Сетевые технологии (9). Основы Ethernet (1).

Продолжение. Часть 8 – здесь.

Протокол локальных сетей Ethernet – наиболее употребительный сетевой протокол. Поэтому его необходимо разобрать поподробнее.

В настоящее время (2020 год) в основном используются сети Ethernet 100 Мбит/с, 1 Гбит/с, а также 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet или 10G).

Начать стоит с устаревших сетей 10 Мбит/с. В них использовался механизм предотвращения коллизий (когда два устройства в сети посылают пакеты одновременно), который сегодня также устарел, однако его принципы продолжают использоваться, особенно в беспроводных локальных сетях WLAN (Wireless Local Access Network).

Беспроводные локальные сети WLAN, которые сегодня используются наиболее часто.

Впервые спецификации Ethernet были представлены в статье Меткалфа (Metcalfe) и Боггса (Boggs) в далёком 1976 году. Скорость сети была определена 10 мегабит с секунду, соединения выполнялись при помощи коаксиального кабеля, а не скрученной пары телефонных проводов (twisted pair), как сегодня. Архитектура сети была довольно простой, чтобы повысить её надежность. Устройство связи было выбрано пассивным – обычный кабель, для устранения такого явления, как «одна точка отказа» (single point of failure), отказ которой означает отказ всей системы.

То есть, физическая среда Ethernet представляла собой просто длинный кусок коаксиального кабеля, к которому компьютеры подключались при помощи вставок-тройников (Т-коннекторов).

Вставка-тройник (Т-коннекторов) для подключения компьюетров и периферийных устройств к локальной сети LAN версии 1.

Если два компьютера передают свои пакеты одновременно, то их сигналы будут потеряны в результате коллизии. После этого, не дождавшись сигнала подтверждения от устройства назначения, эти компьютеры снова начинают передачу с задержкой, разной у разных компьютеров, что позволяет в следующий раз предотвартить коллизию.

Чтобы минимизировать потери пакетов при коллизиях, сетевое ПО на компьютерах, подключенных к сети, выполняет следующее:

  1. Перед передачей вводится «прослушивание» линии, чтобы удостовериться, что ничего в данный момент не передаётся.
  2. При передаче, производится постоянный мониторинг линии на предмет возникновения коллизии, и если таковая возникла, то передача прекращается.
  3. После устранения коллизии, производится повторная передача.

Такой алгоритм называется CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detect). Термин Carrier Sense (проба несущей частоты) используется вместо Signal Sense, как более правильного по смыслу, поскольку никакой «несущей частоты» в коаксиальном кабеле нет.

То есть, коллизии в сети Ethernet – явление совершенно нормальное, которое легко устраняется вышеописанным механизмом.

Единственными активными компонентами, кроме самих компьютеров и периферийных устройств, в такой сети могут быть только репитеры (repeaters) – повторители сигнала, чтобы уменьшить затухания при передаче по достаточно длинным участкам кабеля. Эти репитеры вскоре эволюционировали в многопортовые устройства (хабы), через которые можно было разветвлять сеть в других направлениях.

Репитеры для коаксиального кабеля, и для перехода от коаксиального кабеля на четыре выхода витой пары через разъём RJ-45.

В это время топология сетей изменилась. Вместо длинного, как змея, кабеля, который протягивался от компьютера к компьютеру или принтеру, в сетях стала использоваться топология «звезда» (“star”), где все сетевые устройства подключались к центральному репитеру. Такое построение сети позволило использовать недорогую «витую пару» вместо дорогого коаксиального кабеля, поскольку длину отдельных участков кабеля можно было значительно сократить.

На смену повторителям, которые не противодействовали коллизиям, вскоре пришли коммутаторы, которые их успешно предотвращали.  Коммутаторы разделяли сеть Ethernet на автономные участки, значительно снижающие вероятность коллизий, которые теперь были возможны только в пределах одного участка. Сеть, составленная из таких участков, разделённых коммутаторами, одно время не совсем правильно называлась «виртуальный Ethernet».

Коммутаторы также называют «мостами» (Bridges). Поскольку они читают весь принятый пакет целиком, то перед отправкой его дальше, они делают проверку адреса назначения, указанного в пакете.

Во время этих ранних эволюций, в сети Ethernet никогда не использовались резервные соединения, наличие которых могло приводить к образованию «петель» в топологии сети. Однако, к 1985 году в Ethernet стал использоваться механизм, который позволял быстро задействовать неиспользуемые соединения, когда отказывает основное соединение.

В конце концов, в начале 2000-х годов появилась поддержка протоколов TRILL (TRansparent Interconnection of Lots of Links) и SPB (Shortest-Path Bridging).

Стандарт классического Ethernet версии 1 в 1980 году был разработан компаниями DEC-Intel-Xerox (DIX).

Дальнейшие версии Ethernet развивались следующим образом.

