3.6.4. Mrežna kartica

Sklop, koji skupa s konektorima i ožičenjem, tvori fizičku izvedbu OSI modela protokola i predstavlja sučelje (interface) između računala i u sklop ugrađenog komunikacijskog sustava, naziva se mrežna kartica (Network Interface Card - NIC). Ono što mrežnu karticu čini kvalitetnom je njen vlastiti procesor koji vodi brigu o načinu povezivanja s mrežnim medijem i komunikaciji. Ako je veći dio ovih fundamentalnih poslova prepušten mikroprocesoru, omogućava se dizajn jeftinije mrežne kartice, što je za računalo korisnika prihvatljivo ali ne i za poslužitelj. Programska potpora, koja vodi računa o protokolima, zajedno s karticom tvori sučelje između računalne i komunikacijske podmreže.

IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineering) je utemeljio niz načina na koji mrežne kartice prenose podatke preko medija, najčešće raznih vrsta vodova, prihvaćenih od strane ISO a odnose se na razne računalne platforme.

Poznati su standardi pod oznakom 802.1 do 802.11 pa nadalje koji u suštini definiraju različite topologije i načine prijenosa podataka, uopćeno:

• 802.1
  Definira odnose između IEEE standarda i ISO modela.
• 802.2
  MAC (Medium Access Control) podsloj i LLC (Logical Link Control) protokoli; Standard komunikacije u sloju veze i povezivanja. Opisuje mehanizam pristupa mediju i logički mehanizam kontrole podataka i njihovog prihvata i odašiljanja (prijenosa). Standardi nadalje opisuju fizičke slojeve OSI modela.
• 802.3
  CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection); Sabirnički standard, Protokoli kod kojih stanice osluškuju medij za prijenos tj. što rade druge stanice i ovisno o tome šalju podatke ili ne, te mehanizam ispitivanja zauzetosti medija mreže i ako je medij zauzet ne pristupa se mreži da ne dođe do kolizije, najčešće korišten kod ethernet-a.
• 802.4
  Token Bus; Mehanizam odašiljanja paketa od postaje do postaje u koji pošiljatelj 'stavi' podatke i adresu (kod) odredišne postaje i koji odredište preuzima kad paket (ponegdje nazvan 'žeton') stigne do njega i kad se adresa u paketu slaže s adresom odredišta. Redoslijed odašiljanja postajama je slučajan.
• 802.5
  Token Ring; Mehanizam sličan prethodnom s razlikom da 'žeton' stalno putuje u krugu u istom smjeru. Koristi se kod topologije tipa prstena.
• 802.6
  DQDB (Distributed Queue Dual Bus); Standard koji podržava komunikaciju kroz svjetlosna vlakna, potpora mrežama tipa MAN (Metropolitan Area Network) i WAN (Wide Area Network), odnosno za gradske i državne-međudržavne mreže.
•  
•  
• 802.11
  DSSC (Direct Sequence Spread Commission); Koristi se CSMA / CA tehnologija (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance). Način i brzina komunikacije prepoznaju se prema standardu na kojeg ukazuje sufiks koji slijedi (a, b, g, n, ac, ax). Standard koji podržava bežičnu komunikaciju razvijen u nekoliko inačica s radnim frekvencijama od 2.4 GHz i 5 GHZ i brzinama od 1-150 Mbps (do n standarda) ili pak do 1.7 Gb/s za četverokanalni standard (ac standard). Ovom standardu pripadaju Wi‑Fi uređaji koji rade prema specifikacijama ustanovljenim radi bolje interoperabilnosti kojih se pridržava par stotina kompanija (3Com, Cisco ...). Standardno se koristi mehanizam pozitivne potvrde konekcije (ACK - explicit packet acknowledgment), koji zahtijeva da se prvo provjeri stanje medija kako bi se utvrdila njegova raspoloživost.
  
  
  • 802.11g (Wi‑Fi 3) Godine 2002. i 2003. na tržištu su se pojavili WLAN proizvodi koji podržavaju noviji standard nazvan 802.11g. 802.11g pokušava kombinirati najbolje od 802.11a i 802.11b. 802.11g podržava propusnost do 54 Mbps, a koristi frekvenciju od 2.4 GHz za veći domet. 802.11g je unatrag kompatibilan sa 802.11b, što znači da će pristupne točke 802.11g raditi s 802.11b bežičnim mrežnim adapterima i obrnuto.
    
