Стандарт Ethernet

В настоящее время, в IT области часто встречается такое понятие, как Ethernet. Это появилось в 1970-х годах и получило следующее определение:

Ethernet - это стандарт, относящийся к построению LAN (локальной сети).

История Ethernet

Первая локальная сеть появилась в 60-х годах прошлого века и считается прототипом современной локальной сети. В те времена сетевое соединение между компьютерами встречалось редко из-за высоких цен, поэтому пользователи предпочитали выбирать один мощный компьютер, чем несколько менее мощных компьютеров.

По мере развития компьютерной техники возникла необходимость в удаленном подключении компьютеров друг к другу, поэтому начали возникать компьютерные сети. И было заложено построение первого многоуровневого протокола.

С появлением небольших компьютеров, которые по производительности не уступали мощным, многие организации начали обзаводиться собственными компьютерами. Далее потребность пользователей в обмене компьютерными данными между отделами привела к появлению локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Локальные сети - это объединение компьютеров, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, обычно не более нескольких километров, но есть локальные сети, которые простираются на десятки километров.

На заре возникновения компьютерных сетей, компьютеры между собой подключались без каких-либо стандартов, а кабели предназначались для подключения конкретных моделей компьютеров. В 80-х эта проблема была решена и были утверждены стандарты сетевых технологий подключения компьютеров к сети - Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, а чуть позже - FDDI.

Первый стандарт Ethernet, разработанный в 1970 году, имел скорость 10 Мбит / с, что сейчас кажется очень мало. Через 25 лет эта скорость увеличилась до обычных 100 Мбит / с. Многие люди имеют такую скорость на своих домашних компьютерах. Стандарт с такой скоростью называется Faster Ethernet. Благодаря быстрому техническому развитию в конце 20-го века, уже в 1999 году был представлен Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с или 1 Гбит/с. Новый стандарт получил название Gigabit Ethernet. В 2002 году появился стандарт 802.3ae, который описывает стандарт 10 Gigabit Ethernet, также называемый 10GE.

В течение многих лет Ethernet был только технологией локальной сети, однако, оснащенная новыми функциями и новыми уровнями скорости, эта технология (называемая в этой версии Carrier Ethernet, то есть Ethernet операторского класса) сегодня доминирует в каналах связи и глобальных сетях. Следствием доминирования технологии Ethernet в первое десятилетие XXI века стало структурное упрощение как локальных, так и глобальных сетей - сегодня большинство подсетей используют протокол Ethernet, а подсети объединены в составную сеть с использованием протокола IP.

Модель OSI

Рассмотрим семиступенчатую модель OSI:

7-уровень: прикладной;
6-уровень: представительский;
5-уровень: сеансовый;
4-уровень: транспортный;
3-уровень: сетевой;
2-уровень: канальный;
1-уровень: физический.

Стандарт Ethernet затрагивает первый и второй уровни и описывает передачу (электрических) сигналов на физическом уровне, а также формирование фрейма (frame) в сети LAN на уровне канала передачи данных.

Рассмотрим физический уровень, передачу битов данных между устройствами.

Стандарт Ethernet применяется только к проводным соединениям. Основной принцип этой технологии - передача данных. Чтобы инициировать передачу по сети, сетевой адаптер компьютера «слушает» сеть, чтобы определить наличие различных сигналов. Если сеть «молчит», адаптер начинает отправку данных, а если есть сигнал, то передача откладывается на некоторое время.

Кадр - это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и содержит различную служебную информацию, например, адрес получателя и адрес отправителя. Когда кадр помещается в сеть, все сетевые адаптеры получают его. При диагностике кадра адаптер сравнивает адрес назначения и их MAC-адрес, если они совпадают кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера, в противном случае он будет проигнорирован.

Следовательно, чтобы получить свои пакеты данных, сетевой адаптер должен получать и анализировать все пакеты в сети.

Если два адаптера прослушивают сеть и начинают отправлять данные, возникает коллизия. Обнаружив коллизию, адаптеры перестают отправлять данные, а после повторного прослушивания отправляют пакеты через разные интервалы времени.

При большом количестве компьютеров в сети количество коллизий также увеличивается, и, как следствие, уменьшается пропускная способность сети. Иногда даже может упасть до нуля. Но на данный момент проблема практически решена. Разработали устройство, которое разделяет потоки данных между компьютерами, для которых эти данные предназначены. То есть трафик между отправляющим и принимающим сетевыми адаптерами изолирован от других портов. Такое устройство называется коммутатором.

Параметр	Ethernet	Fast Ethernet	Gigabit Ethernet
Номинальная скорость передачи информации, Мбит/с	10	100	1000
Среда передачи	Витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно	Витая пара, оптоволокно	Витая пара, оптоволокно
Топология	Общая шина, звезда	Звезда	Звезда

Топология звезда

Топология дерево

Существуют такие варианты реализации, как, например, 10 Base-2, 10 Base -T, 100Base-TX, 1000Base-X. Первое число в названии спецификации указывает максимальную скорость доставки. 10 - скорость передачи сигнала 10 Мбит / с. «Base» означает использование технологии Baseband. Baseband - это узкополосная передача. При использовании этого метода передачи данных по кабелю каждый бит данных кодируется. Он кодируется отдельным электрическим или световым импульсом. В этом случае весь кабель используется как один канал связи. То есть, передача двух сигналов одновременно невозможна.

