თეორია:Ethernet

WiKi MikroTik geo გვერდიდან
Jump to navigation Jump to search
UTP კაბელი 8P8C კონექტორით, რომელიც გამოიყენება Ethernet ქსელებში 10BASE-T, 100BASE-T(x) და 1000BASE-T(x) სტანდარტებით.

Ethernet ([ˈiːθəˌnɛt] ინგლ. ether [ˈiːθə] — «ეფირი» და network — «ქსელი, ჯაჭვი») — ტექნოლოგიების ოჯახი მონაცემთა პაკეტების გადაცემის კომპიუტერული ქსელებისათვის.

Ethernet სტანდარტებს განსაზღვრავს სადენიანი კავშირები და ელექტრო სიგნალები ფიზიკურ დონეზე, კადრის ფორმატი და წვდომის კონტროლის პროტოკოლები გარემოში — OSI მოდულის არხის დონეზე. ძირითადად Ethernet აღწერილია სტანდარტით IEEE ჯგუფი 802.3. Ethernet გახდა ყველაზე გავრცელებული LAN ტექნოლოგია 90-იანი წლების შუა ხანებში, ჩაანაცვლა მოძველებული ტექნოლოგიები, როგორიცაა ARCNET და Token ring.

სახელწოდება «Ethernet» (სიტყვასიტყვით «სამაუწყებლო ქსელი» ან «ქსელის გარემო») ასახავს ამ ტექნოლოგიის მუშაობის თავდაპირველ პრინციპს: ყველაფერი, რასაც ერთი კვანძი გადაცემს, ერთდროულად ყველა სხვა ადამიანი იღებს (ანუ მაუწყებლობასთან დაკავშირებით გარკვეული მსგავსებაა). ამჟამად, თითქმის ყოველთვის კავშირი ხდება კომუტატორის საშუალებით (switch), ისე, რომ ერთი კვანძის მიერ გაგზავნილი კადრები აღწევენ მხოლოდ ადრესატთან (გამონაკლისი არის სამაუწყებლო მისამართზე გადაცემა) — ეს ზრდის სიჩქარეს და ქსელის უსაფრთხოებას.

ისტორია

Ethernet ტექნოლოგია შეიქმნა Xerox PARC კორპორაციის სხვა ბევრ პირველ პროექტებთან ერთად. ზოგადად მიღებულია, რომ Ethernet იქნა გამოგონილი 1973 წლის 22 მაისს, როდესაც რობერტ მეტკალფმა (Robert Metcalfe) შეადგინა მოხსენებითი წერილი PARC–ის ხელმძღვანელისთვის Ethernet ტექნოლოგიის პოტენციალის შესახებ. მაგრამ Metcalf-მა მიიღო ტექნოლოგიის სამართლებრივი უფლება რამდენიმე წლის შემდეგ. 1976 წელს მან და მისმა ასისტენტმა დევიდ ბოგსმა (David Boggs) გამოაქვეყნეს ბროშურა სახელწოდებით «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

მეტკალფმა Xerox დატოვა 1979 წელს და დააარსა კომპანია 3Com კომპიუტერებისა და ლოკალური ქსელების (LAN) პოპულარიზაციისათვის. ან შეძლო დაერწმუნებინა DEC, Intel და Xerox, რომ ემუშავათ ერთობლივად და შეემუშავებინათ Ethernet (DIX) სტანდარტი. ეს სტანდარტი პირველად გამოქვეყნდა 1980 წლის 30 სექტემბერს. მან დაიწყო მეტოქეობა ორი დიდ დაპატენტებულ ტექნოლოგიასთან: token ring და ARCNET, — რომლებიც მალე გაანადგურეს Ethernet-ის პროდუქტების მოძრავი ტალღების ქვეშ. ბრძოლის პროცესში 3Com გახდა მთავარი კომპანია ამ ინდუსტრიაში.

ტექნოლოგია

პირველი ვერსიების სტანდარტში (Ethernet v1.0 და Ethernet v2.0) ნათქვამია, რომ კოაქსიალური კაბელი გამოიყენება მონაცემების გადაცემის საშუალებად, მოგვიანებით შესაძლებელი გახდა ხვეული წყვილისა და ოპტიკური კაბელის გამოყენება.

