Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 121
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Сети (МИФИ) » Домашние задания (по сетям МИФИ)

«Элементная (ИМС) база и архитектура «умных» сетевых адаптеров»
Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»
Отчет по Домашнему Заданию №1
по курсу “Сети компьютеров”
на тему:

«Элементная (ИМС) база и архитектура «умных» сетевых адаптеров»




Подготовил студент группы А9-11
Галимов А.М.
Проверил доцент кафедры №27
Лапшинский В.А.


Москва
8.10.2014_v.2.0

Оглавление

Оглавление.....................................................................2
Реферат..............................................................................3
Список определений, обозначений и сокращений................4
Введение............................................................................5
Назначение и функции сетевого адаптера............................6
Развитие сетевых адаптеров................................................9
Дополнительные функции «умных» сетевых адаптеров........13
Тенденции развития «умного» сетевого оборудования.........20
Заключение........................................................................22
Литература.........................................................................23


Реферат


Этот отчет посвящен «умным» сетевым адаптерам, их применению, функциональным возможностям. Рассмотрены примеры архитектур разных сетевых адаптеров.
Число страниц: 24
Рисунков: 6
Источников в списке литературы: 9
Ключевые слова: «умный» сетевой адаптер


Список определений, обозначений и сокращений


NIC - Network Interface Card (Сетевая карта).
МАС - Media Access Control (уникальный идентификатор).
LLC - Logical Link Control (подуровень управления логической связью).
NRZI - Потенциальный код с инверсией при единице.
MLT-3 - Multi Level Transmission (кодирование, ис-пользующее три уровня сигнала).
FDDI - Fiber Distributed Data Interface (волоконно-оптический интерфейс передачи данных).
RMON - протокол мониторинга компьютерных сетей.


Введение


Основной тенденцией развития современной вычислительной техники является совершенствование и дальнейшее распространение сетевых технологий. Современные предприятия развертывают эффективные IT-инфраструктуры на основе сетевых технологий. Для объединения различных устройств вычислительной техники в сеть необходимы сетевые адаптеры. Современные сетевые адаптеры способны обеспечить стабильное подключение к сети и надежную передачу данных. В связи с развитием компьютерной техники возникает потребность не просто передачи данных, а также некоторая ее обработка и оптимизация. Без ис-пользования дополнительных «умных» функций сетевых адаптеров в скором времени будет невозможна организация эффективного сетевого взаимодействия.


Назначение и функции сетевого адаптера

Сетевой адаптер (NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами [1].



Рисунок 1.Структурна схема типового сетевого адаптера


Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации. Передача данных из компьютера в кабель состоит из следующих операций :
• Оформление кадра данных МАС-уровня, в ко-торый инкапсулируется кадр LLC. Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.
• Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скрэмблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Этот этап используется не во всех протоколах - например, технология Ethernet 10 Мбит/с обходится без него.
• Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом - манчестерским, NRZI, MLT-3 и т. п.
Прием кадра из кабеля в компьютер включает сле-дующие действия:
• Прием из кабеля сигналов, кодирующих бито-вый поток.
• Выделение сигналов на фоне шума. Эту опера-цию могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP. В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.
• Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межу-ровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра из-влекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти
Сетевые адаптеры различаются по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определенной сетевой технологии (например, Ethernet). В связи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи данных (тот же Ethernet поддерживает коаксиальный кабель, неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель), сетевой адаптер может поддерживать как одну, так и одновременно несколько сред. В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы.
Сетевые адаптеры (NIC) для PC выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card [2]. Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC и шине USB, их преимущество — отсутствие потребностей в системных ресурсах (портах, прерываниях и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток — при обмене они значительно загружают процессор и не обеспечивают высокой скорости передачи. Сетевые адаптеры интегриру-ются и в некоторые модели системных плат.


