Ethernet

Něco historie …• Historie Ethernetu začíná na Hawaii,

kdy na tamní univerzitě vytvořili rádiovou síť ALOHA na propojení ostrovů, která je prapředkem všech sítí se sdíleným médiem

• Síť Ethernet jako taková vznikla poprvé ve středisku PARC (Palo Alto Research Center) pro propojení tamních počítačů v polovině 70 let.

– Síť pracovala s rychlostí 2,94 Mb/s (autoři Bob Metcalfe a David Boggs z firmy Xerox)

– později byla ve spolupráci firem DEC, Intel a Xerox zrychlena na 10 Mb/s (DIX Ethernet, 1980).

• Jak vůbec Ethernet přišel ke svému jménu? Traduje se, že Bob Metcalfe si vzpomněl na starou teorii z 19. století o všeprostupujícím "etheru", kterým se šíří elektromagnetické vlny a tak kvůli paralele se všesměrovým vysíláním, použitým u nové technologie, nazval ji "Ether"netem.

Původní náčrtekBoba Metcalfa,

autora Ethernetu

Další vývoj Ethernetu• vzala do svých rukou organizace IEEE (www.ieee.org), která

předložený návrh standardu DIX Ethernet přijala v poněkud pozměněné podobě (jiný formát hlavičky rámce) jako standard 802.3.

• Tento standard dále žije a vyvíjí se v rámci IEEE až do dnešní gigabitové

• Původní standard 802.3 z roku 1985 používal pouze koaxiální kabely, nejprve jen známý "tlustý", nebo také podle jeho barvy "žlutý" kabel (Thick Ethernet).

• Segment mohl být dlouhý až 500 m, více segmentů mohlo být propojeno opakovači (repeater) až do max. vzdálenosti 2500 m mezi nejvzdálenějšími uzly, kterých mohlo být max. 1024. Síťová karta uzlu byla k segmentu připojena speciálním transceiverem a přípojným kabelem.

Ethernetový rámec• Celá logika protokolu Ethernetu je implementována v obvodech síťového adaptéru.• Základem přepravy dat na sítích typu Ethernet jsou takzvané rámce, které přepravují obecně

jakákoliv data mezi jednotlivými počítači. Každý rámec představuje balík dat, který je možno vyslat v rámci jednoho segmentu k jinému počítači.

• Skládá se z hlavičky, těla (obsahuje přenášená data, tedy paket vyšší vrstvy) a zakončení rámce s kontrolním součtem. Hlavní část hlavičky tvoří hardwarová adresa odesílatele a příjemce (označovaná také jako fyzická MAC adresa), podle které síťové rozhraní dokáže samo rozeznat rámce

• Minimální velikost rámce Ethernetu je 64 bajtů – je dána standardem 802.3, Ethernet II

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 a zdrojová adresa (6B) - fyzická MAC adresy, musí být stejného typu, 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 B a maximálně 1500 B. Minimální délka je nutná pro správnou detekci kolizí.

• Zabezpečení - (Frame Check Sequence, FCS) Dvaatřicetibitový cyklický kontrolní kód, který se počítá ze všech polí s výjimkou preambule a FCS.

Ethernetové adresy• V Ethernetu se používají 48-

bitové (6bytové) adresy• Každé Ethernetové rozhraní by

mělo mít celosvětově unikátní adresu– adresy jsou pevně

zabudovávány do jednotlivých adaptérů už při jejich výrobě

– jednotliví výrobci dostávají přidělené „bloky“ adresového prostoru, v rámci kterých pak mohou sami přidělovat konkrétní adresy

• Konkrétně:– každý výrobce dostane od

IEEE identifikátor OUI• Organizationally Unique

Identifier– OUI představuje nejvyšší

3 byty adresy• ostatní doplňuje sám

výrobce

CSMA/CD• je přístupová metoda, na které je celá technologie Ethernetu založena• přenosové médium je sdílené

– jednotlivé stanice monitorují, zda právě neprobíhá nějaké vysílání - aby se nerušily navzájem

– na společném přenosovém médiu může vysílat vždy jen jedna stanice, setkají-li se na médiu signály více stanic, zinterferují, vznikne kolize a signál je znehodnocen

