Что такое технология Ethernet – история сетевого кабеля
Для многих это просто кабель, который позволяет подключить компьютер – настольный компьютер или ноутбук – без разницы – игровые приставки, жесткие диски и медиацентры к маршрутизатору с целью создания локальной сети (Local Area Network), т.е. домашней сети. Однако, понятие Ethernet объединяет целое семейство технологий, необходимых для создания и эксплуатации локальных сетей (в частности, LAN), технические характеристики которых были установлены в соответствии со стандартом IEEE 802.3.
Экспериментально задуманный в середине 70-х годов в лабораториях Xerox PARC Робертом Меткалфом и его помощником Дэвидом Боггсом, Ethernet в настоящее время является наиболее используемой технологией в домашних условиях для создания сетей, которые включают в себя и соединяют небольшое количество узлов.
По этой причине создаются всё более эффективные коммутаторы Ethernet, необходимые для быстрой и надёжной связи между двумя узлами одной сети.
Что такое Ethernet
С технической точки зрения, Ethernet – это набор протоколов и сетевых инструментов, которые позволяют создавать локально разнородные локальные сети (от нескольких узлов до нескольких десятков).
Теоретически длина кабеля Ethernet может достигать 100 метров: устройства, которые повторяют или перенаправляют сигнал, используются для соединения узлов на большем расстоянии. Для этой цели используют Ethernet-мосты и Ethernet-коммутаторы – периферийные устройства, способные соединять различные сегменты одной и той же локальной сети.
Общим элементом любой сети Ethernet является структура пакета, называемая кадром. Кадр, состоящий из 7 различных элементов, отвечает за передачу данных между двумя узлами одной и той же локальной сети.
Как сделан кабель Ethernet
Внешне кабель Ethernet выглядит как длинный провод, покрытый пластиковой оболочкой с двумя разъемами RJ45 (также изготовленными из пластика). Внутри оболочки между различными защитными и экранирующими слоями мы обнаруживаем четыре витые пары, отвечающие за передачу данных от одного сетевого устройства к другому. Витые пары отличаются друг от друга благодаря цветовой идентификации: синий, оранжевый, зеленый и коричневый. Таким образом, у нас будет синяя витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель), оранжевая витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель), зеленая витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель) и коричневая витая пара (полноцветный кабель и полосатый кабель).
Кабели Ethernet могут быть прямыми или скрещенными. В прямых кабелях Ethernet схема витой пары одинакова как в одном разъеме RJ45, так и в другом: это означает, что порядок, в котором расположены 8 медных кабелей, поддерживается на двух концах провода Ethernet.
В скрещенных кабелях Ethernet положение восьми кабелей «меняется», как если бы они были отражены в зеркале: если в одном разъеме RJ45 вы начинаете с коричневой витой пары и заканчиваете оранжевой, на другом конце начинайте с оранжевой, а заканчивайте коричневой.
Семь элементов кадра Ethernet
История кабеля Ethernet
Все физические и протокольные элементы, служащие для технического определения Ethernet, были экспериментально спроектированы Робертом Меткалфом в период с 1973 по 1974 годы в Xerox PARC (исследовательский центр Пало-Альто). Последний был вдохновлен ALOHAnet, сетевым протоколом, целью которого было гарантировать доступ и функции передачи данных в небольших сетях.
Название Ethernet впервые было использовано в мае 1973 года самим Меткалфом, который пытался убедить руководителей Xerox в важности е своей работы. Название было выбрано, чтобы «воздать должное» светоносному эфиру, газообразному и неощутимому веществу, которое в середине XIX века считалось инертной средой, через которую распространялись электромагнитные волны. В 1975 году Xerox подал патент от имени Меткалфа и его команды (в дополнение к Дэвиду Боггсу патент носит имена Чака Такера и Батлера Лэмпсона).
Технологии, описанные в патенте, были успешно использованы в Xerox PARC, и в 1976 году Меткалф и Боггс опубликовали научную статью «Ethernet: распределенная коммутация пакетов для локальных компьютерных сетей», в которой они описали фундаментальные части и работу сети, основанную на технологии Ethernet.
