بطاقة واجهة الشبكة (NIC)

يحتوي الخادم الخاص بك على منافذ بسعة 100 جيجا بايت، لكن بطاقة واجهة الشبكة (NIC) لديك تدعم 10 جيجا بايت فقط. تهانينا - لقد دفعت للتو مقابل النطاق الترددي الذي لن تستخدمه أبدًا. تعد بطاقة واجهة الشبكة هي عنق الزجاجة الأكثر إغفالًا في تصميم الشبكات الحديثة. في حين أن المهندسين مهووسون بنسيج المحول ومواصفات جهاز الإرسال والاستقبال، فإن بطاقة واجهة الشبكة (NIC) تحدد بهدوء معدل النقل الفعلي الذي يمكن لكل خادم دفعه. يتجاوز هذا الدليل التعريفات الأساسية لشرح كيفية عمل بطاقات NIC، والأنواع الموجودة، و- الأهم من ذلك - كيفية مطابقة بطاقة NIC الخاصة بك إلى اليمينجهاز الإرسال والاستقبال, كابل DAC، أوشركة نفط الجنوبللحصول على أقصى قدر من الأداء.

 

 

ما هي بطاقة واجهة الشبكة؟

بطاقة واجهة الشبكة (NIC)، والتي تسمى أيضًا محول الشبكة أو وحدة تحكم واجهة الشبكة، هي الجهاز الذي يقوم بتوصيل الخادم أو محطة العمل أو جهاز التخزين بالشبكة. إنه يتعامل مع التحويل بين البيانات داخل النظام المضيف والإشارات الموجودة على السلك أو الألياف - ويدير كل شيء بدءًا من تغليف الإطار والتحقق من المجموع الاختباري وحتى معالجة المقاطعة وعمليات نقل DMA.

تحتوي كل بطاقة واجهة شبكة (NIC) على عنوان MAC فريد تم حفظه في برنامجها الثابت، ليكون بمثابة هوية الجهاز على شبكة الطبقة الثانية. تم شحن بطاقات NIC المبكرة كبطاقات توسيع PCI مستقلة. في الوقت الحالي، تستخدم معظم أجهزة الكمبيوتر الشخصية شريحة LAN-على-اللوحة الأم (LOM) لاتصال 1G الأساسي. ولكن في مراكز البيانات وبيئات المؤسسات، تظل بطاقات NIC المخصصة ضرورية لأن وحدات التحكم المدمجة لا يمكنها ببساطة توفير الإنتاجية أو إمكانية التفريغ أو كثافة المنافذ التي تتطلبها أحمال العمل الحديثة.

 

 

كيف تعمل بطاقة NIC فعليًا: ما وراء "الإرسال والاستقبال"

إن شرح الكتاب المدرسي - "تقوم بطاقات NIC بتغليف البيانات في إطارات وإرسالها" - صحيح من الناحية الفنية ولكنه يفتقد ما يجعل بطاقة NIC ذات قيمة. إليك ما يحدث تحت الغطاء في NIC للخادم الحديث:

 

معالجة الإطار

على جانب الإرسال، تأخذ بطاقة NIC البيانات من مكدس شبكة نظام التشغيل، وتضيف رؤوس Ethernet والمجاميع الاختبارية لـ CRC، ثم تقوم بتسلسلها إلى إشارات كهربائية أو بصرية. على جانب الاستلام، فإنه يعكس العملية، ويتحقق من CRC ويزيل الرؤوس قبل تمرير الحمولة إلى المضيف.

 

تفريغ المحركات

هذا هو المكان الذي تكسب فيه بطاقات NIC مكانتها. تقوم بطاقات NIC الحديثة بإلغاء تحميل المهام التي قد تستهلك دورات وحدة المعالجة المركزية: حساب المجموع الاختباري TCP/UDP، وإلغاء تحميل تجزئة TCP (TSO)، وإلغاء تحميل الاستلام الكبير (LRO)، والتحجيم الجانبي (RSS) الذي يوزع حركة المرور الواردة عبر مراكز وحدة المعالجة المركزية المتعددة. وبدون عمليات إلغاء التحميل هذه، يمكن لبطاقة واجهة الشبكة (NIC) سعة 25 جيجا بايت أن تشبع نواة وحدة المعالجة المركزية (CPU) فقط لمعالجة الحزم.

