Что такое Ethernet

Сильные стороны сетей Ethernet очевидны - детальная проработанность и выверенность технологии, огромный опыт практической эксплуатации основанных на ней сетей во всем мире, дешевизна оборудования. Общеизвестны и слабые - разделяемый доступ к среде передачи, сильно ограничивающий масштабируемость.

Этот «неисправимый дефект» вспоминается сразу же, как только предпринимается очередная попытка радикально поднять пропускную способность сетей Ethernet. Еще в 1993 году, когда появился стандарт Fast Ethernet, казалось, что предел скорости передачи достигнут. Поэтому последовавшие вскоре разговоры о гигабитном варианте все той же технологии не вызывали ничего, кроме скепсиса. Тем не менее, прошло четыре года, и на рынке появились первые устройства Gigabit Ethernet, а еще немного спустя, в 1998 году, институт IEEE принял соответствующий стандарт (802.3z).

Конечно, было бы наивно полагать, что принципы, заложенные создателями Ethernet еще в 1972 году, ко второй половине 90-х не претерпели никаких изменений. Протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий (CSMA/CD) удалось «разогнать» до гигабитной скорости благодаря нескольким техническим находкам, прежде всего расширению несущей и пакетной передаче. Метод расширения несущей устранил зависимость минимальной длины передаваемых кадров от величины временного кванта. Появление в сетях Gigabit Ethernet режима пакетной передачи дало возможность организовывать в сетевом узле конвейерную пересылку групп кадров, сохранив старый служебный интерфейс MAC-уровня. Более того, пакетная передача повысила эффективность обработки нескольких кадров одним сетевым узлом и тем самым уменьшила негативную роль эффекта захвата физической среды.

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных.

Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире.

Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. При переходе от Ethernet к Fast Ethernet сохранение минимального размера кадра привело к уменьшению диаметра сети с 2 км для 10BaseT до 200 м для 100BaseT. Однако перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Очевидно, что в этом случае станции в разделяемой сети оказались бы в буквальном смысле "на коротком поводке", поэтому рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.

Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).

Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). Это самый худший вариант, но даже с учетом того, что средняя длина кадра составляет на практике 200-500 байт, пропускная способность возрастет всего лишь до 300-400 Мбит/с.

С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров (к сожалению, термин "пакетная передача", как обычно переводится на русский язык английское понятие "bursting", может привести к путанице, так как он подразумевает пакет как передачу сразу серии кадров, а не пакет как блок данных. В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию.

Все эти меры позволяют достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузки сети. Тем не менее, подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD себя практически изжил.

Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплексной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.

Одним из способов обойти ограничения, связанные с расширением несущей, является использование так называемых буферных распределителей. Этот новый класс устройств (иногда их еще называют полнодуплексными повторителями) представляет собой нечто среднее между повторителем и коммутатором.

Все порты гигабитного буферного распределителя работают в полнодуплексном режиме и задействуют механизмы контроля потоков, определенные стандартом IEEE 802.3х. Как обычный повторитель Ethernet, он передает поступивший кадр на все свои порты; как и коммутатор Ethernet, способен принимать кадры на нескольких портах одновременно, при этом поступившие кадры помещаются в буферы. При заполнении буферов распределитель задействует механизмы управления потоками для информирования передающего узла о необходимости приостановить передачу. Такой подход позволяет достичь близкой к номинальной пропускной способности в разделяемом сегменте Gigabit Ethernet.

Если принимающая станция (узел) на одном конце прямого соединения оказывается, перегружена, то она отправляет передающей станции так называемый "кадр приостановки передачи" (pause frame) с просьбой отказаться от передачи кадров на определенный промежуток времени. В результате передающая станция останавливает передачу данных на указанный промежуток времени. Однако принимающая станция может отправить кадр с нулевым временем ожидания с тем, что отправитель возобновил передачу.

Все эти расширения старого, разработанного ещё в 80-е годы Ethernet, вместо разработки с нуля новой технологии, свободной от старых ограничений, сделаны из соображений совместимости. Гигабитный Ethernet можно свободно встраивать в работающие сети, не заменяя их и не останавливая работу.

Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет резко поднять пропускную способность магистрали локальной сети и поддерживать в результате большее число как коммутируемых, так и разделяемых сегментов Fast Ethernet. Установка сетевой платы Gigabit Ethernet на сервер дает возможность расширить канал с сервером и таким образом увеличить производительность рабочих станций. Остальные части сети продолжают работать на имеющемся оборудовании без какой-либо перенастройки.

