Ethernet
ITpedia
Już na wstępie należy zaznaczyć, że pojęcie Ethernet odnosi się nie do jednej, lecz do wielu technologii sieci lokalnych LAN, z których wyróżnić należy trzy podstawowe kategorie:
- Ethernet i IEEE 802.3 - jest to kilka specyfikacji określających LAN, z których każda pracuje z przepływnością 10 Mb/s.
- Ethernet 100 Mb/s - jest to pojedyncza specyfikacja, znana również jako Fast Ethernet, określająca sieć pracującą z przepływnością 100 Mb/s.
- Ethernet 1000 Mb/s - jest to pojedyncza specyfikacja, znana również jako Gigabit Ethernet, określająca sieć pracującą z przepływnością 1000 Mb/s (1 Gb/s)
| Ethernet od ponad 20 lat pozostaje grupą najpopularniejszych technologii sieciowych. Decydują o tym duża elastyczność i prostota Ethernetu. |
Spis treści |
Ethernet i IEEE 802.3
Technologia Ethernet, używająca metody dostępu CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect), została opracowana w firmie Xerox w latach siedemdziesiątych. Obecnie nazwa Ethernet odnosi się nie tylko do sieci Xerox, ale do wszystkich sieci "pochodnych" i korzystających z metody dostępu CSMA/CD. Specyfikację IEEE 802.3 opracowano w 1980 r., opierając się na rozwiązaniu Xeroxa. Natomiast wersja 2 specyfikacji Ethernet to już wspólne dzieło firm DEC, Intel i Xerox. Jest ona kompatybilna z IEEE 802.3.
Jak działają Ethernet i IEEE 802.3?
W sieciach tych każda stacja "widzi" wszystkie przepływające ramki. W czasie dowolnej transmisji stacje zainstalowane w sieci muszą sprawdzać, czy przepływająca ramka nie jest wysłana do jednej z nich, jako stacji odbiorczej. Ramki przeznaczone do odbioru przez określoną stację odbiorczą są przesyłane do protokołów wyższych warstw tej stacji.
Przy metodzie dostępu CSMA/CD stacja zamierzająca transmitować może mieć dostęp do sieci w dowolnej chwili. Przed wysłaniem danych stacja "nasłuchuje", czy w sieci odbywa się ruch. Stacja, chcąc wysłać dane, musi czekać aż do momentu, kiedy w sieci nie ma żadnego ruchu. Inaczej mówiąc, na transmisję dowolnej stacji zezwala się, jeżeli w sieci jest cisza (brak ruchu). W sieci mamy do czynienia z kolizją wtedy, gdy dwie stacje - po stwierdzeniu, że sieć jest wolna - w tym samym momencie usiłują rozpocząć transmisję. W tych okolicznościach obie transmisje zostają unieważnione, a stacjom zezwala się transmitować później. Odpowiednie algorytmy (Back-off) określają, kiedy kolidujące stacje powinny retransmitować.
Różnice między Ethernetem a IEEE 802.3
Wprawdzie sieci Ethernet i IEEE 802.3 są bardzo podobne, to jednak istnieją między nimi różnice wymagające omówienia. Ethernet zapewnia usługi w warstwie Fizycznej (warstwa 1) i w warstwie Łącza danych (warstwa 2), tymczasem IEEE 802.3 działa w warstwie 1 oraz częściowo w warstwie 2 (Channel-Access Portion). Ponadto IEEE 802.3 nie definiuje podwarstwy LLC (Logical Link Control), ale specyfikuje wiele różnych warstw fizycznych, gdy tymczasem Ethernet ogranicza się tylko do jednej.
Ethernet 100 Mb/s
Ethernet 100 Mb/s jest szybką technologią LAN, zapewniającą poszerzone pasmo użytkownikom pecetów, a także pojedynczym serwerom lub farmom serwerów, często ulokowanym w punktach centralnych sieci.
Ethernet i IEEE 802.3 mają różniące się pola ramek Powołana w ramach Instytutu IEEE Grupa HSESG (High Speed Ethernet Study Group) otrzymała zadanie opracowania szybkiej sieci lokalnej opartej na mechanizmach Ethernetu. Grupa uzgodniła wszystkie szczegóły nowego, szybkiego standardu z wyjątkiem metody dostępu. Stało się to powodem podziału grupy na dwa obozy, zwane Fast Ethernet Alliance i 100VG-AnyLAN Forum. Każde ugrupowane opracowało swoją specyfikację, nazwano je: 100Base-T i 100VG-AnyLAN.
