Karta interfejsu sieciowego (NIC)

Twój serwer ma porty 100G, ale Twoja karta sieciowa obsługuje tylko 10G. Gratulacje - właśnie zapłaciłeś za przepustowość, której nigdy nie wykorzystasz. Karta interfejsu sieciowego jest najczęściej pomijanym wąskim gardłem w nowoczesnych projektach sieci. Podczas gdy inżynierowie mają obsesję na punkcie specyfikacji przełącznika i transceivera, karta sieciowa po cichu określa rzeczywistą przepustowość, jaką może przesłać każdy serwer. Ten przewodnik wykracza poza podstawowe definicje i wyjaśnia, jak działają karty sieciowe, jakie istnieją typy i -, co najważniejsze, - jak dopasować kartę sieciową do prawej stronynadajnik-odbiornik, Kabel DAC-a, LubAOCdla maksymalnej wydajności.

 

 

Co to jest karta interfejsu sieciowego?

Karta interfejsu sieciowego (NIC), zwana także kartą sieciową lub kontrolerem interfejsu sieciowego, to sprzęt łączący serwer, stację roboczą lub urządzenie magazynujące z siecią. Obsługuje konwersję między danymi wewnątrz systemu hosta a sygnałami w kablu lub światłowodzie -, zarządzając wszystkim, od enkapsulacji ramek i weryfikacji sum kontrolnych po obsługę przerwań i transfery DMA.

Każda karta sieciowa ma unikalny adres MAC zapisany w oprogramowaniu sprzętowym, który służy jako tożsamość urządzenia w sieci warstwy 2. Wczesne karty sieciowe są dostarczane jako samodzielne karty rozszerzeń PCI. Obecnie większość komputerów konsumenckich korzysta z układu LAN-na-płycie głównej (LOM) do podstawowej łączności 1G. Jednak w centrach danych i środowiskach korporacyjnych dedykowane karty sieciowe pozostają niezbędne, ponieważ wbudowane kontrolery po prostu nie są w stanie zapewnić przepustowości, możliwości odciążania ani gęstości portów, których wymagają współczesne obciążenia.

 

 

Jak faktycznie działa karta sieciowa: więcej niż „wysyłanie i odbieranie”

Podręcznikowe wyjaśnienie - „Karty sieciowe hermetyzują dane w ramkach i wysyłają je” - jest technicznie poprawne, ale pomija to, co czyni kartę sieciową cenną. Oto, co dzieje się pod maską nowoczesnej karty sieciowej serwera:

 

Przetwarzanie ramek

Po stronie transmisji karta sieciowa pobiera dane ze stosu sieciowego systemu operacyjnego, dodaje nagłówki Ethernet i sumy kontrolne CRC, a następnie serializuje je w sygnały elektryczne lub optyczne. Po stronie odbiorczej odwraca proces, weryfikując CRC i usuwając nagłówki przed przekazaniem ładunku do hosta.

 

Silniki odciążające

To tutaj karty sieciowe zarabiają na życie. Nowoczesne karty sieciowe odciążają zadania, które w przeciwnym razie pochłaniałyby cykle procesora: obliczanie sumy kontrolnej protokołu TCP/UDP, odciążanie segmentacji TCP (TSO), odciążanie dużego odbioru (LRO) i skalowanie strony odbierającej (RSS), które rozdziela ruch przychodzący na wiele rdzeni procesora. Bez tych odciążeń karta sieciowa 25G mogłaby nasycić rdzeń procesora przetwarzający właśnie pakiety.

 

Obejście jądra z DPDK

Nawet w przypadku odciążeń sprzętowych stos sieciowy jądra systemu operacyjnego powoduje obciążenie przy ekstremalnych szybkościach pakietów. Karty sieciowe obsługujące DPDK (Data Plane Development Kit) umożliwiają aplikacjom odczytywanie i zapisywanie pakietów bezpośrednio z przestrzeni użytkownika, całkowicie omijając jądro. Zmniejsza to opóźnienie pakietu z-milisekund do jedno-mikrosekund -, co jest wymogiem w przypadku-handlu o wysokiej częstotliwości, obsługi-płaszczyzny użytkowników 5G i obciążeń NFV, co zwiększa-szybkość łącza 100G.

 

Łączenie DMA i przerwań

Zamiast kopiowania każdego pakietu przez procesor, karta sieciowa wykorzystuje bezpośredni dostęp do pamięci do zapisywania ramek bezpośrednio do systemowej pamięci RAM. Łączenie przerwań grupuje wiele zdarzeń pakietowych w jedno przerwanie procesora, radykalnie zmniejszając obciążenie przy dużych szybkościach pakietów.

