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).

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).

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.

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 стандарта	Год принятия	Примечания
прототип Ethernet	1973	2,94 Мбит/с через коаксиальный кабель.
Ethernet версия 1	1980	10 Мбит/с через коаксиальный кабель.
DIX v2.0 (Ethernet II)	1982	10 Мбит/с через коаксиальный кабель; у фреймов появляется поле типа (данных)
802.3	1983	10Base5 «Толстый Ethernet» (thicknet): 10 Мбит/с (1,25 Мбайт/с) через коаксиальный кабель RG-8 (диаметр 10 мм);
802.3a	1985	10Base5«Тонкий Ethernet» (thinnet): 10 Мбит/с (1,25 Мбайт/с) через коаксиальный кабель RG-58 (диаметр 5 мм)
802.3b	1985	10Broad36
802.3c	1985	10 Мбит/с, спецификации репитера
802.3d	1987	FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link), волоконно-оптическая связь между повторителями
802.3e	1987	1Base5, 1 Мбит/с через витую пару
802.3i	1990	10Base-T, 10 Мбит/с через витую пару
802.3j	1993	10Base-T, 10 Мбит/с через оптоволокно
802.3u	1995	100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX, Fast Ethernet: 100 Мбит/с (совместимость с IEEE 802.3i)
802.3x	1997	Поддержка полнодуплексной связи; совместимость с DIX
802.3y	1998	100Base-T2: 100 Мбит/с через витую пару 3-й категории (две пары медных проводов)
802.3z	1998	1000Base-X, Gigabit Ethernet: 1 Гбит/с через волоконно-оптический кабель
802.3-1998	1998	Версия, включающая в себя все предыдущие стандарты с исправленными ошибками
802.3ab	1999	1000Base-T, Gigabit Ethernet: 1 Гбит/с (125 Мбайт/с) по витой паре 5-й категории
802.3ac	1998	Увеличение максимального размера фрейма до 1522 байт (для поддержки информации о VLAN)
802.3ad	2000	Агрегирование каналов
802.3-2002	2002	Версия, включающая в себя все предыдущие стандарты с исправленными ошибками
802.3ae	2003	10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-SW, 10GBASE-LW, 10GBASE-EW, 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с через оптическое волокно.
802.3af	2003	PoE (Power over Ethernet) — электропитание через Ethernet
802.3ah	2004	Ethernet in the First Mile (EFM, «первая миля» Ethernet)
802.3ak	2004	10GBASE-CX4 10 Гбит/с (1,25 Гбайт/с) через твинаксиальный кабель
802.3-2005	2005	Ревизия основного стандарта, включающая четыре предшествующих изменения
802.3an	2006	10GBase-T, 10 Gigabit Ethernet: 10 Гбит/с по витой паре 6-й или 7-й категории
802.3ap	2007	1 и 10 Гбит/с (125 и 1250 Мбайт/с) по объединительной панели
802.3aq	2006	10GBase-LRM, 10 Гбит/с (1,25 Гбайт/с) по многомодовому оптическому волокну
802.3ar	не принят	Управление перегрузкой
802.3as	2006	Расширение формата кадров
802.3at	2009	Питание через Ethernet (PoE) оконечных устройств повышенной мощности (более 24 Вт)
802.3au	2006	Требования изоляции для PoE
802.3av	2009	10 Гбит/с, 10 Gigabit Ethernet PON
802.3aw	2007	Исправлена ошибка в описании 10GBASE-T (опубликован как 802.3-2005/Cor 2)
802.3ax	2008	Агрегирование каналов, этап формального перевода протокола 802.3ad в подгруппу 802.1  (опубликован как 802.1AX)
802.3ay	2007	Этап ревизии стандарта 802.3-2005
802.3az	2010	Ethernet с энергосберегающим режимом (снижение потребляемой мощности сетевой карты в периоды низкой сетевой активности примерно до 89 мВт, вместо типичного значения около 476 мВт).
802.3ba	2010	100 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 1	2009	Увеличение таймингов Pause Reaction Delay которых было недостаточно для 10 Gbit/s (имя рабочей группы было 802.3bb)
802.3bc	2009	Доработки параметров Ethernet TLV (type, length, values), ранее разработанных в приложении Annex F (LLDP) to к стандарту 802.3.
802.3bd	2010	Управление приоритетами потока.
802.3.1	2011	Определение MIB для Ethernet.
802.3bf	2011	Точная индикация передачи и приёма времени инициации определённых пакетов в соответствии IEEE P802.1AS.
802.3bg	2011	Ввод скорости 40 Gbit/s PMD (Physical MEdiaum Dependent), совместим с оп тическим интерфейсом SMF 40 Gbit/s (OTU3/STM-256/OC-768/40G POS).
802.3-2012	2012	Доработка стандарта, объединение новшеств  802.3at/av/az/ba/bc/bd/bf/bg.
802.3bj	2014	Определение физической среды объединительной панели 100 Гбит/с.
802.3bk	2013	Доработка IEEE Std 802.3, определение спецификаций физической среды  и параметров управления EPON.
802.3bm	2015	100/40G Ethernet для оптической сети.
802.3bp	2016	1000BASE-T1 – Gigabit Ethernet через одну витую пару, для применений в автомобильной и производственной областях.
802.3bq	2016	25G/40Base-T для 4-парного кабеля витой пары с двумя коннекторами на расстоянии до 30 м.
802.3bs	2017	400G Ethernet по оптоволокну, объединяющий линии 25G/50G
802.3bt	2017	Усовершенстование РоЕ
802.3bw	2015	100BASE-T1 – 100 Мбит/с Ethernet через одну витую пару для использования в автомобилях.
802.3-2015	2015	802.3bx – объединение ревизий 802.2bk/bj/bm
802.3by	2016	25 Gigabit Ethernet по оптической линии
802.3bz	2016	2.5G и 5G Ethernet через витые пары категории 5 и 6
802.3cd	2018	Параметры Media Access Control для 50G, 100 G, и 200G Ethernet

Продолжение — здесь.