W specyfikacji 100Base-T stosuje się kable UTP lub STP. Warstwa MAC (Media Access Control) jest kompatybilna z warstwą MAC w specyfikacji IEEE 802.3. Firma Cisco opracowała Fast Ethernet, który ukazał się pod nazwą IEEE 802.3u.
Specyfikacja 100VG-AnyLAN opisuje implementację 100 Mb/s Ethernetu i Token Ring przy użyciu 4-parowego kabla UTP. Należy podkreślić, że warstwa MAC w 100VG-AnyLAN nie jest kompatybilna z warstwą MAC w specyfikacji IEEE 802.3. Specyfikacja 100VG-AnyLAN została opracowana przez firmę Hewlett-Packard i ukazała się jako standard IEEE 802.12. Technologia ta, wobec prostoty Fast Ethernetu i jego kompatybilności względem specyfikacji IEEE 802.3, nie zdobyła wielkiej popularności.
Sprzęt w 100Base-T
Aby zbudować infrastrukturę fizyczną sieci 100Base-T, niezbędne są następujące komponenty:
- Fizyczne medium (Physical Medium) - służy do przesyłania sygnałów między stacjami sieciowymi. Mogą to być: 2-parowy UTP kategorii 5, STP i Type 1 (dla 100Base-TX), 2-żyłowy światłowód wielomodowy (dla 100Base-FX) i 4-parowy UTP kategorii 3, 4 lub 5 (dla 100Base-T4);
- Interfejs zależny od medium MDI (Medium-Dependent Interface) - jest to mechaniczny i elektryczny interfejs między medium a urządzeniem warstwy fizycznej (PHY).
- Urządzenie warstwy fizycznej PHY (Physical-Layer Device) - umożliwia pracę przy 10 Mb/s lub 100 Mb/s i jest zbudowane z układów scalonych wokół portu Ethernet lub jest to urządzenie zewnętrzne dostarczone z kablem MII (Medium Independent Interface), który wtyka się do portu MII w urządzeniu 100Base-T.
- Interfejs niezależny od medium MII (Medium-Independent Interface) - MII jest używany w zewnętrznym transceiverze (pracującym z przepływnością 100 Mb/s). Interfejs MII ma 40-stykowe złącze i kabel o długości 0,5 m.
Jak działa 100Base-T?
100Base-T i 10Base-T mają wiele wspólnych cech: używają tej samej metody dostępu (określonej przez IEEE 802.3), mają taki sam format i rozmiar ramki. Główną różnicą między 100Base-T a 10Base-T (poza wartością przepływności) jest średnica sieci. Należy pamiętać, że dla 100Base-T maksymalna średnica sieci wynosi około 205 m, a dla 10 Mb/s Ethernetu 10 razy więcej.
Przyczyna mniejszej średnicy sieci 100Base-T tkwi w tym, że obie technologie używają tej samej metody dostępu (mechanizm detekcji kolizji). W technologii 10Base-T ograniczenie dystansu domeny definiuje się w ten sposób, że dowolna stacja sieciowa, transmitując ramkę o najmniejszej legalnej długości 64 bajtów, dowiaduje się o wystąpieniu kolizji pochodzącej od innej stacji transmitującej w tym samym czasie i ulokowanej w najodleglejszym punkcie domeny.
W technologii 100Base-T w celu osiągnięcia zwiększonej przepływności w stosunku do przepływności technologii 10Base-T rozmiar domeny kolizyjnej musi zostać zmniejszony. Po prostu stacja transmitująca 10 razy szybciej musi pracować na kablu 10 razy krótszym. W rezultacie każda stacja w pierwszych 64 bajtach dowiaduje się o wystąpieniu ewentualnej kolizji spowodowanej przez inną stacji.
Impulsy FLP (Fast-Link Pulses) w technologii 100Base-T są stosowane do sprawdzania poprawności połączeń pomiędzy hubem a urządzeniem 100Base-T. Impulsy FLP są wstecznie kompatybilne względem impulsów NLP (Normal-Link Pulses) stosowanych w technologii 10Base-T. FLP zawierają więcej informacji niż NLP i są używane w procesie automatycznej negocjacji między hubem a stacją w sieci 100Base-T.
