← IT

Ethernet a LAN

Ethernet je nejrozšířenější technologie pro budování lokálních sítí (LAN). Popisuje kabely a signály (fyzickou vrstvu) i formát rámců, adresování a přístup k médiu (linkovou vrstvu) – v modelu TCP/IP tedy vrstvu síťového rozhraní. Původně měl „sdílenou“ povahu: všechny stanice se dělily o jeden kabel a pracovaly v režimu bez navazování spojení s mnohonásobným přístupem k médiu. Díky přepínačům (switchům) se z něj stala „nesdílená“ technologie, kde má každá stanice vlastní linku. Všechny verze Ethernetu od 10 Mb/s po stovky Gb/s používají stejný formát rámce, a proto spolu bez problémů spolupracují.

Historie

RokUdálost
1973první návrh Ethernetu v laboratořích Xerox PARC (Robert Metcalfe), 2,94 Mb/s na koaxiálním kabelu
1980standard DIX firem DEC, Intel a Xerox pro kancelářské aplikace: 10 Mb/s, tlustý koax
1983–1985v pozměněné podobě normalizován institutem IEEE jako IEEE 802.3
1985tenký koaxiální kabel (10BASE2)
1987optické vlákno
1990kroucená dvoulinka (10BASE-T)
1995Fast Ethernet 100 Mb/s (802.3u)
1997plně duplexní Ethernet (802.3x)
1998–1999Gigabit Ethernet (802.3z po optice, 802.3ab 1000BASE-T po kroucené dvoulince)
200210 Gb/s Ethernet po optice (802.3ae); 2006 i po kroucené dvoulince (802.3an)
201040 a 100 Gb/s (802.3ba)
2016–20172,5 a 5 Gb/s po stávající kabeláži Cat 5e/6, 25, 200 a 400 Gb/s

Ethernet se postupně rozšířil i mimo LAN – metropolitní Ethernet propojuje pobočky v rámci města a Ethernet se používá i v páteřních a přístupových sítích poskytovatelů.

Ethernet a linková vrstva

Linková vrstva Ethernetu se dělí na dvě podvrstvy:

  • MAC (Media Access Control, spodní) – závislá na hardwaru: sestavuje rámce, adresuje je MAC adresami, řídí přístup k médiu (CSMA/CD) a detekuje chyby.
  • LLC (Logical Link Control, horní, IEEE 802.2) – nezávislá na hardwaru, realizovaná softwarem (ovladačem karty): určuje, kterému protokolu vyšší vrstvy rámec patří, a předává mu data.

Linková vrstva vloží paket síťové vrstvy do rámce s MAC adresami, u příjemce zkontroluje cílovou adresu a kontrolní součet a cizí nebo poškozené rámce zahodí. Adresu a vlastnosti MAC popisuje stránka aktivní síťové prvky, síťová karta a MAC adresa.

Ethernetový rámec

Rámec se skládá ze záhlaví (adresy a typ), dat a zápatí (kontrolní součet).

PoleDélkaVýznam
preambule7 Bstřídající se jedničky a nuly 10101010; slouží k synchronizaci hodin přijímače
SFD (Start Frame Delimiter)1 B10101011 – označuje začátek vlastního rámce
cílová MAC adresa6 Badresa příjemce – jedna stanice, skupina (multicast) nebo všichni (broadcast)
zdrojová MAC adresa6 Badresa odesílatele – vždy individuální adresa konkrétního rozhraní
značka 802.1Q4 Bjen u rámců s označením VLAN (číslo VLAN a priorita)
typ / délka2 Bu Ethernet II typ protokolu ve vyšší vrstvě (EtherType), u IEEE 802.3 délka dat
data46–1 500 Bzapouzdřený paket síťové vrstvy; kratší data se doplní výplní na 46 B
FCS (Frame Check Sequence)4 B32bitový cyklický kontrolní součet (CRC) ze všech polí kromě preambule, SFD a FCS
  • Minimální velikost rámce je 64 B, maximální 1 518 B (1 522 B se značkou VLAN) – počítá se od cílové adresy po FCS. Největší velikost dat, 1 500 B, je MTU Ethernetu. Rámce větší než 1 518 B (jumbo rámce, až 9 000 B) podporují jen některé sítě.
  • Mezi rámci musí být mezera nejméně 12 B (inter-frame gap).
  • Pole typ/délka: hodnota nejvýše 1 500 znamená délku (rámec IEEE 802.3), hodnota od 1 536 (0x0600) výše typ protokolu (Ethernet II). Nejčastější typy: 0x0800 IPv4, 0x0806 ARP, 0x86DD IPv6, 0x8100 rámec se značkou VLAN.
  • Příjemce spočítá CRC z přijatého rámce; když nesouhlasí s polem FCS, rámec zahodí. Opravu chyb (opakované odeslání) Ethernet neřeší, to dělají vyšší vrstvy.