Развитие сетевых адаптеров


В качестве примера классификации адаптеров ис-пользуем подход фирмы 3Com, имеющей репутацию лидера в области адаптеров Ethernet [3]. Фирма 3Com считает, что сетевые адаптеры Ethernet прошли в своем развитии три поколения.
Адаптеры первого поколения были выполнены на дискретных логических микросхемах, в результате чего обладали низкой надежностью. Они имели буферную память только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптера, так как все кадры передавались из компьютера в сеть или из сети в компьютер последовательно. Кроме этого, задание конфигурации адаптера первого поколения происходило вручную, с помощью перемычек. Для каждого типа адаптеров использовался свой драйвер, причем интерфейс между драйвером и сетевой операционной системой не был стандартизирован.
В сетевых адаптерах второго поколения для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. При этом следующий кадр загружается из памяти компьютера в буфер адаптера одновременно с передачей предыдущего кадра в сеть. В режиме приема, после того как адаптер полностью принял один кадр, он может начать передавать этот кадр из буфера в память компьютера одновременно с приемом другого кадра из сети. В сетевых адаптерах второго поколения широко используются микросхемы с высокой степенью интеграции, что повышает надежность адаптеров. Кроме того, драйверы этих адаптеров основаны на стандартных спецификациях.
В сетевых адаптерах третьего поколения (к ним фирма 3Com относит свои адаптеры семейства EtherLink III) осуществляется конвейерная схема обработки кадров. Она заключается в том, что процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени. Таким образом, после приема нескольких первых байт кадра начинается их передача. Это существенно (на 25-55 wacko повышает производительность цепочки оперативная память - адаптер - физический канал - адаптер - оперативная память. Такая схема очень чувствительна к порогу начала передачи, то есть к количеству байт кадра, которое загружается в буфер адаптера перед началом передачи в сеть. Сетевой адаптер третьего поколения осуществляет самонастройку этого параметра путем анализа рабочей среды, а также методом расчета, без участия администратора сети. Самонастройка обеспечивает максимально возможную производительность для конкретного сочетания производительности внутренней шины компьютера, его системы прерываний и системы прямого доступа к памяти.
Адаптеры третьего поколения базируются на спе-циализированных интегральных схемах (ASIC), что повышает производительность и надежность адаптера при одновременном снижении его стоимости. Компания 3Com назвала свою технологию конвейерной обработки кадров Parallel Tasking, другие компании также реализовали похожие схемы в своих адаптерах. Повышение производительности канала "адаптер-память" очень важно для повышения производительности сети в целом, так как производительность сложного мар-шрута обработки кадров, включающего, например, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, глобальные каналы связи и т. п., всегда определяется производительностью самого медленного элемента этого маршрута. Следовательно, если сетевой адаптер сервера или клиентского компьютера работает медленно, никакие быстрые коммутаторы не смогут повысить скорость работы сети.
Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит ASIC, выполняющая функции МАС-уровня, а также большое количество высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга RMON, схема приоритезации кадров, функции дистанционного управления компьютером и т. п. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор.


Дополнительные функции «умных» сетевых адаптеров

В настоящее время широко используются виртуальные машины, в том числе гипервизоры [4]. Гипервизор – программа, позволяющая параллельное выполнение нескольких операционных систем на одном и том же компьютере. Гипервизор обеспечивает изоляцию ОС друг от друга. Уровень изоляции во многом связан с виртуализацией сетевого уровня. Для поддержки виртуализации используют «умные» сетевые адаптеры, которые должны включать в себя высокопроизводительные процессоры, такие как Chelsio’s Unified Wire Engine, Netronome’s NFP-32xx, Cavium Octeon, а также, может быть, FPGA-чип [5].


[/c]Рисунок 2 Блок-схема чипа СнК Cavium Octeon CN38xx

На рисунке 2 изображена СнК на базе многоядерного процессора фирмы Cavium [6]. Процессор Octeon CN3860 имеет MIPS64 архитектуру, суперскаляр, 5-ступенчатый конвейер. Кроме стандартных команд в нем есть специальные инструкции для ускорения сетевой производительности. Выполненный по технологии 0.13мкм 16-ядерный Octeon CN3860 имеет тактовую частоту 600 Мгц и потребление 30 Вт (!).
Ведущим поставщиком сетевого оборудования в США является фирма Interface Master Technologies, которая располагается в самом центре Силиконовой Долины. Одним из примеров, можно сказать, интеллектуального сетевого адаптера является Niagara 710.


Рисунок 3 Внешний вид СА Niagara 710


Рисунок 4 Блок-схема Niagara 710

Современные сети центров обработки данных со-стоят из физических сетей соединенных с помощью переключателей и виртуальных сетей, образованных виртуальной машиной, работающей внутри физиче-ских хостов. На рисунке 1 представлена сеть вирту-альной машины на физическом хосте. Там может быть больше, чем 120 виртуальных машин, и каждая виртуальная машина имеет хотя бы один виртуальный сетевой адаптер (ВСА). ВСА общается с внешними сетями через физические сетевые адаптеры хоста. Мультиплексирование трафика между ВСА и СА достигается программным обеспечением.



Рисунок 5 Пример коммутации виртуальных машин к хосту

Помимо выполнения базовых функций [7], «умные» адаптеры могут обеспечивать дополнительные функциональные возможности:
• - поддержка полнодуплексного обмена — одновременного приема и передачи кадров. Для современных карт это естественно (как и поддержка управления потоком в этом режиме по протоколу 802.3x), однако старые карты из-за архитектурных ограничений могли и не поддерживать этот режим;