ხვეული წყვილის გამოყენების უპირატესობები კოაქსიალურ კაბელთან შედარებით:

  • დუპლექსის რეჟიმში მუშაობის უნარი;
  • ხვეული წყვილი კაბელის დაბალი ღირებულება;
  • ქსელის უფრო მაღალი საიმედოობა: ხვეული წყვილის კაბელის გამოყენებისას ქსელი აგებულია «ვარსკვლავური» ტოპოლოგიის შესაბამისად, ამიტომ, კაბელის დაზიანება იწვევს მხოლოდ ქსელის ორ ობიექტს შორის კავშირის გაფუჭებას, დაკავშირებული ამ კაბელის საშუალებით (კოაქსიალური კაბელის გამოყენებისას, ქსელი აგებულია ტოპოლოგიით «საერთო სალტე», რისთვისაც საჭიროა ტერმინალური რეზისტორების არსებობა კაბელის ბოლოებზე, შესაბამისად, კაბელის დაზიანება იწვევს ქსელის სეგმენტის გაუმართაობას);
  • შეამცირა კაბელის მინიმალური დასაშვები მოკეცვის რადიუსი;
  • მეტი დამახინჯების გამძლეობა დიფერენციალური სიგნალის გამოყენების გამო;
  • დაბალი სიმძლავრის კვანძების კაბელით კვების შესაძლებლობა, მაგ, IP ტელეფონები (სტანდარტი Power over Ethernet, PoE);
  • ტრანსფორმატორის ტიპის გალვანური იზოლაცია. დსთ-ს პირობებში, სადაც, როგორც წესი, არ არსებობს კომპიუტერების დამიწება, კოაქსიალური კაბელის გამოყენებამ ხშირად გამოიწვია ქსელის ბარათების მწყობრიდან გამოყვანა ელექტრული დაზიანების შედეგად.

ოპტიკურ კაბელზე გადართვის მიზეზი იყო ეგმენტის სიგრძის გაზრდა გამმეორებლების გარეშე.

დაშვების კონტროლის მეთოდი (კოაქსიალური საკაბელო ქსელისთვის) — მრავალჯერადი წვდომა გადამცემის კონტროლთან და კონფლიქტების აღმოჩენა (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), მონაცემთა გადაცემის სიჩქარე 10 მბიტი/წ, კადრის ზომა 64-დან 1518 ბაიტით, აღწერილია მონაცემთა კოდირების მეთოდებში. მუშაობის რეჟიმი არის ნახევრად დუპლექსი, ანუ კვანძს არ შეუძლია ერთდროულად გადასცეს და მიიღოს ინფორმაცია. კვანძების რაოდენობა ერთ საერთო ქსელურ სეგმენტზე შეზღუდულია 1024 სამუშაო სადგურის ლიმიტით (ფიზიკური დონის სპეციფიკაციებმა შეიძლება დააწესოს უფრო მკაცრი შეზღუდვები, მაგალითად, ვიწრო კოაქსიალურ სეგმენტ შეიძლება დაუკავშრდეს არ უმეტეს 30 სამუშაო სადგური, ხოლო სქელი კოაქსიური სეგმენტისთვის - არა უმეტეს 100). თუმცა, ქსელი აგებული ერთ საერთო გაზიარებულ სეგმენტზე, არაეფექტური ხდება კვანძების რაოდენობის შეზღუდვამდე დიდი ხნით ადრე, ძირითადად ნახევრად დუპლექსის რეჟიმში მუშაობის გამო.

1995 წელს მიღებულ იქნა სტანდარტი IEEE 802.3u Fast Ethernet სიჩქარით 100 მბიტ/წ და სრული დუპლექსის რეჟიმში მუშაობის შესაძლებლობა. 1997 წელს მიღებული იქნა სტანდარტი IEEE 802.3z Gigabit Ethernet სიჩქარით 1000 მბიტ/წ ოპტიკურ ბოჭკოზე გადაცემისთვის და ორი წლის შემდეგ გრეხილ წყვილზე გადაცემაზე.

კადრის ფორმატი

არსებობს რამოდენიმე Ethernet-კადრის ფორმატი.

