Ethernet è un protocollo per la commutazione da rete locale a pacchetto . È uno standard internazionale: ISO/IEC 802-3 .
Progettata inizialmente nei primi anni '70, per collegare computer collegati allo stesso cavo coassiale (per analogia con le reti di distribuzione di fluidi - acqua, gas - o televisione via cavo nello stesso edificio), a partire dagli anni '90, Ethernet su doppini è molto frequentemente utilizzata per postazioni client di collegamento (il cavo coassiale è stato sostituito da concentratori - hub - poi switch - switch ), e versioni in fibra ottica per il core della rete. Questa configurazione ha ampiamente soppiantato altri standard come Token Ring , FDDI e ARCnet . Negli ultimi anni , le varianti wireless di Ethernet ( standard IEEE 802.11 , note come “ Wi-Fi ”) hanno avuto molto successo, sia per installazioni personali che professionali.
Ethernet non offre una garanzia di una buona consegna dei dati, che è lasciata ai livelli di protocollo più alti.
Nelle prime reti Ethernet, il cavo coassiale trasmetteva i dati a tutte le macchine collegate, proprio come le onde radio raggiungono tutti i ricevitori. Il nome Ethernet deriva da questa analogia prima del XX ° secolo , le onde sono immaginati stavano diffondendo in etere , un mid ipotetica dovrebbe fare il bagno l'Universo. Per quanto riguarda il suffisso net , è l'abbreviazione della parola network ("network") in inglese .
Ethernet è stato originariamente sviluppato come uno dei progetti pionieristici di Xerox PARC . Una storia comune vuole che sia stato inventato nel 1973 , quando Robert Metcalfe scrisse una nota ai suoi capi sulle potenzialità di Ethernet. Metcalfe afferma che Ethernet è stato inventato in un periodo di diversi anni. Nel 1975 , Robert Metcalfe e David Boggs (assistente di Metcalfe) pubblicarono un documento chiamato Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks .
Metcalfe lasciò la Xerox nel 1979 per promuovere l'uso dei personal computer e delle reti locali e fondò la società 3Com . Riuscì a convincere DEC , Intel e Xerox a collaborare per promuovere Ethernet come standard, alla fine di un periodo durante il quale il pensiero dei produttori si spostò verso l'elaborazione decentralizzata .
Lo standard Ethernet I (10 Mb/s ), o "DIX" ( DEC Intel Xerox ) è stato pubblicato nel 1980, seguito da una revisione di Ethernet II nel 1982. L' IEEE è stato ispirato dallo standard DIX e ha pubblicato il suo standard IEEE 802.3 nel 1983 .
Ethernet era all'epoca in concorrenza con due sistemi proprietari, Token Ring ( IBM , più recente) e ARCnet ( TRW - Matra , più vecchio); questi due sistemi nel tempo sono diminuiti di popolarità per poi scomparire a fronte di Ethernet, a causa dei minori costi dovuti alla produzione di massa, e dei successivi upgrade a Ethernet. Ethernet aveva anche meno vincoli topologici rispetto al Token Ring (al CeBIT nel 1995, abbiamo potuto vedere sperimentalmente un soffitto bianco simulato usato come mezzo Ethernet, i segnali che passano attraverso gli infrarossi). Durante questo periodo, 3Com è diventata un'importante azienda nel campo delle reti di computer .
Ethernet si basa sul principio dei membri (pari) sulla rete, inviando messaggi in quello che era essenzialmente un sistema radio, prigioniero all'interno di un cavo o canale comune, a volte indicato come etere . Pertanto, Ethernet è stato originariamente progettato per una topologia di bus fisico e logico (tutti i segnali trasmessi vengono ricevuti da tutte le macchine collegate). Ciascun peer è identificato da una chiave univoca globale, denominata indirizzo MAC , per garantire che tutte le stazioni su una rete Ethernet abbiano indirizzi distinti senza previa configurazione.
collisioniUna tecnologia nota come Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ( CSMA / CD ) regola il modo in cui le stazioni accedono ai media. Originariamente sviluppata negli anni '60 per ALOHAnet alle Hawaii utilizzando la radio , la tecnologia è relativamente semplice rispetto al Token Ring o alle reti controllate da master. Quando un computer vuole inviare informazioni, obbedisce al seguente algoritmo :
Procedura principaleUna stazione che rileva una collisione trasmette un segnale di collisione sul supporto chiamato "segnale di inceppamento" (una sequenza da 4 a 6 byte).
Procedura di gestione delle collisioniIn pratica, funziona come una normale chat, in cui tutte le persone usano un mezzo comune (aria) per parlare con qualcun altro. Prima di parlare, ogni persona aspetta educatamente che nessuno parli. Se due persone iniziano a parlare contemporaneamente, entrambe si fermano e aspettano per un breve lasso di tempo casuale. C'è una buona probabilità che le due persone aspetteranno un lasso di tempo diverso, evitando così un'altra collisione. I tempi di attesa che aumentano esponenzialmente vengono utilizzati quando si verificano più collisioni di seguito.