Standard 100Base-T wspiera opcjonalny mechanizm zwany automatyczną negocjacją (Autonegotiation), umożliwiający stacji sieciowej i hubowi wymianę informacji (przy użyciu impulsów FLP) o ich możliwościach technicznych, co stwarza optymalne warunki dla komunikacji. Automatyczna negocjacja wspiera szereg możliwości funkcjonalnych, takich jak: dobór szybkości pracy dla urządzeń pracujących z przepływnością 10 Mb/s i 100 Mb/s, włączanie pełnego dupleksu w urządzeniach o takich udogodnieniach i z automatyczną konfiguracją sygnalizacji dla stacji 100Base-T4 i 100Base-TX.
Typy mediów stosowanych w 100Base-T
W technologii 100Base-T stosuje się trzy typy mediów transmisyjnych w warstwie 1 modelu OSI (warstwa Fizyczna). Dotyczy to: 100Base-TX, 100Base-FX i 100Base-T4.
100VG-AnyLAN
100VG-AnyLAN była opisana w specyfikacji IEEE 802.12, określającej, że długość łącza między hubem a stacją sieciową nie powinna przekraczać 100 m dla UTP kategorii 3 i 150 m dla UTP kategorii 5.
W technologii 100VG-AnyLAN stosowano metodę dostępu zwaną priorytetem żądania (Demand Priority). W odróżnieniu od metody CSMA/CD, stosowanej w Ethernecie, metoda priorytetu żądania jest metodą deterministyczną, dzięki czemu są eliminowane kolizje. W metodzie priorytetu żądania hub steruje dostępem do sieci.
Stacja nadawcza, chcąca transmitować w sieci 100VG-AnyLAN, zgłasza swoje żądanie transmisji do huba lub przełącznika 100VG-AnyLAN. Jeśli w sieci jest cisza (brak transmisji), to hub natychmiast żądanie to akceptuje, a stacja nadawcza rozpoczyna transmisję do huba. Jeśli w tym samym czasie wystąpi więcej niż jedno zgłoszenie żądania transmisji, to zgłoszenia te hub załatwia kolejno, przestrzegając następującej reguły: żądania należące do grupy o wysokim priorytecie (np. wideokonferencje) są obsługiwane przed żądaniami, którym przypisano normalny priorytet.
Gigabit Ethernet
Technologia Gigabit Ethernet jest rozszerzeniem standardu IEEE 802.3. Zapewnia ona przepływność 1000 Mb/s (1Gb/s) i kompatybilność z urządzeniami sieciowymi Ethernetu i Fast Ethernetu. Gigabit Ethernet umożliwia transmisję w trybie pełnego dupleksu między przełącznikami oraz między przełącznikami a stacjami sieciowymi, a także pracę w trybie półdupleksu dla połączeń współdzielonych przy użyciu regeneratorów (Repeaters) i metody dostępu CSMA/CD. Należy także podkreślić, że Gigabit Ethernet używa tych samych elementów organizacyjnych, jakie stosuje się w sieciach IEEE 802.3, to znaczy formatu i rozmiaru ramki oraz obiektów do zarządzania siecią. W Ethernecie gigabitowym jest przewidziane stosowanie przede wszystkim kabla światłowodowego, ale także kabla UTP kategorii 5 oraz kabla współosiowego.
Pakt Gigabit Ethernetu (Gigabit Ethernet Alliance) jest otwartym forum skupiającym dostawców produktów sieciowych, z zadaniem promowania współpracy nad rozwojem i wydaniem standardu Gigabit Ethernetu w ramach grupy roboczej IEEE 802.3. Zapewnia również środki dla demonstracji współfunkcjonowania (Interoperability) produktów i ułatwia komunikację między potencjalnymi dostawcami i użytkownikami.
Grupa robocza IEEE 802.3 utworzyła zespół 802.3z (Gigabit Ethernet Task Force) w celu opracowania standardu spełniającego wiele wymagań. Standard musi zapewniać działanie sieci w trybach dupleksu i półdupleksu, przy przepływności 1000 Mb/s. Gigabitowy Ethernet będzie używał ramki IEEE 802.3/Ethernet oraz metody dostępu CSMA/CD. Ponadto standard gigabitowego Ethernetu będzie wstecznie kompatybilny z 10Base-T i 100Base-T. Standard będzie określał zastosowanie wielomodowego kabla światłowodowego o maksymalnej długości 500 m, jednomodowego kabla światłowodowego o maksymalnej długości 2 km i miedzianego łącza o długości co najmniej 25 m. Standard Gigabit Ethernetu będzie uzupełnieniem do standardów IEEE 802.3 Ethernet/Fast Ethernet.