  • თავდაპირველი Version I (აღარ გამოიყენება).
  • Ethernet Version 2 ან Ethernet-კადრი II, ასევე უწოდებენ DIX (მწარმოებლების პირველი ასოების აბრევიატურა DEC, Intel, Xerox) — ყველაზე გავრცელებული და დღემდე გამოიყენება. ხშირად გამოიყენება პირდაპირ ინტერნეტ პროტოკოლით.
Ethernet II კადრის ყველაზე გავრცელებული ფორმატი
  • Novell — შიდა მოდიფიკაცია IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control).
  • კადრი IEEE 802.3 LLC.
  • კადრი IEEE 802.3 LLC/SNAP.
  • ზოგიერთი Ethernet ქსელის ბარათები, დამზადებული Hewlett-Packard–ის მიერ, გამოიყენებდნენ IEEE 802.12 ფორმატის კადრთან მუშაობისას, 100VG-AnyLAN სტანდარტის შესაბამისად.

В качестве дополнения Ethernet-кадр может содержать тег IEEE 802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности.

Разные типы кадра имеют различный формат и значение MTU.

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 (224) 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.

MAC-адрес считывается один раз из ПЗУ при инициализации сетевой карты, в дальнейшем все кадры генерируются операционной системой. Все современные операционные системы позволяют поменять его. Для Windows начиная как минимум с Windows 98 он менялся в реестре. Некоторые драйверы 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.

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 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 многомодовое 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 2 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)

  • 1000BASE-T, IEEE 802.3ab — основной гигабитный стандарт, опубликованный в 1999 году, использует витую пару категории 5e. В передаче данных участвуют 4 пары, каждая пара используется одновременно для передачи по обоим направлениям со скоростью — 250 Мбит/с. Используется метод кодирования PAM5 (5-level Phase Amplitude Modulation, пятиуровневая фазоамплитудная модуляция), 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)» , фактически устарел. Стандарт разделяет принимаемые и посылаемые сигналы по парам (две пары передают данные, каждая на 500 Мбит/с и две пары принимают), что упрощало бы конструкцию приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX являлось отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления и цена реализаций должны становиться ниже, чем у стандарта 1000BASE-T. Для работы технологии требуется кабельная система 6 категории.
  • 1000BASE-X — общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками в форм-факторах GBIC или SFP.
  • 1000BASE-SX, IEEE 802.3z — стандарт, использующий многомодовое волокно в первом окне прозрачности с длиной волны, равной 850 нм. Дальность прохождения сигнала составляет до 550 метров.
  • 1000BASE-LX, IEEE 802.3z — стандарт, использующий одномодовое или многомодовое оптическое волокно во втором окне прозрачности с длиной волны, равной 1310 нм. Дальность прохождения сигнала зависит только от типа используемых приемопередатчиков и, как правило, составляет для одномодового оптического волокна до 5 км и для многомодового оптического волокна до 550 метров.
  • 1000BASE-CX — стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий 2-х парный экранированный кабель (150 Ом, STP IBM Type I или лучше). Применяется кодирование 8B/10B, сигнал передается по одной паре, принимается по другой паре проводов; разъемы - 9-ти контактный D, HSSDC. Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.
  • 1000BASE-LH (Long Haul) — стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя — до 100 километров.

2,5- и 5-гигабитные варианты (NBASE-T, MGBASE-T)

В 2014 появились частные инициативы NBASE-T (Cisco) и MGBASE-T (Broadcom) по созданию стандартов Ethernet со скоростью, промежуточной между 1 и 10 Гбит/с. Новый стандарт должен использовать существующую кабельную инфраструктуру категории 5e на расстояниях до 100 метров, предоставляя скорости в 2,5 или, менее вероятно, 5 Гбит/с. Среди причин появления инициатив — распространение Wi-Fi-маршрутизаторов, поддерживающих скорости более 1 гигабита (802.11ac Wave 2, 802.11ad, 802.11ax, LiFi), и невозможность использования 10 Гбит/с стандартов Ethernet по длинным кабелям 5e и 6 категорий.

10-гигабитный Ethernet (10G Ethernet, 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 витую пару категории 6 (максимальное расстояние 55 метров)< и 6а (максимальное расстояние 100 метров).
  • 10GBASE-KR — технология 10-гигабитного Ethernet для кросс-плат (backplane/midplane) модульных коммутаторов/маршрутизаторов и серверов (Modular/Blade).

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, блейд-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».