네트워크 인터페이스 컨트롤러

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1. 개요
2. 연결 방식
3. 속도
4. 구현
5. 성능 및 고급 기능
6. 가상 네트워크 인터페이스
7. 주요 제조사
참조

1. 개요

네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC)는 컴퓨터를 네트워크에 연결하는 하드웨어 구성 요소이다. 과거에는 확장 카드 형태로 제공되었지만, 현재는 대부분의 메인보드에 내장되어 사용된다. NIC는 USB 연결 방식도 지원하며, 고속 이더넷, 기가비트 이더넷, 광섬유, 토큰링 등 다양한 네트워크 표준을 지원한다. NIC의 속도는 초당 전송 가능한 데이터 양으로 표시되며, 최대 160기가비트까지 가능하다. 최근에는 멀티 큐, TCP 오프로드 엔진, 사용자 수준 네트워킹과 같은 성능 향상 기술이 적용된 제품도 출시되고 있으며, 가상 네트워크 인터페이스를 지원하기도 한다. 주요 제조사로는 인텔, 리얼텍, 브로드컴 등이 있다.

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네트워크 인터페이스 컨트롤러
개요
ISA 버스를 통해 메인보드에 연결된 1990년대의 이더넷 네트워크 컨트롤러 카드
명칭	네트워크 인터페이스 컨트롤러
다른 이름	망 카드 망 기판 네트워크 어댑터 네트워크 인터페이스 카드
하드웨어 정보
연결 1	메인보드
연결 방식 1	칩셋 또는 SoC로 통합 별도 온보드 PCI 단자 ISA 단자 PCIe (Mini PCIe 및 M.2 포함) 파이어와이어 USB 선더볼트
연결 2	네트워크
연결 방식 2	이더넷 와이파이 파이버 채널 ATM FDDI 토큰링 ARCNET
속도
종류	전이중 또는 반이중
속도 (전이중 또는 반이중)	10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s
종류 (전이중)	전이중
속도 (전이중)	2.5 Gbit/s 5 Gbit/s 10 Gbit/s 최대 160 Gbit/s
제조사

2. 연결 방식

네트워크 인터페이스 컨트롤러는 컴퓨터에 네트워크 기능을 추가하기 위한 확장 카드의 일종이다. PCI Express 등의 컴퓨터 버스 (확장 슬롯)에 연결하는 확장 카드 형태가 많지만, USB에 연결하는 유형 등도 있다.

이러한 어댑터는 이더넷 또는 토큰 링과 같은 특정 물리 계층 및 데이터 링크 계층을 사용하여 통신하기 위한 전자 회로를 구현하고 있다. 이 회로는 계층 구조를 이루는 네트워크의 프로토콜 스택의 기반 부분이 되며, 동일한 LAN에 속하는 소규모 컴퓨터 그룹이나, TCP/IP 등의 라우팅 프로토콜을 이용한 대규모 네트워크 (WAN)와의 통신을 가능하게 한다.

일반적으로 네트워크 카드는 트위스트 페어 케이블 (RJ45), BNC, 또는 AUI와 같은 네트워크 케이블을 연결하는 소켓을 가진다. 그리고 네트워크의 온라인 상태나, 데이터 전송 중인 상태를 나타내는 몇 개의 LED를 가지고 있다. 또한 일반적으로 전송 속도에 따라 10/100/1000 Mbps의 종류가 있다. (이더넷 참조)

네트워크 인터페이스 컨트롤러의 연결 방식은 다음과 같이 메인보드 기준, USB, 네트워크 기준으로 분류할 수 있다.

메인보드 기준
내장형, PCI 커넥터, ISA 커넥터, PCI 익스프레스
USB
네트워크 기준
고속 이더넷(Fast Ethernet), 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet), 광섬유, 토큰링

2. 1. 메인보드 연결

네트워크 인터페이스 컨트롤러는 이전에는 주로 확장 카드 형태로 설치되었지만, 최근에는 메인보드에 내장되어 사용되는 경우가 많다.

