Ethernet

Ethernet jest ogólną nazwą dla zbioru technologii zawierających standardy wykorzystywane w budowie sieci komputerowych. Opisuje specyfikację okablowania, sposoby przesyłania sygnałów w sieciach oraz protokoły dwóch najniższych warstw modelu OSI .

Ethernet jest obecnie najpopularniejszym standardem sieci lokalnych. Wśród technologii zaliczanych do Ethernetu możemy wyróżnić:

• Ethernet i IEEE 802.3
• Fast Ethernet
• Gigabit Ethernet
• 10 Gigabit Ethernet

Wszystkie standardy są ze sobą zgodne, dzięki temu nie ma problemów ze stosowaniem kilku technologii w jednej sieci. Ethernet jako metody dostępu do medium transmisyjnego używa metody CSMA/CD, która to została opracowana w latach siedemdziesiątych przez firmę Xerox. W lutym 1980 roku instytut IEEE wziął na siebie odpowiedzialność za przekształcenie Ethernetu w obowiązujący standard sieciowy. IEEE 802.3 tak jak i jego poprzednik używał opracowanej przez Xerox metody CSMA/CD. Natomiast kolejna wersja Ethernetu była już wspólnym dziełem firm, Xerox, DEC oraz Intel. Ta wersja jest już kompatybilna z wydanym przez IEEE 802.3. Pierwsze Ethernetu były oparte na kablu koncentrycznym i działały w trybie half duplex.

Wykrywanie kolizji

W sieciach należących do standardu Ethernet, każde urządzenie podłączone do sieci dostaje wszystkie przesyłane ramki z domeny kolizyjnej, w której się znajduje. Po odebraniu takiej ramki sprawdzany jest jej adresat i ramka przesyłana jest do wyższych warstw modelu OSI, lub w przypadku, gdy ramka zaadresowana jest do innego urządzenia – jest odrzucana.

Dzięki metodzie CSMA/CD stacja, która chce nadawać, może uzyskać dostęp do sieci w dowolnym momencie. Przed nadaniem danych urządzenie musi czekać do momentu, kiedy w sieci nie będzie żadnej innej transmisji. Gdy dwa urządzenia zaczną nadawać w tym samym momencie następuje kolizja i transmisja zostaje przerwana. Urządzenie podczas wysyłania danych, monitoruje własną transmisję. Kiedy następuje kolizja, transmisja danych jest zatrzymywana i wysyłana jest sekwencja informująca o kolizji. Dane muszą zostać wysłane ponownie w późniejszym czasie.

Jeżeli transmisja dobiegła końca i nie stwierdzono kolizji, urządzenie zakłada, że operacja zakończyła się powodzeniem.

Mechanizm wykrywania kolizji w protokole CSMA/CD zakłada, że wszystkie urządzenia sieciowe zostaną poinformowane o wystąpieniu kolizji. W przypadku, w którym kolizja wystąpiła na jednym z końców sieci, urządzenie nadawcze, znajdujące się na drugim końcu otrzyma informację o kolizji z pewnym opóźnieniem, równym czasowi przesyłania sygnału w medium o długości dwukrotnie większej niż maksymalny rozmiar sieci. Do celów projektu przyjęto z czas przesyłania sygnału przez całą sieć wynoszący 25,6µs. W związku z tym urządzenie nadające otrzyma sygnał o wystąpieniu kolizji nie później niż po czasie 51,2 µs. Ponieważ projekt dotyczył sieci o przepustowości 10Mbps, oznacza to, że sygnał o wystąpieniu kolizji powinien dotrzeć do nadawcy nie później niż podczas wysyłania maksimum pierwszych 64 bajtów. Zatem jeżeli nadawca wyśle pierwsze 64 bajty ramki i nie otrzyma sygnału informującym o kolizji kontynuuje wysyłanie pozostałej części ramki. Jeżeli długość ramki byłaby mniejsza niż 64 bajty nadawca nie mógłby wiedzieć, czy transmisja zakończona została sukcesem, czy nie.

