СЕТЕВЫЕ АДАПТЕРЫ.

Сетевой адаптер  - это основной компонент локальной сети. Минимальный набор ап­паратуры, которой надо оснастить компьютеры для объедине­ния их в сеть,  включает в себя адаптеры (как минимум по одному на каждый компьютер) и соединительные кабели с соответствую­щими разъемами и оконечными согласователями. Остальное оборудование сети служит для улучшения ее характеристик, а так­же для повышения удобства ее использования.

                 Сетевые адаптеры (рис. 1) обеспечивают сопряжение компьютера и среды передачи информации с учетом принятого в данной сети протокола обмена информацией. Адаптер должен выполнять ряд функций, количество и суть которых во многом зависят от типа конкретной сети. Все функции сетевого адаптера можно разделить на две большие группы. Первая группа включает в себя функции сопря­жения адаптера с компьютером (магистральные функции), а вторая - функции по организации обмена в сети (сетевые функции). Функции первой группы определяются интерфейсом компьютера, к которому подключается сетевой адаптер, и не отли­чаются большим разнообразием.  Функции второй груп­пы определяются типом сети и могут быть самыми различ­ными в зависимости от типа сетевого кабеля, принятого протокола управления, топологии сети и т.д.

Магистральные (канальные, шинные) функции сетевых адаптеров обеспечивают организацию их сопря­жения с одной из локальных шин  системного интерфейса персональ­ного компьютера. Для процессора сетевой адаптер это обычный контроллер, соответствующий определенным стандартам, в котором имеется ряд прогрмммно-доступных регистров, каждый из которых имеет свое функциональное назначение. Процессор управляет любым контроллером через его программно-доступные регистры, записывая и читая информацию с помощью команд IN, OUT, INS, OUTS. Сетевой адаптер, как любой другой контроллер имеет свой набор команд. Получив от процессора, выполняющего программу сетевого взаимодействия, команду (через программно-доступный регистр или регистры), контроллер отрабатывает команду автономно, реализуя, в том числе, функции обмена по сетевому кабелю с другим сетевым адаптером или несколькими сетевыми адаптерами. Команда может вызвать в сетевом адаптере выполнение очень сложных преобразований информации по программам, выполняемым специализированным процессором, встроенным в сетевой адаптер. Кроме того, он может выполнять ряд вспомогательных аппаратных функций инициируемых аппаратными сигналами или записью управляющей информации в его программно-доступный регистр, формировать сигнал запроса на обслуживание (прерывание). Некоторые сетевые адаптеры имеют в своем составе аппаратуру, позволяющую ему выполнять функции устройства, инициирующего операцию обмена на интерфейсе (Master).

                Данные передаются из памяти компьютера в сетевой адаптер или из адапте­ра в память с помощью прямого доступа к памяти, или совместно используемой области памяти или программируемого ввода-вывода.

   К сетевым функциям адаптеров, относят функции, которые обеспечивают реа­лизацию принятого в сети протокола обмена. Часть этих функций может выполняться как аппаратурой адаптера, так и программным обеспечением персонального компьюте­ра (перенос части функций на программные средства позволяет упро­стить аппаратуру адаптера и существенно увеличить гибкость обмена, но ценой замедления работы). Некоторые сетевые функции обязательно должны выполняться аппаратурой сетевого адаптера.  К основным сетевым функциям адаптера, относя нижеследующие функции:

1. Гальваническая развязка компьютера и локальной сети. Эта функция не является обязательной. При некоторых типах среды передачи (оптоволоконный кабель, радиоканал, инфра­красный канал) развязка не нужна.
2. Преобразование уровней сигналов из логических в сетевые (при передаче) и из сетевых в логические (при приеме).  Электрически закодированные импульсы, содержащие данные, т.е. образующие кадр данных, усиливаются и передаются в линию связи (после приема импульсы передаются на устройство декодирования).
3. Кодирование сигналов при передаче и декодирование при приеме. Эта функция не нужна при использовании в сети простейшего кода NRZ. Для передачи данных по сетям формируются специаль­ные электрические сигналы, которые соответствуют передаваемой информации и по которым эта информация восстанавливается на принимающем устройстве.
4. Распознавание своего пакета при приеме. Плата сетевого адаптера воспринимает весь информационный поток, передаваемый по сете­вому кабелю, но выбирает лишь те сообщения, которые в передаваемом пакете данных содержат адрес сетевого адаптер, установленного в данной рабочей станции. При отправке данных сетевой адаптер получает из памяти компьютера, данные в свой буфер, оформляет их в соответствии с протоколом, ожидает некоторое время (определяемое уровнем используемого протокола), а затем помещает данные в поток.
5. Преобразование параллельного кода в последователь­ный при передаче и последовательного кода в параллельный при приеме. При обмене данные поступают из буфера в сеть и из сети в буфер последовательно, т.е. один бит данных следует за другим. Адаптер осуществляет преобразование параллельных данных в последовательные или  последовательных в параллельные  перед передачей (или после приема).
6. Буферирование передаваемых и принимаемых данных в буферном ОЗУ. Во время обработки сетевым адаптером данные хранятся в его буфере. Это позволяет плате получить доступ сразу ко всему кадру и компенсировать разницу между скоростью передачи данных в сети и скоростью их обработки в компьютере.  Сетевой адаптер разбивает поступившие данные на отдельные порции (а при передаче собирает их вместе). В сетях Ethernet размер таких порций составляет 1 500 байт, а в сетях Token Ring кадр обычно имеет длину 4 Кбайт. Пакету данных обычно должен предшествовать заголовок, а завершать его - заключение. За­головок и заключение образуют на физическом уровне протокола "конверт". Именно после их добавления сигнал готов к передаче. (При приеме сетевой адаптер как бы  распечатывает "конверт", удаляя заголовок и заключение.)
7. Проведение арбитража обмена по сети (контроль состо­яния сети, разрешение конфликтов, доступ к кабелю и т.д.). В сетях Ethernet сетевой адаптер перед началом передачи (или повторной передачи) проверяет доступность линии. В сети Token Ring адаптер не отсы­лает сообщение до тех пор, пока не получит маркер. (При приеме, конечно, эти действия не выполняются.)
8. Подсчет контрольной суммы пакета при передаче и при приеме. Сетевые адаптеры и управляющая программа обнаруживают и по возможности исправ­ляют ошибки, возникшие в результате помех, коллизий (в сетях Ethernet) и неисправности оборудования. Ошибки обычно обнаруживаются с помощью включаемой в кадр данных кон­трольной суммы. Ее контроль осуществляется у адресата, и, если вычисленное значе­ние контрольной суммы  не совпадает с переданным, адресат сообщает отправителю об ошибке и запрашивает повторную передачу поврежденного кадра.

                Иногда в состав адаптера включаются  узлы для са­моконтроля и самодиагностики, позволяющие проверить его работоспособность даже без подключения к сети.

                Первая и вторая функции всегда реализуются аппаратно, а третья и четвертая для медленных сетей, в принципе, могут выполняться про­граммно, но в быстродействующих сетях они, как правило, тоже реализуются аппаратно. Остальные функции так­же очень часто возлагаются на аппаратуру с целью повыше­ния скорости  обмена.  Более того, аппаратно  иногда выполняются и функции  более высоких уровней, например, операции по обслуживанию виртуальных каналов. Но в ряде случаев быстродействие современных персональных компью­теров позволяет без особого снижения производительности реализовать их программно и упростить аппаратуру адаптера, повысив при этом ее надежность и снизив стоимость и энерго­потребление.    

Рис. 1. PCIe Gigabit Ethernet контроллер.