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
| Rok | Událost |
|---|---|
| 1973 | první návrh Ethernetu v laboratořích Xerox PARC (Robert Metcalfe), 2,94 Mb/s na koaxiálním kabelu |
| 1980 | standard DIX firem DEC, Intel a Xerox pro kancelářské aplikace: 10 Mb/s, tlustý koax |
| 1983–1985 | v pozměněné podobě normalizován institutem IEEE jako IEEE 802.3 |
| 1985 | tenký koaxiální kabel (10BASE2) |
| 1987 | optické vlákno |
| 1990 | kroucená dvoulinka (10BASE-T) |
| 1995 | Fast Ethernet 100 Mb/s (802.3u) |
| 1997 | plně duplexní Ethernet (802.3x) |
| 1998–1999 | Gigabit Ethernet (802.3z po optice, 802.3ab 1000BASE-T po kroucené dvoulince) |
| 2002 | 10 Gb/s Ethernet po optice (802.3ae); 2006 i po kroucené dvoulince (802.3an) |
| 2010 | 40 a 100 Gb/s (802.3ba) |
| 2016–2017 | 2,5 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).
| Pole | Délka | Význam |
|---|---|---|
| preambule | 7 B | střídající se jedničky a nuly 10101010; slouží k synchronizaci hodin přijímače |
| SFD (Start Frame Delimiter) | 1 B | 10101011 – označuje začátek vlastního rámce |
| cílová MAC adresa | 6 B | adresa příjemce – jedna stanice, skupina (multicast) nebo všichni (broadcast) |
| zdrojová MAC adresa | 6 B | adresa odesílatele – vždy individuální adresa konkrétního rozhraní |
| značka 802.1Q | 4 B | jen u rámců s označením VLAN (číslo VLAN a priorita) |
| typ / délka | 2 B | u Ethernet II typ protokolu ve vyšší vrstvě (EtherType), u IEEE 802.3 délka dat |
| data | 46–1 500 B | zapouzdřený paket síťové vrstvy; kratší data se doplní výplní na 46 B |
| FCS (Frame Check Sequence) | 4 B | 32bitový 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):
- Stanice naslouchá, zda je médium volné.
- Je-li volné, vysílá; jinak čeká, až se uvolní.
- Během vysílání sleduje, zda nedošlo ke kolizi.
- Při kolizi přestane vysílat a vyšle signál jam, aby kolizi zaznamenaly všechny stanice.
- Počká náhodnou dobu (s počtem pokusů se rozsah prodlužuje).
- 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).
| Varianta | Rychlost | Médium | Max. délka segmentu |
|---|---|---|---|
| 10BASE5 | 10 Mb/s | tlustý koax (1 cm, žlutý), připojení přes transceiver a kabel AUI | 500 m |
| 10BASE2 | 10 Mb/s | tenký koax (0,5 cm), konektory BNC, terminátory 50 Ω | 185 m |
| 10BASE-T | 10 Mb/s | UTP Cat 3, 2 páry | 100 m |
| 10BASE-FL | 10 Mb/s | mnohovidové vlákno (existuje i jednovidová modifikace) | 2 000 m |
| 100BASE-TX | 100 Mb/s | UTP/STP Cat 5, 2 páry, impedance 100 Ω | 100 m |
| 100BASE-T4 | 100 Mb/s | UTP Cat 3, 4 páry | 100 m |
| 100BASE-T2 | 100 Mb/s | UTP Cat 3, 2 páry | 100 m |
| 100BASE-FX | 100 Mb/s | 2 mnohovidová vlákna | 412 m (half duplex), 2 km (full duplex) |
| 1000BASE-T | 1 Gb/s | UTP Cat 5e, všechny 4 páry | 100 m |
| 1000BASE-CX | 1 Gb/s | stíněný měděný kabel (twinax) pro propojení zařízení | 25 m |
| 1000BASE-SX | 1 Gb/s | mnohovidové vlákno, laser 850 nm | 220–275 m (62,5 µm), 500–550 m (50 µm) |
| 1000BASE-LX | 1 Gb/s | laser 1 310 nm, mnohovidové / jednovidové vlákno | 550 m / 5 km |
| 2.5GBASE-T, 5GBASE-T | 2,5 a 5 Gb/s | UTP Cat 5e / Cat 6 | 100 m |
| 10GBASE-T | 10 Gb/s | Cat 6 / Cat 6A (500 MHz) nebo Cat 7 | 55 m / 100 m |
| 10GBASE-SR | 10 Gb/s | mnohovidové vlákno | 26–82 m (starší vlákna), 300–400 m (OM3, OM4) |
| 10GBASE-LX4 | 10 Gb/s | mnohovidové / jednovidové vlákno | 240–300 m / 10 km |
| 10GBASE-LR, -ER | 10 Gb/s | jednovidové vlákno | 10 km, 40 km |
| 40GBASE, 100GBASE | 40, 100 Gb/s | optická vlákna; měděné kabely jen na krátké propojení | 7–10 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
- Které vrstvy modelu ISO/OSI Ethernet popisuje? fyzickou a linkovou (v TCP/IP vrstvu síťového rozhraní)
- 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
- 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
- K čemu slouží pole FCS? nese kontrolní součet CRC; když nesouhlasí, příjemce rámec zahodí
- Co znamená označení 100BASE-TX a 10BASE5? 100 Mb/s, základní pásmo, kroucená dvoulinka; 10 Mb/s, základní pásmo, segment 500 m (tlustý koax)
- Kolik párů využívá 100BASE-TX a 1000BASE-T a jaká je maximální délka kabelu? 2 páry a 4 páry; 100 m
- Kterou variantu použijete pro propojení budov vzdálených 3 km gigabitovou rychlostí? 1000BASE-LX po jednovidovém vlákně (do 5 km)
- Proč se v přepínaném Ethernetu nepoužívá CSMA/CD? každá stanice má vlastní linku ke switchi v plném duplexu, takže kolize nevznikají
- 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)