 

تجاوز النواة مع DPDK

حتى مع إلغاء تحميل الأجهزة، فإن حزمة شبكة نظام التشغيل kernel تقدم حملًا بمعدلات حزم قصوى. تسمح بطاقات NIC التي تدعم DPDK (مجموعة أدوات تطوير مستوى البيانات) للتطبيقات بقراءة الحزم وكتابتها مباشرة من مساحة المستخدم، متجاوزة النواة بالكامل. يؤدي هذا إلى تقليل زمن الاستجابة لكل -حزمة من المللي ثانية إلى -ميكروثانية من رقم واحد - وهو مطلب للتداول عالي التردد-، ووظائف مستوى مستخدم 5G، وأحمال عمل NFV، ومعدل دفع الخط-على روابط 100 جيجا.

 

DMA ودمج المقاطعة

بدلاً من قيام وحدة المعالجة المركزية بنسخ كل حزمة، تستخدم بطاقة واجهة الشبكة (NIC) الوصول المباشر للذاكرة لكتابة الإطارات مباشرة في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) للنظام. يقوم دمج المقاطعة بتجميع أحداث حزم متعددة في مقاطعة وحدة المعالجة المركزية (CPU) واحدة، مما يقلل بشكل كبير من الحمل بمعدلات حزم عالية.

 

دعم المحاكاة الافتراضية

في البيئات الافتراضية، يتيح SR-IOV (المحاكاة الافتراضية للإدخال/الإخراج ذو الجذر الواحد) لبطاقة NIC فعلية واحدة تقديم وظائف افتراضية متعددة، يتم تعيين كل منها مباشرة إلى جهاز افتراضي. يؤدي هذا إلى تجاوز التبديل الظاهري لبرنامج Hypervisor بالكامل، مما يوفر أداءً شبه-مجرد-للشبكة المعدنية للأجهزة الافتراضية.

 

 

أنواع NIC: تصنيف عملي

 

حسب نوع الواجهة - هذا هو ما يحدد الكابلات الخاصة بك

نوع منفذ NIC	موصل	وسائط	السرعة النموذجية	المسافة القصوى
RJ45 (قاعدة -T)	RJ45	النحاس Cat5e/Cat6/Cat6a	1G / 2.5G / 5G / 10G	100m
سفب +	إل سي مزدوج	أجهزة إرسال واستقبال 10G SFP+أو 10 جرامكابلات DAC	10G	80 كم (ألياف) / 7 م (DAC)
SFP28	إل سي مزدوج	أجهزة الإرسال والاستقبال 25G SFP28أو 25G DAC	25G	40 كم (ألياف) / 5 م (DAC)
QSFP+	MPO أو LC	40G QSFP + أجهزة الإرسال والاستقبال	40G	40 كم (ألياف) / 7 م (DAC)
QSFP28	MPO أو LC	أجهزة الإرسال والاستقبال 100G QSFP28أو 100 جرامكابلات DAC	100G	80 كم (ألياف) / 5 م (DAC)
QSFP-DD	MPO أو LC	أجهزة إرسال واستقبال 400G QSFP-DD	400G	10 كم+ (ألياف)

لماذا يهم هذا:يحدد نوع منفذ NIC أجهزة الإرسال والاستقبال والكابلات التي يمكنك استخدامها. يؤدي اختيار منفذ -منفذ مزدوج SFP28 NIC إلى تأمين دخولك إلى النظام البيئي SFP28 -وحدات بصرية 25G SFP28، اس اف بي 28كابلات DACأو SFP28كابلات AOC. اختر خطأ، وسوف تقوم بشراء محولات أو استبدال البطاقات.

 

ملاحظة حول موصلات MPO مقابل LC:يستخدم منفذا QSFP+ وQSFP28 المسمى "SR4" بصريات متوازية - بأربعة ممرات من 10 جيجا أو 25 جيجا يتم إرسالها في وقت واحد. وهذا يتطلبMPO/MTP-12 patchcordsمع 8 أو 12 نواة من الألياف، وليس الطباعة المزدوجة القياسيةكابلات إل سيالمستخدمة من قبل وحدات SFP + أو SFP28. إذا كنت تقوم بنشر بصريات 40 جيجا أو 100 جيجا SR4 لأول مرة، فلن تعمل البنية الأساسية الحالية للوحة توصيل الألياف- مع خطة - لكابلات قناة MPO وأشرطة الكاسيت.