Ramki ethernet

W sieciach Ethernet urządzenia komunikują się za pomocą ramek. Ramka składa się z ciągu bitów zorganizowanych w pola, do których nalezą pola adresów, pole danych i pole kontroli błędów, którego zadaniem jest dbanie o poprawność danych. Minimalna długość ramki to 64 bajty, zaś maksymalna – 1518 wliczając w to pole danych.

Do pól ramki Ethernet IEEE 802.3 należą:

• Preambuła składająca się z 7 bajtów zawierających na przemian zera i jedynki. Preambuła używana jest jedynie do synchronizacji, gdyż transmisja w sieciach Ethernet o szybkości 10Mb/s odbywa się asynchronicznie.
• Kolejnym polem jest znacznik początku ramki (SFD) o długości 1 bajta, zawiera sekwencję bitów 10101011.
• Pierwsze 6 bajtów, o numerach od 0 do 5, właściwej ramki Ethernetu to adres MAC urządzenia docelowego.
• Kolejne bajty o numerach od 6 do 11 zawierają adres źródłowy – urządzenia nadawcy.
• Bajty o numerach 12 i 13 określają długość części ramki, w której są zawarte przesyłane dane.
• DSAP (Destination Service Access Point) – punkt dostępu do usługi docelowej znajdujący się w bajcie o numerze 15. Wskazuje adres bufora pamięci, w którym odbiorca powinien składować odbierane dane.
• Kolejny bajt zawiera punkt dostępu do usługi źródłowej SSAP (Source Service Access Point)
• Bajt kontrolny – bajt numer 17 opisuje typ ramki LLC.
• Bajty o numerach od 43 do 1497 zawierają właściwe dane, które mają zostać przesłane.
• Ostatnie 4 bajty to suma kontrolna CRC ramki. Gdy odbiorca dostanie ramkę, sprawdza jej poprawność obliczając sumę kontrolną i porównując ją z sumą kontrolną zapisaną w ramce.

Wysoka liczba błędów CRC pochodzących z jednego urządzenia zwykle wskazuje na wadliwą kartę sieciową kabel łączący to urządzenie z siecią.

Standardy ethernet

IEEE standaryzując Ethernet nadało poszczególnym mediom ujętym w standardzie identyfikatory składające się z trzech części. Na ten identyfikator składa się: prędkość przesyłania danych, typ sygnalizacji oraz rodzaj i dopuszczalną odległość medium sieciowego.

Szybkość	Metoda sygnalizacji	Medium
10 100 1000 10G	Base Broad	2 5 Fl T TX SX LX

IEEE definiuje pięć różnych standardów sieci Ethernet działającej w paśmie podstawowym 10 Mb/s. Z pięciu standardów, dwa oparte są na kablu koncentrycznym, dwa na światłowodzie i jeden na skrętce.

Standardy gwarantują minimalną przepustowość i możliwość działania poprzez określenie maksymalnej liczby urządzeń w segmencie, maksymalnej długości segmentu itd.

Do standardów zdefiniowanych przez IEEE należą:

10 Base 2 – w tym typie sieci stosowany jest 50 omowy kabel koncentryczny. Maksymalna długość kabla między urządzeniami to 185 m (200 m po zaokrągleniu w nazwie typu). Można stworzyć 30 segmentów sieci, z czego każdy po maksymalnie 64 urządzenia.

10 Base 5 – umożliwia zbudowanie sieci o odległości do 500 m pomiędzy urządzeniami. Pozwala na podział sieci na 100 segmentów po 64 urządzenia.

10 Base T – typ sieci zbudowany na bazie nieekranowanej skrętki kategorii 3. Do komunikacji wykorzystane były 4 przewody. Długość segmentu sieci ograniczona jest do 100 m.

10 Base FL – specyfikacja umożliwiająca transmisję danych z szybkością 10 Mb/s poprzez wielomodowy kabel światłowodowy 62,5/125. Maksymalna długość kabla wynosi 2 km. Światłowód nie może być rozgałęziany. Technologia ta pozwala na połączenie jedynie dwóch urządzeń sieciowych bezpośrednio.

10 Base FOIRL – umożliwia połączenie dwóch urządzeń wzmacniających sygnał (np. koncentrator – koncentrator) na bazie łączy światłowodowych o średnicy 8.3 mikrona. Maksymalna odległość pomiędzy urządzeniami wynosi 5 km.

Fast Ethernet jest szybszą technologią budowy sieci LAN, zapewniającą transmisję danych z przepustowością 100 Mb/s. Powołana w ramach Instytutu IEEE Grupa HSESG otrzymała za zadanie opracowanie szybkiej sieci lokalnej opartej na mechanizmach Ethernetu. Grupa podzieliła się na dwa obozy, każde ugrupowanie opracowało swoją specyfikację, nazwano je: 100Base-T i 100VG-AnyLAN.

W technologii 100 Base T zastosowana została specyfikacja IEEE 802.3 wraz z metodą dostępu do medium CSMA/CD. W związku z tym Fast Ethernet dziedziczy format i rozmiar ramki oraz mechanizm detekcji błędów. Dzięki zastosowaniu zgodności z IEEE 802.3 możliwa była stopniowa modernizacja istniejącej sieci lokalnej praktycznie bez przerw w jej działaniu, a nawet przy wykorzystaniu dotychczasowego okablowania (o ile do budowy sieci została użyta skrętka lub światłowód). Nie było również konieczności modernizacji oprogramowania.

Fast Ethernet zakłada wykorzystanie jako medium transmisyjnego ekranowanej lub nieekranowanej skrętki oraz światłowodu wielomodowego.

Główną różnicą pomiędzy Ethernetem, a Fast Ethernetem jest zmniejszenie maksymalnej możliwej średnicy sieci do około 200 metrów. Spowodowane jest to zbyt szybkim przesyłaniem danych w sieci i wynikającymi z tego problemami z wykrywaniem kolizji. Było to jedną z przesłanek do utworzenia przełącznika (ang. switcha) – urządzania, który separował domeny kolizyjne do jednego portu urządzenia. Zastosowanie switchy umożliwiało rozwiązanie problemu ze zmniejszoną średnicą sieci.

Ethernet 100Base-T obejmuje:

100 Base TX – specyfikacja zakłada budowę sieci na bazie ekranowanej (STP, FTP) lub nieekranowanej (UTP) skrętki kategorii 5. Maksymalna odległość między urządzeniami to 100m przy przepustowości 100 Mb/s

100 Base FX – technologia umożliwia zbudowanie sieci wykorzystującej multimodowy kabel światłowodowy o średnicy 62.5/125. Maksymalna odległość pomiędzy urządzeniami to 400 metrów.

100 Base T4 – umożliwia transmisję danych z szybkością 100 Mb/s wykorzystując czteroparowe kable telefoniczne co najmniej 3 kategorii. Do kodowania sygnałów zastosowano algorytm 8B/6T, który został zaprojektowany w celu umożliwienia wykorzystania skrętki kategorii 3 do transmisji z prędkością 100 Mb/s.

Standard 100 Base – T wspiera mechanizm autonegocjacji. Mechanizm realizowany jest poprzez wysyłanie sygnałów przez urządzenia na obydwu końcach kabla. Sygnały te zawierają informacje o możliwościach technicznych urządzenia. Kiedy oba urządzenia zinterpretują ofertę partnera przełączają się na najwyższą możliwą, obsługiwaną przez nich szybkość transmisji. Jeśli komunikacja zostanie przerwana i nastąpi utrata połączenia, oba urządzenia najpierw starają się połączyć ze sobą z ostatnią wynegocjowaną szybkością. Jeśli się to nie powiedzie, proces autonegocjacji zaczyna się od początku.

