Формат кадра Ethernet: что это такое

Знакомство с семейством

Ethernet — это не одна, а целое семейство технологий, предназначенных для пакетной передачи данных по компьютерным сетям.

Суть в названии: если разделить его на две части, получится эфир — эфир и нет — нетто.

Из-за созвучия названий многие путают ethernet и интернет. Чтобы вы не влезли в число этих людей, поясню разницу. Вы уже знаете, что означает первый термин: это одна из многих технологий; вторая — совсем нет — это всемирная система, объединяющая компьютерные сети. Проще говоря, Ethernet — это один из способов выхода в Интернет.

В чем суть?

Изначально это было что-то вроде радио: один узел отправляет информацию, а все остальные ее получают. Но сегодня используются переключатели, поэтому данные отправляются с узла в определенное место назначения.

Для интересующихся технической стороной проблемы: представители этого семейства физически реализованы на канальном уровне модели OSI (базовая версия открытых систем), которая отвечает за проводные соединения, формат кадра, электрические сигналы и доступ к медиа протоколы управления. По сути, семейство технологий описывается стандартами IEEE 802.3, разработанными для небольших компьютерных сетей (LAN) и городских сетей (MAN).

Впервые технология была официально опубликована в 1980 году. Представьте, сколько лет она занимает лидирующие позиции. Уже на раннем этапе он пережил своих влиятельных конкурентов Token Ring и ARCNET.

В чем его преимущества?

Gigabit Ethernet очень и очень актуален, потому что это почти идеальное соотношение производительности и цены, что является почти идеальным выбором для магистральных приложений не только в отдельных корпоративных сетях, но и для построения полноценных операторских сетей. Достаточно удачным решением для прокладки кабелей внутри конкретного здания является многомодовое или одномодовое оптоволокно, а также витая пара, относящаяся к пятой категории. Первоначально разработанная для обеспечения подключения к Ethernet для локальных компьютеров, эта сеть в конечном итоге стала одной из самых дешевых, но обеспечивает чрезвычайно высокую пропускную способность, особенно по сравнению с DSL, а также различными беспроводными и кабельными модемами.

Типичной архитектурой, которая используется в современных сетях провайдеров, является реализация на первом этапе 10-мегабитных или 100-мегабитных каналов Ethernet, которые направляются в отдельные комнаты или квартиры данного здания и подключаются к служебному зданию с помощью специализированного коммутатора от Cisco Catalyst. Полноценное гигабитное Ethernet или даже мультигигабитное соединение создается для обеспечения USB-соединения через Ethernet или городскую сеть MAN. Агрегирование расписания различных городских кольцевых сетей выполняется с помощью коммутатора третьего уровня.

Поставщик услуг, который стремится обеспечить широкополосную связь, может предоставить своим клиентам подключение к Интернету, которое может работать напрямую для отдельных пользователей или для целых малых предприятий. Предоставляя услуги интернет-провайдера в городских районах, компания также может предложить новые комплексные услуги с добавленной стоимостью. Чтобы обеспечить наиболее эффективное использование сети ETTH, поставщик услуг должен обеспечить, чтобы абоненты тратили как можно больше времени и денег на внутреннюю сеть, а не потребляли ресурсы для доступа к глобальным ресурсам.

Почему используется Ethernet

Используется соединение Ethernet, потому что оно менее уязвимо для сбоев. Беспроводные технологии подвержены проблемам с подключением, особенно когда устройства начинают отдаляться от маршрутизатора, к которому они подключены. Он предлагает более стабильное соединение, поскольку между компьютером и беспроводной сетью существует физическое соединение.

Кроме того, это более безопасно, чем беспроводная технология. Большинство беспроводных подключений к Интернету безопасны, но есть способы их проверить. Соединения должны выполняться с помощью кабелей, а это означает, что злоумышленнику потребуется физический доступ к кабелю, чтобы получить доступ к данным, хранящимся в сети.

он смог обеспечить неизменно высокий уровень производительности. Первоначально он мог передавать 10 мегабит в секунду. Только за 90-е годы это число увеличилось в 10 раз. Сегодняшние соединения могут поддерживать соединения со скоростью несколько десятков гигабит в секунду. По этой причине вы часто будете слышать сейчас о «Gigabit Ethernet», который представляет собой очень быстрое соединение Ethernet.

Это преимущество в производительности было даже более значительным, учитывая относительно низкую стоимость. В зависимости от приобретаемых вами кабелей стоимость настройки сети Ethernet может быть очень низкой. Если учесть сумму, которую компании взимают за беспроводные инструменты, становится ясно, что во многих случаях это наиболее доступный вариант.

Ethernet — универсальное решение

По мере того, как эйфория по поводу технологии DSL и использования кабельных модемов для обеспечения широкополосного доступа постепенно угасала, основное внимание уделялось эксплуатационным, техническим, организационным и юридическим вопросам, связанным с этими услугами. Чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на постоянно увеличивающуюся полосу пропускания, как интернет-провайдеры, так и поставщики оборудования все чаще начинают рассматривать альтернативу широкополосному доступу: Ethernet по оптоволоконному кабелю.