Для удобства и более полного определения последняя цифра в разделе заменена буквами T и F. Где T означает twisterdpair - витая пара, а F означает волокно.

Стандарт технологии Fast Ethernet обеспечивает возможность полно-дуплексной работы при подключении сетевого адаптера к коммутатору. Или при непосредственном подключении коммутаторов между собой.

Суть этого режима - возможность одновременной передачи и приема данных по двум каналам.

Tx - канал от передатчика к приемнику. Rx - канал от приемника к передатчику. При этом скорость передачи данных увеличилась вдвое и достигла 200 Мбит / с.

Поскольку протокол Ethernet также влияет на канальный уровень, давайте посмотрим, как он работает.

В задачи канального уровня входят:

Формирование и считывание кадров, до блоков данных (MAC).
Доставка кадров отдельному узлу в пределах единой среды передачи (LLC).
Обеспечение для сетевого уровня отправки передачи пакетов в локальной сети.

Канальный уровень — уровень сетевой модели OSI, предназначенный для обмена данными между узлами, находящимися в том же сегменте локальной сети, путем передачи специальных блоков данных, которые называются кадрами (frame).

В процессе формирования кадров данные снабжаются служебной информацией (заголовком), необходимой для корректной доставки получателю, и, в соответствии с правилами доступа к среде передачи, отправляются на физический уровень.

В локальных сетях канальный уровень разделяется на два уровня:

Уровень доступа к среде (media access layer, MAC)
MAC-уровень 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.
Уровень управления логическим каналом (logical link control, LLC).
LLC — это протокол управления логическим каналом. Как только станция получит разрешение на соединение на уровне MAC, устанавливается логическое соединение между передающей данные станцией и принимающей эти данные станцией. Протокол LLC управляет данным логическим соединением.

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

Функции канального уровня

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру.

Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Также канальный уровень занимается:

установлением и расторжением канального соединения;
расщеплением канального соединения на несколько физических;
cериализацией (передачей объектов по сети и сохранение их в файлы);
обнаружением и исправлением ошибок;
управлением потоками;
управлением соединения физических каналов передачи данных.

Так как Ethernet работает только с проводным подключением, рассмотри категории кабеля витых пар.

	Частоты, Мгц	Примечание	Описание
Cat.1	0,1	Телефонные и старые модемные линии	1 пара. При использовании без скруток много помех, но характеристики не хуже. Используется для передачи голоса или данных при помощи модема. (не подходит для современных систем)
Cat.2	1	Старые терминалы	2 пары проводников. Поддерживает передачу данных со скоростью 4 Мбит/с.
Cat.3	16	10BASE-T, 100BASE-T4 Ethernet	4-парный кабель. Используется для построения телефонных и локальных сетей 10BASE-T. Поддерживает скорость передачи 10 Мбит/с или 100Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров. Используется в основном для телефонных линий.
Cat.4	20	Token ring, сейчас не используется	4 скрученные пары. Скорость передачи не превышала 16 Мбит/с по одной паре.
Cat.5	100	100BASE-TX Ethernet (LAN, ATM, CDDI)	4-парный кабель. Использовался при построении локальных сетей 100BASE-TX и для прокладки телефонных линий. Поддерживает скорость передачи до 100 Мбит/с при использовании 2пар.
Cat.5e	100	1000Base-T	4-парный кабель, усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пари до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар.
Cat.6	250	Fast Ethernet, Gigabit Ethernet (10GBASE-T Ethernet)	4 пар проводников. Скорость передачи данных до 10Гбит/с на расстояние до 55м.
Cat.6a	500	Gigabit Ethernet (10GBASE-T Ethernet)	4 пары проводников. Скорость передачи данных до 10 Гбит/с на расстояние до 100м.
Cat.7	600	Gigabit Ethernet (10GBASE-T Ethernet)	Спецификация на данный кабель утверждена только международным стандартом ISO 11801. Скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экран вокруг каждой пары.
Cat.7a	до 1200	Gigabit Ethernet (40GbE, 100GbE)	Разработан для передачи данных со скоростью до 40 Гбит/сна расстояние до 50м и до 100Гбит/с на расстояние до 15м.

Категория 5e наиболее распространена и используется для построения компьютерных сетей. Преимущество данного кабеля в низкой себестоимости и меньшей толщине. 7 категория является не UTP, а S/FTP (экранированная витая пара из фольги).

Если сейчас многие считают, что проводная передача данных это “прошлый век”, многие организации в целях безопасности не используют передачу по WI-FI. При использовании проводной передачи данных легче контролировать сторонние подключения, в отличии от беспроводной передачи.

Но, конечно, у передачи по WI-FI есть и свои преимущества относительно Ethernet. Если вы подключите кабель у себя дома, то затраты не будут сильно отличаться от установки домашнего WI-Fi. Но если у вас большая организация где к каждому компьютеру нужен свой кабель, проводная передача данных выходит дороже беспроводной.

Если в вашем домашнем компьютере 5 портов, но при этом они все заняты другими устройствами, для подключения еще одного – необходимо закупать дополнительное оборудование, что не встретишь в использовании Wi-FI.

И одной из главных достоинств беспроводной сети WI-FI является мобильность и гибкость.

Так при использовании Ethernet дома вы обеспечиваете себе быструю скорость загрузки, а при применении в офисе безопасность ваших данных.