При модернизации серверов и рабочих станций для перехода на гигабитные скорости от пользователей потребуется тщательный выбор сетевого адаптера. При скорости 1 Гбит/с ЦП не сможет поддерживать пропускную способность сети, если NIC не обладает интеллектуальными функциями взаимодействия с хост-машиной. Это относится также и к GE-интерфейсам маршрутизаторов и коммутаторов меньшей мощности.

Традиционно производительность рабочей станции зависит от архитектуры ее шины и памяти, а также от рабочей частоты ЦП. Компьютеры с 32-разрядной шиной PCI могут передавать пакетный трафик со скоростью 1 Гбит/с, тогда как 64-разрядная шина PCI обеспечивает вдвое большую пропускную способность (2 Гбит/с).

Таким образом, повышение скорости работы шины является основным фактором готовности к переходу на гигабитные скорости. Однако при такой скорости ЦП системы может легко израсходовать все 100% ресурсов на организацию передачи данных между приложениями и сетью, а на выполнение самих приложений или других задач операционной системы вычислительной мощности не останется.

В этих случаях применяются интеллектуальные сетевые адаптеры (аналогично интеллектуальным контроллерам жёстких), имеющие собственный процессор для обработки сетевых пакетов. Такие сетевые адаптеры могут вызывать единственное прерывание ЦП для многих пакетов данных, записывая данные сразу в оперативную память. Тем самым радикально изменяется отношение числа пакетов к числу прерываний, и решаются проблемы, масштабируемости, присущие более старым конструкциям. Это позволяет повысить не только пропускную способность, но и эффективность работы приложений за счет высвобождения ресурсов ЦП. Кроме того, для таких адаптеров отношение числа пакетов к числу прерываний может быть задано пользователем или установлено автоматически. Это позволяет реализовать “адаптивные” прерывания, частота которых может меняться в зависимости от загрузки сети.

Разница между коммутаторами Gigabit Ethernet может быть весьма значительной. Пользователям придется выбирать, оснастить ли каждый узел сети возможностью интеллектуальной обработки трафика и процессором высокой производительности или спроектировать эту сеть так, чтобы решить большую часть проблем только за счет увеличения пропускной способности.

Gigabit Ethernet имеет относительно примитивные функции QoS, в частности, по сравнению с аналогичными функциями ATM.

Рабочая группа Gigabit Ethernet 802.3z предложила изменить спецификацию Gigabit Ethernet с целью смягчить проблему дифференцированной задержки. Эта редакция позволит организовывать соединения Gigabit Ethernet протяженностью до 260, 440 или 550 м, в зависимости от диаметра оптического волокна и типа используемого лазера. Несмотря на опасения в связи с ограничениями на протяженность многомодового оптического кабеля модернизация оптической магистрали до гигабитных скоростей не вызывает особых проблем. Размер кадра - весьма неоднозначный вопрос ввиду его потенциального влияния на производительность сети. Gigabit Ethernet использует тот же формат и размер кадра (от 64 до 1500 байт), что и стандартные Ethernet и Fast Ethernet, но может использовать и специальные кадры увеличенного размера до 9000 байт (jumbo-frames). Такие кадры позволяют сократить число обрабатываемых сетевой платой кадров и снизить служебный трафик.

Fast EtherNet

IEEE 802.3u

Все отличия FastEtherNet и EtherNet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC вFastEtherNet остались без изменения.

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников.
Организация физического уровня технологии EtherNet является более сложной, чем классический Ethernet.

Физический уровень включает три элемента:

• Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI мог работать с физическим уровнем через интерфейс MII
• Независимый от среди интерфейс (MediaIndependentInterface, MII) поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте FastEthernetтри - FX, TX и T4.
• Устройство физического уровня (PhysicalLayerDevice, PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Поскольку одной из целей разработки было обеспечение максимальной преемственности, было принято решение увеличить скорость за счет сокращения до 10 нс битового интервала (против100 нс в Ethernet). При этом максимально допустимое время оборота сигнала составило 2,6 мкс, поэтому максимальный диаметр сегмента Fast Ethernet составляет 205 м.

Спецификации физической среды Fast Ethernet

• 100BASE-TX - задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Максимальная длина сегмента 100 метров. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое оптоволокно (2 жилы). Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2000 метров в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптоволоконном кабеле и мощностью передатчиков.
• 100BASE-FX WDM -стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптоволоконном кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются одной латинской буквой: T (пере-датчик 1550 нм, приемник 1310нм) или R (передатчик 1310нм, приемник 1550нм). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны пер е-датчик на 1310 нм, а с другой -на 1550 нм.