Proč minimálně 64 bajtů

Metoda CSMA/CD pozná kolizi jen tehdy, když stanice ještě vysílá. Vysílání nejkratšího rámce proto musí trvat déle, než signál oběhne celou síť tam a zpět. U 10 Mb/s Ethernetu je to 512 bitů = 64 B (tzv. slot time 51,2 µs). Kratší data se proto doplňují výplní.

Gigabitový Ethernet vysílá desetkrát rychleji, takže by při zachování 64B rámce musel zkrátit segmenty v polovičním duplexu na pouhých 10 m. Místo toho rámce kratší než 512 B prodlužuje speciálními neplatnými symboly (Carrier Extension). V praxi gigabitový a rychlejší Ethernet pracuje jen v plném duplexu, kde kolize nevznikají.

Druhy rámců

  • Ethernet II (DIX) – původní rámec DIX Ethernetu s polem typu; používá ho IP, dnes zdaleka nejběžnější.
  • IEEE 802.3 s LLC (802.2) – pole délky a do dat vložená hlavička LLC.
  • „Raw“ 802.3 – bez LLC, používala ho firma Novell pro protokol IPX.
  • 802.3 SNAP – rozšíření LLC o identifikaci výrobce a typu protokolu.

Přístupová metoda CSMA/CD

Klasický Ethernet počítá se všesměrovým vysíláním: rámec dostanou všechny stanice v kolizní doméně, a když stanice obdrží rámec s jinou než vlastní adresou, zahodí ho. Logicky jde o sběrnici (dnes fyzicky hvězdu), což dává Ethernetu „sdílený“ charakter – všechny uzly v jedné kolizní doméně se dělí o jednu přenosovou kapacitu. Sdílení končí na nejbližším mostu, přepínači nebo směrovači.

K médiu se přistupuje metodou CSMA/CD (podrobně na stránce počítačové sítě – definice a dělení):

  1. Stanice naslouchá, zda je médium volné.
  2. Je-li volné, vysílá; jinak čeká, až se uvolní.
  3. Během vysílání sleduje, zda nedošlo ke kolizi.
  4. Při kolizi přestane vysílat a vyšle signál jam, aby kolizi zaznamenaly všechny stanice.
  5. Počká náhodnou dobu (s počtem pokusů se rozsah prodlužuje).
  6. Zkusí vysílat znovu; po 16 neúspěšných pokusech rámec zahodí.

Nevýhody CSMA/CD: s počtem uzlů a zatížením roste počet kolizí a klesá efektivita, metoda nezaručuje přístup k médiu v konečném čase, a proto se nehodí pro aplikace v reálném čase. Kolizní doména by proto měla být co nejmenší. U 10BASE-T se kolize projeví tak, že se data přenášejí současně po vysílacím i přijímacím páru.

V plně duplexním provozu (stanice připojená vlastním kabelem k portu switche) má každý směr vlastní vodiče, kolize nevznikají a CSMA/CD se vypíná. 10Gb/s a rychlejší Ethernet už CSMA/CD vůbec nepodporuje, pracuje jen v plném duplexu.

Označování Ethernetu

Varianty Ethernetu se označují podle vzoru rychlost – BASE – médium:

  • číslo na začátku je přenosová rychlost v Mb/s (10, 100, 1000) nebo s G v Gb/s (10G),
  • BASE znamená přenos v základním pásmu (baseband),
  • přípona u nejstarších variant udává maximální délku segmentu ve stovkách metrů (10BASE5 = 500 m, 10BASE2 = 185 m, zaokrouhleno na 200), u novějších typ média: T kroucená dvoulinka, F optické vlákno, S/L/E krátká/dlouhá/velmi dlouhá vlnová délka laseru, X, R typ kódování, číslo za písmenem počet párů (T4 = 4 páry).
VariantaRychlostMédiumMax. délka segmentu
10BASE510 Mb/stlustý koax (1 cm, žlutý), připojení přes transceiver a kabel AUI500 m
10BASE210 Mb/stenký koax (0,5 cm), konektory BNC, terminátory 50 Ω185 m
10BASE-T10 Mb/sUTP Cat 3, 2 páry100 m
10BASE-FL10 Mb/smnohovidové vlákno (existuje i jednovidová modifikace)2 000 m
100BASE-TX100 Mb/sUTP/STP Cat 5, 2 páry, impedance 100 Ω100 m
100BASE-T4100 Mb/sUTP Cat 3, 4 páry100 m
100BASE-T2100 Mb/sUTP Cat 3, 2 páry100 m
100BASE-FX100 Mb/s2 mnohovidová vlákna412 m (half duplex), 2 km (full duplex)
1000BASE-T1 Gb/sUTP Cat 5e, všechny 4 páry100 m
1000BASE-CX1 Gb/sstíněný měděný kabel (twinax) pro propojení zařízení25 m
1000BASE-SX1 Gb/smnohovidové vlákno, laser 850 nm220–275 m (62,5 µm), 500–550 m (50 µm)
1000BASE-LX1 Gb/slaser 1 310 nm, mnohovidové / jednovidové vlákno550 m / 5 km
2.5GBASE-T, 5GBASE-T2,5 a 5 Gb/sUTP Cat 5e / Cat 6100 m
10GBASE-T10 Gb/sCat 6 / Cat 6A (500 MHz) nebo Cat 755 m / 100 m
10GBASE-SR10 Gb/smnohovidové vlákno26–82 m (starší vlákna), 300–400 m (OM3, OM4)
10GBASE-LX410 Gb/smnohovidové / jednovidové vlákno240–300 m / 10 km
10GBASE-LR, -ER10 Gb/sjednovidové vlákno10 km, 40 km
40GBASE, 100GBASE40, 100 Gb/soptická vlákna; měděné kabely jen na krátké propojení7–10 m po mědi, km po optice

Poznámky k jednotlivým generacím:

  • 10BASE5 (Thick Wire) – nejstarší verze; stanice se připojovaly k žlutému koaxiálnímu kabelu přes transceivery a kabely AUI (Attachment Unit Interface – rozhraní mezi transceiverem a zbytkem síťového adaptéru).
  • 10BASE2 (Thin Wire) – sběrnicová topologie, stanice se připojovaly T-konektory přímo; kabel nesměl mít jiné odbočky a na koncích musel být zakončen terminátorem 50 Ω.
  • 10BASE-T – snaha využít existující telefonní rozvody; hvězdicová topologie s hubem, konektory RJ-45. Pro připojení uzlu stačí 2 páry vodičů: jeden na vysílání, druhý na příjem; páry jsou buzeny symetricky.
  • 10BASE-FL – optika neumožňuje odbočky, rozbočení se dělá elektronicky přes hub; sloužila hlavně jako páteř.
  • 100BASE-TX – Fast Ethernet, nahradil 10BASE-T; 100BASE-FX se příliš nerozšířil.
  • 1000BASE-T – Gigabit Ethernet využívá všechny 4 páry v obou směrech současně.
  • 10 Gb/s Ethernet (IEEE 802.3ae) – jen plný duplex bez CSMA/CD; určený pro připojení výkonných serverů a pro zatížené páteřní linky.
  • Dnes se pro datová centra používají 25G a 40G, 100G pro velkou hustotu portů a 400G a 800G v páteřních sítích.

Přepínaný Ethernet

Dnešní LAN je přepínaný Ethernet: každé zařízení je připojeno vlastním kabelem k portu switche, switche jsou propojeny do stromu a přepínání probíhá v hardwaru. Výhody oproti sdílenému Ethernetu s huby:

  • bez kolizí – plný duplex, každý port je samostatná kolizní doména,
  • paralelní komunikace – několik dvojic stanic komunikuje současně plnou rychlostí,
  • vyšší bezpečnost – rámec dostane jen adresát, ne všichni,
  • řízení provozu – priority (QoS), řízení toku, VLAN, omezení broadcastů,
  • snazší údržba – chyba jedné stanice neovlivní ostatní, lze kontrolovat, kdo je na kterém portu připojen.

Kolizní doména a broadcast

  • Kolizní doména je oblast sdíleného média (koaxiální kabel, hub), kde se vysílání mohou srazit. Switch vytváří samostatnou kolizní doménu na každém portu.
  • Broadcast na linkové vrstvě je rámec s cílovou MAC adresou FF-FF-FF-FF-FF-FF; dostanou ho všechny karty v síti – projde hubem i switchem, zastaví ho až router. Na síťové vrstvě se rozlišuje omezený broadcast na adresu 255.255.255.255 (jen vlastní síť) a směrovaný broadcast na broadcastovou adresu konkrétní sítě, např. 192.168.1.255.

Napájení po Ethernetu (PoE)

Switch s funkcí PoE (Power over Ethernet) napájí připojená zařízení přímo po datovém kabelu – IP telefony, kamery, přístupové body. Norma 802.3af dodá až 15,4 W na port, 802.3at (PoE+) 30 W a 802.3bt až 60–90 W.

Návrh větší přepínané sítě, Spanning Tree a VLAN popisuje stránka přepínání, STP a VLAN.

Otázky k opakování

  1. Které vrstvy modelu ISO/OSI Ethernet popisuje? fyzickou a linkovou (v TCP/IP vrstvu síťového rozhraní)
  2. Popište strukturu ethernetového rámce. preambule 7 B + SFD 1 B, cílová MAC 6 B, zdrojová MAC 6 B, typ/délka 2 B, data 46–1 500 B, FCS 4 B
  3. Jaká je minimální a maximální velikost rámce a proč existuje minimum? 64 B a 1 518 B; vysílání nejkratšího rámce musí trvat déle než oběh signálu sítí, aby stanice kolizi zjistila
  4. K čemu slouží pole FCS? nese kontrolní součet CRC; když nesouhlasí, příjemce rámec zahodí
  5. Co znamená označení 100BASE-TX a 10BASE5? 100 Mb/s, základní pásmo, kroucená dvoulinka; 10 Mb/s, základní pásmo, segment 500 m (tlustý koax)
  6. Kolik párů využívá 100BASE-TX a 1000BASE-T a jaká je maximální délka kabelu? 2 páry a 4 páry; 100 m
  7. Kterou variantu použijete pro propojení budov vzdálených 3 km gigabitovou rychlostí? 1000BASE-LX po jednovidovém vlákně (do 5 km)
  8. Proč se v přepínaném Ethernetu nepoužívá CSMA/CD? každá stanice má vlastní linku ke switchi v plném duplexu, takže kolize nevznikají
  9. Jaký je rozdíl mezi kolizní a broadcastovou doménou? kolizní – kde se mohou srazit vysílání (hub ji nedělí, switch ano); broadcastová – kam dojde broadcast (dělí ji až router nebo VLAN)

Zdroj: site/Ethernet_new.pdf; IT/Datové-sítě.docx