Technologie Ethernetu

Fakulta informačních technologií, 612 66 Brno, Czech Republic Technologie Ethernetu Seminární práce předmětu CC3 modul CCNA1.7 Garant předmětu : Matoušek Petr, Ing., Ph.D., UIFS Vypracovali : Bc. Lukáš Zdráhal - xzdrah04@stud.fit.vutbr.cz Jan Kropáček - xkropa03@stud.fit.vutbr.cz

1.Prohlášení Prohlašujeme, že jsme tuto seminární práci vypracovali samostatně pod vedením Ing. Petra Matouška Ph.D. Další informace nám poskytli internetové zdroje a portál cisco netacademy. Uvedli jsme všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsme čerpali. 2.Abstrakt a klíčová slova Tento dokument popisuje jednotlivé technologie a stručný přehled dostupných informací týkající se Ethernetu. Úvodem je vzpomenuta historie, vývoj, který postupně přechází v konkretní popis technologií. Závěrem je uvedena budoucnost této technologie. Klíčová slova: Ethernet, síť, přenosové médium, opakovač, topologie sítě 3.Obsah 4.1 Historie vzniku technologie Ethernet...3 4.2 Vývoj technologie Ethernet...4 5.1 10 Mbit Ethernet...5 5.1.1 10BASE5...5 5.1.2 10BASE2...6 5.1.3 10BASE-T...7 5.2 100-Mbps Ethernet...8 5.2.1 100BASE-TX...8 5.2.2 100BASE-FX...9 5.3 Gigabit and 10-Gigabit Ethernet...10 5.3.1 1000 Mb/s Ethernet...10 5.3.2 1000BASE-T...10 5.3.4 1000BASE-SX a 1000BASE-LX...11 5.4 Architektura Gigabit Ethernetu...12 5.4.1 10Gb Ethernet...13 5.4.2 Architektura 10Gb Ethernetu...13 5.5 Budoucnost Ethernetu...14

4.Úvod 4.1 Historie vzniku technologie Ethernet Převzato z [2] Technologie sítí Ethernet byla vyvinuta už začátkem 70-tých let ve vývojových laboratořích firmy Xerox. Úkolem vědců, kteří pracovali ve výzkumném středisku PARC (Palo Alto Research Center) bylo propojit mezi sebou pracovní stanice Alto, které byly také ve středisku vyvíjeny. V čele týmu stál pan Robert Metcalfe, který měl 22. května 1973 odevzdat zprávu o průběhu prací a v ní potřeboval nově vznikající přenosovou technologii vhodně pojmenovat. Protože mu základní principy silně připomínaly myšlenku etheru (univerzální všeprostupující hmotná substance, díky níž se elektromagnetické vlnění může šířit úplně všude) pojmenoval ji Ethernet. První verze Ethernetu, tak jak ji koncipoval pan Metcalfe a jeho spolupracovníci, pracovala s přenosovou rychlostí 2,94 Mb/s, používala koaxiální kabel o impedanci 70 ohmů dlouhý až 1 km a od pozdějších Ethernetů se lišila i v mnoha dalších aspektech. Důležité však bylo, že již v polovině sedmdesátých let, kdy tato raná verze vznikla, se ukázala být velmi životaschopnou a atraktivní. Dokonce natolik, že přilákala pozornost dalších dvou firem, které se kolem roku 1979 zapojily do vývojových prací. Byly to firmy DEC a Intel. Nová vylepšená verze, která vznikla díky jejich úsilí v roce 1980 byla označována jako DIX (DEC, Intel, Xerox) Ethernet. Obr.4.1:První schematický náčrtek Ethernetu pořízený p. Robertem Metcalfem Převzato z [2] Pro další vývoj Ethernetu bylo velmi důležité, že firmy DEC, Intel a Xerox se rozhodly neponechat si Ethernet pouze jako své proprietární řešení, ale naopak předaly jeho specifikace a nechaly jej standardizovat. Volba standardizačního orgánu, který by se mohl také starat o další vývoj Ethernetu, padla vcelku jednoznačně na společnost IEEE. Firmy DEC, Intel a Xerox předložily návrh specifikací Ethernetu pracovní skupině IEEE 802 společnosti IEEE (konkrétně podskupině 802.3, která byla pro práci na Ethernetu záhy ustanovena). Reakce IEEE na předložený návrh byla pozitivní a předložené specifikace se posléze staly standardem IEEE - bohužel s jistými drobnými věcnými změnami, které nebyly tak úplně zanedbatelné a které odrážely poněkud odlišné představy a postoje lidí podílejících se na standardizaci Ethernetu v rámci IEEE. Původní autoři tyto odlišnosti do značné míry zapracovali do nové verze DIX Ethernetu označované jako Ethernet II. Touto úpravou ovšem původní vývojová větev Ethernetu skončila a DIX Ethernet se již dále nevyvíjel. Nebylo by to ostatně

