Что такое Ethernet (IEEE 802.3)?

Ethernet описывает технологию кабельных сетей передачи данных, которые соединяют программное и/или аппаратное обеспечение друг с другом. В основном это происходит через кабели локальной сети, поэтому Ethernet также иногда называют технологией локальной сети. Таким образом, Ethernet обеспечивает обмен данными между конечными устройствами. Это могут быть компьютеры, принтеры, серверы, маршрутизаторы и другие устройства. Объединенные в локальную сеть, эти устройства устанавливают соединения по протоколу Ethernet и могут обмениваться друг с другом пакетами данных. Текущим и наиболее распространенным протоколом является IEEE 802.3.

Ethernet был разработан еще в начале 1970-х годов, но первоначально сетевая система использовалась только внутри компании Xerox. В начале 1980-х годов Ethernet был разработан как стандартизированный продукт. Однако Ethernet все еще не получил широкого распространения до середины десятилетия, когда несколько производственных компаний начали работать с Ethernet и сопутствующими продуктами. Эта технология внесла значительный вклад в то, как персональный компьютер произвел революцию в рабочем мире. Сегодня широко распространенный стандарт IEEE 802.3 используется в офисах, частных домах, контейнерах и перевозчиках.

Если первая версия технологии имела скорость всего 3 мегабита в секунду, то сегодня протокол Ethernet обеспечивает скорость до 1.000 мегабит в секунду. Если раньше сеть Ethernet была ограничена пределами одного здания, то сегодня с помощью оптоволоконных кабелей она может охватывать расстояние чуть более 6 миль. За время своего развития Ethernet занял доминирующую роль среди технологий локальных сетей и превзошел различных конкурентов. Кроме того, сегодня Ethernet в режиме реального времени является отраслевым стандартом для коммуникационных приложений.

Каждое устройство в сети Ethernet получает свой 48-битный адрес, называемый MAC-адресом. Участники одной сети могут обмениваться высокочастотными сообщениями. Для этого Ethernet использует базовую полосу и мультиплексирование. Для связи друг с другом используется алгоритм CSMA/CD (carrier sense multiple access/collision detection). Топология сети Ethernet является логической, поэтому структура может быть реализована, например, в виде шины или звезды.

Общение с помощью этого алгоритма похоже на дискуссию за круглым столом, где каждый участник дает возможность высказаться другому. Если два сообщения сталкиваются, то участники пытаются отправить их снова через случайные промежутки времени. Поскольку для успешной коммуникации необходимо как отправить, так и принять сообщение, не может быть никаких заторов данных — например, если отправленное сообщение слишком сильно для относительно слабого приема. В противном случае данные могут быть потеряны. Скорость сигнала и скорость передачи данных контролируют бесперебойную связь, определяя правила для кадров данных.

Чтобы предотвратить столкновение данных, соответствующий сигнал должен прийти на приемник раньше, чем пакет данных. Поскольку большинство сетей в наши дни функционируют в полнодуплексном режиме, это редко является проблемой. Но это было очень важно для раннего развития технологии Ethernet.

Первоначально каждое сообщение, отправленное в сети, поступало ко всем подключенным устройствам. Затем они должны были отфильтровать все полученные данные и решить, относятся ли они к ним. Эта общая шина позволяла передавать широковещательные сообщения, но также записывала весь трафик данных для каждого участника сети, что, несомненно, было недостатком безопасности раннего Ethernet. Данные могли быть зашифрованы, но сам трафик данных не мог быть индивидуально контролируемым. Концентраторы также не могли устранить этот пробел в безопасности. Мосты и коммутаторы являются решением в современных сетях, поскольку с их помощью можно сегментировать Ethernet.

Однако эта технология не решает всех проблем. Например, злоупотребление MAC flooding или MAC spoofing по-прежнему представляет опасность для стабильности сети и безопасности передаваемых пакетов данных. Поэтому безопасная работа с Ethernet требует серьезного использования всех подключенных систем и регулярного анализа данных (например, анализа LAN) для выявления потенциальных случаев злоупотреблений или нарушений.

До тех пор, пока объем данных в сети Ethernet не достигнет предела, она функционирует нормально. Однако использование емкости более чем на 50 процентов может привести к заторам данных. Поскольку персональные компьютеры развивались технологически и постоянно увеличивали объем данных, сети Ethernet также должны были развиваться дальше, чтобы идти в ногу с прогрессом технологий. Коммутаторы отвечают за эффективное разделение пакетов данных и минимизацию риска возникновения коллизий. Современные кабельные технологии, такие как витая пара и оптоволокно, имеют более высокую скорость передачи данных, отвечающую современным требованиям к сети.

Еще одним новшеством является «управление потоком Ethernet». С помощью этого механизма передача данных может быть временно остановлена, чтобы облегчить поток данных из другого места. Это особенно практично в полнодуплексном режиме, когда сеть обслуживает относительно большое количество конечных устройств. Управление потоком для определенных членов сети временно прекращается для оптимизации общей надежности сети. Однако это может привести к потерям в скорости, которые затем могут быть сдержаны другими механизмами, такими как протокол управления передачей.

В прошлом Ethernet в основном использовал обычные коаксиальные кабели. Сегодня медная витая пара и волоконно-оптические кабели являются промышленным стандартом, поскольку они обеспечивают гораздо более высокую скорость передачи данных и больший радиус действия. Еще одним преимуществом является то, что медные кабели могут также подавать питание на подключенные устройства. Этот метод, называемый «питание через Ethernet» (PoE), определен в стандарте IEEE 802.3af и позволяет создавать энергоэффективные сети.

Ethernet развился из ALOHAnet, радиосети Гавайского университета. В начале 1970-х годов в исследовательском центре Xerox в Пало-Альто дальновидный Роберт Меткалф уже работал над ранней версией протокола Ethernet на основе кабелей. Предполагалось, что сначала он облегчит работу внутри компании, а затем будет активно тестироваться. Этап тестирования достиг своего пика в 1976 году, когда Меткалф совместно с Дэвидом Боггсом опубликовал научную статью. В ней описывались локальные сети подключенных персональных компьютеров.

В 1979 году Меткалф основал свою собственную компанию 3com, чтобы продвинуть вперед развитие компьютеров и локальных сетей и установить Ethernet в качестве стандарта. В 1980 году он совершил прорыв, приняв стандарт Ethernet 1.0, который затем был доработан Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Этот процесс привел к изобретению других технологий, включая протокол CSMA/CD (carrier sense multiple access/collision detection), который позже стал известен как IEEE 802.3. Он также привел к появлению революционных протоколов token bus (802.4) и token ring (802.5).

В период с 1983 по 1986 год, прежде чем стандарт Ethernet начал привлекать внимание многих производителей, на сцену вышли инновационные технологии Cheapernet, Ethernet-on-Broadband и StarLAN. В результате некоторые небольшие компании начали использовать сети Ethernet на рабочих местах, но все еще по телефонным четырехпроводным линиям. Соединения Ethernet через витую пару и оптоволоконные кабели не разрабатывались до начала 1990-х годов, что привело к появлению стандарта 100 МБ/с для Ethernet в соответствии с IEEE 802.3u в 1995 году. В это же время был принят стандарт для беспроводных локальных сетей (802.11). 1995 год считается годом рождения современного Интернета.