Технология Ethernet — самая популярная для создания компьютерных сетей

07.10.2017 Блог Дмитрия Вассиярова.Рубрика:Порты | Интерфейсы | Кабели</span>

Привет.

Знакомство с семейством

Ethernet представляет собой не одну, а целое семейство технологий, предназначенных для пакетной передачи данных по компьютерным сетям.

Суть заложена в названии: если разделить его на две части, получится ether — эфир и network — сеть.

Из-за созвучности наименований многие путают ethernet и internet. Чтобы вы не попали в число таких людей, объясню разницу. Вы уже знаете, что означает первый термин — это одна из многочисленных технологий; второй — вовсе таковой не является — это всемирная система, объединяющая компьютерные сети. Проще говоря, ethernet является одним из способов получения доступа к интернету.

В чем суть?

Изначально это было что-то вроде радио: один узел отправляет информацию, а все остальные ее принимают. Но на сегодняшний день используются коммутаторы, поэтому отправка данных осуществляется от одного узла до определенного адресата.

Для тех, кому интересна техническая сторона вопроса: представители данного семейства физически реализуется на канальном уровне модели OSI (базового варианта открытых систем), отвечающей за проводные соединения, формат кадров, электросигналы и протоколы управления доступом к среде. В основном, семейство технологий описано стандартами IEEE группы 802.3., разработанными для небольших вычислительных сетей (LAN) и сетей мегаполисов (MAN).

Впервые технология официально была опубликована в 1980-м году. Представляете, сколько лет она удерживает лидирующие позиции. Даже на начальном этапе она изжила своих влиятельных конкурентов Token ring и ARCNET.

Как данные попадают к адресатам?

Чтобы прояснить ситуацию в вашей голове после прочитанного выше, разберем, как на канальном уровне информация распространяется из единого эфира к получателям. Ее обмен выполняется между сетевыми модулями, соединенными с сетью физически.

В современном подключении традиционно одно устройство предполагает один интерфейс. Но бывают случаи, когда у компьютера их несколько, к примеру, если установить в него пару сетевых контроллеров, подключенных к сети.

Каждый модуль в радиусе одной сети обладает уникальным номером — 48-битным MAC-адресом. Его нельзя изменить, так как он устанавливается производителем оборудования при выпуске. Адрес прописывается в 16-ричном виде. Первые 3 байта в нем указывают на изготовителя, а выдает их организация IEEE. Последнюю тройку байтов производитель выдает сам. Именно благодаря этому уникальному номеру пакеты данных узнают своего адресата.

Кстати, передаются они не сплошным потоком, а в неких блоках — кадрах. Их формат зависит от надежности и скорости сети. На то, сколько по максимуму информации поместится в один блок, указывает параметр MTU (maximum transmission unit). Наибольшим числом для стандартов Ethernet является 1500 байт. Из существующих форматов самым популярным сейчас является Version 2.

Способ подключения

Подключение интернета по ethernet осуществляется так: от станции провайдера к вашему ПК, роутеру или модему подводится кабель, вставляется в специально отведенный для него разъем, и выполняется определенная настройка сетевой карты компа.

Что было изначально?

Раньше для этих целей использовался коаксиальный кабель, который определил принцип работы данной технологии. Он является разделяемой средой передачи, то есть одновременно может использоваться несколькими интерфейсами. При помощи одного лишь этого провода можно соединять 2 и более компьютеров. Но в тот или иной момент передачу данных способен осуществлять только один из них, иначе сигналы будут накладываться друг на друга.

Что стало теперь?

Сейчас для подключения используется витая пара, которая способна соединять только 2 узла и применяет разделенные среды для передачи данных в разных направлениях. Можно подключить и больше, если использовать дополнительное оборудование. Раньше в этих целях применялись концентраторы, предполагающие несколько портов. Но сейчас данные аппараты вытеснены коммутаторами, которые работают быстрее и надежнее.

