網(wǎng)卡的功能、構(gòu)造與分類，什么是網(wǎng)卡？

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、分布式儲存和云服務(wù)等發(fā)展趨勢日漸明朗，都要求更低的延遲來支持部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的實時應(yīng)用程序和服務(wù)。在百行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及應(yīng)對5G和IoT等服務(wù)需求，為數(shù)據(jù)中心帶來了爆發(fā)式增長，同時給服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施計算節(jié)點的CPU帶來了巨大的壓力。在以CPU為中心的Onload模式向以數(shù)據(jù)為中心的Offload模式的轉(zhuǎn)變中，服務(wù)器網(wǎng)卡扮演著不可或缺的角色。近年來，行業(yè)也一直不斷地推出新的網(wǎng)卡，滿足于數(shù)據(jù)中心等場景中計算領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢：接口高速化、能力并行化、資源虛擬化。由于其應(yīng)用廣泛，市場上出現(xiàn)了各種類型的網(wǎng)絡(luò)接口卡，如千兆網(wǎng)卡和萬兆網(wǎng)卡，PCI-X和PCIe網(wǎng)卡等。在這篇文章中，我們從網(wǎng)卡的定義、功能、常見組成部分以及網(wǎng)卡種類來全面介紹網(wǎng)卡。什么是網(wǎng)卡？

網(wǎng)卡全稱為網(wǎng)絡(luò)適配器（Network Interface Card， NIC），也被稱為網(wǎng)絡(luò)接口控制器。網(wǎng)卡是工作在第二層鏈路層的一個網(wǎng)絡(luò)組件，通常是安裝在計算機上用于連接網(wǎng)絡(luò)的電路板，可為計算機提供專用網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)卡雖然僅作為計算機網(wǎng)絡(luò)連接的一個小組件，但發(fā)揮著不可缺少的作用。網(wǎng)卡就像一個轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過使用電纜線或服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)上的無線路由器進行通信。網(wǎng)卡作為TCP/IP層的接口，可以在物理層傳輸信號，網(wǎng)絡(luò)層傳遞數(shù)據(jù)包。無論位于哪一層，它都充當(dāng)計算機/服務(wù)器和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的中間媒介。當(dāng)用戶請求一個web頁面時，局域網(wǎng)卡從用戶設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，然后接收所需的數(shù)據(jù)展示給用戶。

網(wǎng)卡的組成部件

傳統(tǒng)上，網(wǎng)絡(luò)適配器主要由一個控制器、一個boot ROM插槽、一/多個網(wǎng)卡端口、一個主板接口、LED指示燈、一個支架和一些其他電子元件組成。每個組件都有其獨特的功能：

控制器：

控制器作為網(wǎng)卡的核心部分，直接決定了網(wǎng)卡的性能?？刂破骶拖褚粋€小型CPU，用于處理接收的數(shù)據(jù)。

Boot ROM 插槽：

此插槽允許啟用Boot ROM 功能。Boot ROM允許無盤工作站連接到網(wǎng)絡(luò)，從而提高安全性并降低硬件成本。

網(wǎng)卡端口：

通常情況下，該端口直接與以太網(wǎng)線或光模塊連接，產(chǎn)生和接收網(wǎng)線或光纖跳線上的信號。

總線接口：

該接口位于電路板的側(cè)面，俗稱“金手指”的總線接口插在計算機主板的擴展槽中，用于網(wǎng)卡與計算機或服務(wù)器之間的連接。

LED指示燈：

指示燈用于幫助用戶識別網(wǎng)卡的工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)是否連接，是否有數(shù)據(jù)傳輸。例如，Link/Act表示連接活動狀態(tài)，F(xiàn)ull表示是否全雙工，而Power是電源指示。

支架：

PCI網(wǎng)卡市場上有兩種支架，一個是高120mm的全高支架，另一個是高79.2mm的半高支架。該支架可以幫助用戶將網(wǎng)卡固定在計算機或服務(wù)器的擴展槽中。

一張裝有全高支架的NVIDIA網(wǎng)卡俯視圖

網(wǎng)卡的種類

根據(jù)總線接口、傳輸速度、應(yīng)用領(lǐng)域等不同，網(wǎng)卡可分為以下幾個不同的類型。

基于協(xié)議的分類

根據(jù)傳輸協(xié)議的不同的，網(wǎng)卡可分為三種，一是以太網(wǎng)卡，二是FC網(wǎng)卡，三是IB網(wǎng)卡。

以太網(wǎng)網(wǎng)卡（EthernetAdapter）：使用IP協(xié)議為傳輸協(xié)議，一般通過光纖線纜或雙絞線與以太網(wǎng)交換機連接。光口通過光纖線纜來進行數(shù)據(jù)傳輸，搭配的模塊接口一般為SFP、QSFP等，對應(yīng)的光纖接口為LC、SC、MPO等。電口常用的接口類型為RJ45，一般與雙絞線連接，也有少量與同軸電纜連接的接口。

FC網(wǎng)卡：學(xué)名Fibre Channel。使用光纖通道協(xié)議為傳輸協(xié)議，主要通過光纖線纜與光纖通道交換機連接。接口類型分為光口和電口。光口的傳輸方式和搭配模塊與以太網(wǎng)卡類似，但對應(yīng)的接口僅為SC和LC。電口的接口類型一般為DB9針或HSSDC。

IB網(wǎng)卡：Infiniband大量用于FC/IP SAN、NAS和服務(wù)器之間的連接，作為iSCSI RDMA的存儲協(xié)議。InfiniBand網(wǎng)卡可提供超低延遲、超高吞吐量和創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)計算引擎，為當(dāng)今的現(xiàn)代工作負(fù)載提供所需的加速能力、可擴展性和功能豐富的技術(shù)。