В 1979 году Меткалф покинул Xerox, но всё же смог убедить тогдашнего американского ИТ-гиганта вступить в партнерство с Digital Equipment Corporation и Intel, чтобы начать работу над уникальным стандартом Ethernet. Так родилась команда DIX (из инициалов трёх компаний, участвующих в проекте), которая в следующем году представила Институту инженеров по электронике и электронике (IEEE) первое предложение по стандартизации Ethernet в области LAN. Это первое предложение касалось стандарта со скоростью 10 Мбит/с и 48-битными адресами: то была 10BASE-T – «базовая модель» подключения Ethernet.
Модели Ethernet
Среди множества способов, которыми можно «каталогизировать» различные типы Ethernet, разработанные за последние 30 лет использования этой технологии, наиболее распространенным является метод, основанный на максимальной теоретической скорости, которая может быть достигнута во время передачи файла.
10BASE-T
Спецификация базового уровня протокола IEEE 802.3 характеризуется скоростью передачи 10 мегабит (10 миллионов бит) в секунду. Кабели состоят из двух витых пар телефонных линий, скрученных вместе, в то время как разъемы RJ-45 также были взяты с телефонной линии.
Fast Ethernet
Стандарты передачи данных для сетей LAN, теоретическая максимальная скорость которых составляет 100 мегабит в секунду. Также в этом случае 100BASE-T является преобладающим стандартом, который характеризуется двумя витыми парами и разъемами RJ-45.
Гигабитный Ethernet
Эволюция Fast Ethernet, приведшая к 10-кратному увеличению скорости. Как следует из названия, Gigabit Ethernet характеризуется скоростью передачи 1 гигабит (1 миллиард бит) в секунду, используя конфигурацию 1000BASE-T, медные пары телефонных проводов и разъёмы RJ-45.
2.5GBASE-T, 5GBASE-T и 10GBASE-T с кабелями категории Cat5e, Cat6 и Cat7
Однако, развитие кабелей Ethernet позволило техническим специалистам и инженерам выйти за пределы порога в 1 гигабит. Сегодня на рынке уже есть кабели, которые могут достигать 10 гигабит в секунду: это относится к Ethernet-кабелям Cat 7 (также называемым 10GBASE-T), способным передавать пакеты данных со скоростью 1,25 гигабайта в секунду (1 байт = 8 бит).
Однако, они не единственные, которые могут выйти за пределы гигабитного уровня скорости: с введением стандарта IEEE 802.3bz, по сути, были достигнуты значительные улучшения производительности также для кабелей Ethernet Cat 5e и Cat 6. Первый также называется 2.5GBASE-T, имеет максимальную скорость передачи данных 2,5 гигабит в секунду; второй, называемый 5GBASE-T, может развивать скорость до 5 гигабит в секунду.
Eth порт что это
Порт Ethernet — это разъём или гнездо на компьютере, которое позволяет использовать разъем Ethernet. Эти порты необходимы для создания локальной сети. Порт Ethernet, обычно встречается на сетевых устройствах, включая компьютеры, маршрутизаторы, игровые приставки, модемы и телевизоры.
Локальные сети — это система коммуникаций, которая позволяет нескольким устройствам выполнять обмен информацией для совместной работы. Например, в офисе, может быть шесть работников, каждый с их собственным компьютером, к каждому из которых нужно получить доступ к тем же базам данных, программам и внешним устройствам, таким как принтеры и сканеры.
За счет подключения каждого устройства к центральному серверу или концентратору с помощью Ethernet технологии, все устройства будут иметь доступ к той же информации и эффективно “общаться” со всеми другими устройствами в сети.
Порт Ethernet позволяет создавать сети с использованием проводного соединения. Это разъём, который выглядит как большой телефонный разъем, и позволяет вставлять кабель Ethernet. Порты и кабели обычно используются только для подключения устройств на близком расстоянии, например, в том же здании, из-за непрактичности прокладки километров кабелей по всему городу, сотни или тысячи километров кабелей на разных континентах. Устройства, такие как компьютеры и принтеры обычно имеют один порт, что позволяет им подключаться к сети, а сетевые устройства, такие как модемы могут иметь несколько портов, чтобы разрешить подключение нескольких компонентов.
