Netzwerkkarte

100 MBit/s PCI-Ethernet-Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse

Eine Netzwerkkarte (auch NIC für engl. Network Interface Card) ist eine elektronische Schaltung zur Verbindung eines Computers mit einem lokalen Netzwerk zum Austausch von Daten.

Ihre primäre Aufgabe ist die Herstellung einer physikalischen Verbindung zum Netzwerk über ein geeignetes Zugriffsverfahren (zum Beispiel CSMA/CD) und die Implementierung der ersten oder auch zweiten OSI-Schicht (meist Ethernet).

Begriffsherkunft

Der Begriff Netzwerkkarte basiert auf der Tatsache, dass die meisten Computertypen Steckplätze für Erweiterungsbaugruppen besitzen, in die elektronische Steckkarten (Leiterplatten) mit einem bestimmten Format eingesetzt werden können. Neben Netzwerkkarten gibt es auch Grafikkarten, Schnittstellen-Karten zum Anschluss von Ein-/Ausgabegeräten und viele andere.

Kartentypen

Netzwerkkarten bestehen auf der einen Seite aus einer Netzwerkschnittstelle, die für die jeweiligen Netzwerktyp bzw. die Netzwerk-Architektur ausgelegt ist, und auf der anderen Seite aus einer an die jeweilige Computer-Architektur angepasste Bus-Schnittstelle.

Netzwerktypen

Anfang der 1980er Jahre gab es noch viele konkurrierende Netzwerk-Architekturen und Kartentypen, die größere Verbreitung hatten ARCNET, Ethernet, LocalTalk und Token Ring.

• ARCNET operierte mit einem Token-Passing-Verfahren bei 2,5 MBit/s und arbeitete meist auf Koaxialkabel RG-62 als Bus- oder Stern-Topologie. Es hatte bis 1985 deutliche Preisvorteile gegenüber Ethernet, daraus resultierten hohe Marktanteile. Durch das Tokenpassing-Verfahren ist ARCNET deterministisch und arbeitet in Echtzeit (realtime) und daher robuster als das nicht Höchstlast-taugliche ungeswitchte Ethernet.
• Ethernet verwendete zunächst meist 10 MBit/s-Karten, die meist über ein Koaxialkabel (RG-58 Thin- oder Thick-Wire) als Bus verbunden wurden. Bis 1985 waren diese Karten noch sehr teuer, mit den NE1000/NE2000-Modellen kam es zu einem Preisverfall. Ethernet ist heute das am weitesten verbreitete Verfahren. Viele der anfänglichen Nachteile, insbesondere die Probleme bei hoher Last, konnten durch verbesserte Techniken und Komponenten wie Switches weitestgehend eliminiert werden.
• LocalTalk wurde fast ausschließlich von Apple Computer eingesetzt, nutzte ein 232 KBit/s Token-Passing-Verfahren über eine Zweidraht-Busverkabelung mit enger Anlehnung an die seriellen RS-422-Schnittstellen. Diese Art der Vernetzung war bei Apple-Rechnern sehr populär, denn von 1984 bis 1998 war diese Schnittstelle bei jedem Apple-Computer serienmäßig (ohne zusätzliche Einsteckkarte) vorhanden. Für PCs (auch Novell Netware-Server) gab es passende LokalTalk-Netzwerkkarten, meist in 8-Bit-ISA-Bus-Ausführung.
• Token Ring wurde vorwiegend im IBM-Umfeld (Banken) genutzt, es arbeitete bei 4 oder 16 MBit im Token-Passing-Verfahren und hatte eine Ring-Topologie.

Als 1995 der Fast-Ethernet-Standard verabschiedet wurde, lichtete sich der Markt und reine 10 MBit-Ethernet-Karten wurden durch 10/100 MBit-Karten ersetzt. Diese sind noch immer (2006) am stärksten verbreitet, wenngleich mittlerweile Gigabit-Ethernet-Karten (die ebenfalls 10/100 MBit-kompatibel sind) deutliche Marktanteile gewinnen können.

Diese Karten werden über Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-Steckern, an einen Hub oder mittlerweile meist an einen Switch angeschlossen und bilden so ein Lokales Netzwerk (LAN).

Aktuell werden auch immer mehr hochwertige Netzwerkkarten mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1000 MBit eingesetzt, meist werden diese über Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-Steckern (1000BASE-T) oder aber auch über Glasfaser (z. B. 1000BASE-SX) angebunden.

