Обзор технологии Ethernet Технология Ethernet

История и развитие

По воле обстоятельств или из-за технических преимуществ, но на сегодня технология Ethernet не имеет конкурентов в области локальных сетей, занимая более 95% рынка. Кроме того, настоящее время наблюдается тенденция использования в крупных территориальных сетях протоколов, созданных в свое время для локальных сетей. Так, например, технологии на основе Ethernet используются для организации городских сетей (MAN). Принципы построения такой сети внешне просты и доступны пользователю, дешевле в реализации, а высокотехнологичную аппаратную часть и кабельную систему, за счет которых достигается высокая скорость передачи, пользователь просто не видит.

Днем рождения технологии Ethernet считается 22 мая 1973 г. Именно тогда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Сеть базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).

С 1980 г. стандартизацией в этой области занимается IEEE, а именно, отдельное подразделение IEEE (комитет Computer Society’s Project 802) Комитет 802 по стандартизации локальных сетей. Примеры стандартов, выпущенных этим комитетом:

• стандарт 802.3 описывает сеть с топологией «шина» и множественным доступом с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), или сеть Ethernet; группа стандартов 802.3х описывает спецификации Ethernet для передачи данных по различным средам передачи – витая пара, оптоволокно, со скоростями 100Мбит/с и выше.

• стандарт 802.5 описывает сеть с логической топологией «кольцо» и метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), сеть Token Ring.

• стандарт 802.16 (январь 2003) уровня МАС предназначен для реализации широкополосных беспроводных каналов последней мили в городских сетях (MAN); обеспечивает соединение стационарных объектов.

Для каждого из этих стандартов определена среда передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель, радиоволны в гигагерцовом диапазоне), параметры среды, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Ethernet использует недетерминированный (случайный) метод получения доступа к среде передачи данных - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), который был рассмотрен ранее. При этом алгоритм может приводить к длительным задержкам доступа, особенно в условиях перегрузки. В экстремальных случаях скорость передачи может упасть до нуля.

Схема "классического Ethernet"

За прошедшие годы (почти 30 лет) Ethernet претерпел большие изменения. В то же время, после введения спецификации 10 Base-T в 1990 году сохраняется совместимость как на уровне взаимодействия устройств, так и на уровне кабельной инфраструктуры (!).

Этапы пути:

• Март 1981 - фирмой 3com представлен Ethernet-трансивер (приемопередатчик).

• Сентябрь 1982 - первый сетевой адаптер для персонального компьютера.

• 1983 - появление стандарта IEEE 802.3; определена шинная топология сети, скорость передачи 10 Мбит/сек, манчестерское кодирование. Определены две спецификации: 10Base5 (толстый Ethernet, среда передачи толстый коаксиальный кабель диаметром около 1см, длина шины одного сегмента сети до 500м, допускается соединение не более 5 сегментов через повторители (хабы), таким образом, предельное расстояние между узлами сети - 2,5 км) и 10Base2 (тонкий Ethernet, среда передачи тонкий коаксиальный кабель). Термин Base – означает передачу сигнала в исходной полосе частот, без переноса спектра сигнала по оси частот.

• 1985 - выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), в которой были внесены небольшие изменения в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet устройств (МАС - адреса). Был создан список адресов, в котором любой производитель может зарегистрировать уникальный диапазон (сейчас это стоит всего около $1000).

• Сентябрь 1990 - IEEE утверждает технологию 10Base T (витая пара 3 категории, 8-контактные разъемы RJ-45) с физической топологией пассивная звезда и концентраторами (hub). Логическая топология «шина» и метод доступа CSMA/CD не изменились. Скорость передачи 10Мбит/с, манчестерское кодирование. В основу стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet.

• 1990 - фирма "Kalpana" (впоследствии быстро купленная вместе с разработанным коммутатором CPW16 начинающим гигантом "Cisco") предлагает технологию коммутации, основанную на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента.

• 1992 - начало применения коммутаторов (switch). Используя адресную информацию, содержащуюся в пакете (МАС адрес), коммутатор организует независимые виртуальные каналы между парами узлов. Коммутация фактически незаметно для пользователя преобразует недетерминированную модель Ethernet (с конкурентной борьбой за полосу пропускания), в систему с адресной передачей данных.

