Ethernet

Ethernet — пакетная технология передачи данных. Разработана преимущественно для локальных компьютерных сетей.

Стандартами Ethernet определяются проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, а на канальном уровне модели OSI определяются формат кадров и протоколами управления доступом. В основном, Ethernet описывают стандарты IEEE группы 802.3. 

Это самая распространенная технология ЛВС, особенно в середине 90-х годов прошлого века. Своим появлением Ethernet вытеснила такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История

Корпорация Xerox PARC разработала Ethernet одновременно со многими другими своими первыми проектами. Общепринято, что технология Ethernet была изобретена 22 мая 1973 года Робертом Меткалфом (Robert Metcalfe). Он составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet, что и стало свидетельством ее создания. Однако, законное право на технологию разработчик получил, лишь спустя несколько лет. 

В 1976 году Меткалф вместе со своим ассистентом Дэвидом Боггсом (David Boggs) выпустили брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks». Меткалф покинул Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com, которая занималась продвижением компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Он убедил руководство компаний DEC, Intel и Xerox работать совместно с целью разработки стандарта Ethernet (DIX). 

Впервые стандарт Ethernet был опубликован 30 сентября 1980 года. По выходу на рынок он вступил в соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET. Они в скором времени были раздавлены под потоками хлынувшей на рынок продукции Ethernet. Так, 3Com стала основной компанией в своей отрасли.

Технология

Стандарт первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) говорит о том, что в качестве передающей среды в нем используется коаксиальный кабель. Впоследствии стали использовать витую пару и оптический кабель. 

Каковы преимущества использования витой пары перед использованием коаксиального кабеля?

  • возможность работы в дуплексном режиме;
  • низкая стоимость кабеля;
  • высокая надежность сети в случае неисправности кабеля (при соединении типа «точка-точка» в случае обрыва кабеля связи лишаются два узла). В коаксиальном соединении используется топология «шина», поэтому в случае обрыва кабеля связи лишится сразу весь сегмент;
  • В витой паре минимально допустимый радиус изгиба меньше, чем в коаксиале;
  • В витой паре большая помехозащищенность, ввиду использования дифференциального сигнала;
  • Имеется возможность питания по кабелю маломощных узлов, к примеру, IP-телефонов (стандарт POE);
  • Гальваническая развязка трансформаторного типа. Используя коаксиальный кабель в российских условиях, где обычно отсутствует заземление компьютеров, эксплуатация часто сопровождается пробоями сетевых карт, а иногда даже и полным сгоранием системного блока.

В качестве веской причины перехода на оптический кабель стала необходимость в увеличении длины сегмента без повторителей. Управление доступом в случае с сетью на коаксиальном кабеле представляет собой множественный доступ с обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных достигает 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт. 

Полудуплексный режим работы (узел не может передавать и принимать информацию одновременно) сопряжен с ограничением по количеству узлов в одном сегменте сети. Оно ограничено предельным значением (1024 рабочих станции). На физическом уровне можно устанавливать более жесткие ограничения, к примеру, к сегменту тонкого коаксиала можно подключить не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100. Впрочем, сеть, которая построена на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов. Это происходит из-за полудуплексного режима работы.

В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet, его скорость составляла 100 Мбит/с, появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. 

В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet, его скорость составляла 1000 Мбит/с, передача осуществлялась по оптическому волокну. А через два года после его выхода, передача осуществлялась уже посредством витой пары - инженеры доработали стандарт.

Формат кадра

Существует несколько форматов Ethernet-кадра:

  • Version I (в настоящее время не применяется);
  • Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II (также его называют DIX - аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox).  Является наиболее распространенной, используется и по сей день. Зачастую применяется непосредственно протоколом Интернет;
  • Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control);
  • Кадр IEEE 802.2 LLC;
  • Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP;
  • Часть сетевых карт Ethernet, выпускаемых компанией Hewlett-Packard, используют при работе кадр формата IEEE 802.12, он соответствует стандарту 100VG-AnyLAN.

Как дополнение Ethernet-кадра он может содержать тег IEEE 802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности. Разные типы кадра обладают разным форматом и значением MTU.

