Стандарти технології Ethernet

Технологія Ethernet була розроблена Дослідницьким центром корпорації Хегох в 1970-і роки.

На початку 1980 Хегох, DЕС і Intel представили розробку, яка через три роки втілилася в стандарті ІЕЕЕ 802.3, внаслідок чого Ethernet перетворилася на відкриту технологію. IЕЕЕ неодноразово допрацьовував специфікації Ethernet.

Відповідно до опису IЕЕЕ 802.3, мережі Ethernet використовують множинний доступ з контролем несучої і виявленням конфліктів (CSMA / CD). Іншими словами, пристрої отримують доступ до середовища передачі даних довільним чином, що може призводити до великих затримок і скачок швидкості передачі інформації. З цієї причини багато аналітиків висловлювали припущення, що Е1Ьегпе1 витіснять інші технології, що забезпечують більш якісний обмін даними; проте цього поки не сталося.

У березні 1981 компанія ЗСоm представила перший Ethernet трансивер, а в вересні 1982 року з'явився і перший Ethernet-контролер для персональних комп'ютерів.

У 1985 р. був прийнятий стандарт IЕЕЕ 802.3-1985 (10Ваsе5) зі швидкістю 10 Мбіт / с з використанням коаксіального кабелю 50 Ом. Технологія Ethernet досягла лідируючого положення на ринку локальних мереж до середини 1980-х років.

Коли мережі Token Ring почали демонструвати перевагу над Ethernet в питаннях надійності, керованості і продуктивності (принаймні, потенційної), Ethernet-спільнота вдихнуло в неї нове життя.

Наступним кроком розвитку технології Ethernet стало прийняття в 1990 році стандарту 10ВаsеT (IЕЕЕ 802.3i) для мереж з використанням неекранованого кабелю на основі скручених пар проводів («кручена пара»).

Перехід в 1991 р. на волоконно-оптичний кабель для віддалених комунікацій (до 2 км) зажадав створення специфікації 10ВазеF. Недорогим методом підвищення продуктивності мережі стала комутація.

Виник ринок мережевих карт, конкуренція на якому відрізнялася особливою безкомпромісністю. З'явилося також безліч все більш дешевих і все більш інтелектуальних концентраторів. Це дозволило Е (Ьегпе1 міцно влаштуватися і зайняти лідируюче положення в середовищі локальних мереж. У 1990-і рр.. 10BaseT відвоював у Token Ring значну частку ринку.

Швидка еволюція привела до створення в 1993 р. специфікацій з підтримкою швидкості 100 Мбіт / с (Fast Ethernet) по двох (100ВагеТХ) і чотирьом (100ВазеТ4) мідним крученим парам на відстань до 100 м, по оптичному волокну (100BaseFX) на далекі відстані. У 1993 р. в якості альтернативи Fast Ethernet компанії АТ & Т і НР зробили спробу створення 100VG-AnyLAN-розширення 100ВаsеТ, об'єднуючого підтримку Ethernet і Token Ring. Двома роками пізніше 100VG-AnyLAN навіть отримала статус стандарту IЕЕЕ 802.12. На противагу прийнятому в Ethernet методу випадкового доступу CSMA / CD в ній були визначені метод доступу Demand Proirity і нова схема квартетного кодування (Quartet Coding) з надлишковим кодом 5В/6В. Ця технологія відповідала вимогам додатків з гарантованим часом реакції мережі, але випробування часом вона не витримала. У 1995 р. Fast Ethernet стандартизований комітетом в документі IЕЕЕ 802.3u. Робоча група 802.3z приступила до розробки Gigabit Ethernet.

Надії на широке впровадження в локальних мережах інших технологій з більш високою якістю обслуговування в порівнянні з Ethernet, таких як АТМ, не виправдалися - простота, поширеність і низька вартість Ethernet виявилися більш привабливим фактором. До 1997 р. на її частку припадало понад 80% локальних мереж, вона підтримувалася у всіх популярних на той момент стеках протоколів - ТСР / IР, IРХ і DECNet.

У 1998 р. був прийнятий стандарт IЕЕЕ 802. Зz (Gigabit Ethernet в оптичних з'єднаннях і на 25 м по кручений парі), а в 1999 р. - стандарт IЕЕЕ 802.3ab (1000BaseT, до 100 м по витій парі), а також стандарт на застосування в гігабітних мережах кручений пари категорії 5.