메인보드 연결 방식은 다음과 같다:

내장형: 일반적으로 유선 연결을 지원하며, 일부는 무선 연결을 내장하기도 한다.
PCI 커넥터
ISA 커넥터: 현재는 사용되지 않는다.
PCI 익스프레스

이더넷 표준의 저렴한 비용과 보편성으로 인해, 대부분의 최신 컴퓨터는 네트워크 인터페이스 컨트롤러가 마더보드에 내장되어 있다. 최신 서버 마더보드는 여러 개의 네트워크 인터페이스를 내장할 수도 있다. 이더넷 기능은 마더보드 칩셋에 통합되거나 저가형 전용 이더넷 칩을 통해 구현된다. 추가적인 독립 네트워크 연결이 필요하거나 일부 비 이더넷 유형의 네트워크가 사용되는 경우가 아니면, 일반적으로 별도의 네트워크 카드는 더 이상 필요하지 않다.

2000년대 이후 대부분의 컴퓨터에는 마더보드에 네트워크(이더넷 트위스트 페어) 인터페이스가 내장되어 있다. 따라서 여러 개의 인터페이스를 사용하거나, 일반적이지 않은 다른 인터페이스 또는 네트워크를 사용하지 않는 한, 네트워크 카드는 단독 제품으로 필요하지 않은 경우가 많다. 이러한 제품은 PCI나 PCI Express, CSA 등의 버스로 연결된 네트워크 컨트롤러를 기판에 탑재하는 방식과 칩셋에 통합된 네트워크 컨트롤러를 사용하고 물리 계층 칩(PHY)만 추가하는 방식으로 크게 나뉜다.

2. 2. USB 연결

USB 연결 방식의 네트워크 인터페이스 컨트롤러는 메인보드에 내장되지 않고, 외부에 별도로 설치하여 사용한다.

2. 3. 네트워크 연결

네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC, 네트워크 카드)는 컴퓨터가 유선 또는 무선 네트워크를 통해 통신할 수 있도록 하는 장치이다. NIC는 네트워크 매체에 물리적으로 접근하고, IEEE 802 같은 네트워크에서 MAC 주소를 사용하여 하위 수준 주소 지정을 제공한다. 따라서 NIC는 물리 계층 및 데이터 링크 계층 장치이다.

NIC는 이더넷이나 Wi-Fi 같은 특정 물리 계층과 데이터 링크 계층 표준을 사용하여 통신하는 데 필요한 전자 회로를 구현한다. 이는 네트워크 프로토콜 스택의 기반이 되어, 같은 근거리 통신망(LAN) 내 컴퓨터 간 통신이나 인터넷 프로토콜(IP) 같은 라우팅 프로토콜을 이용한 대규모 네트워크 통신을 가능하게 한다.

일반적으로 네트워크 카드는 트위스트 페어 케이블(RJ45), BNC, 트랜시버 케이블 같은 네트워크 케이블을 연결하는 소켓을 갖는다. 또한 네트워크 연결 상태나 데이터 전송 상태를 나타내는 LED도 있다. 전송 속도는 보통 10/100/1000 메가비트/초이다. (이더넷 참조)

과거에는 네트워크 인터페이스 컨트롤러를 확장 카드 형태로 설치했지만, 최근에는 메인보드에 내장되는 경우가 많다.

메인보드 연결 방식
* 내장형 (주로 유선, 일부 무선 내장)
* PCI 커넥터
* ISA 커넥터 (현재는 사용되지 않음)
* PCI 익스프레스
USB 연결 방식
네트워크 종류
* 고속 이더넷(Fast Ethernet)
* 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)
* 광섬유
* 토큰링

3. 속도

네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC)의 속도는 일반적으로 다음과 같이 나뉜다.

초당 10 메가비트
초당 100 메가비트
초당 1000 메가비트
초당 최대 160 기가비트

4. 구현

네트워크 컨트롤러는 초기에는 컴퓨터 버스에 꽂는 확장 카드 형태로 구현되었다. 이더넷 표준의 저렴한 비용과 보편성으로 인해, 대부분의 새로운 컴퓨터에는 네트워크 인터페이스 컨트롤러가 마더보드에 내장되어 있다. 최신 서버 마더보드는 여러 개의 네트워크 인터페이스를 내장할 수 있다. 이더넷 기능은 마더보드 칩셋에 통합되거나 저가형 전용 이더넷 칩을 통해 구현된다. 추가적인 독립 네트워크 연결이 필요하거나 일부 비 이더넷 유형의 네트워크가 사용되는 경우가 아니면 일반적으로 별도의 네트워크 카드는 더 이상 필요하지 않다. 컴퓨터 하드웨어의 일반적인 추세는 칩에 시스템의 다양한 구성 요소를 통합하는 것이며, 이는 네트워크 인터페이스 카드에도 적용된다.^[5]^[6]