    
  • 802.11n (Wi‑Fi 4) Ponekad poznat kao Wireless N, dizajniran je da poboljša 802.11g u količini propusnosti koju podržava, korištenjem nekoliko bežičnih signala i antena (nazvanih MIMO tehnologija) umjesto jedne. Grupe za industrijske standarde ratificirale su 802.11n 2009. sa specifikacijama koje osiguravaju do 600 Mbps mrežnog pojasa. 802.11n također nudi nešto bolji domet u odnosu na ranije Wi‑Fi standarde zbog povećanog intenziteta signala, a kompatibilan je s 802.11a/b/g opremom unatrag.
    
    
  • 802.11ac (Wi‑Fi 5) Generacija Wi‑Fi mreže koja je prva 2014. godine signalizirala popularnu upotrebu, 802.11ac koristi dvopojasnu bežičnu tehnologiju, podržavajući istodobne veze na Wi‑Fi uređajima od 2.4 GHz i 5 GHz. 802.11ac nudi kompatibilnost unatrag sa 802.11a/b/g/n i propusnost do 1'300 Mbps na opsegu od 5 GHz plus do 450 Mbps na 2.4 GHz. Većina kućnih bežičnih usmjerivača usklađena je s ovim standardom.
    
    
  • 802.11ax (Wi‑Fi 6) Označen kao Wi‑Fi 6, standard 802.11ax pokrenut je 2019. godine i zamijenit će 802.11ac kao de facto bežični standard. Wi‑Fi 6 ima maksimalnu brzinu od 10 Gbps, troši manje energije, pouzdaniji je u zagušenim okruženjima i podržava bolju sigurnost. Wi‑Fi 6 ima maksimalnu brzinu od 10 Gbps, troši manje energije, pouzdaniji je u zagušenim okruženjima i podržava bolju sigurnost.
    
    
  • 802.11ax (Wi‑Fi 6E) Unaprijeđena verzija 802.11ax pokrenuta je 2020. godine kojoj je gornja granica područja od 5 GHz povečana s 6 GHzna 7 GHz, dakle ima uz frekventno područje od 2.4 GHZ i prošireno frekventno područje 5-7 GHz.
    
    
  • 802.11be (Wi‑Fi 7) Koristi fleksibilno korištenje kanala. Napredna tehnologija koja se temelji na korištenju preambule kako bi se izbjegli kanali s smetnjama, što rezultira mogućnošću korištenja širih kanala i u slučaju smetnji. Wi‑Fi 7 može pružiti ogromnu propusnost zahvaljujući širem kanalu i povećanju kapaciteta od 6 GHz spektra. Wi‑Fi 7 može isporučiti vršne brzine od preko 40 Gbps, što je 4X više u odnosu na Wi‑Fi 6E.
    
•  
•  
• 802.16
  WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access); Bežična tehnologija koja omogućava širokopojasni bežični pristup internetu unutar frekventnog spektra od 2-11 GHz. Omogućava širokopojasni pristup bez potrebe ostvarivanja izravne optičke vidljivosti, LOS - Line of Sight, između predajne i prijamne antene. Unutar polumjera od 8 km osigurava se korisnicima za zajedničku uporabu ukupna propusna moć od preko 75 Mbps. Dakle, raspoloživi resursi dijele se na trenutno prisutan broj korisnika unutar zemljopisnog radnog područja. Usput, u dijelu ovog frekventnog područja rade i mikrovalne peći koje 'kuhaju ručak' :-). Definiraju se dva standarda, jedan je za fiksnu bežičnu mrežu i drugi za mobilnu mrežu. S vremenom obje verzije se razvijaju koristeći dodatne frekventne spektre i naprednije komunikacijske standarde što je naročito interesantno za uvođenje 5G tehnologije za Pokućni Internet i pametne telefone (mobitele).
•  

Kartica ima zadaću povezati računala u mrežu iste topologije. Povezivanje mreža različite topologije može se obaviti umetanjem više kartica za različite topologije u poslužitelj od kojih svaka 'opslužuje' svoju topološku granu. Naravno, tada mrežna programska potpora treba da podržava različite mrežne sustave. Mrežni sustav tipa NetWare u svojoj strukturi ima implementiranu potporu u poslužitelju za obavljanje zadaća mosta i usmjerivača te je dovoljno umetnuti raznolike kartice.