MAC-адреса

В ходе разработки стандарта Ethernet предусматривалось, что каждая сетевая карта должна обладать уникальным 6-байтным номером (MAC-адресом), зашитым в нее во время изготовления. Данный номер применяется в целях идентификации отправителя и получателя кадра. Предполагается, что при появлении в сети нового компьютера, сетевому администратору не придется вновь настраивать MAC-адрес.

Как достигается уникальность MAC-адресов? Каждый производитель получает в координирующем комитете (IEEE Registration Authority) специальный диапазон, состоящий из шестнадцати миллионов (2^24) адресов, по мере истечения которых, запрашивает новый диапазон. Так, по трем старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Кроме того, существуют специальные таблицы, которые позволяют определить производителя по MAC-адресу.

Все без исключения современные сетевые платы позволяют программным образом изменить MAC-адрес, но если плата будет, к примеру, обесточена, то при сбросе данных, восстановится исходный MAC-адрес. 

Разновидности Ethernet

Скорость передачи данных и передающая среда определяют несколько видов технологии Ethernet. Вне зависимости от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково почти во всех вариантах.

Большая часть Ethernet-карт имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных (применяется автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами). Если автоопределение не работает, скорость подстраивается под партнера, активируется режим полудуплексной передачи. К примеру, присутствие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 имеет поддержку стандартов 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Ранние версии Ethernet

  • Xerox Ethernet — технология с максимальной скоростью в 3 Мбит/с. Существовала в двух вариантах: Version 1 и Version 2. Формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
  • 1BROAD36 — технология не получила широкого распространения. Один из первых стандартов, который позволяет работать на больших расстояниях. Использовалась технология широкополосной модуляции (как в кабельных модемах). В качестве среды передачи данных применялся коаксиальный кабель.
  • 1BASE5 — технология, также известная, как StarLAN. Стала первой модификацией Ethernet-технологии, в которой использовалась витая пара. Работала на скорости 1 Мбит/с. Коммерчески непопулярна.

10 Мбит/с Ethernet

  • 10BASE5, IEEE 802.3 (также имеет название «Толстый Ethernet»). Является первоначальной разработкой, обладающей скоростью передачи данных в 10 Мбит/с. По раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
  • 10BASE2, IEEE 802.3a (также имеет название «Тонкий Ethernet»). В данном стандарте применяется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров. ПК присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте требуется T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также необходимо наличие терминаторов на каждом конце. Долгие годы данный стандарт являлся основным в технологии Ethernet.
  • StarLAN 10 - первая разработка, использующая витую пару для передачи данных. Скорость 10 Мбит/с. В дальнейшем данная технология эволюционировала в стандарт 10BASE-T.

Схема, при которой к одному кабелю витой пары подключается более двух устройств, работающих в симплексном режиме, никогда не применялась в Ethernet, однако, в теории это вполне возможно реализовать. Но такой принцип применялся в работе с коаксиальным кабелем. Вот почему все сети на витой паре применяют топологию «звезда», тогда как сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, поэтому применять дополнительные внешние терминаторы в линии нет необходимости.

  • 10BASE-T, IEEE 802.3i — стандарт, при котором для передачи данных применяется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента составляет 100 метров.
  • FOIRL — (Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet. Он использует для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя составляет 1 км.
  • 10BASE-F, IEEE 802.3j — главный термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, применяющих оптический кабель (расстояние до 2 км.): 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Однако из всех лишь 10BASE-FL получил широкое распространение.
  • 10BASE-FL (Fiber Link) — модернизированная версия стандарта FOIRL. Улучшения коснулись увеличения длины сегмента до 2 км.
  • 10BASE-FB (Fiber Backbone) — неиспользуемый в настоящее время стандарт предназначался для объединения повторителей в магистраль.
  • 10BASE-FP (Fiber Passive) — стандарт, созданный по топологии «пассивная звезда». В ней не нужны повторители. Стандарт никогда не применялся.