일반적으로 사용되는 이더넷 네트워크 컨트롤러는 네트워크 케이블이 연결되는 8P8C 소켓을 가지고 있다. 이전 NIC는 BNC 또는 AUI 연결을 제공하기도 했다. 이더넷 네트워크 컨트롤러는 10 Mbit/s 이더넷, 100 Mbit/s 이더넷, 1000 Mbit/s 이더넷 변종을 지원한다. 이러한 컨트롤러는 ''10/100/1000''으로 지정되며, 이는 10, 100 또는 1000 Mbit/s의 데이터 속도를 지원할 수 있음을 의미한다. 10기가비트 이더넷 NIC도 사용할 수 있으며, 2014년 11월 기준으로, 컴퓨터 마더보드에서 사용할 수 있게 되었다.

SFP 및 SFP+와 같은 모듈식 디자인은 특히 광섬유 통신에 매우 인기가 높다. 이러한 디자인은 미디어 종속 트랜시버에 대한 표준 소켓을 정의하므로 사용자는 필요에 따라 네트워크 인터페이스를 쉽게 조정할 수 있다.

네트워크 커넥터에 인접하거나 통합된 LED는 네트워크가 연결되었는지 여부와 데이터 활동이 발생할 때 사용자에게 알린다.

NIC는 공장에서 할당된 MAC 주소를 저장하는 ROM을 포함할 수 있다.^[7]

NIC는 전송할 패킷의 가용성을 나타내기 위해 다음 기술 중 하나 이상을 사용할 수 있다.

폴링
인터럽트 구동 I/O

NIC는 패킷 데이터를 전송하기 위해 다음 기술 중 하나 이상을 사용할 수 있다.

프로그래밍된 입출력
직접 메모리 접근 (DMA)

5. 성능 및 고급 기능

일부 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC)는 단일 10기가비트 이더넷 NIC를 펌웨어 및 운영 체제에 별도의 PCI 장치 기능으로 제공되는, 전용 대역폭을 가진 여러 개의 가상 NIC로 나누는 '''NIC 분할'''('''NPAR''', '''포트 분할'''이라고도 함) 기능을 갖추고 있다.^[15]^[16]

또한, 일부 NIC는 호스트 컴퓨터에 도달하기 전에 네트워크 트래픽을 사용자가 프로그래밍할 수 있도록 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 통합하여 시간 제한이 있는 워크로드에서 대기 시간을 크게 줄일 수 있다.^[18]

5. 1. 멀티 큐 NIC

'''멀티 큐 NIC'''는 여러 개의 송신 및 수신 큐를 제공하여 NIC가 수신한 패킷을 수신 큐 중 하나에 할당할 수 있도록 한다. NIC는 해시 함수를 사용하여 수신 큐 간에 수신 트래픽을 분산할 수 있다. 각 수신 큐는 별도의 인터럽트에 할당된다. 이러한 각 인터럽트를 다른 CPU 또는 CPU 코어로 라우팅하여 단일 NIC에서 수신된 네트워크 트래픽에 의해 트리거된 인터럽트 요청의 처리를 분산하여 성능을 향상시킬 수 있다.^[9]^[10]

위에 설명된 하드웨어 기반 인터럽트 분산은 '''수신 측 스케일링'''(RSS)이라고 한다.^[11] 수신 패킷 스티어링(RPS), 수신 흐름 스티어링(RFS),^[9] 및 인텔의 ''플로우 디렉터''(Flow Director)와 같은 순수 소프트웨어 구현도 존재한다.^[11]^[12]^[13]^[14] 인터럽트 요청을, 인터럽트를 생성한 네트워크 패킷의 최종 목적지인 애플리케이션을 실행하는 CPU 또는 코어로 라우팅하여 추가적인 성능 향상을 얻을 수 있다. 이 기술은 참조 지역성을 개선하고 더 높은 CPU 캐시 활용도와 더 적은 컨텍스트 전환 요구 사항으로 인해 전반적인 성능 향상, 대기 시간 감소 및 더 나은 하드웨어 활용도를 가져온다.

