Обзор технологии Ethernet

Версия для печати

За время, прошедшее с появления первых локальных сетей, было разработано несколько сотен самых разных сетевых технологий, однако заметное распространение получили всего несколько сетей, что связано прежде всего с поддержкой этих сетей известными фирмами и с высоким уровнем стандартизации принципов их организации. Далеко не всегда стандартные сети имеют рекордные характеристики, обеспечивают наиболее оптимальные режимы обмена, но большие объемы выпуска их аппаратуры и, следовательно, ее невысокая стоимость обеспечивают им огромные преимущества. Немаловажно и то, что производители программных средств также в первую очередь ориентируются на самые распространенные сети. Поэтому пользователь, выбирающий стандартные сети, имеет полную гарантию совместимости аппаратуры и программ.

В настоящее время тенденция уменьшения количества типов используемых сетей все усиливается. Дело в том, что увеличение скорости передачи в локальных сетях до 100 и даже до 1000 Мбит/с требует применения самых передовых технологий, проведения серьезных и дорогих научных исследований. Естественно, это могут позволить себе только крупнейшие фирмы, которые, конечно же, поддерживают свои стандартные сети и их более совершенные разновидности. К тому же большинство потребителей уже установило у себя какие-то сети и вовсе не желает сразу и полностью заменять все сетевое оборудование на другое, пусть даже в чем-то лучшее. Поэтому в ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать принятия принципиально новых стандартов.

На рынке имеются стандартные локальные сети всех возможных топологий, так что выбор у пользователей имеется. Стандартные сети обеспечивают большой диапазон допустимых размеров сети, допустимого количества абонентов сети и, что не менее важно, большой диапазон цен на аппаратуру. Но проблема выбора той или иной сети все равно остается непростой. Ведь в отличие от программных средств, заменить которые совсем не трудно, выбранная аппаратура обычно служит многие годы, так как ее замена ведет не только к большим затратам средств, но и к необходимости перекладки кабелей, а то и к пересмотру всей системы компьютерных средств фирмы. Поэтому ошибки в выборе аппаратуры гораздо дороже ошибок в выборе программных средств.

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Впервые она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась довольно удачной, и вследствие этого ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие фирмы, как DEC и Intel (объединение этих фирм, поддерживающих Ethernet, назвали DIX по первым буквам их названий). Стараниями этих фирм в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ЕСМА (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как «eight oh two dot three»). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа «шина» с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD. Вообще-то надо сказать, что этому стандарту удовлетворяют и некоторые другие сети, так как он не очень сильно детализирован. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Основные характеристики стандарта IEEE 802.3 следующие: топология — шина, среда передачи - коаксиальный кабель, скорость передачи - 10 Мбит/с, максимальная длина — 5 км, максимальное количество абонентов — до 1024, длина сегмента сети - до 500 м, количество абонентов на одном сегменте — до 100, метод доступа -CSMA/CD, передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).

Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют небольшие отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.

Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире, и нет сомнения, что таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала все характеристики, параметры, протоколы сети были открыты для всех, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.

В классической сети Ethernet применяется 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) большое распространение получает версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. В стандарты были внесены соответствующие добавления. В 1995 году появился стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. Появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Помимо стандартной топологии «шина» применяются также топологии типа «пассивная звезда» и «пассивное дерево». При этом предполагается использование репитеров и пассивных (репитерных) концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети. В качестве сегмента может также выступать единичный абонент. Коаксиальный кабель используется для шинных сегментов, а витая пара и оптоволоконный кабель — для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров). Главное - чтобы в полученной в результате топологии не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце). Максимальная длина кабеля всей сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 км, но практически не превышает 2,5 км.

В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология «шина», используется только «пассивная звезда» или «пассивное дерево». К тому же в Fast Ethernet гораздо более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная длина становится в десять раз короче (5,12 мкс против 51,2 мкс в Ethernet). Допустимая величина двойного времени прохождения сигнала по сети уменьшается в 10 раз.

Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный код Манчестер-П. При этом один уровень сигнала нулевой, а другой - отрицательный, то есть постоянная составляющая сигнала не равна нулю. При отсутствии передачи потенциал в сети нулевой. Гальваническая развязка осуществляется аппаратурой адаптеров, репитеров и концентраторов. При этом приемопередатчик сети гальванически развязан от остальной аппаратуры с помощью трансформаторов и изолированного источника питания, а с кабелем сети соединен напрямую.