Ethernet-Netzwerkkarten mit 10 GBit sind bereits für PCI-Express als auch PCI-X erhältlich.

Netzwerkkarten für drahtlose Netzwerke (Wireless LAN) fanden zunächst hauptsächlich in mobilen Geräten wie z. B. Notebooks oder PDAs Verwendung, werden aber zunehmend auch in Desktop-PCs verbaut.

Bussysteme

Busseitig wechselten sich auch bei Netzwerkkarten verschiedene Standards ab. Nicht für alle Bussysteme gab es Netzwerkkarten, beispielsweise nicht für den Accelerated Graphics Port (AGP). Auch gab es eher exotische Konstruktionen über den SCSI-Bus oder über Druckerschnittstellen, wobei letztere eine Zeitlang bei Notebooks zum Einsatz kamen. Im UNIX-Bereich, bei Workstations und Servern, genauso wie bei Großrechnern gab es zahlreiche herstellerspezifische Bussysteme, die auch für Netzwerkkarten genutzt wurden. Hier eine Übersicht über für Netzwerkkarten typische Bus-Systeme:

• ISA: Um 1980, anfangs dominierten in PCs Netzwerkkarten mit der weit verbreiteten ISA-Bus-Schnittstelle, zunächst in 8-Bit-Technik (z. B. NE1000) später in 16-Bit-Ausführung (z. B. NE2000)
• PCMCIA: Diese Schnittstelle wurde vorwiegend bei Notebooks eingesetzt, grob gesagt handelt es sich um eine miniaturisierte ISA-Schnittstelle.
• VESA Local Bus: Kurzlebiger Standard in den späten 1980ern, entwickelt zur schnelleren Anbindung von Einsteckkarten.
• NuBus: Ab 1980, eine bei Apple Computer und NeXT Computer verbreitete Schnittstelle.
• MCA: Ein ab 1987 von IBM als Nachfolger von ISA propagiertes Bus-System. Ein gescheiterter Versuch, einen nicht kompatiblen und nicht offenen, aber verbesserten Bus einzuführen.
• EISA: Ein Ende der 1980er von allen außer IBM als Nachfolger des ISA-Bus propagiertes Bus-System. Eine kompatible ISA-Bus-Erweiterung für 32 Bit-Transfer per in Linie verlängerter Kontaktleiste. EISA kam vor allem bei Workstations und Servern zum Einsatz.
• PCI: Um 1990, der tatsächliche Nachfolger der ISA-Bus-Architektur. Als offener Standard ersetzte er auch den EISA-Bus und wurde darüber hinaus zur Ablösung verschiedener proprietärer Bus-Systeme eingesetzt. Beispielsweise löste PCI bei Apple Computer den NUBUS ab, bei Hewlett-Packard den GSC/HSC und den HP-PB, sowie bei IBM den MCA.
• PC-Card: Diese Schnittstelle wird vorwiegend bei Notebooks eingesetzt, grob gesagt handelt es sich um eine miniaturisierte PCI-Schnittstelle.
• PCI-Express: Ab 2004, ein erweiterter PCI-Bus; löst den für Grafikkarten populären AGP-Bus ab.
• ExpressCard: PCI-Express x1 basierende Notebookschnittstelle
• OnBoard: Mittlerweile haben fast alle Rechner-Hauptplatinen bereits fest eingebaute LAN-Schnittstellen, dedizierte Einsteckkarten sind somit nicht mehr nötig. Oft kommen die gleichen elektronischen Bausteine zum Einsatz, lediglich die Steckverbindungen fehlen. Auch von der Treibersoftware werden diese Chips wie Einsteckkarten behandelt (z. B. gibt es meist eine PCI-Schnittstelle, die angesteuert/programmiert wird).

Bilder

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  10 MBit/s XT-Ethernet- Netzwerkkarte mit RG58-Buchse und 15-pol. SUB-D-Buchse

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  10 MBit/s Legacy-ISA-Ethernet- Netzwerkkarte mit RG58-Buchse

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  10 MBit/s ISA-PnP-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse, RG58-Buchse und 15-pol. SUB-D-Buchse

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  MCA-Netzwerkkarte mit RG58-Buchse

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  NuBus-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse

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  10 MBit/s PCI-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse und RG58-Buchse

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  1000 MBit/s PCI-X-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse

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  Netzwerkkarte mit RG58-Buchse für Druckerschnittstelle

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  10 MBit/s PCMCIA-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse und RG58-Buchse

