随着人工智能、大数据、分布式储存和云服务等发展趋势日渐明朗,都要求更低的延迟来支持部署在网络边缘的实时应用程序和服务。在百行百业的数字化转型以及应对5G和IoT等服务需求,为数据中心带来了爆发式增长,同时给服务器基础设施计算节点的CPU带来了巨大的压力。在以CPU为中心的Onload模式向以数据为中心的Offload模式的转变中,服务器网卡扮演着不可或缺的角色。近年来,行业也一直不断地推出新的网卡,满足于数据中心等场景中计算领域的最新发展趋势:接口高速化、能力并行化、资源虚拟化。由于其应用广泛,市场上出现了各种类型的网络接口卡,如千兆网卡和万兆网卡,PCI-X和PCIe网卡等。在这篇文章中,我们从网卡的定义、功能、常见组成部分以及网卡种类来全面介绍网卡。
什么是网卡?
网卡全称为网络适配器(Network Interface Card, NIC),也被称为网络接口控制器。网卡是工作在第二层链路层的一个网络组件,通常是安装在计算机上用于连接网络的电路板,可为计算机提供专用网络连接。网卡虽然仅作为计算机网络连接的一个小组件,但发挥着不可缺少的作用。网卡就像一个转换器,将数据转换为数字信号,通过使用电缆线或服务器网络上的无线路由器进行通信。网卡作为TCP/IP层的接口,可以在物理层传输信号,网络层传递数据包。无论位于哪一层,它都充当计算机/服务器和数据网络之间的中间媒介。当用户请求一个web页面时,局域网卡从用户设备获取数据,并将它们发送到网络服务器上,然后接收所需的数据展示给用户。
网卡的组成部件
传统上,网络适配器主要由一个控制器、一个boot ROM插槽、一/多个网卡端口、一个主板接口、LED指示灯、一个支架和一些其他电子元件组成。 每个组件都有其独特的功能:
控制器:控制器作为网卡的核心部分,直接决定了网卡的性能。控制器就像一个小型CPU,用于处理接收的数据。
Boot ROM 插槽:此插槽允许启用Boot ROM 功能。Boot ROM允许无盘工作站连接到网络,从而提高安全性并降低硬件成本。
网卡端口:通常情况下,该端口直接与以太网线或光模块连接,产生和接收网线或光纤跳线上的信号。
总线接口:该接口位于电路板的侧面,俗称“金手指”的总线接口插在计算机主板的扩展槽中,用于网卡与计算机或服务器之间的连接。
LED指示灯:指示灯用于帮助用户识别网卡的工作状态,网络是否连接,是否有数据传输。例如,Link/Act表示连接活动状态,Full表示是否全双工,而Power是电源指示。
支架:PCI网卡市场上有两种支架,一个是高120mm的全高支架,另一个是高79.2mm的半高支架。该支架可以帮助用户将网卡固定在计算机或服务器的扩展槽中。
一张装有全高支架的NVIDIA网卡俯视图
网卡的种类
根据总线接口、传输速度、应用领域等不同,网卡可分为以下几个不同的类型。
基于协议的分类
根据传输协议的不同的,网卡可分为三种,一是以太网卡,二是FC网卡,三是IB网卡。
以太网网卡(Ethernet Adapter):使用IP协议为传输协议,一般通过光纤线缆或双绞线与以太网交换机连接。光口通过光纤线缆来进行数据传输,搭配的模块接口一般为SFP、QSFP等,对应的光纤接口为LC、SC、MPO等。电口常用的接口类型为RJ45,一般与双绞线连接,也有少量与同轴电缆连接的接口。
FC网卡:学名Fibre Channel。使用光纤通道协议为传输协议,主要通过光纤线缆与光纤通道交换机连接。接口类型分为光口和电口。光口的传输方式和搭配模块与以太网卡类似,但对应的接口仅为SC和LC。电口的接口类型一般为DB9针或HSSDC。
IB网卡:Infiniband大量用于FC/IP SAN、NAS和服务器之间的连接,作为iSCSI RDMA的存储协议。InfiniBand网卡可提供超低延迟、超高吞吐量和创新的网络计算引擎,为当今的现代工作负载提供所需的加速能力、可扩展性和功能丰富的技术。
基于传输速度的分类