Что такое Ethernet — коллизии

Как следует из вышеизложенного, при большом количестве компьютеров в сети и при интенсивном обмене данными количество коллизий очень быстро растет, и, как следствие, пропускная способность сети уменьшается. Не исключен случай, когда пропускная способность может упасть до нуля. Но даже в сети, где средняя нагрузка не превышает рекомендованную (30-40% от общей пропускной способности), скорость передачи составляет 70-80% от номинальной.

Однако в настоящее время эта проблема практически решена благодаря тому, что разработаны устройства, способные обмениваться потоками данных между теми писателями, для которых эти данные предназначены. Другими словами, трафик между портами, подключенными к отправляющим и принимающим сетевым адаптерам, изолирован от других портов и адаптеров. Такие устройства называются переключателями).

Существуют различные реализации этой технологии — Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, которые могут обеспечить скорость передачи данных 10, 100 и 1000 Мбит / с соответственно.

Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций, которые различаются топологией и типом используемого кабеля. Например, 10 BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10 BASE-2 использует тонкий коаксиальный кабель, а 10 BASE-F, 10 BASE-FB, 10 BASE-FL и FAIRL используют оптический кабель. Наиболее популярной является спецификация IEEE 802.3 100BASE-TX, в которой для работы в сети используется неэкранированная витая пара с разъемами RJ-45.

Реализации сети Ethernet

Параметр Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet

Номинальная скорость передачи данных, Мбит / с	10	сто	1000
Средства передачи	Витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно	Витая пара, оптическое волокно	Витая пара, оптическое волокно
Варианты реализации	10 База-2, 10 База-Т, 10 База-5.1 База-5,10 В улица-36	100Base-TX, 100Base-FX, 100Base-T4	1000Base-X1000Base-LX1000Base-SX1000Base-CX1000Base-T
Топология	Общий автобус, звезда	Звезда	Звезда

Приведенные выше характеристики Ethernet можно описать следующим образом. Первое число в названии спецификации указывает максимально возможную скорость передачи. Например, «10» указывает скорость передачи сигнала 10 Мбит / с. «Базовая» относится к использованию технологии основной полосы частот (основная полоса — это узкая полоса). При таком способе передачи данных по кабелю каждый бит данных кодируется отдельным электрическим или световым импульсом. В этом случае в качестве 1-го канала связи используется весь кабель, т.е одновременная передача 2-х сигналов невозможна.

Изначально последний раздел названия спецификации предназначался для отображения максимальной длины сегмента кабеля (без концентраторов и коммутаторов) в сотнях метров. Однако для удобства и для более полного определения сути стандарта цифры в названии заменены буквами T и F. Где T означает витая пара — витая пара, а F означает волокно.

Поэтому в настоящее время можно найти сети по следующим характеристикам:

• 10Base-2 — 10 МГц Ethernet по коаксиальному кабелю 50 Ом, основная полоса. 10Base-2 известен как «тонкий Ethernet»;
• 10Base-5 — 10 МГц Ethernet по стандартному (толстому) коаксиальному кабелю с сопротивлением 50 Ом, основная полоса;
• 10Base-T — Ethernet 10 МГц по витой паре;
• 100 Base-TX — Ethernet 100 МГц по витой паре.

Очень важным преимуществом различных вариантов Ethernet является их совместимость друг с другом, что позволяет использовать их вместе в одной сети, в некоторых случаях даже без изменения существующей кабельной системы.

Введение

Параллельно с растущей конкуренцией между альтернативными и традиционными операторами в области местных линий связи, эти же операторы начинают оптимизировать свои сети, чтобы гарантировать более выгодную стоимость предоставления своих услуг для конечного пользователя. В большинстве случаев используется единый пакет, который включает в себя передачу данных, голоса, мультимедиа, а также предоставление полного доступа в Интернет.

Кроме того, поставщики услуг Ethernet могут привлекать новых клиентов, используя перспективные решения с использованием различных сетевых архитектур, которые можно использовать для быстрого роста приложений с интенсивным использованием полосы пропускания, включая IP-видеонаблюдение, а также различных сетевых архитектур мультимедийных приложений.

Модификации Ethernet.

Классификация изменений Ethernet в основном основана на разнице между двумя факторами: типом используемого кабеля и возможной скоростью передачи данных. Выделить:

Варианты скоростного подключения

Ethernet	Коаксиальный кабель, оптический, витая пара	10 Мбит / с
Быстрый интернет	Оптика, витая пара	100 Мбит / с
Гигабитный Ethernet	Оптика, витая пара	1 ГБ / сек
10 Гбит / с Ethernet	Оптика, витая пара	10 Гб / сек

Как мы сразу заметили, в первую очередь различаются скорость передачи данных и тип используемого кабеля. На заре Ethernet использовались только коаксиальные кабели, и только после этого появились витая пара и оптические опции, что привело к значительному расширению возможностей. Например, используя витую пару, вы одновременно получаете:

• на порядки выше помехозащищенность за счет использования дифференциального сигнала, что мы уже заметили при обсуждении RS-485.
• большая надежность сети, в основном за счет возможности использования звездообразного соединения. То есть, если соединение между двумя сетевыми узлами прерывается, это не влияет на остальные узлы, не затронутые этим прерыванием.
• возможность использования полнодуплексной передачи данных. Вкратце об этом, иллюстрированная табличка:

Тип Описание

Симплекс (односторонняя передача)	Передача данных только в одном направлении
Полудуплекс	Передача возможна в двух направлениях, но не одновременно
Полный дуплекс	Возможна одновременная передача в двух направлениях

В рамках этих четырех изменений (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet) есть дополнительное «внутреннее» разделение. Например, возьмем Ethernet 10 Мбит / с. Некоторые из стандартов этого типа включают:

Ethernet (10 Мбит / с)

10Base-2

10Base-5

10Base-T

10Base-F

10Base-FL

В этом случае разные физические реализации соединения (разные кабели) приводят к возможности использования разных топологий сети. Для 10Base-5 это максимально неуклюже:

Но 10Base-T уже может использовать полнодуплексную передачу данных:

Как видите, здесь находится устройство, называемое сетевым концентратором. Поэтому небольшое лирическое отступление на эту тему.

Часто термины сетевой концентратор, сетевой коммутатор и маршрутизатор смешиваются и могут использоваться для описания одного и того же. Но, строго говоря, все эти три термина относятся к совершенно разным типам устройств:

• Сетевой концентратор (концентратор) работает на 1-м (физическом) уровне модели OSI и передает сигнал с одного входящего порта на несколько исходящих портов. На этом его функциональность заканчивается.
• Сетевой коммутатор (коммутатор) работает на 2-м (канальном уровне). Здесь данные также передаются с одного устройства на несколько устройств, но в то же время коммутатор анализирует кадры на предмет MAC-адреса получателя и передает пакет только тому узлу, которому он адресован (!). Ниже мы подробно разберем адресацию и структуру фрейма.
• Маршрутизатор, с другой стороны, работает на 3-м уровне (сети) модели OSI.

Возвращаясь к схеме для стандарта 10Base-T… Поскольку для передачи и приема используются физически разные линии, нет никаких препятствий для одновременного протекания этих процессов. Принцип генерации данных остается неизменным практически для всех модификаций Ethernet, о чем мы и поговорим.

Кадр Ethernet.

Вся передаваемая информация разбивается на пакеты / кадры в следующем формате:

Рассмотрим блоки подробнее:

• MAC-адрес устройства, для которого предназначен этот кадр.
• MAC-адрес отправителя.
• EtherType — это двухбайтовое поле, используемое для указания типа протокола для данных, передаваемых в этом кадре. Для наглядности несколько возможных значений:
  • 0x0800 — IPv4
  • 0x86DD — IPv6
  • 0x0842 — Пробуждение по локальной сети
  • 0x809B — AppleTalk
• Непосредственно следуют передаваемые данные.
• И заполните все это поле контрольной суммы CRC, чтобы проверить целостность и отсутствие ошибок в кадре.

Все поля, кроме поля данных, являются служебными.

Методика анализа контрольной суммы абсолютно стандартна: отправитель вычисляет контрольную сумму на основе остальных данных кадра и добавляет вычисленное значение к тому же отправленному кадру. Получатель также вычисляет контрольную сумму на основе полученных данных и сравнивает ее с полученной (рассчитанной отправителем). Расхождение между вычисленными и полученными значениями CRC является явным сигналом того, что данные повреждены и неверны.

В этом случае контрольная сумма в данном случае никак не может помочь устранить ошибку, она лишь сигнализирует о ее наличии. В результате весь полученный кадр считается недействительным. Это, в свою очередь, приводит к необходимости повторной передачи кадра ошибки.

Кроме того, возможна еще одна неприятная ситуация, так называемая коллизия, когда несколько узлов начинают передавать данные одновременно. Чтобы избежать этого, в Ethernet используется технология CSMA / CD — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий — множественный доступ с векторным прослушиванием и обнаружением коллизий. Эта тема тоже довольно интересная, в связи с чем было принято сознательное решение посвятить ей отдельную статью, поэтому здесь и сейчас мы не останавливаемся на этом.

Первые два поля в кадре Ethernet содержат MAC-адреса сетевых узлов: передатчика и приемника. Изначально при разработке ранних версий технологии ожидалось, что любая сетевая карта будет иметь собственный уникальный идентификатор. Роль этого идентификатора играет MAC-адрес, состоящий из 6 байтов.

В процессе работы он позволяет идентифицировать все устройства в сети и определять, какое из них предназначен