• 1993 - появляется полный дуплекс и контроль соединения для 10 Base-Т, спецификация IEEE 802.1p добавляет групповую адресацию и 8-ми уровневую систему приоритетов.

• В июне 1995 введен стандарт IEEE 802.3u (100BaseT) - Fast Ethernet, 100-мегабитный Ethernet. Спецификации 100BaseT4, 100BaseTX, 100BaseFX. На базе 100Base-Ethernet были реализованы современные коммутируемые сети и развиты протоколы управления третьего (сетевого) уровня 802.1d, 802.1q, 802.1p.

• В 1998 году был опубликован стандарт для работы со скоростью 1000Мбит/с (1000Base Ethernet или Gigabit Ethernet): 802.3z для оптоволокна и 802.3ab для витой пары.

• В 2002 опубликован стандарт 802.3ае 10-гигабитного Ethernet (10GbE) для передачи по оптоволокну. Стандарт разрабатывался с целью сделать 10GbE протоколом для метросетей (MAN, городских сетей) и глобальных сетей (WAN).

• В 2006 году IEEE утвердил стандарт 802.3an (10GBASE-T) для витой пары. Предполагается, что должна использоваться неэкранированная витая пара UTP Сat 6a (дополненная категория 6, 4 пары, диапазон частот 500-550 MГц, разделитель для фиксации позиции пары в кабеле, увеличенный диаметр 0,55 мм).

На этом историю можно закончить - Ethernet принял вполне современные очертания, но развитие технологии на этом не остановилось.

Для того чтобы яснее разграничить функции, выполняемые на втором уровне протоколов ЭМВОС, комитет 802 IEEE разделил их на две части:

• подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC);

• подуровень управления логическим каналом передачи данных (Logical Link Control, LLC).

MAC-подуровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться вышестоящий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных - кадров информации.

Подуровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, которые отличаются наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличаются качеством транспортных услуг этого уровня.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол MAC-уровня может применяться с любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Стандарты 802.2 относятся к подуровню LLC, они одинаковы для всех видов методов доступа в канал и различных устройств физического уровня.

Стандарты 802.3х описывают целый стек технологий Ethernet, отличающихся реализацией протоколов физического уровня.

Формат кадра Ethernet 802.3:

Preamble +SFD 7+1 Байт	Destination Address 6 Байт	Source Address 6 Байт	Length 2 Байта	Data 46-1500 Байт	PAD	FCS 4 Байта
Преамбула+SFD	Адрес получателя	Адрес источника	Длина кадра	Данные		Контрольная последовательность кадра

Поля имеют следующие назначения:

• Поле преамбулы состоит из семи байтов (IEEE 802.3). Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) войти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами.

• Начальный ограничитель кадра SFD состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.

• Адрес получателя (Destination Address, DA) – обычно имеет длину 6 байтов (физический адрес, MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным (unicast) или групповым (multicast): «0» - адрес указывает на определенную станцию, «1» - это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1.

• Адрес отправителя (Source Address, SA) - 6-ти байтовое поле, содержащее MAC-адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0.

В первых трех байтах содержится код производителя сетевого адаптера, выданный IEEE. В остальных трех байтах – адрес устройства (прошит на адаптере или содержится во флэш-памяти), который задает производитель оборудования.

• Поле типа (Type) или длины кадра (Length) имеет длину 2 байта. Для кадра Ethernet_II в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0x0809B для AppleTalk, 0x0600 для XNS, и 0x8137 для IPX/SPX. Для кадра IEEE 802.3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля - поля данных. Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньшей, чем 64 байта, то к полю данных добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров (Ethernet II и 802.3), более того один сетевой адаптер может воспринимать оба типа кадров.

• Поле данных (LLC Data, блок данных LLC подуровня) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения PAD, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.

• Поле заполнения Pad состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре отсутствует.

• Поле контрольной суммы FCS (frame check sequence) длиной 4 байта содержит значение, которое вычисляется по определенному алгоритму в процессе кодирования содержимого кадра помехоустойчивым циклическим кодом с образующим (порождающим) полиномом 32-й степени. После получения кадра принимающая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение с принятым значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр. Контрольная сумма вычисляется по всем полям кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS.