Ethernet: Nuo Šaknies Iki Šiuolaikinių Tinklų

Ethernet - tai vienas plačiausiai naudojamų komunikacijos protokolų standartų šiuolaikiniuose lokaliuose tinkluose (LAN). Nors jo šaknys siekia 70-uosius metus, kai „Xerox“ sukūrė šią technologiją, o vėliau „Xerox“, „Intel“ ir „DEC“ bendrai suformavo pagrindinį LAN standartą, vis dar egzistuoja neaiškumų, kas iš tiesų yra „Ethernet“. Šis straipsnis siekia išsamiai atskleisti šią technologiją, jos evoliuciją ir ateities perspektyvas.

Kas yra „Ethernet“?

„Ethernet“ yra vienas iš LAN (lokaliojo tinklo) tipų, pasižymintis plačiu taikomųjų programų spektru. Sukurtas 70-ųjų pradžioje, jis tapo bendru LAN standartu, kurio pradinė perdavimo sparta siekė 10 Mbps. Pagrindiniai „Ethernet“ komponentai apima bendrąsias perdavimo priemones ir kabelius, koncentratorius bei tinklo tiltus.

Istoriškai, „Ethernet“ tinklai buvo statomi naudojant bendrą koaksialinį kabelį, prie kurio buvo prijungti visi kompiuteriai. Šiame tinkle buvo taikomas CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access su susidūrimo aptikimu) metodas, kuris veikė kaip konkurencijos mechanizmas, o architektūra buvo paremta magistralės (bus) topologija.

Šiuolaikinis „Ethernet“ yra gerokai pažangesnis ir siūlo įvairias perdavimo spartas, priklausomai nuo naudojamos terpės (pluošto ar vytos poros). Pagrindiniai „Ethernet“ tipai pagal spartą yra:

• Standartinis Ethernet: 10 Mbps (IEEE 802.3)
• Greitasis Ethernet (Fast Ethernet): 100 Mbps (IEEE 802.3u)
• Gigabitinis Ethernet (Gigabit Ethernet): 1000 Mbps (IEEE 802.3z)
• 10 Gigabitinis Ethernet (10G Ethernet): 10 Gbps (IEEE 802.3ae)

Visi šie standartai remiasi IEEE 802.3 protokolu, tačiau skiriasi savo techninėmis specifikacijomis ir galimybėmis.

„Ethernet“ technologijos evoliucija

Pradinis „Ethernet“ veikė tik 10 Mbps sparta ir naudojo CSMA/CD metodą. Šis standartinis „Ethernet“ galėjo būti jungiamas prie įvairių perdavimo terpių, įskaitant storąjį koaksialinį kabelį, plonąjį koaksialinį kabelį, neekranuotąją (UTP) ir ekranuotąją (STP) susuktąją porą bei šviesolaidį. IEEE 802.3 standarte skirtingoms perdavimo terpėms buvo apibrėžti skirtingi fizinio sluoksnio standartai. Šiuose standartuose pirmasis skaitmuo nurodo perdavimo greitį megabitais per sekundę (Mbps), o paskutinis skaitmuo - vieno tinklo kabelio ilgį (100 metrų vienetais). „Base“ reiškia bazinę juostą, o „Broad“ - plačiajuostį ryšį.

• 10Base-5: Naudojo 0,4 colio skersmens, 50Ω storio koaksialinį kabelį (dar vadinamą „storuoju Ethernet“), kurio maksimalus segmento ilgis siekė 500 metrų. Topologija buvo magistralinė.
• 10Base-2: Naudojo 0,2 colio skersmens, 50Ω ploną koaksialinį kabelį (dar vadinamą „plonuoju Ethernet“), su maksimaliu tinklo segmento ilgiu 185 metrai. Topologija taip pat buvo magistralinė.
• 10Base-T: Naudojo susuktąją porą, su maksimaliu segmento ilgiu 100 metrų. Topologija buvo žvaigždės formos, naudojant koncentratorius ar jungiklius.
• 1Base-5: Naudojo susuktąją porą, maksimalus segmento ilgis 500 metrų, perdavimo sparta 1 Mbps.
• 10Broad-36: Naudojo koaksialinį kabelį (RG-59/U CATV), maksimalus tinklo ilgis 3600 metrų, tinklo segmento ilgis iki 1800 metrų, plačiajuostis perdavimo režimas.
• 10Base-F: Naudojo šviesolaidinę perdavimo terpę 10 Mbps sparta.

Tinklo plėtrai progresuojant, tradicinis „Ethernet“ su 10 Mbps sparta tapo nepakankamas, kad patenkintų augančius duomenų srauto poreikius. Iki 1993 m. spalio mėn. vienintelė alternatyva LAN programoms, kurioms reikėjo daugiau nei 10 Mbps, buvo „Fibre Distributed Data Interface“ (FDDI). Tačiau FDDI buvo brangus LAN sprendimas, paremtas 100 Mbps šviesolaidiniu kabeliu.

Greitasis Ethernet (Fast Ethernet)

Atsiradus poreikiui didesnei spartai, 1993 m. spalio mėn. pasirodė „Fast Ethernet“. Ši technologija buvo oficialiai standartizuota 1995 m. kovą kaip IEEE 802.3u. „Fast Ethernet“ technologija turėjo keletą privalumų, palyginti su FDDI. Svarbiausia, kad ji leido efektyviai išsaugoti vartotojų investicijas į esamą laidų infrastruktūrą, palaikydama 3, 4 ir 5 kategorijų susuktąsias poras bei šviesolaidines jungtis. Tačiau „Fast Ethernet“ išsaugojo ir „Ethernet“ technologijos trūkumą - CSMA/CD metodą, kuris didelio tinklo apkrovimo metu gali mažinti efektyvumą.

„Fast Ethernet“ standartas skirstomas į tris pagrindinius poklasius:

• 100Base-TX: Naudoja 5 kategorijos neekranuotąją arba ekranuotąją susuktąją porą. Naudoja dvi poras duomenims siųsti ir dvi priimti. Taikomas 4B/5B kodavimo metodas, o signalo dažnis yra 125 MHz. Maksimalus tinklo segmento ilgis - 100 metrų. Palaiko pilną dvipusį duomenų perdavimą.
• 100Base-FX: Naudoja šviesolaidinį kabelį. Maksimalus atstumas daugiamodžiu pluoštu siekia 550 metrų, o vienmodžiu - iki 3000 metrų. Taikomas 4B/5B kodavimo metodas, 125 MHz signalo dažnis. Palaiko pilną dvipusį duomenų perdavimą ir yra tinkamas aplinkoms, kur svarbus atsparumas elektros triukšmiui, dideli atstumai ar aukštas saugumas.
• 100Base-T4: Gali būti naudojamas su 3, 4 ir 5 kategorijų susuktosiomis poromis. Naudoja keturias susuktųjų porų poras: tris duomenų perdavimui 33 MHz dažniu (pusiau dvipusiu režimu) ir vieną CSMA/CD susidūrimų aptikimui. Taikomas 8B/6T kodavimo metodas, 25 MHz signalo dažnis. Maksimalus segmento ilgis - 100 metrų.

Gigabitinis Ethernet (Gigabit Ethernet)

„Gigabit Ethernet“ technologija, atsiradusi 1990 m. viduryje, suteikė dar didesnį proveržį, pasiūlydama 1000 Mbps (1 Gbps) perdavimo spartą. Pagrindinis šios technologijos privalumas yra tai, kad ji išlaiko daugelį tradicinės „Ethernet“ technologijos privalumų: tą patį kadrų formatą, struktūrą, tinklo protokolus, pilną/pusiau dvipusį režimą ir laidų sistemas. Tai leido lengvai atnaujinti esamus tinklus, nekeičiant tinklo programų, valdymo komponentų ar operacinių sistemų.