Fast Ethernet (100 Мбит/с)

  • 100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, которые используют витую пару в качестве среды передачи данных. Длина сегмента достигает 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
  • 100BASE-TX, IEEE 802.3u — усовершенствованный стандарт 10BASE-T, предназначенный для использования в сетях топологии «звезда». Применяется витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, имеется поддержка дуплексной передача данных. Расстояние до 100 м.
  • 100BASE-T4 — стандарт, который использует витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных осуществляется в полудуплексе. Не используется на практике.
  • 100BASE-T2 — стандарт, в котором применяется витая пара категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Мбит/с. Не используется на практике.
  • 100BASE-SX — стандарт, в котором применяется многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента составляет 400 метров в полудуплексе или 2 километра в полном дуплексе.
  • 100BASE-FX — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Составляет от 2-х до 10 километров.
  • 100BASE-FX WDM — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена лишь величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы делятся на два вида, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами, либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать исключительно парные интерфейсы.

Gigabit Ethernet (1 Гбит/с)

  • 1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, в котором используется витая пара категории 5e. В передаче данных задействовано 4 пары. Скорость передачи данных составляет 250 Мбит/с по одной паре. В данном стандарте применяется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники - 62,5 МГц. Расстояние - до 100 метров.
  • 1000BASE-TX - данный стандарт был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (Telecommunications Industry Association, TIA), был обнародован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6 (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» («A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbit/s (1000BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). В стандарте используется раздельная приемо-передача, ввиду чего конструкция приемопередающих устройств значительно упрощается. Также существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, из-за этого сложность, уровень энергопотребления и цена процессоров сокращается, в сравнении с процессорами стандарта 1000BASE-T. Однако, как следствие, для стабильной работы по такой технологии необходима кабельная система высокого качества. Вот почему 1000BASE-TX может использовать лишь кабель 6 категории. На рынке практически не создавались продукты, построенные на основе данного стандарта, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол (соответственно, более простую электронику), чем стандарт 1000BASE-T.
  • 1000BASE-X — общий термин, использующийся для обозначения стандартов со сменными приемопередатчиками GBIC или SFP.
  • 1000BASE-SX, IEEE 802.3z — в данном стандарте используется многомодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) достигает 550 метров.
  • 1000BASE-LX, IEEE 802.3z — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) зависит от типа используемых приемопередатчиков. Обычно она составляет от 5 до 50 километров.
  • 1000BASE-CX — данный стандарт используется для коротких расстояний (до 25 метров). В нем применяется твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Он был заменен стандартом 1000BASE-T, в настоящее время не используется.
  • 1000BASE-LH (Long Haul) — в данном стандарте, используется одномодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) достигает 100 километров.

Ethernet 10G (10 Гбит/с)

Новый 10 Гбит-ный стандарт Ethernet состоит из семи стандартов физической среды для LAN, MAN и WAN. Сегодня он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3.

  • 10GBASE-CX4 — стандарт 10-гигабитного Ethernet, предназначенный для коротких расстояний (до 15 метров). Применяется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
  • 10GBASE-SR — стандарт 10-гигабитного Ethernet, предназначенный для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля). Применяется многомодовое волокно. Также имеется поддержка расстояния до 300 метров, с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
  • 10GBASE-LX4 — данный стандарт использует уплотнение по длине волны с целью поддержки расстояний от 240 до 300 метров, по многомодовому волокну. Также имеется поддержка расстояния до 10 километров при использовании одномодового волокна.
  • 10GBASE-LR и 10GBASE-ER — данные стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно.
  • 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW — данные стандарты применяют физический интерфейс, который совместим по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, поскольку в них применяются те же самые типы кабелей и расстояния.
  • 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — стандарт принят в июне 2006 года, спустя 4 года разработки. В нем используется экранированная витая пара. Расстояние работы — до 100 метров.

Компания Harting объявила о выходе первого в мире 10-гигабитного соединителя RJ-45, который не требует инструментов для установки. Модель получила название HARTING RJ Industrial 10G.

Ethernet: 40 Гбит/с и 100 Гбит/с

По наблюдениям Группы 802.3ba, требования к пропускной полосе для приложений сетевого ядра и прочих вычислительных функций растут с разными скоростями. Это, в свою очередь, определяет необходимость двух соответствующих стандартов для следующих поколений Ethernet: 40GbE и 100GbE.

#