Фрейм ethernet

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/ CD, обеспечивающему полное равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рисунке. Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс (именно такова предельнаявеличина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.

В пакет Ethernet входят следующие поля:

  • Преамбула состоит из 8 байт, первые семь из которых представляют собой код 10101010, а последний восьмой — код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 этот последний байт называется признаком начала кадра (SFD - Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.
  • Адрес получателя (приемника) и адрес отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе 3.2. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.
  • Поле управления (L/T - Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно определяет длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.
  • Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data - незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).
  • Поле контрольной суммы (FCS — Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.

     

Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512 бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet, 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа среды передачи информации:

  • 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
  • 10 BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
  • 1OBASE-T (витая пара);
  • 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Обозначение среды передачи включает в себя три элемента: цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE означает передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент означает допустимую длину сегмента: «5» — 500 метров, «2» - 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: «Т» -витая пара (от английского «twisted-pair»), «F» - оптоволоконный кабель (от английского «fiber optic»).

Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа среды передачи:

  • 100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
  • 100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
  • 100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Здесь цифра «100» означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква «Т» означает витую пару, буква «F» — оптоволоконный кабель. Типы 1OOBASE-ТХ и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX - под именем 100BASE-T.

Итак, отойдем от технических характеристик, и рассмотрим развитие стандарта, подведем итоги.

Технология Ethernet была разработана в 1970-е гг. и достигла лидирующего положения на рынке локальных сетей к середине 1980-х. Когда сети Token Ring начали демонстрировать превосходство перед Ethernet в вопросах надежности, управляемости и (по крайней мере, потенциальной) производительности, Ethernet-сообщество вдохнуло в нее новую жизнь. После того как в 1990 г. был принят стандарт 10BaseT, возник рынок сетевых карт, конкуренция на котором отличалась особой бескомпромиссностью. Появилось также множество все более дешевых и все более интеллектуальных концентраторов. Это позволило Ethernet прочно обосноваться и занять лидирующее положение в среде локальных сетей. В 1990-е гг. 10BaseT отвоевал у Token Ring значительную долю рынка.

Сетевые карты, концентраторы и кабели для 10BaseT выделялись прежде всего ценой. После стандартизации 10BaseT появилось несколько новых технологий Ethernet. Среди самых выдающихся новинок можно назвать коммутацию Ethernet и Fast Ethernet, хотя и стековые концентраторы играли все большую роль. Вдобавок два предлагаемых расширения Ethernet призваны улучшить способность доставки наиболее критичной к задержкам информации: видео- и мультимедийных данных.

Ethernet, возникшая как сетевая технология с разделением среды передачи, а именно коаксиального кабеля, эволюционировала вместе с изменениями запросов пользователей. Соответствуя самым последним требованиям к кабельной проводке, стандарт Ethernet распространяется теперь на такие среды передачи данных, как оптическое волокно и неэкранированная витая пара. Побудительными мотивами перехода к этим средам стало быстрое и всепроникающее распространение локальных сетей в коммерческих, правительственных и другого рода организациях, а также потребность в эффективном и экономичном управлении и обслуживании данных сетей.

