Ethernet

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 29. 6. 2015, 22:47

Ethernet je jeden z typů lokálních sítí, který realizuje vrstvu síťového rozhraní. V lokálních sítích se Ethernet prosadil v 80 % všech instalací. Jeho popularita spočívá v jednoduchosti protokolu a tím i snadné implementaci i instalaci.

Původní protokol s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s byl vyvinut firmami DEC, Intel a Xerox pro potřeby kancelářských aplikací. Později byl v poněkud pozměněné podobě normalizován institutem IEEE jako norma IEEE 802.3. Tato norma byla převzata ISO jako ISO 8802-3. Autoři původního Ethernetu vytvořili upravenou verzi Ethernet II, která změnila některé časové konstanty s cílem dosáhnout vyšší kompatibility se standardem 802.3. Mezi oběma specifikacemi však zůstal rozdíl ve formátu rámce.

Princip

Klasický Ethernet používal sběrnicovou topologii – tedy sdílené médium, kde všichni slyší všechno a v každém okamžiku může vysílat jen jeden. Jednotlivé stanice jsou na něm identifikovány svými hardwarovými adresami (MAC adresa). Když stanice obdrží paket s jinou než vlastní adresou, zahodí jej (karty lze ovšem přepnout do promiskuitního režimu, kdy přijímají všechny pakety, tato možnost se využívá např. při monitorování sítě).

Pro přístup ke sdílenému přenosovému médiu (sběrnici) se používá metoda CSMA/CD (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection), česky metoda mnohonásobného přístupu s nasloucháním nosné a detekcí kolizí.

Stanice (síťová karta), která potřebuje vysílat, naslouchá co se děje na přenosovém médiu. Pokud je v klidu, začne stanice vysílat. Může se stát (v důsledku zpoždění signálu), že dvě stanice začnou vysílat přibližně ve stejný okamžik. Jejich signály se pochopitelně navzájem zkomolí. Tato situace se nazývá kolize a vysílající stanice ji poznají podle toho, že během svého vysílání zároveň zjistí příchod cizího signálu. Stanice, která detekuje kolizi, vyšle krátký signál (jam o 32 bitech). Poté se všechny vysílající stanice odmlčí a později se pokusí o nové vysílání.

Mezi opakovanými pokusy o vysílání stanice počká vždy náhodnou dobu. Interval, ze kterého se čekací doba náhodně vybírá, se během prvních deseti pokusů vždy zdvojnásobuje. Stanice tak při opakovaných neúspěších „ředí“ své pokusy o vysílání a zvyšuje tak pravděpodobnost, že se o sdílené médium úspěšně podělí s ostatními. Pokud se během šestnácti pokusů nepodaří rámec odvysílat, stanice své snažení ukončí a ohlásí nadřízené vrtsvě neúspěch.

Ke kolizi může dojít jen v době, která uplyne od začátku vysílání do okamžiku, kdy signál vysílaný stanicí obsadí celé médium (pak již případní další zájemci o vysílání zjistí, že médium není volné a počkají na jeho uvolnění). Tento interval se nazývá kolizní okénko a musí být kratší, než je doba vysílání nejkratšího rámce. Jinak by mohlo docházet k nezjištěným kolizím (dvě vzdálené stanice odvysílají krátké rámce, které se na kabelu protnou a zkomolí, ale obě stanice ukončí vysílání dříve, než k nim dorazí kolidující signál).

Tato metoda přístupu k médiu je velmi efektivní při nižším zatížení sítě (cca 30 % šířky pásma). Její efektivita klesá při vetším počtu zájemců o vysílání, kdy může dojít k exponenciálnímu nárůstu kolizí. Efektivita CSMA/CD je vyšší pro delší rámce, protože při jejich přenosu je výhodnější poměr mezi trváním kolizního okénka a vysílání dat.