基于傳輸速度的分類

基于不同的速度，網(wǎng)卡有10/100Mbps自適應(yīng)，1000Mbps千兆網(wǎng)卡、10G、25G、100G甚至更高速度的網(wǎng)卡。

10Mbps/100Mbps自適應(yīng)卡：10Mbps和100Mbps帶寬自適應(yīng)網(wǎng)卡是目前比較流行的網(wǎng)卡類型。它能夠自動適應(yīng)兩種不同帶寬的網(wǎng)絡(luò)需求?？膳c舊的10Mbps網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，也可應(yīng)用于較新的100Mbps網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接，因此得到了用戶的廣泛認(rèn)可。

1000Mbps網(wǎng)卡：此類卡可為快速以太網(wǎng)提供更高的帶寬。千兆以太網(wǎng)是一種高速局域網(wǎng)技術(shù)，可以通過銅線提供 1Gbps 帶寬。對應(yīng)的網(wǎng)卡是千兆網(wǎng)卡，這種網(wǎng)卡的帶寬也可以達(dá)到1Gbps。千兆網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)接口也主要有兩種，一種是普通的雙絞線RJ45接口，另一種是千兆SFP/GBIC光纖接口。

10G網(wǎng)卡：其主流為10G以太網(wǎng)卡，與千兆以太網(wǎng)卡一樣，10G以太網(wǎng)卡也支持單?；蚨嗄９饫w。使用10G以太網(wǎng)卡可以讓網(wǎng)絡(luò)運營商更自由地選擇數(shù)據(jù)中心的位置，并且可以同時支持80公里范圍內(nèi)的多個園區(qū)網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)中心，可以使用低成本的多模光纖作為交換機與交換機、交換機與服務(wù)器之間的10G網(wǎng)絡(luò)的骨干。

25G網(wǎng)卡：相較10G網(wǎng)卡而言，25G光纖網(wǎng)卡的更大帶寬滿足高性能計算集群的網(wǎng)絡(luò)需求，在100G甚至更高速率的網(wǎng)絡(luò)升級中，25G光纖網(wǎng)卡將是不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一。在數(shù)據(jù)中心從10G/40G 升級到 25G/100G（服務(wù)器的接口是25G, 交換機間互聯(lián)的接口是100G）的過程中，越來越多的人支持 25GbE，包括谷歌、微軟等大型云提供商對 25G 的絕對認(rèn)可。

100G網(wǎng)卡：隨著海量數(shù)據(jù)的傳輸需求越來越高，服務(wù)器通常都需要安裝多個網(wǎng)卡來滿足數(shù)據(jù)處理的高需求，正是因為這種特性，促使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)從10G慢慢向100G網(wǎng)卡升級，甚至更高速率的發(fā)展。100G網(wǎng)卡具有高吞吐量、低延時的網(wǎng)絡(luò)處理能力、輔助其CPU進行網(wǎng)絡(luò)功能卸載的能力，可最大化地節(jié)約CPU算力同時降低其功耗。

NVIDIA100G網(wǎng)卡

基于總線接口類型分類

ISA網(wǎng)卡：ISA總標(biāo)準(zhǔn)線于1981年發(fā)布，是一種兼容IBM標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)。由于ISA總線接口的I/O速度較慢，隨著1990年代初PCI總線技術(shù)的出現(xiàn)逐漸被淘汰，現(xiàn)在市場上已很少見。

PCI網(wǎng)卡：PCI的英文全稱為Peripheral Component Interconnect。即外部設(shè)備互聯(lián)總線，是于1993年推出的PC局部總線標(biāo)準(zhǔn)。因為它的I/O速度比ISA總線型網(wǎng)卡快很多（ISA最高只有33MB/s，而目前的PCI 64位數(shù)據(jù)傳輸率是266MB/ s)，所以它逐漸取代了以前的 ISA 標(biāo)準(zhǔn)。這種網(wǎng)卡最初是用于服務(wù)器上，后來在臺式機上的使用相當(dāng)普遍，也是目前的一種主流網(wǎng)卡接口類型。如今大多數(shù)計算機都沒有擴展卡，而是使用嵌入式網(wǎng)卡。因此，PCI總線網(wǎng)卡已經(jīng)被其他總線接口如PCI-X或USB接口所取代。

PCI-X網(wǎng)卡：PCI-X是一種增強的PCI總線技術(shù)。與原來的PCI相比，I/O速度提高了一倍，數(shù)據(jù)傳輸速度也比PCI接口快。PCI-X總線接口網(wǎng)卡一般有32位總線寬度，但也支持64位操作，最高可達(dá)1064MB/s。多數(shù)情況下PCI- X的插槽與PCI網(wǎng)卡是向后兼容的。

PCIe網(wǎng)卡：PCIe卡是帶有PCIe接口的網(wǎng)卡，在主板級連接中用作擴展端口。具體來說，基于PCIe的擴展卡可插入主機、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備主板上的PCIe插槽?，F(xiàn)在大部分電腦主板都有對應(yīng)PCIe卡的專用PCIe插槽。一般來說，插槽的寬度會與網(wǎng)卡的寬度相同，甚至更寬。

結(jié)語

不同應(yīng)用場景需要不同類型的網(wǎng)卡，單一網(wǎng)卡難以滿足復(fù)雜多樣的加速場景。隨著市場熱度以及技術(shù)能力的提升，未來的網(wǎng)卡市場也會迎來更多的可能性，比如最新的OCP NIC 3.0網(wǎng)卡。因此，無論您是在尋找家用PC網(wǎng)卡，還是用于企業(yè)、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器網(wǎng)卡，在購買網(wǎng)卡之前，都需要清楚地了解網(wǎng)卡相關(guān)的基本知識。

審核編輯 黃昊宇