Основные вехи Ethernet

1970 Норм Абрамсон создает в Гавайском университете первую пакетную радиосеть ALOHAnet.
1972 Роберт Меткалф в своей диссертации приводит первое описание EtherNet.
1974 Винт Серв и Роберт Канн публикуют работу "Протокол для взаимодействия пакетных сетей". Впервые используется термин "Internet".
1977 В США Роберт Меткалф, Дэвид Боггс, Чарльз Такер и Батлер Лэмпсон получают патент на "многоточечную систему обмена данными с механизмом обнаружения коллизий".
1978 Винт Серт, Дэнни Коэн и Стив Кроке разрабатывают план выделения функций маршрутизации TCP в отдельный Internet Protocol (IP).
1979 Роберт Меткалф создает компанию 3Com и становится консультантом Digital Equipment Corporation (DEC). Ethernet решено стандартизировать.
1980 Digital, Intel и Xerox представляют в IEEE результаты проекта DIX по созданию сетей Ethernet со скоростью 10 Мбит/с. Формирование рабочей группы IEEE 802.
1981 3Com демонстрирует трансивер Ethernet с поддержкой 10 Мбит/с.
1982 Публикация стандарта Ethernet на 10 Мбит/с. 3Com выпускает первый продукт - сетевую плату EtherLink для ПК. Intel начала поставки контроллеров Ethernet.
1983 Принятие стандарта IEEE 802.3.
1984 Лен Бозак и Сэнди Лернер учреждают компанию Cisco Systems. 3Com начинает поставки сетевого сервера 3Server и выходит на фондовый рынок.
1985 Принятие стандарта IEEE 802.3-1985 (10Base5) со скоростью 10 Мбит/с с использованием коаксиального кабеля 50 Ом. Cisco выпускает свой первый продукт MEIS Subsystem. Начинается массовое внедрение Ethernet. Для продвижения волоконно-оптического варианта Ethernet на базе подразделения Palo Alto Research Center (PARC) создана компания SynOptics Communications.
1986 Cisco начинает поставки первого в отрасли многопротокольного маршрутизатора AGS, маршрутизатора доступа FGS и создает ОС, позднее названную Cisco IOS. Пол Саверино основывает компанию Wellfleet Communications, специализирующуюся на производстве сетевых устройств (таких, как маршрутизаторы).
1987 3Com продает 500-тысячный адаптер Ethernet и выпускает сетевой адаптер EtherLink со скоростью 10 Мбит/с. В Cisco разрабатывают Interior Gateway Routing Protocol (IGRP) - первый протокол для создания больших объединенных сетей.
1988 Cisco анонсирует средства маршрутизации IP в сетях SONET/SDH и быстрый сетевой интерфейс Multiport Communications Interface (MCI) с функциями моста/маршрутизатора.
1990 Cisco выпускает новую версию маршрутизатора AGS+ и выходит на операторский рынок. Роберт Меткалф покидает 3Com.
1991 Принятие стандарта 10BaseT (802.3i) - Ethernet по неэкранированной витой паре (UTP).
1992 Переход с Ethernet по коаксиальному кабелю к UTP в соответствии со стандартами СКС (TIA-568 & ISO 1801). Для подключения пользователей в сети 10BaseT применяются концентраторы, на магистрали используется оптика (FOIRL/10BASE-FL). SynOptics приступает к поставкам концентраторов 10BaseT. 3Com выпускает первый стековый концентратор Ethernet.
1993 Создание Fast Ethernet Alliance. Cisco приступает к продажам высокопроизводительных маршрутизаторов серии 7000.
1994 Cisco представляет первый компактный полнофункциональный маршрутизатор Cisco 2500 Series для небольших удаленных офисов. Программная маршрутизация отделяется от аппаратной. Разработка технологии IP Multicast для доставки данных, голоса и видеопотоков многим пользователям. Появление технологии управления качеством обслуживания в сети (QoS). Intel поставляет заказчику первую сетевую плату 10/100. 3Сom открывает офис в России. Путем слияния компаний Synoptics и Wellfleet образована Bay Networks.
1995 Fast Ethernet стандартизирован комитетом IEEE в документе 802.3u. Рабочая группа IEEE 802.3z приступает к разработке Gigabit Ethernet. Cabletron Systems начинает поставки коммутатора MMAC Plus (позднее Smart Switch 9000) - первого устройства, где реализована идея распределенной обработки пакетов, не требующего модуля управления и использующего пассивное шасси с пассивной шиной.
1996 Создание Gigabit Ethernet Alliance. Выпуск первого маршрутизатора Cisco 12000 Series для поставщиков услуг и заказчиков с высокими требованиями к масштабированию магистральных сетей IP. Это первый распределенный модульный маршрутизатор, допускающий более чем 100-кратное масштабирование без замены оборудования.
1997 Cisco продает первый миллион маршрутизаторов 2500, завершает разработку технологии Tag Switching, предшественницу Multiprotocol Label Switching (MPLS). Intel начинает поставки первых контроллеров 10/100 на одном кристалле. BayNetworks приобретает Rapid City - производителя маршрутизирующих коммутаторов L2/L3 - и выпускает первый такой продукт Accelar 1000.