• - «интеллектуальное» согласование режима (smart autosence) позволяет устанавливать ско-рость и режим (полный дуплекс) не только по результатам обмена с партнером, но и с учетом качества соединительного кабеля. Сюда же относятся функции автоматического управления назначением контактов разъема (включение внутреннего перекрещивания линий), а также автоматической коррекции полярности сигнала в парах (на случай соединения неправильным кабелем);
• - поддержка маркированных кадров — приоритизация трафика по 802.1p и маркированные ВЛС ( Tagged VLAN по IEEE 802.3 Q ). Поддержка ВЛС позволяет узлу, подключенному одной линией к коммутатору, быть членом нескольких ВЛС, определенных на всей локальной сети;
• - поддержка объединения линий (Port Trunking)(для нескольких карт при соответст-вующей программной поддержке);
• - поддержка резервирования линий (Resilient Link) — резервный адаптер и линия связи заме-няют основной канал в случае его отказа. При этом резервному адаптеру присваивается MAC-адрес основного, чтобы сеть «не заметила» подмены. Резервирование линий должно поддерживаться программными драйверами, чтобы замена происходила прозрачно и для серверных приложений
• - «самоизлечивающиеся» драйверы (self-healing drivers ) в случае обнаружения проблем функ-ционирования («зависании») могут автоматиче-ски выполнить сброс и повторную инициализа-цию адаптера;
• - аппаратный подсчет контрольных сумм IP-пакетов (Fast IP) позволяет ускорять работу протокольного стека TCP / IP.
• - пробуждение по сети (remote wake up, или wake on LAN ) с поддержкой интерфейсов DMI и ACPI. Для этого карты имеют специальный дополнительный 3-проводный интерфейс — кабель с коннектором, подключаемый к системной плате. По этому кабелю системная плата с питанием в стандарте ATX подает дежурное питание (линия +5VSB), даже когда основное питание на системную плату и все устройства не подается. От этой линии питается «дежурная» принимающая схема, которая настроена на прием кадра специфического формата (magic packet ) по сетевому интерфейсу. По приему этого кадра сетевой адаптер через кабель подает пробуждающий сигнал PME на системную плату, которая дает сигнал на включение блока питания — компью-тер включается и загружается ОС с поддержкой DMI. После этого администратор может выполнить все запланированные действия, по окончании которых ОС на компьютере, завершая свою работу, выключает питание.
Что касается энергопотребления [8]. Электрическая мощность, потребляемая сетевым оборудованием в современных офисах, составляет около 2% от общего объема электроэнергии, использованной в США. Миллионы настольных компьютеров подключенных к Интернету остаются в состоянии простоя в среднем 75% от времени их работы. Пребывание компьютера в спящем режиме во время простоев может помочь компьютерам снизить энергопотребление путем на 80%. Тем не менее, текущая реализация спящего режима на на-стольных компьютерах запрещает работать Интернет подключению. Эту проблему можно решить введением «умного» сетевого адаптера, который может использоваться для выполнения части сетевых протоколов и оставаться включенным через вспомогательное питание от материнской платы, когда система находится в спящем режиме.


Тенденции развития «умного» сетевого оборудования


Быстрый рост популярности электронной почты и электронной коммерции cтал причиной резкого увеличения потока данных, передаваемых по общедоступной сети Интернет и по корпоративным IP-сетям. Многие наноструктурные материалы оказались перспективными для развития сетей в будущем [9].



Рисунок 6. Перспективные наноматериалы для компьютеров и сетей


На сегодняшний день известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов, а в направлении, перпендикулярном листу, мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные на основе нанотрубок с необходимой ориентацией, будут иметь при комнатной температуре электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели.


Заключение

В данном отчете отражена общая информация по сетевым адаптерам, их функиям и применению. При-ведена информация о некоторых дополнительных функциях современных «умных» сетевых адаптеров, таких как процессорная обработка данных и умень-шенное энергопотребление. Дальнейшее развитие технологии и инженерной мысли позволит расширить существующие границы возможностей сетевого оборудования.


Литература

1. Основная информация о сетевых адаптерах // URL: loknet.ru/oborudovanie/setevaya-karta-setevoj-adapter.html
2. Классификация NIC // CIT Forum. URL: http://citforum.ru/nets/spsmp/spsmpred_03.shtml
3. Развитие сетевых адаптеров // URL: http://loknet.ru/oborudovanie/setevaya-karta-setevoj-adapter.html
4. Определение гипервизора // From Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Hypervisor
5. Yan Luo, Eric Murray, Timothy L. Ficarra Accelerated Virtual Switching with Programmable NICs for Scalable Data Center Networking // Dept. of Electrical and Computer Engineering University of Massachusetts Lowell MA USA
6. Сетевые адаптеры как СнК // Cavium Networks Update. 2006 URL: http://www.iuma.ulpgc.es/~nunez/procNetworkndCommunications/CAVIUM-NetworkndCommunicationProcessors-ncMIPS-OCTEON-NDAOct2006.pdf
7. Дополнительные функциональные возможности // URL: http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=1877
8. Dexiang Wang, Janise McNair et al. A Smart-NIC-Based Power-Proxy Solution for Reduced Power Consumption during Instant Messaging // Gainesville, USA, 2009.
9. M. Saif Islam and Logeeswaran VJ Nanoscale Materials and Devices for Future Communication Networks // 0163-6804/10/ 2010 IEEE
Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: galimov (29.10.2014) | Автор: Галимов А.М.
Просмотров: 1377 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта