Netzwerkkarte

Eine Netzwerkkarte (englisch: NIC - Network Interface Card oder Network Interface Controller) ist eine Hardwarekomponente, die einem Computer oder anderen Netzwerkgerät die Verbindung zu einem Computernetzwerk ermöglicht. Sie fungiert als Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Netzwerkmedium und ist für die physische Übertragung von Daten verantwortlich.

Ohne eine Netzwerkkarte könnte dein Computer weder E-Mails empfangen, noch Webseiten aufrufen oder Dateien im lokalen Netzwerk austauschen. Die NIC wandelt die digitalen Daten deines Computers in elektrische, optische oder Funksignale um, die über das Netzwerk übertragen werden können - und umgekehrt.

Aufbau und Komponenten einer Netzwerkkarte

Eine Netzwerkkarte besteht aus mehreren wichtigen Komponenten, die zusammenarbeiten, um eine zuverlässige Netzwerkkommunikation zu ermöglichen.

Der Controller ist das Herzstück der Netzwerkkarte. Er fungiert als Prozessor und verwaltet den gesamten Datenfluss zwischen dem Netzwerk und dem Systembus des Computers. Der Controller verarbeitet eingehende und ausgehende Datenpakete und koordiniert die Kommunikation mit dem Betriebssystem über spezielle Treiber.

Der Transceiver (Transmitter-Receiver) ist für die Signalumwandlung zuständig. Er wandelt digitale Daten in netzwerkgerechte Signale um und konvertiert eingehende Signale zurück in digitale Informationen. Je nach Netzwerktyp arbeitet der Transceiver mit elektrischen Impulsen (bei Kupferkabeln), Lichtsignalen (bei Glasfaser) oder Funkwellen (bei WLAN).

Jede Netzwerkkarte besitzt eine weltweit eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control). Diese 48-Bit-Adresse wird vom Hersteller fest in die Hardware eingebrannt und dient zur eindeutigen Identifikation des Geräts im Netzwerk. Die MAC-Adresse ist vergleichbar mit einer Postadresse: Sie stellt sicher, dass Datenpakete beim richtigen Empfänger ankommen.

Funktionsweise einer Netzwerkkarte

Die Netzwerkkarte arbeitet auf den unteren beiden Schichten des OSI-Modells: der Bitübertragungsschicht (Layer 1) und der Sicherungsschicht (Layer 2). Diese Positionierung ermöglicht es der NIC, sowohl die physische Signalübertragung als auch die logische Adressierung und Fehlererkennung zu übernehmen.

Beim Senden von Daten läuft folgender Prozess ab: Die Anwendung übergibt Daten an das Betriebssystem, das sie an den Netzwerkkartentreiber weiterleitet. Die NIC verpackt die Daten in sogenannte Frames (Datenrahmen) nach dem Ethernet-Standard, fügt Quell- und Ziel-MAC-Adresse hinzu, berechnet eine Prüfsumme zur Fehlererkennung und wandelt das Ganze schließlich in übertragbare Signale um.

Beim Empfangen von Daten geschieht der umgekehrte Vorgang: Die NIC empfängt Signale vom Netzwerk, wandelt sie in digitale Daten um, prüft die Ziel-MAC-Adresse (ist das Paket für mich bestimmt?), verifiziert die Prüfsumme auf Übertragungsfehler und leitet die Daten an das Betriebssystem weiter.

Moderne Netzwerkkarten verfügen über einen Pufferspeicher, der eingehende und ausgehende Daten temporär zwischenspeichert. Dieser Puffer gleicht Geschwindigkeitsunterschiede zwischen dem schnellen Computerbus und dem Netzwerk aus und verhindert Datenverluste bei hoher Netzwerklast.

Arten von Netzwerkkarten

Netzwerkkarten lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind das Übertragungsmedium, die Schnittstelle zum Computer und der Einsatzzweck.

Kabelgebundene Netzwerkkarten

Kabelgebundene NICs verwenden physische Kabel zur Datenübertragung und bieten in der Regel stabilere und schnellere Verbindungen als drahtlose Alternativen. Sie sind der Standard in Büroumgebungen, Rechenzentren und überall dort, wo hohe Zuverlässigkeit gefordert ist.

• Ethernet-Karten mit RJ-45-Anschluss: Der häufigste Typ für Büro- und Heimnetzwerke. Sie verwenden Twisted-Pair-Kabel und unterstützen Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s (Fast Ethernet) bis 10 Gbit/s (10 Gigabit Ethernet).
• Glasfaser-Netzwerkkarten: Nutzen Lichtsignale zur Datenübertragung über Glasfaserkabel. Sie erreichen Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s bis 100 Gbit/s und werden hauptsächlich in Rechenzentren und bei Backbone-Verbindungen eingesetzt.
• SFP/SFP+-Karten: Modulare Netzwerkkarten mit austauschbaren Transceiver-Modulen. Sie bieten Flexibilität, da je nach Bedarf Kupfer- oder Glasfasermodule eingesetzt werden können.

Drahtlose Netzwerkkarten

Drahtlose Netzwerkkarten, auch WLAN-Adapter genannt, ermöglichen die Verbindung zu Funknetzwerken ohne physische Kabelverbindung. Sie sind in Laptops, Tablets und Smartphones standardmäßig verbaut und können bei Desktop-Computern nachgerüstet werden.

• Wi-Fi 5 (802.11ac): Weit verbreiteter Standard mit Geschwindigkeiten bis 3,5 Gbit/s im 5-GHz-Band.
• Wi-Fi 6 (802.11ax): Aktueller Standard mit verbesserter Effizienz in dichten Umgebungen und Geschwindigkeiten bis 9,6 Gbit/s.
• Wi-Fi 6E: Erweiterung von Wi-Fi 6 um das 6-GHz-Band für noch mehr Bandbreite und weniger Interferenzen.

Unterscheidung nach Schnittstelle

Die Art der Verbindung zwischen Netzwerkkarte und Computer hat sich über die Jahre weiterentwickelt. Moderne Systeme nutzen primär PCIe-Schnittstellen, während ältere Standards weitgehend ausgedient haben.

PCIe-Netzwerkkarten sind heute der Standard für leistungsstarke Verbindungen. Sie bieten die höchste Bandbreite und die geringste CPU-Belastung. USB-Adapter eignen sich gut für mobile Einsätze oder wenn keine internen Steckplätze verfügbar sind.

Geschichte und Entwicklung

Die Geschichte der Netzwerkkarte ist eng mit der Entwicklung von Ethernet verbunden. Die erste kommerziell erfolgreiche Ethernet-Technologie wurde 1980 von DEC, Intel und Xerox als DIX-Ethernet (Ethernet II) standardisiert.

In den frühen 1980er Jahren brachte 3Com die ersten Ethernet-Adapterkarten für IBM-PCs auf den Markt. Diese Karten ermöglichten es erstmals, Personal Computer in lokale Netzwerke einzubinden. 3Com dominierte den NIC-Markt während der 1990er und frühen 2000er Jahre, mit Intel als wichtigstem Konkurrenten.

Die Entwicklung der Netzwerkkarten spiegelt den technologischen Fortschritt wider:

• 1980er: Erste Ethernet-Karten mit 10 Mbit/s (10BASE-T), ISA-Schnittstelle
• 1990er: Fast Ethernet (100 Mbit/s), Übergang zu PCI-Schnittstellen
• 2000er: Gigabit Ethernet (1 Gbit/s) wird Standard, PCIe löst PCI ab
• 2010er: 10-Gigabit-Ethernet für Server, WLAN-Integration in nahezu allen mobilen Geräten
• 2020er: 25/40/100-Gbit/s-Karten für Rechenzentren, Wi-Fi 6/6E als neuer WLAN-Standard

Erweiterte Funktionen moderner Netzwerkkarten

Moderne Server-Netzwerkkarten bieten weit mehr als nur die Grundfunktion der Datenübertragung. Sie entlasten die CPU durch spezielle Offloading-Technologien und verbessern die Netzwerkleistung erheblich.

TCP/IP Offloading

Bei der TCP/IP-Offloading-Technik übernimmt die Netzwerkkarte Aufgaben, die normalerweise die CPU erledigen würde. Dazu gehören die Berechnung von Prüfsummen, die Segmentierung großer Datenpakete (TCP Segmentation Offload - TSO) und das Zusammenführen kleiner Pakete (Large Receive Offload - LRO). Diese Funktionen reduzieren die CPU-Last spürbar und ermöglichen höhere Übertragungsraten.

RSS und Multiqueue

RSS (Receive Side Scaling) verteilt eingehenden Netzwerkverkehr auf mehrere CPU-Kerne. Dadurch können moderne Mehrkern-Prozessoren parallel Netzwerkpakete verarbeiten, was die Gesamtleistung bei hohem Datenaufkommen deutlich steigert. Server-NICs unterstützen oft 8, 16 oder mehr Empfangswarteschlangen.

RDMA und SR-IOV

RDMA (Remote Direct Memory Access) ermöglicht den direkten Speicherzugriff zwischen Computern ohne CPU-Beteiligung. Diese Technologie ist besonders in Hochleistungsrechenzentren und bei Storage-Netzwerken wichtig, da sie extrem niedrige Latenzen ermöglicht.

SR-IOV (Single Root I/O Virtualization) erlaubt es, eine physische Netzwerkkarte in mehrere virtuelle Funktionen aufzuteilen. Jede virtuelle Maschine kann dann eine eigene virtuelle NIC mit nahezu nativer Leistung nutzen - ideal für virtualisierte Server-Umgebungen.

Netzwerkkarten in der Praxis

In Unternehmensnetzwerken spielen Netzwerkkarten eine zentrale Rolle für die Zuverlässigkeit und Performance der IT-Infrastruktur. Server werden häufig mit mehreren NICs ausgestattet, um Redundanz und höhere Bandbreite zu ermöglichen.

Link Aggregation (auch Bonding oder NIC Teaming genannt) fasst mehrere physische Netzwerkverbindungen zu einer logischen Verbindung zusammen. Dies erhöht sowohl die verfügbare Bandbreite als auch die Ausfallsicherheit: Fällt eine Verbindung aus, übernehmen die verbleibenden NICs nahtlos den Datenverkehr.

Wer als Fachinformatiker für Systemintegration arbeitet, wird regelmäßig mit der Konfiguration von Netzwerkkarten zu tun haben. Dazu gehören die Treiberinstallation, die IP-Konfiguration, das Einrichten von VLANs auf der NIC und die Fehlersuche bei Netzwerkproblemen. Auch die Auswahl geeigneter Hardware für verschiedene Einsatzszenarien - vom einfachen Büroarbeitsplatz bis zum Hochleistungsserver - ist eine typische Aufgabe.

Auswahl der richtigen Netzwerkkarte

Bei der Auswahl einer Netzwerkkarte solltest du verschiedene Faktoren berücksichtigen, die vom geplanten Einsatzzweck abhängen.

Für die meisten Heimanwender reicht heute eine 1-Gbit/s-Netzwerkkarte völlig aus, da die Internetverbindungen selten höhere Geschwindigkeiten erreichen. Für Dateserver oder Videobearbeitung im lokalen Netzwerk lohnt sich jedoch der Griff zu schnelleren Karten.

Quellen und weiterführende Links

• IEEE 802.3 Ethernet Standard
• Intel Ethernet Products
• Wikipedia: Network Interface Controller
• Elektronik-Kompendium: Netzwerkkarte