Netzwerkkarte

Aufgabe und Aufbau

Eine Netzwerkkarte, auch Netzwerkadapter oder NIC (Network Interface Controller beziehungsweise Network Interface Card), ist eine elektronische Schaltung, die einen Computer mit einem lokalen Netzwerk verbindet und dadurch den Austausch von Daten ermöglicht. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die physikalische Verbindung zum Netzwerk über ein geeignetes Zugriffsverfahren wie CSMA/CD herzustellen. Sie setzt dabei die erste oder auch die zweite Schicht des OSI-Modells um, meistens für Ethernet.

Früher war diese Funktion fast immer auf einer separaten Steckkarte für einen Erweiterungssteckplatz untergebracht. Heute ist sie bei den meisten Computern direkt in die Hauptplatine integriert. Auch eine solche eingebaute Netzwerkschnittstelle wird umgangssprachlich als Netzwerkkarte bezeichnet.

Jeder Netzwerkadapter verbindet zwei Seiten: Die Netzwerkschnittstelle ist an den verwendeten Netzwerktyp beziehungsweise die Netzwerkarchitektur angepasst; die Bus-Schnittstelle stellt die Verbindung zur jeweiligen Computerarchitektur her. Weil kabelgebundene Netzwerkanschlüsse heute meist bereits auf der Hauptplatine vorhanden sind, wird eine zusätzliche Karte vor allem für eine weitere, schnellere oder drahtlose Verbindung benötigt. Bei drahtlosen Netzwerken sind USB-Sticks oder PCI Express Mini Cards üblicher als traditionelle Einbaukarten.

Netzwerkarten und Übertragung

Anfang der 1980er-Jahre waren mehrere Netzwerkarchitekturen verbreitet:

• ARCNET übertrug 2,5 Mbit/s und verwendete ein Token-Passing-Verfahren. Dabei wird die Sendeberechtigung in Form eines „Tokens“ kontrolliert weitergegeben. ARCNET arbeitete meist über RG-62-Koaxialkabel in einer Bus- oder Sterntopologie. Bis 1985 war es deutlich preiswerter als Ethernet. Weil die Übertragung deterministisch, also zeitlich vorhersehbar, abläuft, eignet sich ARCNET für Echtzeitsysteme.

• Ethernet nutzte anfangs meist Karten mit 10 Mbit/s und RG-58-Koaxialkabel in einer Bustopologie. Bis 1985 waren die Karten teuer; mit den Modellen NE1000 und NE2000 fielen die Preise. Ethernet ist heute das am weitesten verbreitete Verfahren. Frühere Schwierigkeiten bei hoher Netzlast wurden durch verbesserte Technik und Komponenten wie Switches weitgehend beseitigt.

• LocalTalk wurde fast ausschließlich von Apple eingesetzt. Es übertrug 232 kbit/s per Token Passing über eine Zweidraht-Busverkabelung und lehnte sich eng an die serielle Schnittstelle RS-422 an. Von 1984 bis 1998 war die Schnittstelle in jedem Apple-Computer serienmäßig vorhanden. Für PCs und Novell-Netware-Server gab es meist Karten für den 8-Bit-ISA-Bus.

• Token Ring war besonders im IBM-Umfeld, etwa bei Banken, verbreitet. Es verwendete ebenfalls Token Passing, arbeitete mit 4 Mbit/s oder 16 Mbit/s und besaß eine Ringtopologie.

Nach der Verabschiedung des Fast-Ethernet-Standards im Jahr 1995 wurden reine 10-Mbit/s-Karten zunehmend durch 10/100-Mbit/s-Karten ersetzt. Später gewannen Gigabit-Ethernet-Karten große Marktanteile; sie sind ebenfalls mit 10 und 100 Mbit/s kompatibel. Üblicherweise verbindet ein Twisted-Pair-Kabel mit RJ45-/8P8C-Steckern die Karte mit einem Switch, früher auch mit einem Hub. So entsteht ein lokales Netzwerk (LAN).

