Fast Ethernet. Natomiast karta CardBus pozwoli osiągnąć 40 Mb/s, więc jej zakup będzie rozsądny, o ile planuje się wykorzystanie szybkiego Ethernetu, a port komputera jest zgodny ze standardem CardBus.

Obecnie jednak większość kart sieciowych i modemowych formatu karty kredytowej jest zgodna ze standardem PC Card. Opisuje on fizyczny rozmiar tych urządzeń oraz - co ważniejsze - ustanawia zasady współpracy tych urządzeń z komputerem. Mając odpowiednie oprogramowanie tego interfejsu, można po prostu włożyć kartę do gniazda i używać jej.

Standard PC Card opisuje trzy rozmiary kart. Wszystkie karty mają około 3,3 cala (nieco ponad 8 cm) długości, 2,1 cala (trochę ponad 5 cm) szerokości i 68-stykowe złącze na końcu. Karty sieciowe i modemy mają format karty typu II o grubości niecałej jednej czwartej cala (około 0,6 cm). Karty typu III używane dla nowszych kart uniwersalnych są nieco grubsze i w rezultacie mogą zająć miejsce dostępne dla drugiej karty typu II.

Kluczowym wyróżnikiem kart jest ich fizyczna budowa oraz używane z nimi kable. Z większością kart używa się osobnych połączeń kablowych (tak zwanych przejściówek) zakończonych standardowym gniazdem telefonicznym lub sieciowym. Są to zwykle kable firmowe producenta karty ze standardowym gniazdem RJ-11 lub RJ-45 na jednym końcu. W niektórych kartach typu III, na przykład w karcie RealPort firmy Xircom, odpowiedni rozmiar pozwolił wbudować gniazdo telefoniczne RJ-11 i gniazdo RJ-45 dla skrętki dwużyłowej bezpośrednio w kartę. W takim przypadku nie trzeba się martwić o zapomniane/zgubione przejściówki. Potrzebny jest tylko standardowy kabel telefoniczny lub sieciowy i można pracować.

Oprogramowanie tego poziomu wykrywa włożenie karty PC Card do gniazda i jej usunięcie, kiedy komputer jest włączony. Usługi gniazd są obecnie częścią systemów operacyjnych z rodziny Windows.

Z kolei specyfikacja usług kart opisuje sposób współdziałania zasobów - takich jak pamięć i przerwania - z urządzeniem i umożliwia programom z wyższych warstw - na przykład readresatorowi - komunikowanie się z kartą PC Card. Teoretycznie połączenie kart PC Card, programów usług kart i programów usług gniazd pozwala na dołączanie i odłączanie urządzeń PC Card bez potrzeby wyłączania komputera.

Urządzenia PC Card są zasilane z baterii komputera. Modem pobiera około 7 W, kiedy pracuje i tylko około 1 W w trybie uśpienia. Karty sieciowe potrzebują zwykle nieco mniej mocy. Z grubsza rzecz biorąc, modem PCMCIA ma około 10 do 30 % udziału w całkowitym zapotrzebowaniu na moc laptopa, więc korzystanie z modemów tego rodzaju może znacząco ograniczyć czas pracy baterii.

---