 

بواسطة واجهة الناقل - يعتبر إنشاء PCIe مهمًا

تستخدم جميع بطاقات NIC الحديثة للخادم PCIe. لكن جيل PCIe وعرض المسار يضعان سقفًا ثابتًا للإنتاجية:

• PCIe 3.0x8:~64 جيجابت في الثانية - كافية لمنفذ - مزدوج 25 جيجا أو منفذ - فردي 40 جيجا
• PCIe 3.0x16:~128 جيجابت في الثانية - كافية لمنفذ واحد- بسرعة 100 جيجا
• PCIe 4.0x16:~256 جيجابت في الثانية - مطلوبة لمنفذ - مزدوج 100 جيجا أو منفذ - فردي 200 جيجا
• PCIe 5.0x16:~512 جيجابت في الثانية - تمكن بطاقات NIC بسرعة 400 جيجا

لا يمكن لبطاقة NIC سعة 100 جيجا متصلة بفتحة PCIe 3.0 x8 فعليًا توفير 100 جيجا بايت. تحقق دائمًا من إنشاء وعرض فتحة PCIe الخاصة بخادمك قبل الشراء.

 

حسب عامل النموذج - OCP NIC 3.0 هو الإعداد الافتراضي الجديد

لا تزال بطاقات PCIe الإضافية- التقليدية تهيمن على خوادم المؤسسات، ولكن مراكز البيانات ذات الحجم الكبير انتقلت إلى حد كبير إلى معيار OCP NIC 3.0 (كل من عامل الشكل الصغير وعامل الشكل الكبير). يتم توصيل بطاقات NIC الخاصة بـ OCP بفتحة ميزانين مخصصة على اللوحة الأم للخادم بدلاً من شغل فتحة توسيع PCIe القياسية. الفوائد كبيرة: إمكانية التبديل السريع- دون إيقاف تشغيل الخادم، والتصميم الحراري المحسن مع تدفق الهواء المباشر عبر بطاقة واجهة الشبكة (NIC)، ومسار كهربائي أقصر إلى وحدة المعالجة المركزية مما يقلل من المخاوف المتعلقة بسلامة الإشارة عند سرعات تزيد عن 100 جيجا بايت. إذا كان النظام الأساسي للخادم الخاص بك يدعم OCP 3.0 - وكانت معظم التصميمات الحديثة من ODMs الرئيسية تدعم -، فيجب أن يكون خيارك الأول لعمليات نشر 100G و200G NIC.

 

حسب مستوى الذكاء

بطاقات NIC القياسيةالتعامل مع معالجة الحزم الأساسية من خلال عمليات إلغاء تحميل الأجهزة. مناسب لمعظم تطبيقات المؤسسات ومراكز البيانات.

بطاقات واجهة الشبكة الذكيةإضافة وحدة معالجة بيانات قابلة للبرمجة (DPU) يمكنها تنفيذ قواعد جدار الحماية، والتشفير، وموازنة التحميل، والقياس عن بعد مباشرةً على بطاقة واجهة الشبكة (NIC)، مما يحرر نوى وحدة المعالجة المركزية المضيفة لأحمال عمل التطبيقات. في البنية التحتية السحابية حيث يتم تحقيق الدخل من كل نواة وحدة المعالجة المركزية، تدفع SmartNICs تكاليفها عن طريق استعادة النوى التي من شأنها تشغيل OVS أو IPsec.

بطاقات NIC RDMA (RNICs)دعم بروتوكولات الوصول المباشر للذاكرة عن بعد مثل RoCEv2 أو iWARP، مما يتيح للخادم - نقل ذاكرة الخادم إلى - زمن انتقال واحد للميكرو ثانية - من رقم واحد. في مجموعات تدريب GPU المبنية حول مسرعات NVIDIA H100 أو A100، لا تعد بطاقات NIC RDMA اختيارية - فهي العمود الفقري. تحتاج كل عقدة GPU إلى اتصال RDMA بسرعة 200 جيجا أو 400 جيجا للحفاظ على-التزامن التدرجي المنخفض من أن يصبح عنق الزجاجة للتدريب. بعيدًا عن الذكاء الاصطناعي، تعتبر بطاقات NIC RDMA ذات أهمية متساوية لأحمال عمل HPC وأنظمة التخزين التي تستخدم NVMe-oF، حيث يؤدي تجاوز مسارات البيانات kernel- إلى خفض زمن وصول الوصول إلى التخزين بمقدار 10×.