Karten mit 1000 Mbit/s verwenden meist Twisted-Pair-Kabel und RJ45-Stecker nach 1000BASE-T, zunehmend aber auch Glasfaser wie bei 1000BASE-SX. Bei noch höheren Geschwindigkeiten wird Glasfaser immer häufiger und ab 25 Gbit/s fast ausschließlich eingesetzt. WLAN-Netzwerkkarten kamen zunächst vor allem in Notebooks und PDAs zum Einsatz, werden inzwischen aber auch in Desktop-PCs eingebaut.

Anbindung an den Computer

Die Bus-Schnittstelle verbindet die Netzwerkkarte mit dem Computer. Im Laufe der Zeit wurden dafür unterschiedliche Systeme verwendet. Nicht jeder Bus eignete sich für Netzwerkkarten; für den Accelerated Graphics Port (AGP) gab es beispielsweise keine. Daneben existierten seltene Lösungen über SCSI oder über Druckerschnittstellen. Letztere wurden zeitweise bei Notebooks genutzt. Workstations, Server, Großrechner und UNIX-Systeme verwendeten außerdem zahlreiche herstellerspezifische Busse.

Zu den wichtigen Bussystemen gehören:

• ISA dominierte um 1980 zunächst bei PC-Netzwerkkarten. Es gab 8-Bit-Karten für die XT-Bus-Architektur, etwa die NE1000, und später 16-Bit-Karten wie die NE2000.

• PCMCIA beziehungsweise PC-Card wurde hauptsächlich in Notebooks eingesetzt und lässt sich vereinfacht als miniaturisierte ISA-Schnittstelle beschreiben.

• VESA Local Bus war ein kurzlebiger Standard der ersten Hälfte der 1990er-Jahre, der Steckkarten schneller anbinden sollte.

• NuBus war ab 1980 besonders bei Apple Computer und NeXT Computer verbreitet.

• MCA wurde ab 1987 von IBM als verbesserter, aber inkompatibler und nicht offener ISA-Nachfolger angeboten. Der Versuch setzte sich nicht durch.

• EISA wurde Ende der 1980er-Jahre von Herstellern außer IBM als ISA-Nachfolger unterstützt. Es erweiterte ISA kompatibel um 32-Bit-Übertragungen und wurde vor allem in Workstations und Servern eingesetzt.

• PCI entstand um 1990 und wurde zum tatsächlichen, offenen Nachfolger von ISA. Es ersetzte auch EISA und verschiedene herstellerspezifische Systeme, darunter NuBus bei Apple, GSC/HSC und HP-PB bei Hewlett-Packard sowie MCA bei IBM.

• USB ist bei Desktop-Computern und Laptops weit verbreitet. Es ermöglicht eine einfache Plug-and-Play-Nutzung und ist besonders für WLAN-Adapter beliebt.

• PCI-Express löste ab 2004 PCI und den besonders für Grafikkarten genutzten AGP ab. ExpressCard ist eine auf PCI-Express x1 beruhende Notebook-Schnittstelle.

Seit den frühen 2000er-Jahren besitzen fast alle Hauptplatinen einen fest eingebauten LAN-Anschluss („Onboard“). Häufig kommen dieselben elektronischen Bausteine wie auf Steckkarten zum Einsatz; lediglich die Steckverbindung zur Hauptplatine fehlt oder der Controller ist in den Chipsatz integriert. Die Treibersoftware behandelt solche Adapter wie Einsteckkarten und steuert beispielsweise eine interne PCI-Schnittstelle an.

Anschlüsse, Leistung und Adressen

Eine gewöhnliche Netzwerkkarte hat einen Ethernet-Anschluss, besondere Modelle können bis zu vier Anschlüsse besitzen. Die Abbildungen des Artikels zeigen die technische Entwicklung anhand verschiedener Bauformen: darunter ISA-, EISA-, MCA-, NuBus-, PCI-, PCI-X-, PCMCIA- und PC-Card-Karten sowie einen Adapter für eine Druckerschnittstelle. Als Netzwerkanschlüsse erscheinen unter anderem RJ45, RG58 und die 15-polige SUB-D-Buchse für AUI. Die dargestellten Übertragungsraten reichen von 4/16 Mbit/s bei einer Token-Ring-Karte über 10 und 100 Mbit/s bis zu 1000 Mbit/s.