„Gigabit Ethernet“ palaiko įvairias perdavimo terpes ir atstumus:

• 1000Base-CX: Vario STP kabelis, 25m atstumas.
• 1000Base-T: Vario Cat 5 UTP kabelis, 100m atstumas.
• 1000Base-SX: Daugiamodis šviesolaidis, 500m atstumas.
• 1000Base-LX: Vienmodis šviesolaidis, 3000m atstumas.

„Gigabit Ethernet“ turi du pagrindinius standartus: IEEE 802.3z ir IEEE 802.3ab. IEEE 802.3z apibrėžia šviesolaidinius ir trumpo nuotolio varinius jungtis, naudodamas 8B/10B kodavimo technologiją. IEEE 802.3ab apibrėžia 1000Base-T standartą, paremtą 5 kategorijos UTP kabeliu, siekiant perduoti 1000 Mbps per 100 metrų atstumą.

10 Gigabitinis Ethernet (10G Ethernet)

Vėliau atsiradęs „10 Gigabit Ethernet“ (specifikacija įtraukta į IEEE 802.3ae papildomą standartą) padidino perdavimo spartą iki 10 Gbps. Ši technologija leidžia prisitaikyti prie įvairių perdavimo spartų ir gali būti suderinama su tokiomis technologijomis kaip SONET (Synchronous Optical Networking).

„10G Ethernet“ standartai apima:

• 10GBASE-SR ir 10GBASE-SW: Daugiamodis pluoštas (MMF), trumpas bangas (850 nm), atstumas nuo 2m iki 300m.
• 10GBASE-LR ir 10GBASE-LW: Vienmodis pluoštas (SMF), ilgas bangas (1310nm), atstumas nuo 2m iki 10 km.
• 10GBASE-ER ir 10GBASE-EW: Vienmodis pluoštas (SMF), itin ilgas bangas (1550nm), atstumas nuo 2m iki 40 km.
• 10GBASE-LX4: Naudoja bangos ilgio padalijimo multipleksavimo technologiją, veikia 1310nm režimu.

Metro Ethernet ir ateities perspektyvos

„Metro Ethernet“ populiarumas auga dėl jo kainos efektyvumo, lankstumo ir vientiso protokolo perėjimo galimybių. Jis optimizuotas naudoti su TCP/IP protokolu ir nereikalauja sudėtingų protokolų perėjimo, kaip tai būdavo su SONET ar nuosekliomis T3 sąsajomis. „Metro Ethernet“ paslaugos gali būti lengvai integruojamos su esama įmonių tinklo įranga, tokia kaip didelės spartos jungikliai su GE ir 10 GE sąsajomis. Santykinė kaina už megabitą „Metro Ethernet“ žiedinėse trasose yra žymiai mažesnė nei tradicinių T1, T3 ar SONET sprendimų.

„Metro Ethernet“ tinklas apima kliento krašto (CE) įrenginius, vartotojo tinklo sąsają (UNI), paslaugų teikėjo krašto (PE) įrangą ir paslaugų teikėjo branduolį (Core). Kliento krašto įrenginiai (pvz., maršrutizatoriai ar jungikliai su Ethernet sąsajomis) yra optimizuoti „Metro Ethernet“ paslaugoms. Paslaugų teikėjo branduolio tinklas yra didelės spartos, DWDM ar SONET perjungiamas tinklas, kuris apdoroja paketus iš daugelio klientų.

„Ethernet OAM“ (Operations, Administration, and Maintenance) yra svarbus funkcijų rinkinys, užtikrinantis sistemos ar tinklo gedimų indikaciją, veikimo stebėjimą, saugos valdymą, diagnostiką ir konfigūraciją. Šios funkcijos padeda operatoriams teikti paslaugas pagal SLA (Service Level Agreement) ir greitai atkurti tinklą gedimo atveju. „Ethernet OAM“ matuoja tinklo perdavimo parametrus, tokius kaip paketų praradimo santykis, delsa ir virpėjimas, bei renka srauto statistiką. IEEE 802.3ah apibrėžia OAM posluoksnį, teikiantį mechanizmus ryšio operacijų stebėjimui, įskaitant nuotolinį gedimų rodymą ir nuotolinį atgalinio ryšio valdymą.

Kalbant apie perdavimo spartą, „Ethernet“ technologijos raida nenustoja stebinti. Per pastaruosius trisdešimt metų „Ethernet“ greitis dešimt kartų viršijo pradinį 10 Mbps - nuo 10 Mbps iki 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps. Nors kitas žingsnis, ar tai bus 40 Gbps, ar 100 Gbps, dar nėra galutinai patvirtintas, pirmaujantys lustų gamintojai jau kuria ir testuoja šias technologijas. Galutinis tikslas išlieka tas pats - užtikrinti vis didesnę spartą ir efektyvumą „Ethernet“ tinkluose.

Tinklo topologijos ir komponentai

Lokaliuosiuose tinkluose naudojamos įvairios topologijos, tarp jų magistralės (bus), žvaigždės (star) ir žiedo (ring) topologijos. Fizinė topologija apibrėžia kabelių išdėstymą, o loginė - duomenų srautų judėjimą.

• Magistralės topologija: Naudoja mažiau kabelio, bet tinklas nustoja veikti nutrūkus kabeliui.
• Žiedo topologija: Kompiuteriai lengviau pasiekia vienas kitą, bet tinklas nustoja veikti nutrūkus kabeliui. Reikalinga kontroliuojanti stotis.
• Žvaigždės topologija: Vienas kabelis jungia tik vieną kompiuterį, todėl sugedusi stotis neturi įtakos tinklo darbui. Tinklas tampa neveiksnus sugedus tinklo mazgui (koncentratoriui ar jungikliui).

Kiti svarbūs tinklo komponentai apima:

• Komutatorius (Switch): Aktyvus tinklo elementas, valdantis duomenų perdavimą, kad duomenys būtų kuo greičiau ir su kuo mažesniais praradimais pasiektų adresatą.
• Maršrutizatorius (Router): Įrenginys, jungiantis skirtingus IP tinklus ir atliekantis duomenų maršrutizavimo funkciją.
• Tinklo plokštė (Network Interface Card - NIC): Adapteris, skirtas perduoti duomenis tarp kompiuterio ir tinklo.
• Modemas: Įtaisas, leidžiantis kompiuteriui komunikuoti per viešąją telefono liniją, verčiantis kompiuterio signalus į perduodamą formą.
• Komutacinė spinta: Struktūrizuota spinta, skirta tinklo įrangos montavimui, apsaugai ir valdymui.

Laidų kategorijos ir jų svarba

Tinklo laidų kokybė yra kritiškai svarbi efektyviam ir patikimam duomenų perdavimui. Skirtingos kabelių kategorijos (nuo 3 iki 7) siūlo skirtingą pralaidumą ir atsparumą triukšmui:

• 3 kategorija: Palaiko 10 Mbps spartą (pvz., 10Base-T).
• 5 kategorija: Palaiko iki 100 Mbps spartą (pvz., Fast Ethernet), 100 MHz pralaidumas.
• 5e kategorija: Panaši į 5-tą, bet su didesniais reikalavimais, gali būti taikoma Gigabit Ethernet tinkluose.
• 6 kategorija: Palaiko iki 10 Gbps spartą trumpais atstumais, 250 MHz pralaidumas.
• 6a kategorija: Palaiko 10 Gbps spartą iki 100m, 500 MHz pralaidumas.
• 7 kategorija: Palaiko iki 10 Gbps spartą, 600 MHz pralaidumas, naudoja STP kabelius su folija apvyniotomis poromis.

Tinkamai parinkta ir instaliuota laidų sistema yra pagrindas stabiliai veikiančiam „Ethernet“ tinklui.

tags: #ethernet #technologijos #kadras