 

Wsparcie wirtualizacji

W środowiskach zwirtualizowanych SR-IOV (wirtualizacja we/wy z pojedynczym rootem) umożliwia jednej fizycznej karcie sieciowej udostępnianie wielu funkcji wirtualnych, z których każda jest przypisana bezpośrednio do maszyny wirtualnej. Omija to całkowicie przełącznik wirtualny hiperwizora, zapewniając maszynom wirtualnym niemal-zerową- wydajność sieci metalowej.

 

 

Typy kart sieciowych: praktyczna klasyfikacja

 

Według typu interfejsu - To właśnie określa okablowanie

Typ portu karty sieciowej	Złącze	Głoska bezdźwięczna	Typowa prędkość	Maksymalna odległość
RJ45 (baza-T)	RJ45	Miedź Cat5e/Cat6/Cat6a	1G / 2.5G / 5G / 10G	100m
SFP+	Dwustronny LC	Transceivery 10G SFP+lub 10GKable DAC-owe	10G	80km (światłowód) / 7m (DAC)
SFP28	Dwustronny LC	Transceivery 25G SFP28lub przetwornik cyfrowo-analogowy 25G	25G	40km (światłowód) / 5m (DAC)
QSFP+	MPO lub LC	Transceivery 40G QSFP+	40G	40km (światłowód) / 7m (DAC)
QSFP28	MPO lub LC	Transceivery 100G QSFP28lub 100GKable DAC-owe	100G	80km (światłowód) / 5m (DAC)
QSFP-DD	MPO lub LC	Transceivery 400G QSFP-DD	400G	10km+ (światłowód)

Dlaczego to ma znaczenie:Typ portu karty sieciowej określa, jakich transceiverów i kabli można używać. Wybór dwu-portowej karty sieciowej SFP28 blokuje Cię w ekosystemie SFP28 -Moduły optyczne 25G SFP28, SFP28Kable DAC-owelub SFP28Kable AOC. Wybierz źle, a będziesz kupować adaptery lub wymieniać karty.

 

Uwaga dotycząca złączy MPO i LC:Porty QSFP+ i QSFP28 oznaczone „SR4” wykorzystują optykę równoległą - cztery linie transmisji 10G lub 25G jednocześnie. To wymagaPatchcordy MPO/MTP-12z 8 lub 12 rdzeniami światłowodowymi, a nie standardowy dupleksKable LCwykorzystywane przez moduły SFP+ lub SFP28. Jeśli po raz pierwszy wdrażasz optykę 40G lub 100G SR4, istniejąca infrastruktura paneli krosowych z dwoma-włóknami nie będzie działać zgodnie z planem - dla okablowania i kaset magistrali MPO.

 

Przez interfejs magistrali - Generacja PCIe ma znaczenie

Wszystkie nowoczesne karty sieciowe serwerów korzystają z PCIe. Jednak generacja PCIe i szerokość linii wyznaczają twardy pułap przepustowości:

• PCIe 3.0x8:~64 Gb/s - wystarczające dla dwóch-portów 25G lub pojedynczego-portu 40G
• PCIe 3.0x16:~128 Gb/s - wystarczające dla pojedynczego-portu 100G
• PCIe 4.0x16:~256 Gb/s - wymagane w przypadku podwójnego-portu 100G lub pojedynczego-portu 200G
• PCIe 5.0x16:~512 Gb/s - umożliwia korzystanie z kart sieciowych 400G

Karta sieciowa 100G podłączona do gniazda PCIe 3.0 x8 fizycznie nie może zapewnić przepustowości 100G. Przed zakupem zawsze sprawdź generację i szerokość gniazda PCIe swojego serwera.

 

Według współczynnika kształtu - Karta sieciowa OCP 3.0 to nowe ustawienie domyślne

Tradycyjne karty rozszerzeń PCIe-wciąż dominują w serwerach przedsiębiorstw, ale hiperskalowe centra danych w dużej mierze przeszły na standard OCP NIC 3.0 (zarówno w obudowie typu Small Form Factor, jak i Large Form Factor). Karty sieciowe OCP podłącza się do dedykowanego gniazda mezzanine na płycie głównej serwera, zamiast zajmować standardowe gniazdo rozszerzeń PCIe. Korzyści są znaczące: możliwość-wymiany podczas pracy bez wyłączania serwera, ulepszona konstrukcja termiczna z bezpośrednim przepływem powietrza przez kartę sieciową oraz krótsza ścieżka elektryczna do procesora, co zmniejsza problemy z integralnością sygnału przy prędkościach przekraczających 100 Gb. Jeśli Twoja platforma serwerowa obsługuje protokół OCP 3.0 -, a większość nowoczesnych projektów głównych producentów ODM obsługuje -, powinien to być Twój pierwszy wybór w przypadku wdrożeń kart sieciowych 100G i 200G.