PC mrežna kartica konfigurira se najčešće za jedan od tipova U / I sabirnice (ISA, VLB ili PCI) i najčešće podržava ISA ili PCI sabirnicu koje u potpunosti zadovoljavaju zahtjeve glede mrežne komunikacije. Mreža kartica na pročelju imati će jedan ili više tipova priključaka:

             1.) THIN ETHERNET (tanki) koaksijalni kabel - sabirnička
                 topologija uz 'transiver' (primo-predajnik) ugrađen na
                 kartici. Koaksijalni kabel se preko BNC-T člana vezuje
                 direktno na karticu; ima veću imunost na šum, tipičan za
                 sabirničku topologiju. Rješenje je prilično jeftino, ali
                 ne trpi loše energetsko uzemljenje. Prekid ili oštećenje
                 kabla uzrokuje potpunu nefunkcionalnost cijele mreže.

             2.) TWISTED-PAIR (usukane parice) 8 žilni kabel - zvijezdasta
                 topologija s HUB uređajem (prometnim središtem) i RJ45 
                 PTT tipom konektora za telefon. Mogu biti oklopljene-STP
                 i neoklopljene-UTP; jeftinije su i lakše za instalaciju.
                 Sve veću popularnost dobiva ne samo zbog relativno
                 jeftinih vodova već i zbog velikog pada cijena aktivnih
                 mrežnih uređaja. Pouzdanost mreže je znatno veća u odnosu
                 na sabirničku topologiju.

             3.) THICK ETHERNET (debeli) koaksijalni kabel + 'TRANSCEIVER'
                 uređaj koji se povezuje s mrežnu karticu pomoću 'transceiver'
                 kabela (15 pinski AUI konektor). Rješenje koje se u načelu
                 više ne koristi i traži kvalitetno energetsko uzemljenje.
                 Prekid ili oštećenje kabla uzrokuje potpunu
                 nefunkcionalnost cijele mreže.

Kartica koja sadrži više tipova priključaka uobičajeno se naziva kombinirana (combo) mrežna kartica.

Slika* 3.6.17 Pročelje 'Combo' PC NIC / Izvedbe NIC. ( + / - )

Naravno, nije moguće istovremeno uporabiti više načina priključivanja mrežne kartice na mrežu već samo jedan od njih. U konfiguracijskoj datoteci kartice treba definirati s kojom vrstom priključka će kartica raditi. Kada NIC nema odgovarajući konektor za spajanje s prijenosnim medijem, koristi se AUI (Attachment Unit Interface) konektor koji omogućava spajanje različitih medija uz odgovarajuće transceiver-e (pretvornike). Tranceiver je u osnovi primo-predajnik, a može i vršiti pretvorbu signala jedne prirode u drugu (električki u optički). Kako je primo-predajnik podrazumno je da ima dvosmjernu komunikaciju. Osim navedenog, mrežna kartica može biti istovremeno aktivna (konfigurirana) samo u jednoj mreži bez obzira na protokol koji koristi.

Kartica s višestrukim sučeljem, kao prikazana na prethodnoj slici, obično se naziva 'combo'-kombinirana. Funkciju pretvornika kod 10base2 i 10base-T odrađuje elektronika ukomponirana na tiskanoj ploči mrežne kartice.

Posebnost glede navedenog su:

             4.) FIBER-OPTIC (svjetlovodi) - unutar kabela ima više
                 optičkih vlakana jer optovod podržava samo jednosmjernu
                 komunikaciju. Daju dobru sigurnost zbog otpornosti na
                 vanjske elektromagnetske utjecaje i veliku brzinu
                 prijenosa podataka, ali su vrlo skupi. Mrežne kartice ovog
                 tipa koriste sustavi za pohranu ogromne količine podataka.

