Ethernet

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:03, 2 ноября 2018.
Ethernet
Communications protocol
200px
Ethernet
Purpose Локальная сеть
Developer(s) Intel и Xerox
Introduced 22 мая 1973 года
Influenced Развитие компьютерных сетей в целом
OSI layer физический, канальный
Port(s) RJ-45
RFC(s) IEEE группы 802.3

Ethernet (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI [рис.5]. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Token Ring, FDDI и ARCNET.

Становление технологии Ethernet

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети.[Источник 1]

Ethernet является одной из самых распространенных при построении компьютерных сетей технологией. Существует множество разновидностей данного протокола для различных сред передачи, необходимой полосы пропускания и расстояний между оконечными устройствами.

О том, что такое Ethernet, стало известно в семидесятых годах XX столетия. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом [рис.1](Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox.

Рисунок 1 - Роберт Меткалф - один из создателей Ethernet

После Гарварда Меткалфу подвернулась работа в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center, там нужно было создать технологию подключения разработанных в PARC персональных компьютеров Alto к недавно созданному в том же центре лазерному принтеру. Ни один из существовавших на тот момент способов подключения не обеспечивал нужную скорость передачи данных. Напарник по работе, Дэвид Боггс, имел образование радиоинженера. Это Боггс подсказал идею использовать радио в качестве прототипа для среды-носителя. Объединив знания по передаче пакетов с радио, они составили отличную связку. Вместе 22 мая 1973 года они написали внутренний документ, где были описаны механизмы передачи данных по разным видам соединений (по телефонному каналу, по коаксиальному кабелю и по радио) с использованием протоколов ALOHAnet, однако он немного отличался от проекта в Xerox и являлся предпосылкой к созданию Ethernet. Любопытно, что в самом Xerox PARC проект, позже названный Ethernet, взял верх над проектом SIGNET (Simonyi's Infinitely Glorious NETwork) Чарльза Симони.[Источник 2]

Первая версия спецификации (Ethernet I) была выпущена в 1983 году в виде стандарта IEEE 802.3. Стандартом определялась шинная топология сети. Передача данных в сетях этого типа возможна по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с (стандарты IEEE 10Base5 и 10Base2). В 1985 году была выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), которая изменила структуру пакета данных, обеспечила идентификацию адресов в сети (MAC-addresses) и возможность регистрации уникальных адресов. В 1990 году была выпущена спецификация Ethernet для витых пар (стандарт 10Base-T), в 1991 году — стандарт IEEE 802.3i для неэкранированных витых пар, а в 1993 году — спецификация для волоконно-оптического кабеля (стандарт 10Base-FL). В 1990-х годах начали развиваться беспроводные сети: так называемые радио-Ethernet (базовый стандарт — IEEE 802.11), а также — Fast Ethernet (стандарт 100BaseTX), Gigabit Ethernet (стандарт 100BaseTX). Метод доступа, используемый в кабельных сетях Ethernet — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). Этот протокол описан в Ethernet - и Fast Ethernet-стандартах. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий. Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети.[Источник 3]

Протокол Ethernet относится к физическому и канальному уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Он описывает порядок доступа в сеть, правила разграничения общей полосы передачи, требования к линии связи и другие важные характеристики. Протокол Ethernet предполагает, что все участники информационного обмена используют общую среду передачи. Это может быть коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или даже радиосоединение. Для разграничения общей среды применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Суть его будет рассмотрена ниже.

Принцип работы

Этот тип сети имеет звездообразную или линейную структуру со скоростью 10-100 мегабит/секунду. Первоначально Ethernet был основан на коаксиальном кабеле, однако со временем технология изменилась, и сеть начали строить на базе оптоволоконных кабелей или витых пар. Сейчас существует около тридцати видов сети Ethernet, которые отличаются по скорости, топографии, величине и типу кабеля. Далеко не все разновидности нашли коммерческое применение.

Принцип работы протокола Ethernet заключается в следующем: перед отправкой информации в сеть она нарезается на сегменты размером от 72 до 1526 байт. После этого к сегменту добавляется заголовок, содержащий адреса отправителя и получателя информации. Также добавляется "концевик", содержащий контрольную сумму, необходимую для контроля возникновения ошибок. До того как отправить получившийся пакет в сеть передатчик проверяет: не занята ли в данный момент общая среда. Если источник информации обнаружит, что среда занята, то он отложит передачу на некоторое (обычно случайное) время, после чего повторит попытку. Интервал времени, через который будет осуществляться повторный контроль среды передачи, увеличивается от попытки к попытке. Как только передатчик обнаружит, что среда свободна пакет будет передан в сеть. Все устройства, включенные в сеть, непрерывно анализируют заголовки пакетов передаваемых по сети. Если одно из устройств обнаружит, что адрес получателя соответствует его адресу, то он принимает этот пакет, все остальные устройства будут его игнорировать.[Источник 4]

Пропускная способность сети Ethernet

Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

Стандарты

Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox. Xerox Ethernet – технология, основанная на коаксиальном кабеле с максимальной скоростью 3 мегабита в секунду. Модификация StarLan, в которой впервые была применена витая пара. Скорость такого соединения невелика – всего 1 мегабит в секунду.

Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co — совместно и axis — ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах.[Источник 5]

IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet

Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных.

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных:

  • 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
  • 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
  • 10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
  • 10Base-F - волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Рисунок 2 - l0Base-5

10Base-5 Кабель [рис.2] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик - трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.

Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:

Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.

Рисунок 3 - l0Base-2

10Base-2 Кабель [рис.3] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также используется правило 5-4-3.

10Base-T кабель [рис.4] бразует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору - Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.