Jak migrować do Gigabit Ethernetu?
Przechodzenie na technologię Ethernetu gigabitowego powinno odbywać się stopniowo. Pierwszą implementacją zwykle powinna być budowa sieci szkieletowej w istniejącej LAN. W następnym kroku należy zmodyfikować połączenia z serwerami i ewentualnie ze stacjami roboczymi. Inne poczynania migracyjne do technologii Gigabit Ethernetu mogą być następujące:
- Modyfikacja połączeń między przełącznikami. Istniejące połączenia 100 Mb/s między przełącznikami lub hubami Fast Ethernet mogą być zastąpione połączeniami 1000 Mb/s. Przyspieszy to komunikację między przełącznikami sieci szkieletowej, co w konsekwencji daje wsparcie większej liczbie przełączanych i współdzielonych segmentów Fast Ethernet.
- Modyfikacja połączeń między przełącznikami a serwerami. Nowe połączenia 1000 Mb/s mogą być zainstalowane między przełącznikami a wysokowydajnymi serwerami. Modyfikacja wymaga wyposażenia serwerów w karty sieciowe Gigabit Ethernetu.
- Modyfikacja sieci szkieletowej pracującej dotychczas w technologii Fast Ethernetu. Przełącznik Fast Ethernet pracujący w sieci szkieletowej, do której podłączono przełączniki 10/100 Mb/s, należy zamienić na przełącznik 1000 Mb/s z podłączonymi przełącznikami 100/1000 Mb/s. Wymienić trzeba także routery i huby na posiadające interfejsy Gigabit Ethernetu. Wymienione działania powinny zapewnić podłączanie serwerów bezpośrednio do sieci szkieletowej za pośrednictwem kart sieciowych Gigabit Ethernetu, zwiększając w ten sposób przepustowość serwerów obsługujących aplikacje wymagające szerszego pasma. Sieć Gigabit Ethernet może obsługiwać większą liczbę segmentów, zapewnić szersze pasmo przypadające na segment i w konsekwencji umożliwić podłączenie większej liczby stacji sieciowych w segmencie.
- Modyfikacja sieci szkieletowej FDDI. Modyfikacji sieci szkieletowej wykonanej w technologii FDDI można dokonać w drodze wymiany jej elementów (koncentrator, hub, router Ethernet-to-FDDI) na przełącznik lub hub Gigabit Ethernet. Wymagane jest zainstalowanie interfejsów Gigabit Ethernetu w routerach, przełącznikach i hubach.
- Modyfikacja bardzo szybkich stacji sieciowych. Karty sieciowe pracujące w technologii Gigabit Ethernet mogą być zainstalowane w bardzo szybkich stacjach sieciowych. Umożliwia to podłączenie tych stacji do przełączników lub hubów Gigabit Ethernet.
Przed 30 laty w Xerox Palo Alto Research Center (PARC) Bob Metcalfe wynalazł Ethernet, aby połączyć komputery z drukarką laserową. Od tego czasu technologia ta ewoluowała od sieci ze współdzielonym dostępem i szybkością 3 Mb/s, przez najpopularniejszą odmianę 10-megabitową, dającą dzięki przełącznikom każdemu użytkownikowi dedykowane pasmo, do wersji gigabitowych.
Po drodze Ethernetowi udało się wyeliminować konkurencję do tronu w królestwie LAN - Token Ring, FDDI i ATM. Co najważniejsze, powstało coś, co B. Metcalfe nazywa ethernetowym modelem biznesowym: technologia zmieniała się tak, że użytkownicy starszych wersji nie byli pozostawieni samym sobie, a ich sprzęt nie stawał się bezużyteczny
Ethernet z każdym rokiem wydaje się umacniać swoją pozycję. Innowacje technologiczne wprowadziły go do sieci metropolitalnych (MAN), gdzie staje się alternatywą dla transportu SONET/SDH. Technologia ta zaczęła być też rozważana jako alternatywa dla DSL i sieci kablowych przy zapewnianiu dostępu na odcinku „ostatniej mili”.
Standardy szybkiego Ethernetu (1 Gb i 10 Gb) zostały opisane w drugim tomie „Vadamecum teleinformatyka”. Od czasu jego wydania okazało się, że Ethernet radzi sobie także w halach fabrycznych, a przez okablowanie Ethernet można zasilać urządzenia sieciowe.