Налічує вже більше ніж 30-річну історію технологія Ethernet сьогодні завойовує нові позицій. Спочатку призначалася для локальних мереж, вона витиснула з них таких конкурентів, як ARCNet і Token Ring, і сьогодні її частка наближається до 100%. Хоча обладнання Fast Ethernet все ще становить основну инсталлированную базу (близько 80%), все активніше йде процес переходу до гигабітним швидкостям. Постачальники активного і пасивного мережевого обладнання для локальних мереж концентрують свою увагу на продуктах «гігабіт до робочого столу». Завдяки підвищенню швидкості та якості послуг, Ethernet поширюється на суміжні області - мережі зберігання даних, розподілені корпоративні та міські мережі (Metro Ethernet), глобальні мережі та мережі доступу, що дозволяє знизити вартість надання послуг передачі голосу, відео і даних. Вона стає основою конвергентних мереж нового покоління і застосовується для прозорого з'єднання віддалених офісів (L2 VPN, Ethernet over SDH). Стандарти IЕЕЕ, де визначаються методи визначення пріоритетності трафіку, призначення тегів, управління пропускною здатністю, швидкої реконфігурації і резервування ресурсів мережі, дозволяють забезпечити гарантовану доставку пакетів для критичних до часу додатків.

Прийняття стандарту 10 Gigabit Ethernet (IЕЕЕ 802.Заe) в 2002 р. сприяло подальшої експансії Ethernet в міські та глобальні мережі, впровадження цієї технології «операторського рівня» в корпоративних мережах. Ethernet широко використовується в промислових додатках і для передачі голосових потоків, а на рівні глобальних мереж є ефективною технологією доставки трафіку IР. Підтримка великим числом виробників веде до здешевлення обладнання Ethernet.

У 2003 р. IЕЕЕ приймає стандарт Power over Ethernet (IЕЕЕ 802.3аf). Члени підкомітету IЕЕЕ 802.Заh ЕEFM досягли згоди по ряду пропозицій до проекту стандарту «Ethernet на першій милі».

З 2004 р. технологія 10 Gigabit Ethernet стає масовою.

У 2005 році було здійснено випуск НР ProCurve Secure Router 7000 - перший маршрутизаторів Hewlett Packard для глобальних мереж. ЗСоm представляє сімейство комутаторів для великих підприємств 3Com Switch 8800 з пропускною здатністю 1,4 Тбіт / с.

Компоненти і принципи побудови мереж Ethernet (. Для передачі даних по локальній мережі Ethernet використовує алгоритм Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA / CD). Процедура CSMA / CD побудована на двох основних принципах:

- Контроль несучого сигналу (carrier sense);

- Виявлення колізій (collision detect).

Колізія (collision) - спотворення переданих даних в мережі Ethernet, яке виникає при одночасній передачі даних декількома робочими станціями.

Існують дві основні причини виникнення колізій у мережі Ethernet:

- Наявність несправного NIC (Network Interface Card ) у одного або декількох абонентів мережі;

- Наявність затримки поширення сигналу по мережі Ethernet.

Основною причиною виникнення штатних колізій є кінцева швидкість поширення електричного сигналу через середовище передачі даних Ethernet.

Затримка поширення сигналу в сегменті (propagation delay) - це інтервал часу, що відокремлює момент початку процесу передачі даних абонентом, який розміщений на одному закінчення сегмента мережі, від моменту початку прийому даних абонентом, який розміщений на іншому закінчення сегмента мережі.

При виявленні колізії робоча станція припиняє передачу кадру даних і починає передавати спеціальний сигнал «JAM», для того, щоб вказати одержувачу на виникнення колізії. Сигнал JAM являє собою спеціальну кодову посилку, яка складається з 32 біт.

Найбільш несприятливою з точки зору виникнення колізії є ситуація, коли одна станція вже завершила передачу кадру, але переданий кадр через затримку поширення сигналу в лінії ще не дійшов до іншої станції, яка теж починає виконувати передачу свого кадру. Для того щоб уникнути виникнення подібних ситуацій, всі станції повинні бути розміщені всередині так званого колізійного домену.

Колізійних домен (collision domain) - віртуальна область в межах сегмента локальної мережі. Затримка поширення сигналу між будь-якими двома станціями, які належать даній області, не повинна перевищувати встановленого значення - діаметра колізійного домену.

При нормальному функціонуванні всіх компонентів цієї мережі колізія може виникнути тільки в межах певного часового інтервалу, який називається вікном колізій (collision window).

Пізньої колізією (late collision, Out of Window collision) називається ситуація, при якій колізія виникає за межами вікна колізій.

Для зменшення ймовірності виникнення повторних колізій застосовується процедура регулювання затримки повторної передачі Truncated Binary Exponential Back off Algorithmk.

Рівні інформаційної взаємодії Ethernet. Інформаційна взаємодія в мережі Ethernet здійснюється на двох рівнях, які відповідають фізичному і канальному рівню еталонної моделі OSI.

Взаємодія на фізичному рівні, в свою чергу, також розділено на чотири додаткових уро-вня:

- PLS - Physical Layer Signaling;

- AUI - Attachment User Interface;

- PMA-Physical Medium Attachment;

- MDI - Medium Dependent Interface.

Наявність такої досить складної внутрішньої структури у фізичної рівня взаємодії мережі Ethernet пояснюється особливостями побудови першої реалізації мережі Ethernet в компанії Хегох. В якості фізичного середовища передачі даних в першій реалізації мережі використовувався товстий коаксіальний кабель, який мав діаметр центрального провідника близько 2 міліметрів, зовнішній діаметр кабелю - близько 10 міліметрів.

Для підключення робочої станції до мережі використовувалися такі пристрої та компоненти:

- Коннектор (ТАР);

- Трансивер (Media Access Unit, MAU)

- Кабель (Attachment Unit, AU)

- Контролер - адаптер робочої станції.

Інтерфейс AUI використовувався в класичному варіанті Ethernet для підключення адаптера абонента до трансивер, який був механічно пов'язаний з середовищем передачі Ethernet товстим коаксіальним кабелем. Кабель, що з'єднував трансивер з адаптером, складався з п'яти екранованих кручених пар, які були забезпечені загальним екраном. Дві сигнальних пари використовувалися для безпосередньої передачі даних між трансивером і адаптером.

Інтерфейс доступу до середовища передачі даних (MDI). Один з механізмів, який призначений для забезпечення рівномірного доступу, визначається процедурою IFG (Inter Frame Gap - інтервал між кадрами). Для мереж 10 Мбіт / с величина IFG становить 9,6 мікросекунд. На цьому рівні можуть бути визначені процедури виявлення коллізій'і визначаються основні параметри мережі ЕМчегпе *, такі як максимальна довжина мережі, максимальна довжина сегмента мережі, мінімальна відстань між станціями і т. д.

Процедура SQE test (CPT) (рис. 8.10) має довгу історію виникнення і кілька назв: Collision Presence test (СРТ) - перевірка реакції на колізію, heartheat - серцебиття, 3Signal Quality Error (SQE) test - перевірка якості сигналу. Спочатку вона отримала назву «СРТ», з'явившись у другій специфікації Ethernet. При нормальному функціонуванні адаптера і трансивера індикатор колізії на мережевому адаптері повинен блимати після передачі кожного кадру, що і послужило приводом для появи назви даного тесту - heartHeat. При розробці Комітетом 802 специфікації 802.3 ця процедура також була включена, проте вона змінила свою назву на «SQE test».

Слід зазначити, що ця процедура не може бути використана на деяких мережевих пристроях. Якщо трансивер, який підключений до повторителю (дорепітери), в процесі виконання процедури Зої 1ез4 сформує сигнал колізії, репітер зобов'язаний буде відреагувати на нього так само, як і на звичайний сигнал колізії - він повинен буде розіслати сигнал ММ в усі підключені сегменти. Щоб уникнути цієї ситуації, трансивери та конвертери середовища передачі забезпечені спеціальним перемикачем, який дозволяє скасувати використання процедури Зої 1е $ 1 на цьому пристрої. На трансиверах, підключених до мережевих адаптерів (стандарти Ethernet-2 або IЕЕЕ 802.3) робочих станцій, цей перемикач повинен бути включений.