1998 Принятие стандарта IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet в оптических соединениях и на 25 м по витой паре). Появление шассийных коммутаторов по цене стековых, шассийная технология стала массовой. HP выпускает коммутатор ProCurve Switch 4000m. Cisco предлагает технологию Architecture for Voice, Video and Integrated Data (AVVID). BayNetworks поглощена компанией Nortel с образованием Nortel Networks. Выпуск коммутатора Baystack 450 с отказоустойчивым стеком. Alteon WebSystems разработала коммутаторы приложений. В Bell Labs подготовили к выпуску полностью оптический маршрутизатор.
1999 Принятие стандарта IEEE 802.3ab (1000BaseT, до 100 м по витой паре), а также стандарта на применение в гигабитных сетях витой пары Категории 5. На выставке Telecom-99 Lucent Technologies представила прототип полностью оптического кросс-коннектора с коммутацией оптических потоков посредством матриц микрозеркал (технология MicroStar) и создала на основе MicroStar оптический маршрутизатор WaveStar LambdaRouter производительностью 10 Тбит/с.
2000 Разработка протокола IPv6 и "коммутатора на кристалле". Начало массового внедрения коммутации со скоростью среды передачи данных. Cisco выпустила сетевой процессор Parallel eXpress Forwarding (PXF) Network Processor: скорость продвижения пакетов достигла нескольких миллионов в секунду. Применение в маршрутизаторах Cisco 1700 новой технологии аппаратного шифрования позволило создать компактные устройства с модулями шифрования, межсетевого экрана с анализом пакетов, системой обнаружения вторжений и поддержкой VPN. Nortel Networks приобрела компанию Alteon WebSystems, производителя коммутаторов приложений, и выпустила свой первый коммутатор с поддержкой QoS на уровнях со второго по четвертый - Business Policy Switch 2000.
2001 Появление стандарта MPLS. Optical Internetworking Forum (OIF) одобряет интерфейс Very Short Reach Optics (VSR-1) для соединений маршрутизаторов, коммутаторов и систем DWDM на расстояниях до 300 м. Начало поставок отказоустойчивых маршрутизаторов Cisco 12400 Series с распределенной архитектурой, поддержкой 10-гигабитных скоростей, QoS, интегрированным набором функций для ядра и границы сети. Intel выпускает первый контроллер Ethernet 10/100/1000 на одном кристалле, а Nortel - модульный L2/L3 маршрутизирующий коммутатор Passport 8600 (Nortel Ethernet Routing Switch 8600) c 10-гигабитными интерфейсами (10 Gigabit Ethernet WAN/LAN PHY).
2002 Принятие стандарта IEEE 802.3ae, пропускная способность сетей Ethernet достигает 10 Гбит/с (одно- и многомодовый волоконно-оптический кабель до 40 км). Коммутаторы третьего/четвертого уровня продаются по цене коммутаторов второго уровня. Маршрутизирующие коммутаторы стали массовым продуктом. Intel начала поставки недорогого оптического преобразователя XPAK Multimode Transiver для центров обработки данных, поддерживающего 10GbE и 10 Gigabit Fibre Channel. 3Com анонсировала технологию eXpandable Resilient Networking (XRN) для построения отказоустойчивых сетей. Nortel представила коммутатор Baystack 460-24T-PWR с поддержкой питания по витой паре и решения серии Optera Metro 1000 для городских сетей на базе Ethernet.
2003 IEEE принял стандарт Power over Ethernet (802.3af). Члены подкомитета IEEE 802.3ah EFM достигли согласия по ряду предложений к проекту стандарта "Ethernet на первой миле". Компания HP предложила гигабитные стековые коммутаторы серии 2800 и гигабитные модульные коммутаторы 4140GL/4160GL со стоимостью порта менее 100 долларов. 3Com создала совместное предприятие с Huawei Technologies, выпустила коммутаторы Switch 7700, конкурирующие с Cisco Catalyst 6506 и готовые к применению 10GigE, а также первые линейки маршрутизаторов 3Com Router 3000 и 5000. Объем поставок контроллеров Ethernet от Intel превысил 250 млн единиц. Выпущены высокопроизводительные коммутаторы приложений серии Nortel Application Switch 2000.
2004 Технология 10GbE становится массовой. HP выпустила коммутаторы ProCurve Switch 3400cl и приобрела элементы архитектуры и исходного кода ОС коммутаторов RiverStone XGS. 3Com начала поставки модулей с пропускной способностью 10 Гбит/с для коммутаторов 7700 и маршрутизаторов корпоративного класса 3Com Router 6000. Nortel Networks вернулась к названию Nortel. Компания Cisco приступила к поставкам маршрутизаторов CSR-1.
2005 Выпуск HP ProCurve Secure Router 7000 - первых маршрутизаторов HP для глобальных сетей. 3Com представляет семейство коммутаторов для крупных предприятий 3Com Switch 8800 с пропускной способностью 1,4 Тбит/c. Enterasys начинает поставки мультитерабитных маршрутизаторов ядра локальной сети Matrix X-Series.