멀티 큐 NIC를 사용하면 서로 다른 전송 큐 간에 발신 트래픽을 분산하여 추가적인 성능 향상을 얻을 수 있다. 서로 다른 전송 큐를 서로 다른 CPU 또는 CPU 코어에 할당하면 내부 운영 체제 경합을 피할 수 있다. 이 방식은 일반적으로 '''전송 패킷 스티어링'''(XPS)이라고 한다.^[9]

5. 2. 소프트웨어 기반 트래픽 분산

하드웨어 기반 인터럽트 분산은 '''수신 측 스케일링'''(RSS)이라고 한다.^[11] 순수 소프트웨어 구현으로는 수신 패킷 스티어링(RPS), 수신 흐름 스티어링(RFS),^[9] 인텔(Intel)의 ''플로우 디렉터''(Flow Director) 등이 있다.^[11] ^[12]^[13]^[14] 인터럽트 요청을 인터럽트를 생성한 네트워크 패킷의 최종 목적지인 애플리케이션을 실행하는 CPU 또는 코어로 라우팅하여 추가적인 성능 향상을 얻을 수 있다. 이 기술은 참조 지역성을 개선하고 더 높은 CPU 캐시 활용도와 더 적은 컨텍스트 전환 요구 사항으로 인해 전반적인 성능 향상, 대기 시간 감소 및 더 나은 하드웨어 활용도를 가져온다.

5. 3. TCP 오프로드 엔진

일부 NIC는 TCP/IP 스택 전체를 네트워크 컨트롤러로 오프로드하는 TCP 오프로드 엔진을 제공한다. 이는 네트워크 스택의 처리 오버헤드가 상당해지는 기가비트 이더넷 및 10기가비트 이더넷과 같은 고속 네트워크 인터페이스에 주로 사용된다.^[17]

5. 4. 사용자 수준 네트워킹

멀티 큐 NIC는 여러 개의 송신 및 수신 큐를 제공하여 NIC가 수신한 패킷을 수신 큐 중 하나에 할당할 수 있도록 한다. NIC는 해시 함수를 사용하여 수신 큐 간에 수신 트래픽을 분산할 수 있다. 각 수신 큐는 별도의 인터럽트에 할당된다. 이러한 각 인터럽트를 다른 CPU 또는 CPU 코어로 라우팅하여 단일 NIC에서 수신된 네트워크 트래픽에 의해 트리거된 인터럽트 요청의 처리를 분산하여 성능을 향상시킬 수 있다.^[9]^[10]

위에 설명된 하드웨어 기반 인터럽트 분산은 '''수신 측 스케일링'''(RSS)이라고 한다.^[11] 수신 패킷 스티어링(RPS), 수신 흐름 스티어링(RFS),^[9] 및 인텔(Intel)의 ''플로우 디렉터''(Flow Director)와 같은 순수 소프트웨어 구현도 존재한다.^[11]^[12]^[13]^[14] 인터럽트 요청을 인터럽트를 생성한 네트워크 패킷의 최종 목적지인 애플리케이션을 실행하는 CPU 또는 코어로 라우팅하여 추가적인 성능 향상을 얻을 수 있다. 이 기술은 참조 지역성을 개선하고 더 높은 CPU 캐시 활용도와 더 적은 컨텍스트 전환 요구 사항으로 인해 전반적인 성능 향상, 대기 시간 감소 및 더 나은 하드웨어 활용도를 가져온다.