Technologia 100VG-AnyLAN została opracowana pod patronatem firmy Hewlett Packard i wydana jako standard IEEE 802.12. Nie zdobyła jednak większej popularności. Podstawowymi cechami tej technologii jest: gwarantowane, minimalne pasmo przesyłania danych w sieci oraz określony maksymalny czas przesyłania pakietu. Ponadto 100VG-AnyLan umożliwia wykorzystanie istniejącego okablowania w postaci skrętki kategorii 3, 4 i 5.

Technologia Gigabit Ethernet jest kolejnym rozszerzeniem standardu IEEE 802.3 w związku z tym zachowana jest kompatybilność z urządzeniami Ethernetu i Fast Ethernetu. Gigabit Ethernet umożliwia transmisję danych z szybkością 1Gb/s zachowując jednocześnie format ramki poprzedników i metodę dostępu CSMA/CD. Standard ten został opracowany w 1999 roku przez grupę roboczą 802.3z oraz opisany jako IEEE 802.3ab. Gigabit Ethernet przewiduje stosowanie kabla światłowodowego, skrętki oraz kabla koncentrycznego.

W związku z tym, że szybkość transmisji wzrosła 100 krotnie w stosunku do klasycznego Ethernetu, czas transmisji ramki o minimalnej długości (64 bajty) zmalał do 512 ns, co praktycznie uniemożliwiło skuteczne wykrywanie kolizji. Aby zachować standardowy rozmiar sieci (100m dla skrętki) należało zwiększyć minimalny rozmiar ramki do 512 bajtów. Zmiana minimalnego rozmiaru ramki jest całkowicie niewidoczna dla oprogramowania – odpowiadają za to urządzenia nadawcy i odbiorcy. Z tworzeniem ramki w tej technologii związane są dwie funkcje:

• przedłużenie nośnika (ang. carrier extension) – dopełnienie za ramką do 512 B
• przesyłanie ramek wiązkami (ang. frame burst) – przesyłanie naraz sekwencji ramek do osiągnięcia ich sumy bajtów równej 8192. Jeśli cała paczka ma mniej niż 512 B, to stosowane jest dodatkowo dopełnienie.

Podczas transmisji ramek dodawane są znaczniki określające początek i koniec ramki oraz rozdzielające ramki transmitowane w trybie burst.

Gigabit Ethernet obejmuje:

1000 Base SX – umożliwia transmisję danych o szybkości 1Gb/s poprzez wielomodowy kabel światłowodowy 62.5/125 µm na odległość do 220 metrów, lub 50/125 µm na odległość do 500 metrów. Wykorzystuje fale świetlne o długości 850 nanometrów.

1000 Base LX – umożliwia transmisję z szybkością 1Gb/s poprzez jednomodowy kabel światłowodowy o średnicy 9 µm na odległość do 2 km. W tej technologii możliwe jest również wykorzystanie wielomodowego światłowody, wówczas maksymalna odległość pomiędzy urządzeniami wynosi do 550 metrów. Wykorzystuje fale świetlne o długości od 1270 do 1355 nanometrów.

1000 Base CX – specyfikacja dla transmisji poprzez wysokiej jakości skrętkę ekranowaną lub kabel koncentryczny. Maksymalna odległość dla tej technologii to 25 metrów. Używana w specyficznych zastosowaniach np. do łączenia switchy.

1000 Base T – specyfikacja opracowana dla skrętki co najmniej 5 kategorii. Umożliwia transmisję danych z szybkością 1 Gb/s na odległość do 100 m. Do transmisji wykorzystywane są wszystkie 4 pary kabla, w związku z tym jest mniej tolerancyjna dla słabo zaciśniętych wtyczek RJ45 .

Oprócz powyższych istnieje już opracowany przez IEEE standard przesyłania danych z szybkością 10Gb/s – 10 Gigabit Ethernet, jednak nie jest on jeszcze powszechnie wykorzystywany.