Сучасні технології Ethernet. Класична технологія Ethernet замислювалася не як технологія транспортних мереж. Їй були властиві такі недоліки, як розділюваний середу з ефективним використанням 60-70% пропускної спроможності через колізії, негарантований якість, відсутність механізмів визначення пріоритетності трафіку. Однак, ставши стандартом де-факто в локальних мережах, Е1Ьегпе * все активніше захоплює суміжні області.

Все частіше йде неухильне процес проникнення Ethernet в операторські мережі. Вважається, що, коли обсяги трафіку IР в глобальній мережі наближаються до 80%, використання Ethernet стає обгрунтованим і технічно, і економічно.

В останні роки на Ethernet покладаються не властиві їй раніше завдання. Доступність і відносна дешевизна обладнання Ethernet роблять її привабливим рішенням в порівнянні з численними стандартами промислових мереж. Вона перетворюється в основу наступного покоління мереж промислової автоматики та мереж управління будівлями, інтегрованих з інформаційними мережами.

Над зниженням вартості і енергоспоживання пристроїв для мереж Ethernet продовжує працювати Intel, використовуючи для цього останні розробки в архітектурі пристроїв і досягнення в області виробництва. Удосконалення мікросхем комутаторів GbE дозволило досягти більш детермінованою пропускної здатності на швидкості середовища передачі, звести до мінімуму затримки, добитися високої швидкості комутації другого рівня, маршрутизації третього рівня, класифікації та фільтрації рівнів з другого по сьомий.

Діючий стандарт Ethernet стоїть на п'яти стовпах, два з яких представляють собою виключно американські стандарти: 10 Gigabit Ethernet і EFM (Ethernet in the First Mile). Міжнародні стандарти поки помітно відстають. Група 802.3ае лише недавно завершила проект 10GBaseT (10 Gigabit Ethernet по мідних кабелях категорій 6/7).

Основне застосування ця технологія знайде в обчислювальних центрах, де кабелів з середньою довжиною 55 м чимало, а технології 10GBaseCX було б недостатньо, оскільки вона підтримує передачу лише на 15 м по чотирьох крученим парам.

Розвиток такого складного стандарту люблять пояснювати підтримкою инсталлированной провідний ба зи. Однак така аргументація не безперечна, оскільки, по-перше, інстальована база проводки «атегорій 6 і 7 обмежена обчислювальними центрами, а по-друге, для подібної швидкості набагато зручніше використовувати оптичне волокно. Відносно безпеки підтримка високих частот а недалекому майбутньому може зіткнутися з серйозною критикою: якщо користувачі в обчислювальних центрах не зможуть дзвонити по своїх мобільних телефонів, то технологія знайде не надто багато прихильників.

Завершення роботи над стандартом 802.Зап заплановано на липень 2006 року. Таким чином, реалізація 10GBaseT представляє величезну технічну проблему і має на увазі застосування проводки «атегорій 6 і 7. Майбутнє покаже, чи дійсно є в цьому потреба.

Таким чином, тепер у складі підкомітету 802.3 п'ять робочих груп, зайнятих наступними проектами:

- 802.Зар - 10GBaseK, 10 Гбіт / с (або 1 Гбіт / с) як об'єднавчої панелі Ethernet;

- 802.Заq - 10GBaseLRM, 10 Gigabit Ethernet за класичною багатомодовою проводці;

- 802.Заг - управління перевантаженнями;

- 802.Заs - розширення формату кадру;

- 802.3аt - збільшення потужності харчування для термінального обладнання.

Специфікації Gigabit Ethernet. Специфікація IЕЕЕ 802.3z визначає набір протоколів фізичного рівня, які забезпечують інформаційну взаємодію в локальних мережах IЕЕЕ 802.3 зі швидкістю передачі даних до 1 Гбіт в секунду.

Початкова редакція специфікації IЕЕЕ 802.Зz, яка була підготовлена ​​в 1997 році, передбачала використання трьох типів середовища передачі даних:

- Одномодовое оптичне волокно;

- Многомодовое оптичне волокно 1000BaseSX;

Ф екранована кручена пара (STP150 Ом).

Узагальнені характеристики технологій 1000BaseSX, 1000BaseLX і 1000BaseCX представлені 1 табл. 8.4.