멀티 큐 NIC를 사용하면 서로 다른 전송 큐 간에 발신 트래픽을 분산하여 추가적인 성능 향상을 얻을 수 있다. 서로 다른 전송 큐를 서로 다른 CPU 또는 CPU 코어에 할당하면 내부 운영 체제 경합을 피할 수 있다. 이 방식은 일반적으로 '''전송 패킷 스티어링'''(XPS)이라고 한다.^[9]

일부 NIC는 운영 체제 커널에서 일반적으로 수행하는 네트워킹 작업을 가로채는 사용자 공간 라이브러리와 함께 통합 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 실행되는 완전한 저지연 TCP/IP 스택을 제공한다. 리눅스에서 실행되는 Solarflare의 오픈 소스 '''OpenOnload''' 네트워크 스택이 그 예이다. 이러한 종류의 기능은 일반적으로 '''사용자 수준 네트워킹'''이라고 한다.^[19]^[20]^[21]

6. 가상 네트워크 인터페이스

가상 머신/가상 환경이나 VPN에서 소프트웨어가 물리적인 네트워크 카드와 동일하게 취급되도록 네트워크 카드를 가상화하는 경우가 있다. 가상 LAN 카드라고도 불린다.

7. 주요 제조사

참조

_[1] 웹사이트 Port speed and duplex mode configuration http://docs.ruckuswi[...] 2020-09-25
_[2] 웹사이트 Section 11.2: Ethernet Standards - Arista https://www.arista.c[...] 2020-09-28
_[3] 웹사이트 Physical Network Interface https://technet.micr[...] Microsoft 2009-01-07
_[4] 웹사이트 Networking Basics: Part 1 - Networking Hardware http://www.windowsne[...] TechGenix Ltd 2012-06-09
_[5] 웹사이트 Will 2014 Be The Year Of 10 Gigabit Ethernet? http://www.networkco[...] Network Computing 2014-01-22
_[6] 웹사이트 Breaking Speed Limits with ASRock X99 WS-E/10G and Intel 10G BASE-T LANs http://www.asrock.co[...] 2014-11-24
_[7] 웹사이트 How can I change a network adapter card's MAC address? https://www.itprotod[...] 2000-11-12
_[8] 웹사이트 Intel 82574 Gigabit Ethernet Controller Family Datasheet http://www.intel.com[...] Intel 2014-06-01
_[9] 웹사이트 Linux kernel documentation: Documentation/networking/scaling.txt https://www.kernel.o[...] kernel.org 2014-05-09
_[10] 웹사이트 Intel Ethernet Controller i210 Family Product Brief http://www.mouser.co[...] Intel
_[11] 웹사이트 Intel Look Inside: Intel Ethernet http://www.intel.com[...] Intel 2014-11-27
_[12] 웹사이트 Linux kernel documentation: Documentation/networking/ixgbe.txt https://www.kernel.o[...] kernel.org 2014-12-15
_[13] 웹사이트 Intel Ethernet Flow Director http://www.intel.com[...] Intel 2015-02-16
_[14] 웹사이트 Introduction to Intel Ethernet Flow Director and Memcached Performance http://www.intel.com[...] Intel 2014-10-14
_[15] 웹사이트 Enhancing Scalability Through Network Interface Card Partitioning http://www.dell.com/[...] Dell 2011-04-01
_[16] 웹사이트 An Introduction to Intel Flexible Port Partitioning Using SR-IOV Technology http://www.intel.com[...] Intel 2011-09-01
_[17] 웹사이트 Large receive offload https://lwn.net/Arti[...] LWN.net 2007-08-01
_[18] 웹사이트 High Performance Solutions for Cyber Security http://newwavedv.com[...] New Wave DV
_[19] 웹사이트 Solarflare turns network adapters into servers: When a CPU just isn't fast enough https://www.theregis[...] 2012-02-08
_[20] 웹사이트 OpenOnload http://www.openonloa[...] 2013-12-03
_[21] 웹사이트 OpenOnload: A user-level network stack http://www.openonloa[...] 2008-03-21
_[22] 서적 Foundations of modern networking : SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud https://www.worldcat[...]
_[23] 웹인용 Networking Basics: Part 1 - Networking Hardware http://www.windowsne[...] TechGenix Ltd 2012-06-09
_[24] 웹인용 Physical Network Interface https://technet.micr[...] 마이크로소프트 2009-01-07
_[25] 웹인용 Network Interface Card (NIC) Guide - Definition, Types and Functions https://www.qsfptek.[...] Patrick
_[26] 웹인용 Network interface card (NIC) https://www.techtarg[...]

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