ani v intencích autorů, kteří záměrně předali další vývoj do rukou IEEE. Obr. 4.2:Náčrt Ethernetu z patentové přihlášky. Převzato z [2] První standard Ethernetu vypracovaný organizací IEEE byl publikován v roce 1985 pod označením IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification. Zajímavostí jistě je, že samotné jméno Ethernet si jako svou značku (tzv. trademark) včas zaregistrovala firma Xerox. Z těchto příčin verze Ethernetu pocházející od IEEE formálně vůbec nenesou jméno Ethernet. Další vývoj Ethernetu se již odehrával výhradně na půdě organizace IEEE. Nikoli ale v tom smyslu, že by vlastní technická řešení byla vyvíjena právě zde - nové varianty, nová technická řešení apod. byla vyvíjena nejrůznějšími institucemi a firmami, které to z nějakého důvodu považovaly za účelné. Jakmile ale jejich řešení dospělo do stadia schopného standardizace, přicházeli s ním na půdu IEEE a teprve zde se rozhodovalo o akceptování a následné standardizaci. Tímto způsobem postupně vznikla celá řada standardů Ethernetu majících různé parametry, různá přenosová média a různé způsoby provozu. Kromě organizace IEEE se normalizací datové komunikace zabývá i mezinárodní normalizační úřad ISO (International Standards Organization), který vypracoval takzvaný referenční model OSI (Reference Model for Open System Interconection). Jeho základem je rozdělení všech činností při výměně dat do sedmi částí - vrstev realizovaných technickými nebo programovými prostředky. Každá z vrstev zajišťuje funkce pro vyšší vrstvu a využívá služeb nižší vrstvy. Mezi jednotlivými vrstvami jsou (formou standardů a doporučení) definována rozhraní (mezi vrstvové protokoly) a mezi prvky stejné vrstvy jsou definována pravidla komunikace (vrstvové protokoly). Dnes je Ethernet standardizován i normou ISO 8802/3. 4.2 Vývoj technologie Ethernet Ethernet - původní varianta s přenosovou rychlostí 10 Mb/s. Definována pro koaxiální kabel, kroucenou dvojlinku a optické vlákno. Fast Ethernet - rychlejší verze s přenosovou rychlostí 100 Mb/s definovaná standardem IEEE 802.3u. Převzala maximum prvků z původního Ethernetu (formát rámce, algoritmus CSMA/CD apod.), aby se usnadnil, urychlil a zlevnil vývoj. V současnosti ji lze považovat za základní verzi Ethernetu. Je k dispozici pro kroucenou dvojlinku a koaxiální kabel.