Gigabit Ethernet

Основное новшество состояло в десятикратном (по сравнению с Fast Ethernet) уменьшении длительности битового интервала– до 1 нс.

В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия GigabitEtherNetдля разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25м. Для увеличения длины сегмента до 200м изменили:

• Минимальный размер кадра был увеличен с 64 до 512 байт;
• Соответственно время оборота увеличено до 4095 битовых интервалов.

GMII интерфейс. Среданезависимый интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем.

GMII интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные приемник и передатчик, и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы.

Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab -использует витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют все 4 пары со скоростью 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц.
• 1000BASE-TX, использует раздельную приёмо-передачу (2 пары на передачу, 2 пары на приём, по каждой паре данные передаются со скоростью 500 Мбит/с), кабеля 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое оптоволокно. Длина сегмента до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое или многомодовое оптоволокно. Длина сегмента до 5000 метров.
• 1000BASE-LX10, IEEE 802.3ah - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 10 километров.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.
• 1000BASE-LX WDM - расширение стандарта LX, позволяющее по одному оптическому волокну одномодового кабеля передавать сигнал до 40км. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются одной латинской буквой T (передатчик 1550 нм, приемник 1310нм) или R(передатчик 1310нм, приемник 1550 нм).
• 1000BASE-ZX не стандартизированный, однако использующееся расширение стандарта LX. Позволяет передавать сигнал на расстояние до 80 км по одномодовому оптоволокну.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

10Gigabit Ethernet

Строение физического интерфейса вполне типично, он состоит из трех уровней: PCS (Physical Coding Sublayer), отвечающий за управление передаваемыми битовыми последовательностями, PMA (Physical Medium Attachment) -преобразование группы кодов в последовательный поток бит и обратно, плюс синхронизация, и PMD (Physical Media Dependent), преобразующий биты в оптические сигналы. Традиционно, они выполнены логически независимыми друг от друга частями.

Спецификации физической среды 10Gigabit Ethernet

• 10GBASE-SR - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 300метров), используется многомодовое оптоволокно.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 (80) километров соответственно. 10GBASE-LR использует лазеры 1310 нм, а 10GBASE-ER лазеры 1550 нм.
• 10GBASE-LX4 -использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну, IEEE 802.3 Clause 48 PCSи технологию «грубый» WDM. Данная спецификация позволяет поддерживать два типа оптоволокна. При использовании многомодового оптоволокна длина участка может достигать до 300 м, при скорости 10 Гбит/с, а при использовании одномодового оптоволокна расстояние увеличивается до 10 километров. Это достигается использованием 4-х лазерных источников, работающих на уникальных длинах волн в диапазоне 1300 нм.
• 10GBASE-LRM (Long Reach Multimode) также известный как IEEE 802.3aq, использует IEEE 802.3 Clause 49 64B/66BPCSи 1310 нм лазерные излучатели. Это обеспечивает передачу данных, используя многомодовый оптический кабель, со скоростью 10.3125 Гбит/с. 10GBASE-LRM поддерживает расстояния в 220 метров, при использовании многомодового оптического кабеля
• 10GBASE-ZR. Некоторые производители создали сменные интерфейсные устройства, для работы на расстоянии до 80 км. Так как эти устройства не определены стандартом IEEE 802.3ae, изготовители создали свою спецификацию 10GBASE-ZR, описанную в спецификации OC-192/STM-64 SDH/SONET.

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту - 100 Мбит/c.

Логика работы сетей Fast Ethernet и Ethernet совершенно одинаковая. Все отличия лежат на физическом уровне построения сети.

В 10 раз увеличилась скорость передачи сигнала, значит, в 10 раз должен уменьшиться максимальный диаметр одного разделяемого сегмента (чтобы избежать в нём поздних коллизий).

Признаком свободного состояния среды в Fast Ethernet является передача специального символа простоя источника (а не отсутствие сигнала, как в стандарте классической Ethernet).

Коаксиальный кабель исключён из списка разрешённых сред передачи. Стандарт Fast Ethernet установил три спецификации:

– 100Base-TX - неэкранированная или экранированная витая пара (две пары в кабеле).

– 100Base-T4 - неэкранированная витая пара (четыре пары в кабеле).

– 100Base-FX - волоконно-оптический кабель (с двумя волокнами).