Наименование стандартаГод принятияПримечания
прототип Ethernet19732,94 Мбит/с через коаксиальный кабель.
Ethernet версия 1198010 Мбит/с через коаксиальный кабель.
 DIX v2.0 (Ethernet II)198210 Мбит/с через коаксиальный кабель; у фреймов появляется поле типа (данных)
802.3198310Base5 «Толстый Ethernet» (thicknet): 10 Мбит/с (1,25 Мбайт/с) через коаксиальный кабель RG-8 (диаметр 10 мм);
802.3a198510Base5«Тонкий Ethernet» (thinnet): 10 Мбит/с (1,25 Мбайт/с) через коаксиальный кабель RG-58 (диаметр 5 мм)
802.3b198510Broad36
802.3c198510 Мбит/с, спецификации репитера
802.3d1987FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link), волоконно-оптическая связь между повторителями
802.3e19871Base5, 1 Мбит/с через витую пару
802.3i199010Base-T, 10 Мбит/с через витую пару
802.3j199310Base-T, 10 Мбит/с через оптоволокно
802.3u1995100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX, Fast Ethernet: 100 Мбит/с (совместимость с IEEE 802.3i)
802.3x1997Поддержка полнодуплексной связи; совместимость с DIX
802.3y1998100Base-T2: 100 Мбит/с через витую пару 3-й категории (две пары медных проводов)
802.3z19981000Base-X, Gigabit Ethernet: 1 Гбит/с через волоконно-оптический кабель
802.3-19981998Версия, включающая в себя все предыдущие стандарты с исправленными ошибками
802.3ab1999 1000Base-T, Gigabit Ethernet: 1 Гбит/с (125 Мбайт/с) по витой паре 5-й категории
802.3ac1998Увеличение максимального размера фрейма до 1522 байт (для поддержки информации о VLAN)
802.3ad2000Агрегирование каналов
802.3-20022002Версия, включающая в себя все предыдущие стандарты с исправленными ошибками
802.3ae200310GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-SW, 10GBASE-LW, 10GBASE-EW, 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с через оптическое волокно.
802.3af2003PoE (Power over Ethernet) — электропитание через Ethernet
802.3ah2004Ethernet in the First Mile (EFM, «первая миля» Ethernet)
802.3ak200410GBASE-CX4 10 Гбит/с (1,25 Гбайт/с) через твинаксиальный кабель
802.3-20052005Ревизия основного стандарта, включающая четыре предшествующих изменения
802.3an200610GBase-T, 10 Gigabit Ethernet: 10 Гбит/с по витой паре 6-й или 7-й категории
802.3ap20071 и 10 Гбит/с (125 и 1250 Мбайт/с) по объединительной панели 
802.3aq200610GBase-LRM, 10 Гбит/с (1,25 Гбайт/с) по многомодовому оптическому волокну
802.3arне принятУправление перегрузкой
802.3as2006Расширение формата кадров
802.3at2009Питание через Ethernet (PoE) оконечных устройств повышенной мощности (более 24 Вт)
802.3au2006Требования изоляции для PoE 
802.3av200910 Гбит/с, 10 Gigabit Ethernet PON 
802.3aw2007Исправлена ошибка в описании 10GBASE-T (опубликован как 802.3-2005/Cor 2)
802.3ax2008Агрегирование каналов, этап формального перевода протокола 802.3ad в подгруппу 802.1  (опубликован как 802.1AX)
802.3ay2007Этап ревизии стандарта 802.3-2005
802.3az2010Ethernet с энергосберегающим режимом (снижение потребляемой мощности сетевой карты в периоды низкой сетевой активности примерно до 89 мВт, вместо типичного значения около 476 мВт).
802.3ba2010100 Gigabit Ethernet через медный кабель 10 м (4×25 Гбит или 10×10 Гбит), либо 100 м многомодового оптоволокна (MM), либо 40 км одномодового оптоволокна (SM)
802.3-2008/Cor 12009Увеличение таймингов Pause Reaction Delay которых было недостаточно для 10 Gbit/s (имя рабочей группы было 802.3bb)
802.3bc2009Доработки параметров Ethernet TLV (type, length, values), ранее разработанных в приложении Annex F (LLDP) to к стандарту 802.3.
802.3bd2010Управление приоритетами потока.
802.3.12011Определение MIB для Ethernet.
802.3bf2011Точная индикация передачи и приёма времени инициации определённых пакетов в соответствии IEEE P802.1AS.
802.3bg2011Ввод скорости 40 Gbit/s PMD (Physical MEdiaum Dependent), совместим с оп тическим интерфейсом SMF 40 Gbit/s (OTU3/STM-256/OC-768/40G POS).
802.3-20122012Доработка стандарта, объединение новшеств  802.3at/av/az/ba/bc/bd/bf/bg.
802.3bj2014Определение физической среды объединительной панели 100 Гбит/с.  
802.3bk2013Доработка IEEE Std 802.3, определение спецификаций физической среды  и параметров управления EPON.
802.3bm2015100/40G Ethernet для оптической сети.
802.3bp20161000BASE-T1 – Gigabit Ethernet через одну витую пару, для применений в автомобильной и производственной областях.
802.3bq201625G/40Base-T для 4-парного кабеля витой пары с двумя коннекторами на расстоянии до 30 м.  
802.3bs2017400G Ethernet по оптоволокну, объединяющий линии 25G/50G
802.3bt2017Усовершенстование РоЕ
802.3bw2015100BASE-T1 – 100 Мбит/с Ethernet через одну витую пару для использования в автомобилях.
802.3-20152015802.3bx – объединение ревизий 802.2bk/bj/bm
802.3by2016 25 Gigabit Ethernet по оптической линии
802.3bz20162.5G и 5G Ethernet через витые пары категории 5 и 6
802.3cd2018Параметры Media Access Control для 50G, 100 G, и 200G Ethernet

Продолжение – здесь.

About Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
This entry was posted in Сетевые технологии and tagged , , , , , , , . Bookmark the permalink.

2 Responses to Сетевые технологии (9). Основы Ethernet (1).

  1. Pingback: Сетевые технологии (8). Файрволлы. | Telecom & IT

  2. Pingback: Сетевые технологии (10). Основы Ethernet (2). | Telecom & IT

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.