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  100 MBit/s PC-Card-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-„Buchse“

Ausstattung

Eine gängige Netzwerkkarte besitzt nur einen Ethernet-Anschluss, spezielle Ausführungen auch mehrere (bis zu vier). Meist wird der Netzwerkanschluss heute direkt auf der Hauptplatine untergebracht (als Teil des Chipsatzes), so dass keine Netzwerkkarte mehr nötig ist. Der Preis einer billigen Standard-Netzwerkkarte ist von mehreren 100 € 1990 auf derzeit (2009) etwa 5–15 € gefallen. Höherwertige Netzwerkkarten (mit besserem Datendurchsatz, geringerer CPU-Last, besserer Ausstattung) kosten je nach Ausführung bis zu 100 €, sehr spezielle Karten (z. B. mit mehreren unabhängigen Anschlüssen) auch darüber. Seit Ende 2003 befinden sich bei vielen neuen PCs bereits 1-GBit-Anschlüsse auf der Hauptplatine.

Jede Ethernet-Netzwerkkarte besitzt eine weltweit eindeutige MAC-Adresse, die vom Hersteller vergeben wird. Allerdings gibt es auch Treiber, die es erlauben, die MAC-Adresse per Software temporär zu ändern, wodurch Sicherheitsprobleme in einem LAN entstehen können.

Booten vom Netzwerk

Viele Netzwerkkarten haben einen Sockel für ein sogenanntes Boot-PROM (auch Boot-ROM genannt). Dieser Speicherbaustein wird in den Adressbereich des Rechners eingeblendet und erlaubt den Start des Rechners aus dem Netzwerk, ohne einen lokalen (in den Rechner eingebauten oder direkt angeschlossenen) Massenspeicher, wie z. B. eine Festplatte. Verschiedene Computerarchitekturen (Apple, PC), Betriebssysteme sowie verschiedene Netzwerk-Umgebungen (IPX/SPX, TCP/IP) erfordern unterschiedliche Boot-Programme, so dass es dem Anwender überlassen bleibt, die Netzwerkkarte mit einem PROM (oder EPROM) mit dem jeweils passenden Boot-Programm zu bestücken. Der klassische Weg für PCs ist ein sogenanntes Novell-Boot-PROM für den Einsatz mit Novell Netware und Novells eigenen Netzwerk-Protokoll. Modernere, auf TCP/IP aufsetzende Konzepte sind z. B. Intels PXE und die quelloffenen und kostenlosen Lösungen Etherboot und Netboot.

Alle Ansätze haben eines gemeinsam: Das Programm im Boot-PROM wird gestartet und klinkt sich in den weiteren Boot-Vorgang ein. Irgendwann, entweder vor oder nach der Suche nach einem startfähigen lokalen Medium, wird das Boot-PROM wieder aktiviert und lädt über das Netzwerk ein Betriebssystem nach. Üblicherweise geschieht das in kleinen Schritten, zunächst ein Hilfsprogramm mit erweiterten Netzwerkfunktionen, dann größere Teile des Betriebssystems. Schließlich wird die Kontrolle an das Betriebssystem übergeben, das dann in der Regel weitere Netzwerkdienste in Anspruch nimmt.

Manche Netzwerkkarten haben statt des Sockels ein direkt im Chipsatz der Netzwerkkarte integriertes, umprogrammierbares EEPROM, das mit einem Hilfsprogramm mit verschiedenen Boot-Programmen geladen werden kann, so dass ein Öffnen des Rechners entfällt. Hauptplatinen mit integriertem Netzwerkadapter, genauso wie viele UNIX-Workstations, nutzen einen Teil des ohnehin vorhandenen System-EEPROMs (BIOS) als Boot-PROM, auch hier kann in der Regel mit einem Hilfsprogramm ein beliebiges Boot-Programm eingespielt werden, oder der Hersteller gibt fest BOOTP oder PXE vor. Aus Kostengründen verzichten insbesondere Hersteller von Billig-Produkten oft auf den Sockel für das Boot-PROM. Außerhalb der PC-Welt ist das Starten aus dem Netzwerk oft ein Teil des fest installierten Startprogramms, z. B. bei vielen Sun-Maschinen und modernen Macintosh-Systemen. Allerdings wird dabei meistens nur eine spezielle, vom Hersteller zertifizierte, Auswahl von Netzwerkadaptern unterstützt.

Alle moderneren Apple-Computer können von einem Rechner booten, auf dem die Server-Variante von Mac OS X läuft.