Максимальные длины для кабельных сегментов приводятся в таблице:

Таблица 1.6.2 Стандарты Fast Ethernet

Полудуплексный канал работает на передачу и приём по очереди, а дуплексный - одновременно.

Правило 4 хабов для Fast Ethernet превращается в правило одного или двух хабов (в зависимости от класса хаба).

100Base-tx

Среда передачи - 2 витых пары в одной общей оболочке.

100Base-t4

Среда передачи - 4 витых пары в одной общей оболочке.

Три пары используются для параллельной передачи сигнала со скоростью 33,3 Мбит/с (всего получается 100 Мбит/с), четвёртая пара всегда “слушает” сеть на предмет обнаружения коллизий.

100Base-fx

Среда передачи - оптоволоконный кабель с двумя волокнами.

Gigabit Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту - 1000 Мбит/c.

Поддерживаются кабели, используемые в Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара.

Для предотвращения поздних коллизий длина сегмента кабеля должна уменьшиться в 10 раз по сравнению со стандартом Fast Ethernet, но это было бы неприемлемо. Вместо этого в технологии Gigabit Ethernet увеличена длина минимального пакета с 64 байтов до 512 байт и, кроме того, разрешено передавать несколько пакетов подряд (общий размер - не более 8192 байт). Конечно, это увеличивает ожидание паузы для начала передачи, но на скорости 1000 Мбит/c эта задержка не слишком существенна.

Для поддержки заявленной скорости передачи, в технологии Gigabit Ethernet применяются и некоторые другие технические решения, но структура сети остаётся прежней:

– дерево разделяемых сред;

– для соединения узлов в одном домене коллизий используются хабы;

– коммутаторы и маршрутизаторы соединяют домены коллизий.

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту - 10 000 Мбит/c.

Технология построения сети 10G Ethernet принципиально отличается от других Ethernet-технологий.

Сети 10G Ethernet - это сети с коммутацией пакетов .

Если в сетях с разделяемыми средами пакет, переданный одной станцией, поступает на все другие станции, то в коммутируемых сетях пакет следует от передающей станции к станции назначения по маршруту, который уточняется по мере продвижения пакета от одного маршрутизатора к другому.

Сеть с разделяемыми средами, построенная только на хабах и коммутаторах, должна иметь строго иерархическую структуру: на схеме соединений не должно быть циклов.

Сеть, приведённая на рисунке 1.6.2, имеет иерархическую структуру. Между любыми двумя узлами существует ровно один путь, например, путь от А к Б пролегает через узлы: А–2–1–3–5–Б:

Рисунок 1.6.2 Сеть с иерархической структурой

На следующем рисунке 1.6.3 показана сеть с циклом. Между узлами А и Б теперь имеются два пути: А–2–1–3–5–Б и А–5–Б:

Рисунок 1.6.3 Сеть с циклом

Сети с коммутацией пакетов могут иметь ячеистую структуру, в которой между двумя станциями может существовать два и более вариантов прохождения пакета.

Ячеистые сети более надежны: если один маршрут перестаёт работать по техническим причинам, для доставки пакета выбирается другой.

Сети с коммутацией пакетов имеют бóльшую пропускную способность по сравнению с сетями на разделяемых средах (пакеты не транслируются во все стороны, а следуют строго к пункту назначения; станции передают, не дожидаясь тишины в сети).

В качестве проводящей среды в сетях 10G Ethernet используют оптоволоконный кабель и кабель с витыми парами.

Длина сегмента оптического кабеля может достигать 40 км, а длина сегмента витой пары - 100 м. Причина ограничения длины кабеля теперь не в поздних коллизиях (при коммутации пакетов коллизий не бывает), а в затухании сигнала при его прохождению по кабелю.

Ethernet (читается эзернет , от лат. aether - эфир) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных
.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История создания

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
кабель.

Причинами перехода на были:

• возможность работы в дуплексном режиме;
• низкая стоимость кабеля «витой пары»;
• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
• большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
• отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие 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 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Ранние модификации Ethernet

• Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
• 10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
  в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
• 1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

• 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
• 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
  карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
  конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
• StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

• 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
• FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
• 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
• 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
• 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
• 10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

• 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару 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. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
  километров
• 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
  видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
  буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
  на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
• 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
  Industry Association, TIA) и опубликован 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)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
  Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
  раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
  приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
  цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
  и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
  стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
  может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
  продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
  использовать более простую электронику.
• 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 5 километров.
• 
  
  используется.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
  с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
  используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 100 километров.

