Netzwerkkarten

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 und/oder 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, welche für die jeweiligen Netzwerktypen bzw. die Netzwerk-Architektur ausgelegt ist, und auf der anderen Seite aus einer Bus-Schnittstelle, welche an die jeweilige Computer-Architektur angepasst ist und seinen Platz in einem Steckplatz des Rechners findet.

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, hieraus 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 gab es nur sehr teure Karten, die Preis-Revolution kam mit den günstigen NE1000/NE2000-Modellen. 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, praktisch alle Kartentypen wurden dann durch die 100 MBit-Ethernet-Karten ersetzt und sind noch immer (2006) die am stärksten verbreiteten Karten, wenngleich mittlerweile bei Neuanschaffungen Gigabit-Ethernet-Karten (die ebenfalls 100 MBit kompatibel sind) deutliche Marktanteile zugewinnen können.

Die 100 MBit-Karten werden über Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-Steckern, entweder traditionell an einen Hub oder, das ist mittlerweile die Regel, 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, um Benutzer den Aufbau eines Netzwerkes ohne aufwendiges Verlegen von Netzwerk-Kabeln zu ermöglichen.

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 Zeit lang für die Notebookanbindung nicht selten benutzt wurden. Im Bereich UNIX, 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 Netzwerkkarten mit den weit verbreiteten PCs die ISA-Bus Schnittstellen, zunächst in 8-Bit Technik (z. B. NE1000) und kurze Zeit 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 der späten 1980er, entwickelt, um einen schnelleren Zugang z. B. zur Grafikkarte, LAN-Karte oder SCSI-Karten zu ermöglichen.
• 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, so wie bei IBM den MCA ab, natürlich wurden auch proprietäre Eigenentwicklungen anderer Hersteller abgelöst.
• 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 ebenfalls den für Grafikkarten populären AGP-Bus ab.
• ExpressCard: PCI-Express x1 basierende Notebookschnittstelle
• OnBoard: Mittlerweile haben viele Rechner-Hauptplatinen und andere Geräte bereits fest eingelötete Schnittstellen, dass es sich hier dennoch um Karten handeln soll, ist nicht so leicht nachzuvollziehen. Dennoch kommen praktisch die gleichen elektronische Bausteine zum Einsatz, lediglich die Steckverbindungen fehlen. Auch von der Treibersoftware werden diese Chips genau so behandelt, als ob sie Karten wären (z. B. gibt es meist eine PCI-Schnittstelle, die angesteuert/programmiert wird). Aus dieser Sicht kann man also auch hier von Karten sprechen.

10 MBit/s XT-Ethernet- Netzwerkkarte mit RG58-Buchse und 15-pol. SUB-D-Buchse	10 MBit/s Legacy-ISA-Ethernet- Netzwerkkarte mit RG58-Buchse	10 MBit/s ISA-PnP-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse, RG58-Buchse und 15-pol. SUB-D-Buchse	MCA-Ethernet- Netzwerkkarte mit RG58-Buchse	NuBus-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse
10 MBit/s PCI-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse und RG58-Buchse	1000 MBit/s PCI-X-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse	Netzwerkkarte mit RG58-Buchse für Druckerschnittstelle	10 MBit/s PCMCIA-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-Buchse und RG58-Buchse	100 MBit/s PC-Card-Ethernet- Netzwerkkarte mit RJ45-„Buchse“

Ausstattung

Eine gängige Netzwerkkarte besitzt nur einen Netzwerk-Anschluss. Es existieren aber spezielle Netzwerkkarten mit mehreren (in der Regel bis zu vier) Ethernet-Anschlüssen. Häufig wird der Netzwerkanschluss zunehmend 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 (durch konsequenten Einsatz von Höchstintegration, Produktion in hohen Stückzahlen, Verwenden eines Standardchips, Weglassen jeglichen nicht absolut notwendigen Zubehörs) auf derzeit etwa 5–10 € 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 1000 MBit-Anschlüsse auf der Hauptplatine.

Jede Ethernet-Netzwerkkarte besitzt eine weltweit eindeutige MAC-Adresse, die vom Hersteller vergeben wird. Allerdings gibt es auch einige 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 dies 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.