 

 

كيفية اختيار بطاقة NIC المناسبة: إطار عمل القرار

الخطوة 1 - حدد متطلبات السرعة الخاصة بك.قم بمطابقتها مع سعة الوصلة الصاعدة الخاصة بك، وليس احتياجاتك النظرية القصوى. إذا كان محول ToR الخاص بك يحتوي على منافذ مواجهة لخادم 25 جيجا بايت-، فإن بطاقة NIC 25 جيجا بايت هي الاختيار الصحيح - وليس 10 جيجا بايت (بطيئة جدًا) أو 100 جيجا بايت (مهدرة).

الخطوة 2 - اختر نوع الواجهة الخاصة بك.بالنسبة للتوصيلات الداخلية-التي يقل طولها عن 5 أمتار، قم بإقران بطاقة NIC الخاصة بك بـكابل DACبأقل تكلفة ووقت استجابة. بالنسبة للروابط الداخلية-التي يصل طولها إلى 100 متر، استخدمكابل ايه او سيأو جهاز إرسال واستقبال قصير المدى-معLC الألياف التصحيح. لإنشاء روابط-إلى-المبنى أو الحرم الجامعي، استخدم مسافة-طويلةجهاز الإرسال والاستقبال البصري- مثل أوحدة 100G QSFP28 LR4مع ألياف ذات وضع واحد-وMPO/MTP patchcords.

الخطوة 3 - تحقق من توافق PCIe.تحقق من إنشاء فتحة PCIe المتاحة للخادم الخاص بك وعرض المسار مقابل متطلبات بطاقة NIC.

الخطوة 4 - تقييم احتياجات التفريغ.تشغيل المحاكاة الافتراضية مع العشرات من الأجهزة الافتراضية؟ إعطاء الأولوية لدعم SR-IOV. مجموعة تدريب الذكاء الاصطناعي؟ قدرة RDMA غير قابلة للتفاوض. السحابة-الخدمات الصغيرة الأصلية؟ تعمل تقنية SmartNIC المزودة بخط أنابيب قابل للبرمجة على حفظ نوى وحدة المعالجة المركزية.

الخطوة 5 - التخطيط لتكرار المنفذ المزدوج-.يجب أن تحتوي خوادم الإنتاج دائمًا على منفذي NIC على الأقل لتجميع الارتباطات (LACP) أو -تجاوز الفشل في وضع الاستعداد النشط. تعد بطاقات NIC ذات المنافذ المزدوجة-أكثر كفاءة في استخدام المساحة-من بطاقتي منفذ-مفردتين.

 

 

الأخطاء الشائعة في بطاقة NIC (وكيفية تجنبها)

شراء بطاقة واجهة الشبكة 10G RJ45 لاستخدام مركز البيانات.تستهلك بطاقات NIC 10GBASE-T طاقة أكثر بمقدار 2–5 وات لكل منفذ مقارنة ببطاقات NIC SFP+ وتولد حرارة أكبر بشكل ملحوظ. في حامل يحتوي على 40 خادمًا، يكون هناك حمل حراري غير ضروري يتراوح بين 80 إلى 200 وات. يستخدمأجهزة إرسال واستقبال 10G SFP+مع SFP + NICs بدلاً من ذلك.

تجاهل تحديثات البرامج الثابتة وبرامج التشغيل.تتسبب أخطاء البرامج الثابتة لـ NIC في حدوث انخفاض صامت في الحزم وأخطاء CRC وتدهور الأداء. يقوم البائعون بإصدار تصحيحات مهمة للبرامج الثابتة والتي غالبًا لا يتم تطبيقها لأن بطاقة NIC "يبدو أنها تعمل بشكل جيد".