10-гигабитный Ethernet

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
стандарта IEEE 802.3.

• 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
• 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
  зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
  метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
  волокна.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
  соответственно.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
  по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
  10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
• 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
  экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

Он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks» .

Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт , описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

MAC-адреса

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете IEEE Registration Authority диапазон из шестнадцати миллионов (2^24) адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Существуют таблицы, позволяющие определить производителя по MAC-адресу; в частности, они включены в программы типа arpalert.

Мак адрес считывается один раз из ПЗУ при инициализации сетевой карты, в дальнейшем все пакеты генерируются операционной системой. Все современные операционные системы позволяют поменять его. Для Windows начиная как минимум с Windows 98 он менялся в реестре. Некоторые драйвера сетевых карт давали возможность изменить его в настройках, но смена работает абсолютно для любых карт.

Некоторое время назад, когда драйверы сетевых карт не давали возможность изменить свой MAC-адрес, а альтернативные возможности не были слишком известны, некоторые провайдеры Internet использовали его для идентификации машины в сети при учёте трафика. Программы из Microsoft Office, начиная с версии Office 97, записывали MAC-адрес сетевой платы в редактируемый документ в качестве составляющей уникального GUID-идентификатора. . MAC адрес роутера передавался Mail.Ru агентом на свой сервер открытым текстом при логине.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных, и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.

В этом разделе дано краткое описание всех официально существующих разновидностей. По некоторым причинам, в дополнение к основному стандарту многие производители рекомендуют пользоваться другими запатентованными носителями - например, для увеличения расстояния между точками сети используется волоконно-оптический кабель .

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие 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 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Ранние модификации Ethernet

• Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3 Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
• 1BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции , похожей на ту, что используется в кабельных модемах . В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
• 1BASE5 - также известный, как StarLAN , стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

• 10BASE5 , IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров .
• 10BASE2 , IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров , компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор , а на кабеле должен быть BNC-коннектор . Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
• StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T .

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в отличие от работы с коаксиальным кабелем. Поэтому все сети на витой паре используют топологию «звезда», в то время как сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

• 10BASE-T , IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5 . Максимальная длина сегмента 100 метров.
• FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link ). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
• 10BASE-F , IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
• 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
• 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
• 10BASE-FP (Fiber Passive) - Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогда не применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet , 100 Мбит/с)

• 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX , IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару 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. Практически не используется.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10 километров.
• 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)

10-гигабитный Ethernet (Ethernet 10G, 10 Гбит/с)

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN , MAN и WAN . В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3 .

• 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand .
• 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров , в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового волокна.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно.
• 10GBASE-SW , 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET /SDH . Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
• 10GBASE-T , IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.
• 10GBASE-KR

Компания Harting заявила о создании первого в мире 10-гигабитного соединителя RJ-45, не требующего инструментов для монтажа - HARTING RJ Industrial 10G .

40-гигабитный и 100-гигабитный Ethernet

Согласно наблюдениям Группы 802.3ba , требования к полосе пропускания для вычислительных задач и приложений ядра сети растут с разными скоростями, что определяет необходимость двух соответствующих стандартов для следующих поколений Ethernet - 40 Gigabit Ethernet (или 40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (или 100GbE). В настоящее время серверы , высокопроизводительные вычислительные кластеры , блэйд-системы , SAN и NAS используют технологии 1GbE и 10GbE, при этом в 2007 и 2008 гг. был отмечен значительный рост последней.

Перспективы

О Terabit Ethernet (так упрощенно называют технологию Ethernet со скоростью передачи 1 ТБит/с) стало известно в 2008 году из заявления создателя Ethernet Боба Меткалфа на конференции OFC который предположил, что технология будет разработана к 2015 году , правда, не выразив при этом какой-либо уверенности, ведь для этого придется решить немало проблем. Однако, по его мнению, ключевой технологией, которая может обслужить дальнейший рост трафика, станет одна из разработанных в предыдущем десятилетии - DWDM .

«Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое, - сказал Меткалф. - Неясно также, какая сетевая архитектура потребуется для её поддержки. Возможно, оптические сети будущего должны будут использовать волокно с вакуумной сердцевиной или углеродные волокна вместо кварцевых. Операторы должны будут внедрять больше полностью оптических устройств и оптику в свободном пространстве (безволоконную). Боб Меткалф» .

См. также

Примечания

Ссылки

• Стандарт IEEE 802.3 2008 (англ.)
• Стандарт IEEE 802.3 2002 (англ.)