HQY 一个和谐有爱的空间

一、基本概念

网卡，即网络接口控制器（NIC），作为计算机、交换机、路由器等网络设备与外部网络连接的桥梁，扮演着至关重要的角色。它不仅能在物理层进行信号传输，还能在网络层传递数据包，是计算机/服务器与数据网络之间的关键媒介。当用户请求一个web页面时，正是局域网卡从用户设备中获取数据，并负责将其发送至网络服务器，同时接收所需数据并展示给用户。在数据中心服务器领域，目前市场上主流的网卡类型包括以太网卡和IB网卡。
1、网卡的构成

网卡的构成主要包含以下几个部分：物理层芯片、数据链路层芯片、控制单元以及存储单元。其中，物理层芯片负责信号的传输与接收，数据链路层芯片则处理数据包的封装与解析，而控制单元和存储单元则共同协作，实现对数据的传输与接收、网络配置以及性能监控等功能的全面控制。这些部分的协同工作，确保了网卡能够高效、稳定地完成其网络连接任务。

网络适配器通常包含以下组件：控制器、boot ROM插槽、一个或多个网卡端口、主板接口、LED指示灯、支架以及其他电子元件。这些组件各自承担着独特的功能：

• 控制器：作为网卡的核心，它直接决定了网卡的性能。控制器类似于小型CPU，主要负责处理接收到的数据。

• Boot ROM插槽：此插槽用于启用Boot ROM功能，该功能允许无盘工作站连接到网络，从而增强安全性并降低硬件成本。

• 网卡端口：通常，该端口会直接与以太网线或光模块相连，负责产生和接收网线或光纤跳线上的信号。

• 总线接口：位于电路板侧面，也被称为“金手指”的总线接口，可以插入计算机主板的扩展槽中，实现网卡与计算机或服务器之间的连接。

• LED指示灯：这些指示灯用于向用户显示网卡的工作状态、网络连接状态以及数据传输情况。例如，Link/Act指示灯表示连接活动状态，Full指示灯显示是否处于全双工模式，而Power指示灯则指示电源状态。

• 支架：支架用于将网卡固定在计算机或服务器的扩展槽中。在PCI网卡市场上，常见的支架类型包括高120mm的全高支架和高79.2mm的半高支架。
  2、以太网卡

以太网卡，作为网络适配器的一种，是插入主板插槽的卡，专门为以太网协议标准设计。每块以太网卡都拥有独一无二的全球物理地址，即MAC地址，它使得数据能够依据网卡的MAC地址被精确地发送到目标计算机。以太网卡的分类多种多样，可以根据硬件形态、网络接口类型以及传输速率等来进行划分。

在硬件形态方面，以太网卡主要分为PCIe、OCP2.0/3.0等类型，其中PCIe和OCP3.0是当前市场上的主流形态。这两种形态的主要区别在于其硬件设计，如图所示，左侧为OCP3.0形态，右侧则为PCIe形态。


OCP网卡以其直接插拔的便捷性和节省整机PCIe插槽的优势，为其他卡类功能提供了更多可能。相比之下，PCIe网卡则需要打开机型盖进行安装。在PCle插槽内，通道数量决定了PCle卡的规格，常见的物理规格包括x1、x4、x8、x16和x32，例如，PCle x8卡意味着该卡拥有八个通道。随着通道数的增加，PCIe的带宽也在不断提升，涵盖了PCIe 1.0至PCIe 7.0的不同版本，且所有版本均支持向后兼容。

此外，网络接口类型也是以太网卡分类的重要依据之一。电口以太网卡使用普通网线与以太网交换机连接，而光口以太网卡，通常被称为光纤以太网卡或光纤适配器，则遵循光纤以太网通信协议，通过光纤线缆与光纤以太网交换机相连，是当前应用最为广泛的网卡类型。


网卡速率是衡量网卡性能的重要指标，涵盖了1G、10G、25G、40G、50G、100G以及200G等多个档次。目前，5G和100G网卡正在逐步向25G和100G的更高速度演变和切换，以满足不断增长的网络需求。

3、IB网卡

InfiniBand，这一计算机网络通信标准，最初旨在解决高性能计算环境中集群数据传输的瓶颈问题。它被设计为高端应用，以高性能通信为主要目标，而非简单的互连互通。InfiniBand采用分层的协议栈，类似于OSI七层协议模型，为服务器节点间提供了私有的、受保护的直连通道。在这个通道中，数据和消息的传递绕过了CPU，直接通过RDMA进行，从而实现了接收和发送功能的卸载。物理上，IB网卡通过PCIe接口与CPU内存相连，提供了比其他通讯协议更高的带宽、更低的时延和更强的可扩展性。

在InfiniBand体系中，IB网卡扮演着至关重要的角色。它也被称为HCA（Host Channel Adapter），是服务器/存储设备等InfiniBand端节点与网络连接的桥梁。HCA不仅负责地址转换，还允许应用程序直接访问硬件队列结构，实现高效的数据传输。这种地址转换机制使得HCA能够代表用户级应用访问内存，将虚拟地址转换为物理地址进行信息传输。
InfiniBand网卡的优势主要体现在以下几个方面：

首先，它为服务器和存储系统提供了高性能且可扩展的互连方案。在高性能计算、Web 2.0、云计算、大数据处理、金融服务以及虚拟化数据中心和存储应用等领域，InfiniBand网卡能显著提升性能，缩短任务完成时间，降低整体流程成本。

其次，对于需要高带宽、高消息传输速率和低延迟的HPC集群而言，InfiniBand网卡是理想的选择。它能有效提升服务器效率和应用程序的生产力。

此外，InfiniBand网卡通过将CPU的协议处理和数据移动任务卸载到互连网络上，从而极大提升了CPU的运行效率，使得高分辨率模拟、超大数据集以及高度并行化算法能够得到超快速的处理。

然而，值得注意的是，InfiniBand网卡的应用需要搭配相应的IB交换机、cable等设备，且其成本相对较高。因此，在选择是否使用InfiniBand网卡时，需要综合考虑业务实际网络需求，如网络带宽、单机网卡数量、端口速率、端口数量、主机接口类型以及是否需要Socket-Direct或Multi-host功能支持等因素。
4、以太网与InfiniBand的对比

以太网与InfiniBand在性能和应用场景上各有千秋。接下来，我们将探讨这两种网络技术的对比。

1. 兼容性广泛：以太网支持使用标准的设备、线缆和接口卡，使得网络构建更为便捷。

2. 成本优势：以太网在性价比方面表现出色，且后期维护成本相对较低，为企业节省了大量资金。

然而，以太网也存在一些不足之处。在性能方面，尽管它具有低延迟和高吞吐量的特点，但在某些需要极高带宽的应用场景下，其性能可能略显不足。

1. 延时相对较大：与某些其他网络技术相比，以太网在延时方面可能稍显逊色。

2. 带宽不及IB网络：在需要极高带宽的应用场景下，以太网可能无法与IB网络等高性能网络技术相媲美。

3. 设备互联成本高昂且厂商选择有限；

4. 与外部集群通信时，需要在以太网和IB网络间频繁转换设备；

5. 带宽需求主要面向终端设备互连，因此对带宽要求不高；

6. 高性能计算服务器间的互连不仅要求网络互通，还需考虑在高速传输时如何减轻对CPU的负担；

7. 时延是关键指标，特别是在实时性要求高的应用场景中。