– uzel začne vysílat ihned až po posečkání jistou definovanou dobu– jak bude uzel úspěšný ve své snaze o vysílání závisí na zatížení přenosového

média, tedy počtu uzlů, snažících se o vysílání. – tento mechanizmus neřeší možnost vzniku následných (zavlečených) kolizí,

pouze snižuje jejich pravděpodobnost– nezaručuje tedy přístup ke sdílenému médiu v konečném čase;

• se zatížením klesá její efektivita; • topologie sítě musí být alespoň v logickém smyslu sběrnicová. • princip CSMA/CD poprvé porušil až návrh 10 Gigabit Ethernetu.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------přístupová metoda je metoda, která reguluje přístup jednotlivých uzlů ke společně sdílenému přenosovému médiu

CSMA/CD• fáze 1 - stanice vlevo si

poslechla na drátu zda někdo vysílá, zjistila, že ne a začala sama posílat data; v okamžiku kdy ještě signál nedorazil ke stanici vpravo si tato stanice ověřila stav média, zjistila, že je možnost zahájit vysílání

• fáze 2 – obě stanice posílají data

• fáze 3 – stanice vpravo zjistila kolizi a generuje signál JAM, všechny vysílající stanice zastavují vysílání a generují náhodné číslo - náhodnou hodnotu času po níž se pokusí vysílání zopakovat.

Vlastnosti CSMA/CD

• není deterministická, nezaručuje tedy přístup ke sdílenému médiu v konečném čase

• proto není příliš vhodná pro řízení a aplikace v reálném čase

• se zatížením klesá její efektivita• topologie sítě musí být alespoň v logickém smyslu

sběrnicová

Kolizní doména• Díky této jednoduchosti bylo dosaženo nízké ceny síťových

adaptérů a aktivních prvků a tím i značného rozšíření Ethernetu. • Jednoduchost řešení ovšem přináší i jednu významnou nevýhodu –

s narůstajícím počtem uzlů narůstá počet kolizí a tím klesá teoretická propustnost sítě.

• Soubor uzlů jejichž vzájemná činnost může vygenerovat kolizi se nazývá kolizní doména.

• Logicky lze odvodit, že kolizní doména by měla být co nejmenší. • Používané aktivní prvky ovlivňují kolizní domény:

– některé kolizní doménu rozšiřují, – některé kolizní domény oddělují.

• Jejich volbou lze proto propustnost sítě ovlivnit.

10Base-5 Původní Ethernet na koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel 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 nesmí mít žádné odbočky a je na koncích zakončen odpory 50Ω.

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.

10 Base 5

• Nejstarší verze Ethernetu počítala s tzv. tlustým (žlutým) koaxiálním kabelem– o průměru cca 1 cm– z něj se dělaly odbočky k

jednotlivých uzlům, pomocí tzv. drop kabelů

– koaxiální kabel se buď rozpojil a znovu spojil přes tzv. transceiver, nebo byl „nabodnut“ zvláštním nožovým konektorem (tzv. vampire tap)

10 Base 5

Přenosovárychlost10 Mbps

Maxim. délkasouvislého kabelovéhosegmentu (stovky metrů)

Přenos v základním pásmu (baseband)

max. 50 metrů

V transceiveru jsou umístěnyobvody zajišťující příjem

a vysílání

Zakončující člen(terminátor)

„tlustý“ koaxiální kabel(průměr cca 1 cm, žlutá barva)

Zakončení jenutné proto,

aby nedocházelok odrazům nakonci vedení

RozhraníAUI

AUI = Attachment Unit Interfaceje rozhraním mezi transceiverem a ostatními obvody síťového adaptéru

Používá se i dnesjsou jím vybavovány i takové síťové karty, které mají zabudovaný transceiver např. pro tenký koax. kabelumožňuje to připojit ke kartě i jiné druhy transceiverů, např. pro optická vlákna

Tlustý vs. tenký koaxiální kabel• Tlustý koaxiální kabel byl

drahý, málo ohebný, špatně se instaloval ….– topologie rozvodů na bázi

tlustého koaxiálního kabelu byla vcelku vhodná pro páteřní sítě, ale méně již pro připojování

– místo tlustého koaxiálního kabelu se přešlo na tenký koaxiální kabel (průměru cca 0,5 cm), v provedení:

• s jednoduchým opletením• s dvojitým opletením

• Tenký koaxiální kabel je lacinější, ohebnější, …

• možnost jeho využití si vyžádala úpravu standardu, resp. nový standard 10Base2– odlišný hlavně na úrovni

fyzické vrstvy• 10Base2 předpokládá

max. délku kabelového segmentu 185 m (zaokrouhleno 2x100m)

10Base2

Zakončující člen

Obvody příjmu a vysílání,které byly dříve umístěny

v samostatném transceiveru,jsou nyní integroványpřímo na síťové kartě

Kabel (smyčka) musí býtpřiveden až přímo k počítači

(jeho síťové kartě)

Připojení pomocí tzv.T konektoru

Konektory - 10Base2

Tzv. T-konektor BNC(vytváří velmi krátkouodbočku, na kterou sepřipojuje síťová karta)

Základní konektoru typuBNC (Bayonett-Neil-Concelman)který zakončuje tenký koaxiální

kabel

Představa topologie (10Base2)

opakovač mostmost

Kolizní doména

Max. 185 m.

Další vývoj Ethernetu – 10BaseT• Nejprve vzniknul standard

1Base5– umožňující dosáhnout až

na 500 metrů, ale jen s rychlostí 1 Mbps!!!

• Další zdokonalování šlo cestou zrychlení– za cenu zmenšení dosahu

• vzniknul standard 10BaseT– rychlost 10 Mbps– dosah kabelu: 100 m

• Telefonní kabely, které předpokládá standard 10BaseT:– tzv. kroucená dvoulinka (twist)

• Případné rozvětvení (rozbočení) je nutné dělat elektronickou cestou– kvůli tomu se používají

rozbočovače

Obvody příjmu a vysílání,jsou integrovány

přímo na síťové kartě

rozbočovač

2-bodový spoj

2 páry

Konektory 10BaseT (twist)• Pro připojení každého uzlu jsou nutné 2 páry

zkroucených vodičů– jeden pro vysílání dat, druhý pro příjem

• Kabely z kroucené dvoulinky jsou zakončovány konektory řady RJ-45

• Pro propojení hub-uzel je třeba tzv. patch kabel

zástrčkazásuvka

Představa topologie (10BaseT)

Hubfungující jako

opakovač

mostmost

Kolizní doména

Max. 100 m

• Fyzickou topologii sítě změnila z původní sběrnice na hvězdu.

• Každý počítač má svůj vlastní kabel s více vodiči (kroucená dvojlinka): některé lze využít pro vysílání dat a jiné pro příjem

• Vysílání a příjem dat se nijak neruší a mohou být provozovány současně -vznikl full-duplex

Kroucená dvojlinka :

Full-duplex: plně duplexní režim • Možnost plně duplexního provozu připadá v úvahu tam, kde z principu

nemohou vznikat žádné kolize, nemůže být provozován po sdíleném segmentu, tj. jen tam, kde existují a mohou spolu komunikovat právě a pouze dva uzly, pokud jsou propojeny pomocí dvou samostatných přenosových cest – kroucená dvoulinka kategorie 5 (dva páry vzájemně zkroucených vodičů)– optická vlákna (používají dvě přenosové cesty, každou jednosměrným

způsobem) • Plně duplexní režim se nedá provozovat s hubem jen na přepínačích

(switch). • Plně duplexní režim musí podporovat partneři na obou koncích

kabelu. Pokud je tato podmínka splněna, může nerušeně probíhat provoz v obou směrech najednou. – Kapacita linky se zdvojnásobí– Odpadá nutnost zjišťovat kolize– Prodlužuje se dosah - odpadá omezení dané detekcí kolizí a vzdálenost je

omezena jen přenosovými schopnostmi média

Hub x Switch• Hub je neinteligentní zařízení, které, co na jednom portu slyší, slepě

předá do všech ostatních: jakmile by vysílal více než jeden stroj, došlo by ke zkomolení dat, ale duplexně připojené počítače by to neměly šanci zjistit.

• Proto je plně duplexní režim k dispozici jen na přepínačích (switch). • Přepínač – switch je inteligentní zařízení, které přijme rámec, uloží do

pracovní paměti a poté jej zcela nezávisle odvysílá. • Příjem/vysílání na jednom portu přepínače nijak neovlivňuje ostatní

porty. Pokud některé z nich pracují poloduplexně, provozuje každý z nich svůj vlastní CSMA/CD algoritmus nezávisle na ostatních portech.

• Na každém portu přepínače běží samostatný Ethernet, nezávislý na všech ostatních. Můžete míchat různá média (kroucenou dvojlinku s optikou) i různé rychlosti a překonávat délkové omezení.

• Přepínač navíc zkoumá cílové adresy a rámce zasílá jen do toho portu, kde sídlí skutečný příjemce:– zvyšuje se výkon (do každého kabelu odcházejí jen data, která tam

skutečně patří) – zvyšuje se bezpečnost (nedá se odposlouchávat cizí provoz).

Fast Ethernet (100Mb/s)

• Ve standardu Fast Ethernet se zmenšila vzdálenost propojení opakovačů a přepínačů na 100 m v případě krouceného dvoupáru a 412 m v případě optických kabelů, koaxiální kabel byl vyloučen úplně.

• Překonání větší vzdálenosti (až 2 km) pak umožnily přepínače s porty schopnými plně duplexního provozu, kde se délka propojovacích optických kabelů zvětšila na 2000 m.

Koexistence 10BaseT a 100BaseT• je relativně snadná a

běžná– od začátku se s ní počítá

jako s možností• existují (vyrábí se)

kombinované (10/100Mbps) Ethernetové switche– některé porty10 Mbps,

některé 100Mbps– porty 10Mbps, tzv. uplink

100Mbpsuplink je spoj k vyššímu uzlu ve smyslu stromovitého uspořádání

• existují (vyrábí se) kombinované síťové karty– samy poznají, jakou

rychlostí mají komunikovat (nebo se pře-switchují)

• možná strategie:– servery se připojí na

100Mbps segmenty, stanice na 10Mbps segmenty

– karty se kupují a instalují už jen kombinované

100 Mbps 10 Mbps 10 Mbps

10 Mbps 10 Mbps

Switch 10/100 Mbps

10 Mbps

Kolizní doména„klasického“ Eth.

Server(y) lze připojitna segmenty 100Mbps

Příklad

100Base-TX

• používá jako přenosové médium kroucený dvoupár (stíněný nebo nestíněný s využitím dvou párů) s impedancí 100 ohm (min. Cat 5), nosná frekvence je 125 MHz a data jsou kódována metodou 4B5B;

• délka kabelu mezi uzlem a aktivním prvkem může být max. 100 m.

100Base-FX

• používá jako přenosové médium multimodový optický kabel;

• délka kabelu mezi uzly může být v případě plně duplexního provozu max. 2 km; v příp. polovičního duplexu je vzdálenost ovlivněna zapojením sítě;

• existuje i modifikace používající singlemodový optický kabel s větším dosahem.

100Base-T4• používá jako přenosové médium kroucený dvoupár

(stíněný nebo nestíněný) s impedancí 100 ohm, vychází vstříc stávajícím instalacím se staršími, méně kvalitními kabely (Cat 3 a 4);

• používá všechny 4 páry kabelu, signál se přenáší třemi páry s nosnou frekvencí 25 MHz s kódováním 8B6T a čtvrtý je využit pro detekci kolizí;

• délka kabelu mezi uzlem a aktivním prvkem může být max. 100 m;

• technologie není příliš rozšířena.

Gigabitový Ethernet 1000Base-T, 1000Base-X

• Gigabitový Ethernet je opět 10 krát rychlejší (než Fast Ethernet). Při zachování min. velikosti rámce by došlo k redukci segmentů na pouhých 10 m

• Místo redukce segmentů používá zvětšené rámce: rámce s rozšířením Carrier Extension

• Je-li rámec menší než 512 bajtů, je doplněn na velikost 512 bajtů neplatnými speciálními symboly, tzv. Carrier Extension.