Особливості технологій 1000BaseX. Підвищення швидкості передачі даних при переході до технологій 1000BaseX призвело до необхідності провести деякі зміни в протоколах фізичного і канального рівня. Змінам піддалися алгоритм лінійного кодування і довжина мінімального кадру.

Алгоритм лінійного кодування-технологій 1000BaseX. Схема модуляції 8В10В є логічним продовженням алгоритму лінійного кодування 4В5В, який був використаний в технологіях ЮОВазеТ (Х). При використанні алгоритму лінійного кодування 8В10В максимальне число (256) кодувань, які призначені для передачі даних, в чотири рази менше, ніж загальне число можливих кодувань. Наявність такого запасу дозволяє вибрати інформаційні кодування таким чином, щоб забезпечити можливість взаємної синхронізації генераторів і, крім того, забезпечити виконання деяких додаткових умов, які є специфічними для використовуваного середовища передачі даних.

Для того щоб збільшити розмір колізійного домену в 1000BaseX, розмір мінімального кадру був збільшений до 4096 біт. Це було досягнуто шляхом додавання поля розширення після контрольної суми.

Специфікація IЕЕЕ 802.ЗаЬ 1000BaseX. Специфікація IЕЕЕ 802.ЗаЬ була запропонована в 1999 році для того, щоб забезпечити передачу даних зі швидкістю 1000 Мбіт / с по кабелю UTP категорії 5 і при цьому збільшити максимальну довжину сегмента мережі до 100 м.

При підготовці специфікації був використаний ряд рішень, які знайшли застосування в попередніх розробках IЕЕЕ 802.3:

- Для передачі даних використовуються всі чотири пари кабелю 1) ТР - так само, як і в технології 100BaseT4;

- Для формування лінійного коду використовується багаторівнева амплітудна модуляція - так само, як і в технологіях 100ВаsеТ4 і 100ВasеТ2.

Протокол фізичного рівня 1000BaseT. Ці чотири пари кабелю UTP категорії 5 утворюють канал, по якому зі швидкістю 1000 Мбіт в секунду дані можуть передаватися в обох напрямках. Оскільки максимальна допустима частота передачі даних по кабелю UTP категорії 5 становить не більше 125 МГц, канал 1000BaseT повинен забезпечувати передачу 8 біт даних в кожен період зміни сигналу (8 ні).

Для формування лінійного коду в технології 1000BaseT використовується метод, який називається 4D-РАМ-5 - чотиривимірна амплітудна модуляція з використанням 5-рівневих символів. Число вимірювань відповідає кількості пар, які використовуються для передачі даних, розмірність N кожного символу повинна задовольняти співвідношенню / V ⁴ > 256.

Мінімальним значенням N, яке забезпечує виконання цього співвідношення, є 5 (5 ⁺⁴ == 625). Використання службових кодувань фактично знімає необхідність у додатковому службовому полі кадру - преамбулі, оскільки функція забезпечення взаємної синхронізації тактових генераторів покладається на потік типу idle. Крім цього, наявність додаткових незайнятих кодувань дозволяє використовувати сучасні методи кодування, які забезпечують виявлення помилок, що виникають при передачі даних.

Використання одночасного прийому і передачі даних по всім парам в кабелі 1ЛР призводить до виникнення додаткових джерел перешкод, якими в даному випадку є:

- Відбитий від неузгодженого закінчення передається сигнал (ЕСНО);

- Сигнали, які передаються по паралельних каналах (NEXT).

Для забезпечення можливості відновлення коду, який був спотворений у процесі передачі, в технології 1000BaseT використовуються методи конволюціонного кодування і декодування (Trelles Code, Viterbi Decoder). При використанні таких методів кодування значення формованого коду залежить не тільки від зраджувати символу, але і від одного або декількох символів, які були сформовані і передані перед ним. Таким чином, після отримання невірної кодування приймач може не тільки розпізнати наявність помилки, але і спробувати відновити правильний код, використовуючи для цього значення вже прийнятих кодувань

Для того, щоб все компенсуючі процедури та компоненти працювали нормально, особливо важлива наявність взаємної синхронізації між тактовими генераторами взаємодіючих компонентів мережі 100BaseТ. Причому в даному випадку синхронізація повинна бути абсолютною і односторонньої - джерелом синхронізуючих імпульсів є тільки один компонент, який використовує свої імпульси для синхронізації переданого і прийнятого потоків. У термінології 1000BaseT цей компонент називається Master. Другий компонент - SLAVE - використовує зовнішні імпульси, які він відновлює з сигналу для синхронізації свого переданого сигналу.