Устройства, не имеющие физический порт можно привязать к сети Ethernet одним из двух способов. Во-первых, многие новые компьютеры имеют встроенную Ethernet-карту, которая позволяет создавать беспроводные сети Ethernet, которые не требуют прокладки кабелей, заменяя беспроводную технологию. Во-вторых, для устройств без сетевой карты Ethernet или выделенного порта, порт иногда может быть создан путем присоединения к Ethernet, или как “ключ” к USB-порту.
Один недостаток физического порта Ethernet является его подверженность повреждениям и сложности ремонта. Важно быть очень осторожным, когда вставляете или вынимаете кабель из порта, так как можно повредить физические элементы порта. Ремонт порта Ethernet, как правило, требует, чтобы прибор был отправлен обратно производителю или в сервис по ремонту электроники, которые могут быть слишком дорогими. Некоторые люди предпочитают просто проигнорировать сломанный порт Ethernet, и покупают сетевую Ethernet карту или подключаются в сеть через USB-порт. Это быстрое решение не всегда может быть возможным, так как не все порты USB на всех устройствах способны работать с помощью Ethernet-адаптера.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Ethernet
Ethernet (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI [рис.5]. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Token Ring, FDDI и ARCNET.
Содержание
Становление технологии Ethernet
Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети. [Источник 1]
Ethernet является одной из самых распространенных при построении компьютерных сетей технологией. Существует множество разновидностей данного протокола для различных сред передачи, необходимой полосы пропускания и расстояний между оконечными устройствами.
О том, что такое Ethernet, стало известно в семидесятых годах XX столетия. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом [рис.1](Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox.
После Гарварда Меткалфу подвернулась работа в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center, там нужно было создать технологию подключения разработанных в PARC персональных компьютеров Alto к недавно созданному в том же центре лазерному принтеру. Ни один из существовавших на тот момент способов подключения не обеспечивал нужную скорость передачи данных. Напарник по работе, Дэвид Боггс, имел образование радиоинженера. Это Боггс подсказал идею использовать радио в качестве прототипа для среды-носителя. Объединив знания по передаче пакетов с радио, они составили отличную связку. Вместе 22 мая 1973 года они написали внутренний документ, где были описаны механизмы передачи данных по разным видам соединений (по телефонному каналу, по коаксиальному кабелю и по радио) с использованием протоколов ALOHAnet, однако он немного отличался от проекта в Xerox и являлся предпосылкой к созданию Ethernet. Любопытно, что в самом Xerox PARC проект, позже названный Ethernet, взял верх над проектом SIGNET (Simonyi’s Infinitely Glorious NETwork) Чарльза Симони. [Источник 2]
Принцип работы
Этот тип сети имеет звездообразную или линейную структуру со скоростью 10-100 мегабит/секунду. Первоначально Ethernet был основан на коаксиальном кабеле, однако со временем технология изменилась, и сеть начали строить на базе оптоволоконных кабелей или витых пар. Сейчас существует около тридцати видов сети Ethernet, которые отличаются по скорости, топографии, величине и типу кабеля. Далеко не все разновидности нашли коммерческое применение.
Принцип работы протокола Ethernet заключается в следующем: перед отправкой информации в сеть она нарезается на сегменты размером от 72 до 1526 байт. После этого к сегменту добавляется заголовок, содержащий адреса отправителя и получателя информации. Также добавляется «концевик», содержащий контрольную сумму, необходимую для контроля возникновения ошибок. До того как отправить получившийся пакет в сеть передатчик проверяет: не занята ли в данный момент общая среда. Если источник информации обнаружит, что среда занята, то он отложит передачу на некоторое (обычно случайное) время, после чего повторит попытку. Интервал времени, через который будет осуществляться повторный контроль среды передачи, увеличивается от попытки к попытке. Как только передатчик обнаружит, что среда свободна пакет будет передан в сеть. Все устройства, включенные в сеть, непрерывно анализируют заголовки пакетов передаваемых по сети. Если одно из устройств обнаружит, что адрес получателя соответствует его адресу, то он принимает этот пакет, все остальные устройства будут его игнорировать. [Источник 4]
Пропускная способность сети Ethernet
Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.
Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.
Стандарты
Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox. Xerox Ethernet – технология, основанная на коаксиальном кабеле с максимальной скоростью 3 мегабита в секунду. Модификация StarLan, в которой впервые была применена витая пара. Скорость такого соединения невелика – всего 1 мегабит в секунду.
Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co — совместно и axis — ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах. [Источник 5]
IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet
Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных.
Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных:
Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:
Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.
10Base-2 Кабель [рис.3] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также используется правило 5-4-3.
Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).
В модификации 100BASE-T на базе витой пары скорость увеличилась до ста мегабит/секунду. Этот тип получил дальнейшее развитие. 100BASE-FX передает данные по оптоволоконному кабелю на расстояние 10 километров со скоростью сто мегабит/секунду. В 1000BASE-T используются четыре вытые пары, а расстояние равняется ста метрам. В модификации 1000BASE-LH расстояние увеличилась до 100 километров. Скорость два последних вида имеют самую высокую, она достигает 1000 мегабит в секунду.
l0Base-F Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м. [Источник 6]
Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.
| Название | Скорость | Кабель | Стандарт |
|---|---|---|---|
| Ethernet | 10Mb/s | Толстый, тонкий коаксиал, Витая пара, оптика | 802.3 |
| Fast Ethernet | 100Mb/s | Витая пара, оптика | 802.3u |
| Gigabit Ethernet | 1Gb/s | Витая пара, оптика | 802.3z, 802.3ab |
| 10G Ethernet | 10Gb/s | Витая пара, оптика | 802.3ae, 802.3an |
Есть 2 технологии Ethernet:
1. Классический Ethernet
2. Коммутируемый Ethernet
Существуют две конкурирующие технологии для передачи данных по сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с — это стандарты 100Base-T и 100VG-AnyLAN. Архитектура Ethernet позволяет производить объединение нескольких кабельных ЛВС в распределенную вычислительную сеть. Версия Ethernet фирмы Apple носит наименование EtherTalk (не путать с AppleTalk).
Пример передачи сообщений в сети Ethernet
Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame [рис.6]). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.
Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным.
Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.
В процессе работы сети Ethernet может возникнуть ситуация, когда сразу несколько передатчиков начнут передавать информацию одновременно. Для предотвращения данной ситуации и применяется метод обнаружения коллизий. Если одна из рабочих станций в процессе передачи обнаружит коллизию, т.е. одновременную передачу пакетов сразу от нескольких источников, то в первую очередь источник информации приостанавливает передачу. Далее он посылает в сеть специальный сигнал – «jam signal», который увеличивает вероятность обнаружения коллизии другими станциями, чтобы они также остановили процесс обмена информацией. Далее передатчик информации выжидает некоторое случайное время, после которого он снова пытается получить доступ в сеть. Если среда передачи будет занята, то интервал ожидания будет увеличен и так далее, до тех пор, пока среда не окажется свободный и информация не будет передана.
Как уже было сказано ранее, существует целое семейство протоколов, объединенных под общим название Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и т.д. Разработкой данного стандарта в настоящее время занимается IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и версии выходят под обозначением «802.3х». Одним из последних стандартов является 100 Gigabit Ethernet, который предусматривает скорость передачи до 100 Гбит/сек по оптическому волокну. В сотовой связи стандарт Ethernet получил достаточно широкое распространение. Уже давно он используется для подключения различных элементов сети, установленных на одной площадке, либо в непосредственной близости друг к другу (до 100 метров), например MSС и HLR, BSC и транскодер.
С распространением оптоволоконных линий связи и появлением систем сотовой связи 3G, в частности UMTS, Ethernet начал применятся практически на всех интерфейсах в стыке с IP-протоколом: NodeB-RNC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.д. Широкое распространение данной технологии обусловлено в первую очередь высокой надежностью, быстротой развертывания и настройки, большого выбора маршрутизаторов и каналообразующего оборудования, а также достаточно высоких возможных скоростей передачи данных. Благодаря появлению стандартов 10G и 100G Ethernet данная технология получает широкие перспективы для применения в системах сотовой связи 4G, таких как LTE. [Источник 9]