Come nel caso di una rete non commutata, tutte le comunicazioni vengono inviate su un supporto condiviso, qualsiasi informazione inviata da una stazione viene ricevuta da tutte le altre, anche se queste informazioni erano destinate a una singola persona. I computer collegati a Ethernet devono quindi filtrare ciò che è loro destinato o meno. Questo tipo di comunicazione “qualcuno parla, tutti sentono” di Ethernet era uno dei suoi punti deboli, perché, mentre uno dei nodi trasmette, tutte le macchine della rete ricevono e devono, a loro volta, osservare il segnale silenzio. Ciò significa che una comunicazione ad alta velocità tra due sole stazioni potrebbe saturare un'intera rete locale.
Allo stesso modo, poiché le possibilità di collisione sono proporzionali al numero di trasmettitori e ai dati inviati, la rete diventa estremamente congestionata oltre il 50% della sua capacità (indipendentemente dal numero di sorgenti di traffico).
A seconda del bit rate utilizzato, si deve tener conto del dominio di collisione governato dalle leggi della fisica e in particolare della velocità finita di propagazione dei segnali in un cavo di rame. Se non vengono rispettate le distanze massime tra le macchine, il protocollo CSMA/CD diventa non operativo e il rilevamento delle collisioni non funziona più correttamente.
topologiaStoricamente Ethernet utilizzava bus su cavi coassiali , in particolare del tipo 10BASE5 e poi 10BASE2 . Successivamente è stato adattato in 10BASE-T per utilizzare topologie fisiche a stella su cavo twistato , i peer sono collegati agli hub ( hub ) , il che non altera la natura di Ethernet: la topologia logica rimane bus , il mezzo rimane condiviso, tutti riceve tutti i frame, c'è sempre un solo segmento , tutti vedono le collisioni.
Domini di diffusione e collisioneEthernet è una rete di tipo broadcast , ovvero è possibile inviare (anche in successivi aggiornamenti, su richiesta) un determinato frame a tutte le stazioni collegate alla rete Ethernet, che costituisce quindi un dominio broadcast .
È possibile collegare due Ethernet segmenti mediante un ponte che ripeterà e ritrasmettere identicamente (diversamente da un router ) i fotogrammi da un segmento all'altro segmento . I due segmenti così connessi formano un unico dominio di diffusione , d'altra parte formano ciascuno il proprio dominio di collisione (le collisioni non attraversano il ponte ).
Per risolvere i problemi legati alle collisioni, sono stati sviluppati gli switch ( switch ) per massimizzare la banda disponibile, occupando i doppini del cavo (e successivamente aggiungendo la fibra ottica). Uno switch è una sorta di bridge multiporta , con ogni collegamento punto-punto tra un host e lo switch che è quindi un segmento con il proprio dominio di collisione . In questo caso, le caratteristiche di Ethernet cambiano notevolmente:
Storicamente Ethernet è uno standard de facto descritto fin dal 1980 dalle specifiche Ethernet/DIX. Inoltre, l'IEEE ha pubblicato il proprio standard IEEE 802.3 nel 1983, traendo ispirazione da questo standard de facto. Esiste quindi infatti uno standard Ethernet II/DIX da un lato (dal 1982) e uno standard IEEE 802.3 dall'altro (dal 1983). I due standard sono interoperabili. Successivamente, gli aggiornamenti normativi sono stati formalizzati dall'IEEE , e 802.3 ha inoltre preso ufficialmente in considerazione aspetti del DIX nel 1998 (revisione 802.3-1998).
Sebbene implementi il livello fisico (PHY) e il sottolivello Media Access Control (MAC) del modello IEEE 802.3 , il protocollo Ethernet è classificato nei livelli di collegamento dati (livello 2) e fisico (livello 1) del modello OSI . In 802.3 , il livello 802.2 Logical Link Control (LLC) forma la cerniera tra i livelli superiori e il sottolivello Media Access Control (MAC) che è parte integrante del processo 802.3 con il livello fisico ; i formati di frame definiti dallo standard sono standardizzati e possono essere incapsulati in protocolli diversi dai propri livelli fisici MAC e PHY . Questi strati fisici sono oggetto di standard separati a seconda dei bit rate, del mezzo di trasmissione, della lunghezza dei collegamenti e delle condizioni ambientali.
Ethernet è stato standardizzato con il nome IEEE 802.3 :
Esistono quattro tipi di frame Ethernet (a parte l'Ethernet Experimental del 1975):
Questi diversi tipi di frame hanno formati differenti ma possono coesistere e distinguersi l'uno dall'altro sullo stesso supporto fisico dai membri della rete.
La differenza fondamentale tra i frame Ethernet II e altri frame è l'uso del campo a 16 bit (cioè 2 byte) situato dopo gli indirizzi MAC :
Per convenzione, i valori di questo campo compresi tra 0 e 1500 indicano una dimensione del payload e quindi consentono di identificare un frame Ethernet 802.3; e valori più grandi indicano un EtherType e l'uso del formato Ethernet II. Questo duplice uso dello stesso campo giustifica il suo nome attuale di campo lunghezza/tipo.
L' IEEE 802.3 avendo inizialmente definito questo campo a 16 bit dopo gli indirizzi MAC come la lunghezza del payload, viene utilizzato un nuovo campo per specificare il payload trasportato ed i livelli e le tipologie di servizio utilizzati ( Service Access Point ). I frame 802.3 devono quindi avere un campo LLC di 3 byte definito dallo standard IEEE 802.2 . Il LLC essendo troppo piccolo per possibili necessità, un ulteriore SNAP campo da 5 byte è stato definito in seguito, che possono essere utilizzati come opzione. Esaminando il campo LLC è possibile determinare se è seguito o meno da un campo SNAP .
Inoltre, Novell ha utilizzato frame 802.3 senza LLC (prima della standardizzazione IEEE 802.2) nel suo sistema operativo Netware per superare il protocollo IPX . Netware essendo stato molto diffuso (un tempo), questo non standard è diventato uno.
Tipo di telaio | EtherType o lunghezza | Primi due byte del payload |
---|---|---|
Ethernet II | ≥ 1536 | Non importa |
Novell non elaborato IEEE 802.3 | 1500 | 0xFFFF |
IEEE 802.2 LLC | 1500 | Altro |
SNAP IEEE 802.2 | 1500 | 0xAAA |
Nota: i valori del campo Lunghezza/tipo compresi tra 1.500 e 1.536 non sono definiti e non dovrebbero mai essere utilizzati.
livello OSI | Preambolo | Inizio del delimitatore di frame | Destinazione MAC | Sorgente MAC | Etichetta 802.1Q (opzionale) | Ethertype ( Ethernet II ) o lunghezza ( IEEE 802.3 ) | LLC / SNAP (se 802.3) + Payload | Sequenza di controllo dei frame ( CRC a 32 bit ) | Ritardo tra pacchetti (InterPacket Gap) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
7 byte | 1 byte | 6 byte | 6 byte | (4 byte) | 2 byte | 46-1.500 byte | 4 byte | 12 byte | |
Livello 2: telaio Ethernet | 64–1522 byte → | ||||||||
Livello 1: pacchetto Ethernet e IPG | 72–1530 byte → | 12 byte → |
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14… 1513 | 1514 | 1515 | 1516 | 1517 |
Indirizzo MAC di destinazione | Indirizzo MAC di origine | Tipo di protocollo | Dati | FCS / CRC |
Esempio di un frame Ethernet II ( Informazioni estratte dal documento di G. Requilé del CNRS e adattate):
Il campo Tipo di protocollo per i frame Ethernet II può assumere, tra gli altri, i seguenti valori:
La maggior parte degli sviluppi successivi sono resi possibili dall'implementazione di Ethernet commutata.
Una stazione e uno switch che si collegano insieme possono utilizzare la negoziazione automatica , ovvero negoziano automaticamente senza che sia necessaria una configurazione preventiva, gli elementi della comunicazione Ethernet tra cui velocità, duplex e se utilizzare o meno il controllo di flusso.
In Ethernet commutata, tutte le stazioni della rete possono comunicare contemporaneamente (oa velocità diverse, il supporto fisico non è condiviso), quindi è possibile che una stazione per la sua porta venga saturata in ricezione da più comunicazioni in ingresso. Lo switch può quindi memorizzare e/o distruggere temporaneamente i frame che non possono essere trasmessi, oppure optare per altri metodi come la contropressione o i frame di pausa.
ContropressioneIn questo caso lo switch genera un segnale di collisione fittizio verso la stazione trasmittente (infatti non c'è collisione poiché è commutato Ethernet, full-duplex, ma questo segnale viene sempre preso in considerazione) , che ne interrompe temporaneamente la trasmissione.
Frame di pausa: 802.3x e 802.1QbbIEEE 802.3x definisce un tipo di frame di pausa che un dispositivo il cui collegamento è saturato in ricezione può inviare per silenziare il trasmettitore fino a quando il collegamento non è più saturato, fornendo così un meccanismo di controllo del flusso standardizzato.
Tuttavia, questo standard non consente di essere specifici in base al traffico (nessuna considerazione di tipi o classi di traffico), tutto il traffico della stazione viene interrotto. Di conseguenza, i frame di pausa che tengono conto delle classi di servizio sono standardizzati dallo standard IEEE 802.1Qbb (controllo del flusso Ethernet che tiene conto delle priorità 802.1p ).
Lo standard IEEE 802.1Q consente alle reti virtuali di circolare all'interno della rete Ethernet fisica, distinguendo i frame di ciascuna VLAN (Virtual LAN) da un identificatore a 12 bit da 1 a 4095. Contiene inoltre una classe di valore di servizio ( 802.1p ) su 3 bit.
Qualità del servizio (802.1p)Lo standard IEEE 802.1Q , oltre a definire le VLAN, prevede anche un valore di classe di servizio a 3 bit ( 802.1p ) che permette di classificare e discriminare 8 classi di traffico (Classes of Service - Class of Service o CoS) per eventuale elaborazione da parte di un meccanismo Quality of Service / QoS (Quality of Service) .
È ora possibile per uno switch verificare l'identità della stazione e/o dell'utente prima di consentirgli di accedere alla rete (ed eventualmente inserirlo in una determinata VLAN), grazie allo standard IEEE 802.1X .
Gli standard IEEE 802.3af e IEEE 802.3at consentono a uno switch di fornire alimentazione alle apparecchiature collegate in doppino come parte del concetto di Power over Ethernet (PoE) .
La sezione seguente fornisce un breve riepilogo di tutti i tipi di supporti Ethernet. Oltre a tutti questi standard ufficiali, diversi produttori hanno implementato tipi di supporti proprietari per diversi motivi, a volte per supportare distanze maggiori su fibre ottiche .
(cfr. cerchio CREDO)
Lo standard Ethernet 10 gigabit al secondo copre sette diversi tipi di media per LAN , MAN e WAN . È stato specificato dallo standard IEEE 802.3ae , la cui prima pubblicazione risale al 2002 , poi è stato incorporato in una revisione di IEEE 802.3 . La versione 10 Gbit/s Ethernet è 10 volte più veloce di Gigabit Ethernet; questo è vero solo fino al livello MAC.
Queste due famiglie di standard (40GBASE e 100GBASE) sono state inizialmente definite nel 2010 sotto lo standard IEEE 802.3ba .
Queste due famiglie di standard (200GBASE e 400GBASE) sono state definite nel dicembre 2017 secondo lo standard IEEE 802.3bs .
10 Gigabit Ethernet e versioni successive supportano solo la modalità full duplex .
Sui supporti in fibra, la modalità LAN opera ad una velocità di linea, a livello di fibra, di 10,3 Gbit/s che rappresenta la velocità MAC di 10 Gbit/s ponderata con rapporto 66/64 relativo alla codifica del layer PCS utilizzando il codice di linea 64B66B . La velocità eccessiva di questo codice è del 3%, rispetto al 25% del codice 8B10B in modalità Gigabit Ethernet.
Esiste una modalità WAN PHY che consente il trasporto di frame 10 Gigabit Ethernet su collegamenti SDH o SONET ancora presenti in molte reti. La modalità WAN PHY opera a un bit rate leggermente inferiore a 10Gbe, ovvero 9.953.280 kbit/s (che corrisponde al rate STM64/OC192). Il contenitore virtuale 64c o 192c porta i codici 64B66B.
Vari produttori (Fiberxon, Sumitomo , Finisar, ecc.) offrono moduli ottici (o in rame, a seconda della tecnologia utilizzata) chiamati ricetrasmettitori in inglese, consentendo l'interoperabilità. Questi moduli convertono il segnale ottico (lato linea) in un segnale elettrico differenziale (lato hardware) alla velocità di 10,3 Gbit/s ; è quindi l'equivalente del livello PHY al livello PMD del modello OSI .
Esistono diversi standard per questi ricetrasmettitori , ad esempio (in 10 Gb/s): XENPAK, XPAK, X2, XFP (standardizzato secondo il gruppo XFP MSA), SFP+ (standardizzato secondo lo Small Form Factor Committee).
Questo segnale da 10 Gbit/s , troppo veloce al momento della sua standardizzazione, non poteva essere processato direttamente, quindi doveva essere parallelizzato, generalmente su 64 bit. Circuiti dedicati specializzati consentono questa conversione.
Il termine serdes deriva dall'inglese serializzare/deserializzare .
Il codice online utilizzato 64B66B trasforma il formato XGMII (64 bit di dati più 8 bit di controllo) in parole a 66 bit. L'obiettivo è multiplo:
Il codice a 66 bit è composto da due bit di sincronizzazione seguiti da 64 bit di dati.
I 64 bit di dati vengono criptati da uno scrambler auto-sincronizzato.
A questo livello troviamo un formato MII equivalente, i seguenti livelli: collegamento dati (MAC), rete (IP), trasporto (TCP/UDP) operando in modo simile a Gigabit Ethernet.