             5.) WIRELESS (bežična komunikacija) - Svakodnevno je sve
                 zastupljenija vrsta komunikacije koja omogućava spajanje
                 PC računala preko PCI ili PCMCII mrežne kartice.
                 Postoje i verzije USB uređaja koji služe kao bežični
                 komunikacijski uređaj ili još sadrže pretvarač za
                 pretvorbu bežične komunikacije u žičnu komunikaciju.
                 Najčešće se koriste kod prijenosnih računala.

Trenutno je najraširenija uporaba RJ45 priključka, odnosna zvjezdasta arhitektura mreže. Naime pad cijena HUB i SWITCH uređaja u potpunosti je istisnuo tanki ethernet kabel u mrežnim konfiguracijama upravo zbog nepouzdanosti sabirničke mrežne topologije. Debeli ethernet kabel koristi se još jedino u starim sustavima ako su u funkciji. Osim toga bolji HUB je u stanju prepoznati koja mrežna kartica ili koji kabel nisu ispravni i automatski taj priključak iskopčati iz sustava. Switch ima dodatne mogućnosti, bolje opisane u poglavlju o Intranet-u.

Svakoj mrežnoj kartici dodjeljuje se jedinstveni sklopovski broj (MAC adresa - Media Access Control) kojeg se određenom komandom OS može očitati kao heksadekadni zapis, na primjer 08:00:20:7b:2b:36 (48 bit-a), ako je računalo uključeno i aktivno na mreži. Posebna međunarodna organizacija dodjeljuje skup brojeva proizvođačima mrežnih kartica, tako da ne postoje dvije kartice na svijetu s istim sklopovskim brojem. Na taj način izbjegavaju se 'nesuglasice' između kartica u mrežnom prometu. Prvih 6 heksadekadnih brojki MAC adrese označava proizvođača, a narednih 6 jedinstveni broj kartice tog proizvođača. Kako ne postoji zakonska obveza o registraciji prodane mrežne kartice taj podatak ne pomaže mnogo u otkrivanju 'zločestih' korisnika mreže. Pošto NIC u radu koristi MAC adresu spada u uređaje 2. sloja OSI modela, naravno uz sklopove 1.sloja. Transceiver (pretvornik) spada u uređaje 1. sloja jer radi samo sa signalima a ne i s adresama.

NIC ima slijedeće funkcijske dijelove:

• Modul odašiljanja-prijema
  U suštini to su predajni i prijemni sklopovi signala s podacima.
• Modul kodiranja-dekodiranja
  Omogućava umetanje bit-ova sinkronizacije u slijed s podacima pred samo odašiljanje, kako bi se u prijemu održavala sinkronizacija s predajom i izdvajanje podataka u prijemu.
• Modul pristupa mediju (MAC)
  Najvažniji modul, u odašiljanju generira odredišnu adresu, kontrolno i CRC polje FRAME-a, a u prijemu obradu adrese FRAME-a i njegov prijem te otkrivanje greške i postupak u slučaju greške. Algoritam rada modula omogućava u tu svrhu dizajniran mikroprocesor s pripadnom memorijom u kojoj je upisan MAC algoritam.
• Buffer-e za FRAME
  Priručna memorija u koju se upisuje FRAME pred odašiljanje ili se čuva netom primljeni FRAME. Veličina joj je od par kB do MB.
• Međuvezu prema sabirnici (računalu)
  Predstavlja sklopove koji će uputiti podatke na sabirnicu računala u za to njemu prepoznatljivoj formi ili obratno. Stoga su dizajnirani za ISA, EISA, MC i druge vrste sabirnica. To znači da se kartica za jednu vrstu računala ne može uporabiti u drugoj.

Sklopovske postavke NIC su:

• Broj prekida (interrupt)
  Kad NIC primi podatke obavještava CPU postaje o prispijeću podataka putem signala prekida - IRQ. Po prijemu signala prekida CPU zaustavlja tekuću zadaću, zapisuje gdje je stao, ispituje na kojem je vodu nastao prekid, te prema broju prekida i tablici vektora prekida pokreće pripadnu servisnu programsku rutinu koja zna kako da obradi primljeni paket i kojoj CPU prepušta kontrolu. Odabir IRQ je obično 5, jer vrlo rijetko računala koriste LPT2, ili je PnP (Plug aNd Play - umetni i radi) ako NIC, BIOS i OS to podržavaju.
• DMA ili DMM (Direct Memory Mapping - Shared Memory)
  NIC može koristiti jedan od DMA kanala za transfer podataka iz buffer-a NIC u memoriju računala ili mapiranjem memorije buffer-a NIC u područje memorije u rasponu od 640 kB-1 MB. Tada treba odrediti početnu adresu buffer-a NIC i njegovu veličinu.
• I/O port adresa
  I/O adresa mora se izabrati da ne bude u sukobu s već postojećim uređajima npr. 300 ili će se sama postaviti ako su NIC, BIOS i OS tipa PnP (Plug aNd Play).