Jednotlivé varianty protokolu se značí např. 10Base5, 100Base-TX a podobně. První číslice určuje maximální přenosovou rychlost v megabitech za sekundu. Následuje označení pásma (všechny verze Ethernetu pracují v základním pásmu, proto zde vždy obsahují „Base“) a určení druhu přenosového média.

Přenosová média

Koaxiální kabel

Původní Ethernet byl propojován tzv. tlustým koaxiálním kabelem a označoval se jako 10Base-5. Jeden segment mohl být dlouhý až 500 metrů. Na kabel byly napichovány tranceivery, které se připojovaly na AUI port síťové karty.

K masovému používání Ethernetu došlo se zavedením tzv. tenkého koaxiálního kabelu. Tato varianta se označuje jako 10Base-2. Propojovací kabely se zakončují BNC konektory, mezi ně se vkládají odbočky ke stanicím BNC-T konektory. Ty se připojují přímo na síťovou kartu, nebo adaptérem na AUI port. Délka segmentu je maximálně 185 metrů, ve speciálních případech až 300 - 400 metrů.

Kroucená dvoulinka

Kroucená dvoulinka je dnes zdaleka nejrozšířenější druh Ethernetové kabeláže. Její použití pro Ethernet pod označení 10BaseT definuje specifikace IEEE 802.3i. Topologie sítě se změnila ze sběrnicové na hvězdicovou, v jejímž středu je rozbočovač (hub) a na koncích jednotlivých spojů připojené počítače. Chování sítě napodobuje sběrnici - rozbočovač kopíruje signál přicházející z jednoho rozhraní do všech ostatních. Data vysílaná jednou stanicí jsou proto rozšířena všem ostatním, stejně jako v případě jejich přenosu po sdílené sběrnici.

Rozbočovače jsou dnes většinou nahrazovány přepínači (switch), které jsou na rozdíl od nich inteligentní. Pracují na principu „ulož a předej“ - přijmou ethernetový rámec, uloží si jej do vyrovnávací paměti, analyzují adresu jeho příjemce a následně jej odvysílají do rozhraní, kterým je připojen jeho adresát. Tabulky s fyzickými adresami a jim odpovídajícími rozhraními si udržují automaticky - učí se na základě adresy odesilatele v rámcích. Vzhledem k tomu, že přepínač nepředává rámec rovnou, ale po uložení jej sám odvysílá, až bude na cílovém rozhraní volno, počítače (či sítě) připojené k jeho rozhraním spolu navzájem nesoutěží o médium. Na každém rozhraní přepínače běží nezávislý algoritmus CSMA/CD a o médium spolu soutěží jen zdejší počítače - přepínač tzv. odděluje kolizní domény. Důsledkem je vyšší propustnost sítě a také vyšší bezpečnost, protože data jsou doručována jen tam, kde sídlí jejich příjemce.

Původně byly přepínače výrazně dražší než rozbočovače. V současnosti ovšem cena jednoduchých přepínačů klesla na takovou úroveň, že rozbočovače ztratily ekonomický smysl a zcela zmizely z trhu. Díky masivnímu rozšíření přepínačů je dnes celkem běžně připojen koncový počítač přímo do přepínače. Kolizní doména tudíž obsahuje jen dva účastníky - koncový počítač a přepínač - propojené kroucenou dvoulinkou. Kabel s dvoulinkou ale obsahuje celkem čtyři kroucené páry, tedy osm vodičů. Část z nich lze vyčlenit pro přenos dat ve směru od přepínače k počítači a část pro směr opačný. Provoz tedy kabelem může protékat obousměrně, každý z účastníků má své pevně přidělené vodiče, do nichž může vysílat kdykoli. Odpadá sdílení média a s ním i důvody pro nasazení algoritmu CSMA/CD. Tento režim provozu se nazývá plný duplex (full duplex) . odpadají v něm prostoje způsobené kolizemi a přenosová rychlost odpovídá maximální možné. Na použití plně duplexního režimu se typicky dohodne přepínač s připojeným počítačem automaticky - pokud oba tento režim podporují, přejdou do něj.

Rozvod kroucené dvoulinky v budovách se nazývá strukturovaná kabeláž. Každá zásuvka je propojena s centrálním rozvaděčem samostatným kabelem, který umožňuje její využití i pro jiné účely (telefon a podobně). Délka jednoho spoje je maximálně 100 metrů, ve strukturované kabeláži se používá limit 90 metrů a 10 m se ponechává pro propojení mezi zásuvkou a počítačem. Ethernet používající kroucenou dvoulinku se označuje příponou T nebo TX.

Kabely mohou být nestíněné (UTP - Unshielded Twisted Pair) a stíněné (STP - Shielded Twisted Pair), které se používají v průmyslovém prostředí - jsou odolnější proti rušení. Používá se stínění celého kabelu, nebo i jednotlivých párů. Provedení strukturované kabeláže se dělí na kategorie podle svých elektrických a přenosových vlastností. Na kategorii závisí maximální možná přenosová rychlost.

Optické vlákno

Ethernet je definován i pro optické vlákno. Používají se jednovidová i mnohovidová vlákna v závislosti na požadované rychlosti a vzdálenosti. Vybudování optické trasy je dražší, než strukturovaná kabeláž, ale umožňuje přenos na vyšší vzdálenosti. Další výhodou je, že spojení je odolné proti elektromagnetickému rušení a koncové body spoje jsou galvanicky oddělené. Je tedy vhodné pro budování LAN sítí mezi budovami a vzdálenými lokalitami. V těchto případech jsou metalické spoje nepoužitelné vzhledem k problémům se statickou elektřinou, nebo s různým nulovým potenciálem rozvaděčů budov.

Skleněná vlákna jsou zakončena tzv. media konvertory, které převedou optický signál na elektrický. Převodník bývá obvykle součástí přepínače jako rozšiřující modul. Pro každý spoj se použijí dvě vlákna, pro každý směr jedno. Lze použít také jen jedno, kdy se využívá dvou vlnových délek pro přenos informací (v telekomunikacích 1310nm a 1550nm). V praxi se pokládá vždy několik vláken navíc jako rezerva pro rozšíření nebo poruchu. Délka optického spoje bývá od stovek metrů až po mnoho kilometrů. Rychlost přenosu může být od 10 Mbit/s až po gigabitové rychlosti. Optický Ethernet se označuje v příponě písmenem F či FX, poslední dobou ale přípon výrazně přibylo (SX, LX. , EX a další)

Verze Ethernetu

• Ethernet - původní varianta s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s. Definována pro koaxiální kabel, kroucenou dvoulinku a optické vlákno.
• Fast Ethernet - rychlejší verze s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s definovaná standardem IEEE 802.3u. Převzala maximum prvků z původního Ethernetu (formát rámce, algoritmus CSMA/CD apod.), aby se usnadnil, urychlil a zlevnil vývoj. V současnosti ji lze považovat za základní verzi Ethernetu. Je k dispozici pro kroucenou dvoulinku a optická vlákna.
• Gigabitový Ethernet - zvýšil přenosovou rychlost na 1 Gbit/s. Opět recykloval co nejvíce prvků z původního Ethernetu, teoreticky i algoritmus CSMA/CD. V praxi je ale gigabitový Ethernet provozován pouze přepínaně s plným duplexem. Důležité je především použití stejného formátu rámce. Původně byl definován pouze pro optická vlákna (IEEE 802.3z), později byla doplněna i varianta pro kroucenou dvoulinku (IEEE 802.3ab).
• Desetigigabitový Ethernet - představuje zatím poslední standardizovanou verzi. Jeho definice byla jako IEEE 802.3ae přijata v roce 2003. Přenosová rychlost činí 10 Gbit/s, jako médium zatím slouží výlučně optická vlákna a opět používá stejný formát rámce. Algoritmus CSMA/CD byl definitivně opuštěn, tato verze pracuje vždy plně duplexně. V současnosti se vyvíjí jeho specifikace pro kroucenou dvojlinku.

Odrůdy Ethernetu

• 10Base-5 Původní Ethernet na koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel o impedanci 50 Ω tvoří sběrnici, ke které se připojují pomocí speciálních tranceiverů a AUI kabelů jednotlivé stanice.
• 10Base-2 Ethernet na tenkém koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel tvoří sběrnici, ke které se připojují jednotlivé stanice přímo. Kabel je impedance 50 Ω (RG-58) nesmí mít žádné odbočky a je na koncích zakončen odpory 50 Ω (tzv. terminátory).
• 10Base-T Jako přenosové médium používá kroucenou dvoulinku s rychlostí 10 Mbit/s. Využívá dva páry strukturované kabeláže ze čtyř. Dnes již překonaná síť, která byla ve většině případů nahrazena rychlejší 100 Mbit/s variantou.
• 10Base-F Varianta s optickými vlákny o rychlosti 10 Mbit/s. Používá se pro spojení na větší vzdálenost, nebo spojení mezi objekty, kde nelze použít kroucenou dvoulinku. Tvořila obvykle tzv. pateřní síť, která propojuje jednotlivé menší celky sítě. Dnes je již nahrazována vyššími rychlostmi (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet).
• 100Base-TX Varianta s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s, které se říká Fast Ethernet, používá dva páry UTP nebo STP kabelu kategorie 5.
• 100Base-T2 Používá dva páry UTP kategorie 3, 4, 5. Je to varianta vhodná pro starší rozvody strukturované kabeláže.
• 100Base-T4 Používá čtyři páry UTP kategorie 3, 4, 5. Také vhodná pro starší rozvody strukturované kabeláže.
• 100Base-FX Fast Ethernet používající dvě optická vlákna.
• 1000Base-T Ethernet s rychlostí 1000 Mbit/s, nazývaný Gigabit Ethernet. Využívá 4 páry UTP kabeláže kategorie 5, je definován do vzdálenosti 100 metrů.
• 1000Base-CX Gigabit Ethernet na bázi měděného vodiče pro krátké vzdálenosti, učený pro propojování skupin zařízení.
• 1000Base-SX Gigabit Ethernet používající mnohavidové optické vlákno. Je určen pro páteřní sítě do vzdáleností několik set metrů.
• 1000Base-LX Gigabit Ethernet používající jednovidové optické vlákno. Je určen pro větší vzdáleností až několika desítek kilometrů.

Formáty rámce

Formát rámců lokální sítě Ethernet II a IEEE 802.3 se skládá s následujících polí:

• Preambule - Skládá se z 8 byte, střídavě binární 0 a 1. Poslední byte má tvar 10101011 a označuje začátek vlastního rámce. Preambule slouží k synchronizaci. Poslední byte se někdy nazývá omezovač počátku rámce (Starting Frame Delimiter, SFD).
• Cílová adresa - Fyzická MAC adresa o délce 48 bitů (v rámci LAN pro všechny stanice stejné délky). Adresa může být individuální (unicast), skupinová (multicast) a všeobecná (broadcast).
• Zdrojová adresa - Fyzická adresa stejného typu jako cílová, ale je to vždy individuální adresa konkrétní stanice (rozhraní).
• Typ protokolu nebo délka
  • Pro Ethernet II je to pole určující typ vyššího protokolu.
  • Pro IEEE 802.3 udává toto pole délku pole dat.
• Data - Pole dlouhé minimálně 46 oktetů a maximálně 1500 oktetů. Minimální délka je nutná pro správnou detekci kolizí.
• Kontrolní součet - (Frame Check Sequence, FCS) Dvaatřicetibitový cyklický kontrolní kód, který se počítá ze všech polí s výjimkou preambule a FCS. Slouží ke kontrole správnosti dat - příjemce si jej vypočítá z obdrženého rámce a pokud výsledek nesouhlasí s hodnotou pole, rámec zahodí jako vadný.