基于不同的速度,网卡有10/100Mbps自适应,1000Mbps千兆网卡、10G、25G、100G甚至更高速度的网卡。
10Mbps/100Mbps自适应卡:10Mbps和100Mbps带宽自适应网卡是目前比较流行的网卡类型。它能够自动适应两种不同带宽的网络需求。可与旧的10Mbps网络设备连接,也可应用于较新的100Mbps网络设备的连接,因此得到了用户的广泛认可。
1000Mbps网卡:此类卡可为快速以太网提供更高的带宽。千兆以太网是一种高速局域网技术,可以通过铜线提供 1Gbps 带宽。对应的网卡是千兆网卡,这种网卡的带宽也可以达到1Gbps。千兆网卡的网络接口也主要有两种,一种是普通的双绞线RJ45接口,另一种是千兆SFP/GBIC光纤接口。
10G网卡:其主流为10G以太网卡,与千兆以太网卡一样,10G以太网卡也支持单模或多模光纤。使用10G以太网卡可以让网络运营商更自由地选择数据中心的位置,并且可以同时支持80公里范围内的多个园区网络。在数据中心,可以使用低成本的多模光纤作为交换机与交换机、交换机与服务器之间的10G网络的骨干。
25G网卡:相较10G网卡而言,25G光纤网卡的更大带宽满足高性能计算集群的网络需求,在100G甚至更高速率的网络升级中,25G光纤网卡将是不可或缺的基础设施之一。在数据中心从10G/40G 升级到 25G/100G(服务器的接口是25G, 交换机间互联的接口是100G)的过程中,越来越多的人支持 25GbE,包括谷歌、微软等大型云提供商对 25G 的绝对认可。
100G网卡:随着海量数据的传输需求越来越高,服务器通常都需要安装多个网卡来满足数据处理的高需求,正是因为这种特性,促使数据中心网络从10G慢慢向100G网卡升级,甚至更高速率的发展。100G网卡具有高吞吐量、低延时的网络处理能力、辅助其CPU进行网络功能卸载的能力,可最大化地节约CPU算力同时降低其功耗。
NVIDIA 100G 网卡
基于总线接口类型分类
ISA网卡:ISA总标准线于1981年发布,是一种兼容IBM标准的总线结构。由于ISA总线接口的I/O速度较慢,随着1990年代初PCI总线技术的出现逐渐被淘汰,现在市场上已很少见。
PCI网卡:PCI的英文全称为Peripheral Component Interconnect。即外部设备互联总线,是于1993年推出的PC局部总线标准。因为它的I/O速度比ISA总线型网卡快很多(ISA最高只有33MB/s,而目前的PCI 64位数据传输率是266MB/ s),所以它逐渐取代了以前的 ISA 标准。这种网卡最初是用于服务器上,后来在台式机上的使用相当普遍,也是目前的一种主流网卡接口类型。如今大多数计算机都没有扩展卡,而是使用嵌入式网卡。因此,PCI总线网卡已经被其他总线接口如PCI-X或USB接口所取代。
PCI-X网卡:PCI-X是一种增强的PCI总线技术。与原来的PCI相比,I/O速度提高了一倍,数据传输速度也比PCI接口快。PCI-X总线接口网卡一般有32位总线宽度,但也支持64位操作,最高可达1064MB/s。多数情况下PCI- X的插槽与PCI网卡是向后兼容的。
PCIe网卡:PCIe卡是带有PCIe接口的网卡,在主板级连接中用作扩展端口。具体来说,基于PCIe的扩展卡可插入主机、服务器和网络交换机等设备主板上的PCIe插槽。现在大部分电脑主板都有对应PCIe卡的专用PCIe插槽。一般来说,插槽的宽度会与网卡的宽度相同,甚至更宽。
结语
不同应用场景需要不同类型的网卡,单一网卡难以满足复杂多样的加速场景。随着市场热度以及技术能力的提升,未来的网卡市场也会迎来更多的可能性,比如最新的OCP NIC 3.0网卡。因此,无论您是在寻找家用PC网卡,还是用于企业、数据中心的服务器网卡,在购买网卡之前,都需要清楚地了解网卡相关的基本知识。
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