Po brzini prijenosa podataka u računalu DMM je najbrži način, slijedi I/O port te DMA. Moguća je uporaba i kombinacije navedenih.

Svakoj kartici umetnutoj u slot matične ploče treba dodijeliti slobodni IRQ broj i adresu (npr. IRQ=5, U / I adresa=300H), te premoštenjima odrediti koji će se tip konektora (veze) koristiti, prisutnost BOOT ROM-a za postaje bez OS na disku i slično. Ako se u slot-ove računala umeće više kartica svaka se pojedinačno mora konfigurirati na različite prekide i adrese jer to je u suštini više uređaja. Ova zadaća se pojednostavnjuje uporabom PnP kartica nove generacije koje, u zajednici s BIOS-om novije generacije, OS automatski podešava.

Većina modernih matičnih ploča za računala ima ugrađene UTP mrežne kartice, a kad su u pitanju prijenosna računala (laptop) nerijetko posjeduju modemski priključak (RJ11), UTP priključak (RJ45) te mogućnost bežičnog povezivanja po CSMA / CA tehnologiji prema Wi‑Fi 802.11x standardu za veze do približno 100 m i BLUETOOTH tehnologiji (radio veza na 2.4 GHz) za bliske veze do 10 m. Za veće udaljenosti (WAN), preko 10 km, namijenjena je WiMax tehnologija za bežične veze utemeljena na 802.16 standardu koja nije zamjena za Wi‑Fi standard kojeg na primjer koristi SOHO okruženje. Dakle, izvedba mrežnih kartica vrlo je različita ovisno o njenoj namjeni, radnom protokolu i sučelju.

U odnosu na blok shemu prikazanu na slici 7.4.9, bežična kartica ima dodatne uređaje koji vrše modulaciju i demodulaciju VF signala s digitalnim signalom prijemnika i predajnika mrežne kartice uz enkripciju sadržaja glede njegove zaštite od čitanja i sigurnosni mehanizam pristupa mreži.

SAŽETAK:

Bez sumnje mrežna kartica vrlo je važan komunikaciski uređaj. Ako se pogledaju pažljivo mrežne kartice na slici 3.6.1c može se primjetiti da neke imaju veliki čip ugrađen na štampanoj ploči, kao kartica prikazana na slici 4.6.48d. To znači da imaju vlastiti procesor (prema shemi na slici 7.4.9) koji nadgleda komunikaciju, te koriste vlastiti DMA kanal (Remote DMA - RDMA). U računarstvu, daljinski pristup izravnoj memoriji (RDMA) je izravni pristup memoriji iz memorije jednog računala u drugi, bez učešća njihovih operativnih sustava. To omogućuje veliku propusnost i umrežavanje niske latencije.

RDMA podržava umrežavanje omogućavajući da mrežni adapter prijenos podataka vrši izravno ili iz priručne memorije, eliminirajući potrebu za kopiranje podataka posredstvom programske potpore i međuspreme podataka u operativnom sustavu. Takvi transferi ne zahtijevaju rad od strane procesora, međusprema, ili preklopnika (switch) i transfer podataka se odvija paralelno s drugim radnjama operativnog sustava. Kad program koji obavlja RDMA čita ili piše zahtjev, podaci se isporučuju izravno na mrežu, čime se smanjuje latencija i omogućava brz prijenos poruka.

Dakle, kvalitetna mrežna kartica ima vlastiti prijemnik (RX) i predajnik (TX) prema standardima za TCP / IP komunikacijski skup protokola te moguće još neke dodatne (kao IPX / SPX). Mrežne kartice ugrađene na matičnu ploču uglavnom nemaju navedenu osobitost, i za odvijanje komunikacije koriste se resursima CPU i mogućnostima operativnog sustava.