Специфікація стандарту IЕЕЕ 802.Зае 10 Gigabit Ethernet. В останні роки в телекомунікаційній промисловості склалася певна тенденція зростання швидкості передачі даних в мережах 802.3 - кожні три роки швидкість зростає в 10 разів. Останнє, на даний момент, збільшення швидкості відзначено появою попереднього варіанту специфікації, яка має назву 10 Gigabit Ethernet і забезпечує передачу даних зі швидкістю 10 Гбіт / с. Розробка матеріалів цієї специфікації ведеться групою 802.Зае. У табл. 8.6 наведені максимальні розміри сегментів, які відповідають використовуваним типам волокна і випромінювачів.

За задумом авторів, найбільш доцільним було використання технології 10 СйдаЬК Е1Мегпе1 для об'єднання локальних мереж офісів, які розташовані на відстані до 30 кілометрів один від одного. Відповідно з виконаними розрахунками, використання в цьому випадку інших технологій виявляється менш економічним.

Об'єднання локальних мереж віддалених офісів з використанням 10 Gigabit Ethernet може бути реалізовано двома способами - з використанням «темного волокна» (Dark Fiber) або технології оптичного мультиплексування (DWDM).

Відмінність цих двох способів полягає в тому, що впервом випадку оптuйческое волокно використовується для підключення офісів за принципом «точка - точка». Тому для утворення структури, яка забезпечує зв'язок кожного компонента з кожним, буде потрібно додаткові лінії й додаткові порти.

Використання технології оптичного мультиплексування (Dense Wave Division Multiplexing DWDM) дозволяє істотно зменшити витрати на побудову структури «кожен - з кожним». У даному випадку віддалені офіси підключаються до кільця (оптичне хмара), за яким передається одночасно декілька інформаційних потоків. Один з цих кільцевих інформаційних потоків використовується для організації віртуального інформаційного каналу між підрозділами.

Технологія 10 Гбіт по оптичному волокну «класу FDDI». Оскільки єдина недорога і вже стандартизована технологія зі швидкістю 10 Гбіт / с за класичним многомодовому волокну (10GbaseLX) не отримала широкого визнання у виробників, комітет шукає інші дешеві альтернативи для цього швидкісного діапазону. З 2004 р. група 802.3аq працює над 10GBaseLRM.

Gigabit Ethernet для об'єднавчої плати. Група 802.3ар Backplane Ethernet приступила до роботи влітку 2004 р, і займається специфікацією Ethernet як загальної шини.

Робоча група затвердила наступні позначення: для всіх технологій використовується буква «К» («До» асоціюється з Backplane), для кодування - «R», що означає блокову кодування 64Ь/66Ь, "'а також «X» - для кодування 8В / 10В. На вибір пропонуються три варіанти:

- 1000BaseKX - 1 Гбіт / с, послідовний порт, що залежить від фізичного середовища передачі (Physical Medium Dependent, PMD);

- 10GBaseKX44 - 10 Гбіт / с, порт з чотирма лініями;

- 10GBaseKR4 - 10 Гбіт / с, послідовний порт.

Перспективи Ethernet. З урахуванням доступною сьогодні пропускної здатності в Ethernet можна стверджувати, що швидкість у понад 10 Гбіт / с поки споживачам не потрібна, причому 10-гігабітна лінія здатна забезпечити телефонним зв'язком велике місто. Тому одне лише підвищення пропускної здатності - уже не єдиний шлях розвитку Ethernet, як це було раніше. Проте, наступним кроком у розвитку Ethernet можуть стати рішення зі швидкістю обміну даними до 40 Гбіт / с, проте деякі експерти вважають, що до 2009 р. слід очікувати переходу відразу до швидкості 100 Гбіт / с.

У стандарті 802.3аг (управління перевантаженнями) описується шлях, який раніше був немислимий: цей напрямок називається «якість послуг», лише з його застосуванням Ethernet стає конкурентоспроможною на телекомунікаційному ринку технологією.