 

Według poziomu inteligencji

Standardowe karty siecioweobsługiwać podstawowe przetwarzanie pakietów ze sprzętowym odciążaniem. Nadaje się do większości zastosowań w przedsiębiorstwach i centrach danych.

Inteligentne karty sieciowedodaj programowalną jednostkę przetwarzania danych (DPU), która może wykonywać reguły zapory sieciowej, szyfrować, równoważyć obciążenie i telemetrię bezpośrednio na karcie sieciowej, uwalniając rdzenie procesora hosta na obciążenia aplikacji. W infrastrukturze chmury, w której zarabia się na każdym rdzeniu procesora, karty SmartNIC płacą za siebie poprzez odzyskiwanie rdzeni, które w przeciwnym razie obsługiwałyby OVS lub IPsec.

Karty sieciowe RDMA (RNIC)obsługuje protokoły zdalnego bezpośredniego dostępu do pamięci, takie jak RoCEv2 lub iWARP, umożliwiając przesyłanie pamięci między serwerami-do-serwerów z jednocyfrowym-mikrosekundowym opóźnieniem. W klastrach szkoleniowych GPU zbudowanych wokół akceleratorów NVIDIA H100 lub A100 karty sieciowe RDMA nie są opcjonalne -, stanowią szkielet. Każdy węzeł GPU wymaga łączności RDMA 200 G lub 400 G, aby synchronizacja gradientów all{11}reduce nie stała się wąskim gardłem szkoleniowym. Poza sztuczną inteligencją karty sieciowe RDMA są równie istotne w przypadku obciążeń HPC i systemów pamięci masowej obsługujących technologię NVMe-oF, w której jądro-omija ścieżki danych 10-krotnie zmniejszając opóźnienia w dostępie do pamięci masowej.

 

 

Jak wybrać odpowiednią kartę sieciową: ramy decyzyjne

Krok 1 - Określ wymagania dotyczące prędkości.Dopasuj go do przepustowości łącza zwrotnego przełącznika, a nie do szczytowych teoretycznych potrzeb. Jeśli Twój przełącznik ToR ma porty 25G-skierowane na serwer, właściwym wyborem będzie karta sieciowa 25G -, a nie 10G (zbyt wolno) lub 100G (marnotrawstwo).

Krok 2 - Wybierz typ interfejsu.W przypadku połączeń-w szafie o długości mniejszej niż 5 metrów sparuj kartę sieciową zKabel DAC-aw celu uzyskania najniższych kosztów i opóźnień. W przypadku połączeń między-regałami o długości do 100 metrów użyj kablaKabel AOClub nadajnik-odbiornik-o krótkim zasięguPatchcord światłowodowy LC. Do tworzenia-powiązań z-budynkami lub z kampusu używaj-długiego zasięgunadajnik-odbiornik optyczny- takie jakModuł 100G QSFP28 LR4ze światłowodem jednomodowym-iPatchcordy MPO/MTP.

Krok 3 - Sprawdź zgodność PCIe.Sprawdź generację dostępnych gniazd PCIe i szerokość linii serwera pod kątem wymagań karty sieciowej.

Krok 4 - Oceń potrzeby w zakresie odciążenia.Uruchamiasz wirtualizację z dziesiątkami maszyn wirtualnych? Nadaj priorytet wsparciu SR-IOV. Klaster szkoleniowy AI? Możliwości RDMA nie podlegają-negocjacjom. Mikrousługi-natywne w chmurze? Karta SmartNIC z programowalnym potokiem oszczędza rdzenie procesora.

Krok 5 - Zaplanuj nadmiarowość dwóch-portów.Serwery produkcyjne powinny zawsze mieć co najmniej dwa porty kart sieciowych do celów agregacji łączy (LACP) lub aktywnego-przełączenia awaryjnego w trybie gotowości. Dwuportowe karty sieciowe- zajmują-więcej miejsca niż dwie karty jedno-portowe.

 

 

Typowe błędy dotyczące kart sieciowych (i jak ich unikać)

Zakup karty sieciowej 10G RJ45 do użytku w centrum danych.Karty sieciowe 10GBASE-Karty sieciowe T zużywają o 2–5 W więcej mocy na port niż karty sieciowe SFP+ i generują znacznie więcej ciepła. W szafie z 40 serwerami oznacza to 80–200 W niepotrzebnego obciążenia termicznego. UżywaćTransceivery 10G SFP+zamiast tego z kartami sieciowymi SFP+.

Ignorowanie aktualizacji oprogramowania sprzętowego i sterowników.Błędy oprogramowania układowego karty sieciowej powodują ciche odrzucanie pakietów, błędy CRC i spadek wydajności. Dostawcy udostępniają krytyczne poprawki oprogramowania sprzętowego, które często nie są stosowane, ponieważ karta sieciowa „wydaje się działać dobrze”.

Niezgodna prędkość karty sieciowej i prędkość portu przełącznika.Karta sieciowa 25G podłączona do portu przełącznika 10G będzie-automatycznie negocjować prędkość do 10G -, ale niektóre karty sieciowe radzą sobie z tym słabo, co powoduje niestabilność łącza lub błędy CRC. Zawsze sprawdzaj zgodność prędkości lub używaj odpowiedniego sprzętu.

 

 

Często zadawane pytania

Jaka jest różnica między kartą sieciową a LOM?

LOM (LAN na płycie głównej) to podstawowy kontroler sieciowy zintegrowany z płytą główną serwera, zazwyczaj oferujący łączność 1G lub 10G Base-T. Dedykowana karta sieciowa zapewnia wyższe prędkości (25 G–400 G), zaawansowane funkcje odciążania, takie jak SR-IOV, oraz opcje interfejsu optycznego do użytku ze światłowodaminadajniki-odbiornikiIDAC/Kable AOC.

Czy w mojej karcie sieciowej mogę używać-nadajników-odbiorników innych firm?

Tak. Większość kart sieciowych firm Intel, Mellanox/NVIDIA i Broadcom akceptuje-zgodne z MSA-inne firmytransceivery optyczne. Jednakże oprogramowanie sprzętowe niektórych kart sieciowych może wyświetlać ostrzeżenia o zgodności. Renomowani dostawcy dostarczają transceivery zakodowane dla określonych marek kart sieciowych, aby zapewnić czyste działanie.

Jakiej szybkości karty sieciowej potrzebuję do obciążeń związanych ze sztuczną inteligencją i uczeniem maszynowym?

W przypadku klastrów szkoleniowych GPU (NVIDIA H100, A100 lub podobne) zazwyczaj wymaga tego każdy węzeł200Glub karty sieciowe 400G RDMA-obsługujące (RoCEv2), aby zapobiec tworzeniu się wąskich gardeł w sieci,-zmniejszając synchronizację gradientów. Obciążenia obsługujące wnioskowanie są mniej wymagające i często mogą działać w sieciach 25G–100G, w zależności od rozmiaru modelu i przepustowości żądań. Połącz szkoleniowe karty sieciowe zModuły 400G QSFP-DDdo połączeń kręgosłupa lub użytkowaniaTransceivery 100G QSFP28dla łączy typu liść-do-serwera w mniejszych klastrach.

Czy karta SmartNIC jest warta dodatkowych kosztów?

W przypadku dostawców usług w chmurze i dużych przedsiębiorstw stosujących intensywną wirtualizację sieci tak, - karty SmartNIC mogą odzyskać 4–8 rdzeni procesora na serwer, odciążając funkcje wirtualnego przełączania, zabezpieczeń i telemetrii. W przypadku standardowego wdrożenia-lokalnego z umiarkowaną wirtualizacją zwykle wystarcza standardowa karta sieciowa z obsługą SR-IOV.

Jak podłączyć kartę sieciową do okablowania światłowodowego?

Karty sieciowe z portami SFP+, SFP28, QSFP28 lub QSFP-DD wymagają pasującegooptyczny moduł nadawczo-odbiorczydo połączenia ze światłowodem. Włóż transceiver do portu NIC, a następnie podłącz odpowiednipatchcord światłowodowy - Dwustronny LCdla portów typu SFP-,MPO/MTPdla równoległej optyki typu QSFP-. W przypadku łączy-krótkodystansowych w szafach aKabel DAC-aeliminuje potrzebę stosowania zarówno transceivera, jak i światłowodu.