Чем витая пара лучше своего предшественника?

• Демократичной ценой;
• Доступностью дуплексного режима, то есть узел может одновременно принимать и передавать данные;
• Более высокой надежностью: сеть организована по топологии «звезда», поэтому обрыв провода ведет лишь к сбою соединения между двумя узлами, а в ситуации с устаревшим вариантом — к повреждению сегментов сети из-за того, что она выстроена на топологии «общая шина» и нуждается в терминальных резисторах на концах кабеля;
• Тем, что дифференциальный сигнал обеспечивает устойчивость к помехам связи;
• Применением гальванической развязки трансформаторного вида устранило проблему частых поломок сетевых модулей по причине электрических пробоев при подключении через коаксиальный кабель.

Также сейчас применяется оптический кабель, который способен с высокой скоростью передавать информацию на большие расстояния без использования повторителей.

Виды Ethernet

Разновидностей технологии довольно много. Не вижу смысла перечислять каждую, потому что они мало чем отличаются с точки зрения обывателя. Выведу лишь основные группы:

• Первые поколения имели скорость 1-3 Мбит/с.
• Пропускная способность выросла до 10 Мбит/с. Группа насчитывает 9 видов технологий, которые можно различить преимущественно по используемому кабелю и типу подключения в целом.
• Категория «Быстрый Ethernet» получила такое название благодаря 10-кратному увеличению скорости. Включает в себя 7 видов, разница между которыми состоит в тех же критериях, что и в предыдущем варианте.
• Наименование группы «Гигабитный Ethernet» говорит само за себя. Тоже содержит 7 видов физической среды.
• Стандарты на 2,5 и 5 Гбит/с. Придуманы в 2014 году по той причине, что стали широко популярны Wi-Fi-роутеры, способные работать на скорости больше 1 гигабита, но длинные кабели 5-й и 6-й категории не позволяли использовать технологию на 10 Гбит.
• Сейчас категория 10-гигабитного Ethernet встречается часто. Она насчитывает 7 подвидов.
• 40- , 100-гигабитные и терабитные технологии пока не получили большого распространения.

Понимаю, что читать вам пришлось немало, причем технической информации. Но вы потратили время не зря, узнав много нового ;). Еще больше полезной информации вы найдете, если пройдетесь по страницам этого блога.

Желаю удачи!

Этой статьей стоит поделиться

Ethernet — распространённая технология проводных локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Изобретена Робертом Метклафом в 1973году в Xerox.

Изначальная цель разработки: подключить к одному лазерному принтеру как можно больше компьютеров.

В последствии Xerox, DEC, Intel решают использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения (Ethernet II). В 1982 выходит спецификация IEEE 802.3 для стандартизации Ethernet.

Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI.

Классификация Ethernet по скорости

По скорости передачи данных существуют такие технологии:

1. Ethernet – 10 Мб/с.
2. Fast Ethernet – 100 Мб/с.
3. Gigabit Ethernet – 1 Гб/с.
4. 10G Ethernet – 10 Гб/с.

Современное оборудование позволяет достигать скорости в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE соответственно.

Также стоит выделить классический и коммутируемый Ethernet. Первый изначально использовал разделяемую среду в виде коаксиального кабеля, который позже был вытеснен концентраторами (hub). Основные недостатки – низкая безопасность и плохая масштабируемость (искажение данных при одновременной передаче 2-мя и более компьютерами, также известное как «коллизия»). Коллизия — это наложение двух и более кадров, передающихся компьютерами в один и тот же момент времени.

Коммутируемый Ethernet является более новой и усовершенствованной технологией, которая используется по сей день. Чтобы устранить недостатки предыдущей версии, разделяемую среду исключили и использовали соединение точка-точка. Это стало возможным благодаря новым устройствам под названием «коммутаторы» (switch).

Классический Ethernet

Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных.

Это:

• коаксиальный кабель
• витая пара
• оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.

MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet. Идентичных адресов при этом быть не должно. В противном случае из нескольких устройств с одинаковыми MAC будет работать только одно.

По типам MAC-адреса разделяются на:

• Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
• Групповые (для нескольких компьютеров).
• Широковещательные (для всех компьютеров сети).

Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).

Технология Ethernet и формат кадра

Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.

Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:

Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.

Коммутируемый Ethernet

На сегодняшний день это наиболее оптимальная альтернатива, которая полностью исключает возможность появления коллизий и связанных с ними проблем.

Суть коммутируемого Ethernet в том, что вместо хаба используется свич (коммутатор) – устройство, которое работает на канальном уровне и обладает полносвязной топологией, что обеспечивает соединение всех портов друг с другом напрямую по технологии точка-точка.

Таблицы коммутации есть в каждом таком устройстве. Они описывают, какие компьютеры к какому порту свича подключены. Чтобы узнать MAC-адреса, используется алгоритм обратного обучения, а для передачи данных – алгоритм прозрачного моста.

Простейшая таблица коммутации:

Алгоритм обратного обучения работает таким образом:

1. коммутатор принимает кадры;
2. анализирует заголовок;
3. извлекает из него адрес отправителя.

Таким образом, к определенному порту подключен компьютер с конкретным MAC-адресом.

Прозрачный мост не требует настройки и так назван за счет того, что он не заметен для сетевых устройств (у него нет своего MAC-адреса). Коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации, определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя, а не на все порты, как в случае с концентратором. Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает так же, как и хаб.

Выводы

Технология Ethernet претерпела немало изменений с момента своего появления. Сегодня она способна обеспечить высокоскоростное соединение, лишенное коллизий и не ограниченное небольшой нагрузкой сети, как это было в случае с классическим Ethernet.

В современных локальных сетях используются коммутаторы, которые по своей функциональности значительно эффективнее концентраторов. Больше нет разделяемой среды и связанных с ней коллизий, затрудняющих работу с сетью. Свичи анализируют заголовки и передают кадры только конечному получателю по принципу точка-точка. Способны «изучать» сеть благодаря таблице коммутации и алгоритму обратного обучения.

Плюсами коммутируемого Ethernet являются масштабируемость, высокая производительность и безопасность.

Источник.

• Tutorial

• Что такое домен коллизий?
• Сколько пар используется для Ethernet и почему?
• По каким парам идет прием, а по каким передача?
• Что ограничивает длину сегмента сети?
• Почему кадр не может быть меньше определенной величины?

Если не знаешь ответов на эти вопросы, а читать стандарты и серьезную литературу по теме лень — прошу под кат. Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту. Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI. Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами. Технология Ethernet — часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC. Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

Теперь давайте представим, что будет, если в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Это возможно, при достаточно коротком передаваемом сообщении и достаточно длинном кабеле, ведь как нам известно из школьной программы, скорость распространения любых сигналов в лучшем случае составляет C=3*10⁸ м/с. Т.к. каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение — факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра. Не трудно догадаться, что эти величины прямо пропорциональны друг другу. В случае же если объем передаваемой информации не дотягивает до минимального кадра, то его увеличивают за счет специального поля pad, название которого можно перевести как заполнитель. Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Витая пара и дуплексный режим рабты

Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым. Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover), в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX — технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача. Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) — устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL). Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

• 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
• 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
• Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
• Возможность использовать технологию Power over ethernet

Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.

Gigabit Ethernet

В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.

Дальше — больше

10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны, медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006. 40-гигабитный Ethernet (или 40GbE) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии. В заключении стоит упомянуть о перспективной технологии Terabit Ethernet. Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал:

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

UPD: Спасибо хабраюзеру , что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C.UPD2:: Спасибо пользователю , что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.Используемые источники:

• https://profi-user.ru/ethernet/
• https://hpc.by/ethernet
• https://habr.com/post/158177/