Рисунок 4 - l0Base-T

Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

В модификации 100BASE-T на базе витой пары скорость увеличилась до ста мегабит/секунду. Этот тип получил дальнейшее развитие. 100BASE-FX передает данные по оптоволоконному кабелю на расстояние 10 километров со скоростью сто мегабит/секунду. В 1000BASE-T используются четыре вытые пары, а расстояние равняется ста метрам. В модификации 1000BASE-LH расстояние увеличилась до 100 километров. Скорость два последних вида имеют самую высокую, она достигает 1000 мегабит в секунду.

l0Base-F Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м.[Источник 6]

Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 4,а максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Рисунок 5 - Место Ethernet в модели OSI

Типы Ethernet
Название Скорость Кабель Стандарт
Ethernet 10Mb/s Толстый, тонкий коаксиал,
Витая пара, оптика
802.3
Fast Ethernet 100Mb/s Витая пара, оптика 802.3u
Gigabit Ethernet 1Gb/s Витая пара, оптика 802.3z,
802.3ab
10G Ethernet 10Gb/s Витая пара, оптика 802.3ae,
802.3an

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet

  • Разделяемая среда
  • Ethernet - Gigabit Ethernet

2. Коммутируемый Ethernet

  • Точка-точка
  • Появился в Fast Ethernet
  • Единственный вариант в 10G Ethernet[Источник 7]

Существуют две конкурирующие технологии для передачи данных по сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с — это стандарты 100Base-T и 100VG-AnyLAN. Архитектура Ethernet позволяет производить объединение нескольких кабельных ЛВС в распределенную вычислительную сеть. Версия Ethernet фирмы Apple носит наименование EtherTalk (не путать с AppleTalk).

Пример передачи сообщений в сети Ethernet

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame [рис.6]). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным.

Рисунок 6 - Пример передачи данных

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети.[Источник 8]

В процессе работы сети Ethernet может возникнуть ситуация, когда сразу несколько передатчиков начнут передавать информацию одновременно. Для предотвращения данной ситуации и применяется метод обнаружения коллизий. Если одна из рабочих станций в процессе передачи обнаружит коллизию, т.е. одновременную передачу пакетов сразу от нескольких источников, то в первую очередь источник информации приостанавливает передачу. Далее он посылает в сеть специальный сигнал – "jam signal", который увеличивает вероятность обнаружения коллизии другими станциями, чтобы они также остановили процесс обмена информацией. Далее передатчик информации выжидает некоторое случайное время, после которого он снова пытается получить доступ в сеть. Если среда передачи будет занята, то интервал ожидания будет увеличен и так далее, до тех пор, пока среда не окажется свободный и информация не будет передана.

Как уже было сказано ранее, существует целое семейство протоколов, объединенных под общим название Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и т.д. Разработкой данного стандарта в настоящее время занимается IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и версии выходят под обозначением "802.3х". Одним из последних стандартов является 100 Gigabit Ethernet, который предусматривает скорость передачи до 100 Гбит/сек по оптическому волокну. В сотовой связи стандарт Ethernet получил достаточно широкое распространение. Уже давно он используется для подключения различных элементов сети, установленных на одной площадке, либо в непосредственной близости друг к другу (до 100 метров), например MSС и HLR, BSC и транскодер.

С распространением оптоволоконных линий связи и появлением систем сотовой связи 3G, в частности UMTS, Ethernet начал применятся практически на всех интерфейсах в стыке с IP-протоколом: NodeB-RNC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.д. Широкое распространение данной технологии обусловлено в первую очередь высокой надежностью, быстротой развертывания и настройки, большого выбора маршрутизаторов и каналообразующего оборудования, а также достаточно высоких возможных скоростей передачи данных. Благодаря появлению стандартов 10G и 100G Ethernet данная технология получает широкие перспективы для применения в системах сотовой связи 4G, таких как LTE.[Источник 9]

Источники

  1. Ethernet // Википедия. [2018–2018]. Дата изменения: 27.08.2018. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ethernet (Дата обращения: 14.09.2018).
  2. Ethernet: 40 лет успеха // Открытые системы [2002–2018]. Дата изменения: 20.05.2013. URL: https://www.osp.ru/news/articles/2013/18/13035506/ (Дата обращения: 25.10.2018).
  3. Ethernet // Megabook [2002–2018]. Дата изменения: 27.08.2018. URL: https://megabook.ru/article/Ethernet (Дата обращения: 20.10.2018).
  4. Что такое Ethernet // FB. [2018-2018]. Дата изменения: 21.05.2017. URL: http://fb.ru/article/42389/chto-takoe-ethernet-glavnyie-preimuschestva-internet-seti (Дата обращения: 20.10.2018).
  5. Ethernet - что это такое? // Express IT [2018-2018]. Дата изменения: 21.05.2017. URL: http://www.expressit.ru/?p=185 (Дата обращения: 20.10.2018).
  6. Технология Ethernet // Just networks [2018-2018]. Дата изменения: 21.05.2015. URL: http://just-networks.ru/lokalnye-vychislitelnye-seti/tekhnologiya-ethernet (Дата обращения: 20.10.2018).
  7. Ethernet // Университет ИТМО. Дата изменения: 03.04.2018 URL:http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=Ethernet (Дата обращения: 14.09.2018).
  8. Ethernet // Express IT [2018-2018]. Дата изменения: 21.05.2017. URL: http://www.expressit.ru/?p=185 (Дата обращения: 20.10.2018).
  9. Ethernet // СОТОВАЯ СВЯЗЬ история стандарты технологии [2018-2018]. Дата изменения: 28.05.2017. URL: http://celnet.ru/eth.php (Дата обращения: 14.09.2018).