Der Preis einer günstigen Standardkarte sank von mehreren 100 EUR im Jahr 1990 für 10 Mbit/s auf etwa 5–20 EUR im Jahr 2020 für 1000 Mbit/s. Hochwertigere Karten mit größerem Datendurchsatz, geringerer Belastung der CPU oder besserer Ausstattung können je nach Ausführung bis zu 100 EUR kosten. Sehr spezielle Modelle, beispielsweise mit mehreren unabhängigen Anschlüssen, können noch teurer sein. Seit Ende 2003 sind bei vielen neuen PCs bereits Gigabit-Ethernet-Anschlüsse auf der Hauptplatine vorhanden.

Jede Ethernet-Netzwerkkarte besitzt eine vom Hersteller vergebene, weltweit eindeutige MAC-Adresse. Diese Adresse dient der Identifikation der Netzwerkschnittstelle. Manche Treiber erlauben allerdings, sie vorübergehend per Software zu verändern. Das kann Sicherheitsprobleme verursachen, wenn das Sicherheitskonzept eines LANs davon ausgeht, dass MAC-Adressen unveränderlich sind.

Starten über das Netzwerk

Viele Netzwerkkarten besitzen einen Sockel für ein Boot-PROM oder Boot-ROM. Dieser Speicherbaustein wird in den Adressbereich des Computers eingebunden und ermöglicht es, den Rechner ohne lokalen Massenspeicher wie eine eingebaute oder direkt angeschlossene Festplatte über das Netzwerk zu starten. Unterschiedliche Computerarchitekturen wie Apple und PC, Betriebssysteme sowie Netzwerkumgebungen wie IPX/SPX und TCP/IP benötigen jeweils passende Boot-Programme. Daher muss ein geeignet programmiertes PROM oder EPROM eingesetzt werden.

Der klassische PC-Ansatz ist ein Novell-Boot-PROM für Novell Netware und das zugehörige Netzwerkprotokoll. Modernere, auf TCP/IP beruhende Verfahren sind Intels PXE sowie die quelloffenen und kostenlosen Lösungen Etherboot und Netboot.

Der grundlegende Ablauf ist bei allen Verfahren ähnlich: Zuerst startet das Programm im Boot-PROM und fügt sich in den weiteren Startvorgang ein. Vor oder nach der Suche nach einem startfähigen lokalen Medium wird es erneut aktiv und lädt ein Betriebssystem über das Netzwerk. Das geschieht gewöhnlich schrittweise. Zunächst wird ein Hilfsprogramm mit erweiterten Netzwerkfunktionen geladen, anschließend folgen größere Teile des Betriebssystems. Schließlich erhält das Betriebssystem die Kontrolle und nutzt in der Regel weitere Netzwerkdienste.

Anstelle eines PROM-Sockels besitzen manche Karten ein direkt in den Chipsatz eingebautes, umprogrammierbares EEPROM. Mit einem Hilfsprogramm lassen sich dort unterschiedliche Boot-Programme speichern, ohne den Computer zu öffnen. Hauptplatinen mit integriertem Netzwerkadapter und viele UNIX-Workstations verwenden dafür einen Teil des vorhandenen System-EEPROMs mit der System-Firmware, etwa BIOS, Open Firmware oder UEFI. Häufig kann ein Boot-Programm eingespielt werden; teilweise legt der Hersteller BOOTP oder PXE fest.

Bei preisgünstigen Karten fehlt der PROM-Sockel oft aus Kostengründen. Außerhalb der PC-Welt ist der Netzwerkstart häufig bereits Bestandteil des fest installierten Startprogramms, etwa bei vielen Sun-Maschinen und modernen Macintosh-Systemen. Dabei wird meist nur eine vom Hersteller zertifizierte Auswahl an Netzwerkadaptern unterstützt. Alle moderneren Apple-Computer können von einem Rechner starten, auf dem die Server-Variante von macOS läuft.