网卡的功能、构造与分类 | 什么是网卡？

互推小编 2024-04-12

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。