عدم تطابق سرعة NIC وسرعة منفذ التبديل.ستنتقل بطاقة NIC بسرعة 25 جيجا متصلة بمنفذ تبديل 10 جيجا-تلقائيًا إلى 10 جيجا - ولكن بعض بطاقات NIC تتعامل مع هذا بشكل سيئ، مما يؤدي إلى خفقان الرابط أو أخطاء CRC. تحقق دائمًا من توافق السرعة أو استخدم معدات مطابقة.

 

 

الأسئلة الشائعة

ما هو الفرق بين NIC و LOM؟

LOM (LAN على اللوحة الأم) عبارة عن وحدة تحكم أساسية للشبكة مدمجة في اللوحة الأم للخادم، وتقدم عادةً اتصال 1G أو 10G Base-T. توفر بطاقة NIC المخصصة سرعات أعلى (25G–400G)، وعمليات تفريغ متقدمة مثل SR-IOV، وخيارات الواجهة الضوئية للاستخدام مع الأليافأجهزة الإرسال والاستقبالولجنة المساعدة الإنمائية/كابلات AOC.

هل يمكنني استخدام أجهزة إرسال واستقبال تابعة لجهات خارجية في بطاقة واجهة الشبكة (NIC) الخاصة بي؟

نعم. تقبل معظم بطاقات NIC من Intel وMellanox/NVIDIA وBroadcom الطرف الثالث المتوافق مع MSA--أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية. ومع ذلك، قد تعرض بعض البرامج الثابتة لبطاقة NIC تحذيرات بشأن التوافق. يوفر الموردون ذوو السمعة الطيبة أجهزة إرسال واستقبال مشفرة لعلامات تجارية محددة لـ NIC لضمان التشغيل النظيف.

ما هي سرعة بطاقة NIC التي أحتاجها لأحمال عمل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي؟

بالنسبة لمجموعات تدريب GPU (NVIDIA H100، A100، أو ما شابه ذلك)، تتطلب كل عقدة عادةً200Gأو بطاقات NIC ذات قدرة 400G RDMA - (RoCEv2) لمنع الشبكة من اختناق جميع -تقليل مزامنة التدرج. تعد أحمال عمل خدمة الاستدلال أقل تطلبًا ويمكن أن تعمل غالبًا على 25 جيجا بايت إلى 100 جيجا بايت اعتمادًا على حجم النموذج وإنتاجية الطلب. إقران بطاقات NIC للتدريب مع400G QSFP -وحدات DDلاتصالات العمود الفقري، أو الاستخدامأجهزة الإرسال والاستقبال 100G QSFP28للروابط الورقية-إلى-الخادم في مجموعات أصغر.

هل يستحق SmartNIC التكلفة الإضافية؟

بالنسبة لموفري الخدمات السحابية والمؤسسات الكبيرة التي تستخدم المحاكاة الافتراضية للشبكات بشكل مكثف، نعم - يمكن لبطاقات NIC الذكية استعادة 4 إلى 8 مراكز لوحدة المعالجة المركزية لكل خادم عن طريق إلغاء تحميل وظائف التبديل الظاهري والأمان والقياس عن بعد. بالنسبة للنشر القياسي داخل مقر العمل مع المحاكاة الافتراضية المعتدلة، عادةً ما تكون بطاقة NIC القياسية مع دعم SR-IOV كافية.

كيف أقوم بتوصيل بطاقة واجهة الشبكة (NIC) بكابلات الألياف الضوئية؟

تتطلب بطاقات NIC المزودة بمنافذ SFP+ أو SFP28 أو QSFP28 أو QSFP - DD مطابقةوحدة الإرسال والاستقبال الضوئيةللتفاعل مع الألياف. أدخل جهاز الإرسال والاستقبال في منفذ NIC، ثم قم بتوصيل المنفذ المناسبتصحيح الألياف - إل سي مزدوجبالنسبة للمنافذ من نوع SFP-،خطة الخطة الرئيسية/الخطة المتوسطة الأجلللبصريات من النوع -QSFP المتوازي. بالنسبة للروابط ذات المسافة القصيرة- داخل الرفوف، أكابل DACيلغي الحاجة إلى كل من جهاز الإرسال والاستقبال والألياف.