Gigabitový Ethernet - zvýšil přenosovou rychlost na 1 Gb/s. Opět recykloval co nejvíce prvků z původního Ethernetu, teoreticky i algoritmus CSMA/CD. V praxi je ale gigabitový Ethernet provozován pouze přepínaně s plným duplexem. Důležité je především použití stejného formátu rámce. Původně byl definován pouze pro optická vlákna (IEEE 802.3z), později byla doplněna i varianta pro kroucenou dvojlinku (IEEE 802.3ab). Deseti gigabitový Ethernet - představuje zatím poslední standardizovanou verzi. Jeho definice byla jako IEEE 802.3ae přijata v roce 2003. Přenosová rychlost činí 10 Gb/s, jako médium zatím slouží výlučně optická vlákna a opět používá stejný formát rámce. Algoritmus CSMA/CD byl definitivně opuštěn, tato verze pracuje vždy plně duplexně. V současnosti se vyvíjí jeho specifikace pro kroucenou dvojlinku. 5.Popis jednotlivých technologií Ethernetu 5.1 10 Mbit Ethernet 5.1.1 10BASE5 Tento typ Ethernetu používá jako přenosové médium koaxiální kabel o impedanci 50 ohmů a průměru 0,4 inch (asi 10 mm). Někdy je tato technologie též nazývána Thick Ethernet podle poměrně velké tloušťky použitého kabelu. Jedná se o poměrně tuhý kabel se čtyřnásobným opletením, díky kterému má vysokou odolnost proti rušení, rychlost šíření signálu je 0,77 rychlosti světla a povolený poloměr ohybu je jen 25 cm. Na vnějším plášti (vnější plášť kabelu měl většinou žlutou barvu - odtud pochází také označení Yellow Cable) jsou vyznačeny tečkou body v rozestupech 2,5 m, kam je možné připojit zařízení zvané transiever. Ten se připojuje pomocí zvláštních konektorů, které se přišroubují na označené místo na kabelu, kde se konektor jednou špičkou zapíchne až do středního vodiče a druhou do opletení. Tento způsob připojení umožňuje zapojovat stanice bez přerušení kabelu, což přináší vyšší spolehlivost a menší ztráty. Transiever obsahuje galvanicky oddělené obvody přijímače a vysílače a detektor kolize. Na svém výstupu má rozhraní AUI (Atachement Interface Unit), které je fyzicky realizováno 15-ti pinovým konektorem typu Canon. Vlastní stanice je pak připojena tzv. AUI kabelem, který je tvořen dílčími symetrickými dvojicemi vodičů o impedanci 78 ohmů a propojuje transiever a síťovou kartu Ethernet umístěnou v počítači. Délka tohoto kabelu může být až 50m. Celá síť má sběrnicovou topologii, sběrnice tvořená kabelem tlustého Ethernetu se nazývala segment. Maximální délka jednoho segmentu je 500m a maximální počet stanic na jednom segmentu je 100. Každý segment musí být na obou koncích zakončen pomocí rezistorů o stejném odporu jako je charakteristická impedance kabelu (tj. 50 ohmů), aby se zabránilo odrazům signálu na konci sběrnice, které by interferencí rušily další vysílaní.

Obr 5.1:Příklad technologie 10BASE5.Převzato z [2] Segmenty je možno spojovat pomocí aktivních prvků - opakovačů (repeater). Segmenty spojené opakovačem se pak chovají jako jeden segment a signál vyslaný z libovolné stanice se rozšíří po všech spojených segmentech, takto spojené segmenty se nazývají kolizní doména. Síť složená ze segmentů propojených opakovači může mít pouze stromovou topologii. Pro spojování segmentů platí ještě další pravidlo, které limituje maximální dobu šíření signálu médiem. Dvě stanice spolu mohou komunikovat maximálně přes 4 repeatery tj. přes 5 segmentů, ze kterých pouze 3 mohou být obsazeny stanicemi. Zapojíme-li síť tak, že využijeme všechny maximální délky kabelů, tak jak tento standard dovoluje, lze spojit počítače až na vzdálenost 2800m. 5.1.2 10BASE2 Tato technologie bývá také někdy nazývána Thin Ethernet, protože používá kabel o polovičním průměru než Thick Ethernet a někdy také bývá nazývána Cheap Ethenet vzhledem k poměrně nízké ceně této technologie. Tato technologie sítě Ethernet, která se velmi rozšířila a ještě dnes ji lze nalézt v mnoha institucích, odstraňuje hlavní nevýhodu standardu 10BASE5 - vysokou cenu kabelu a jeho nevhodné mechanické vlastnosti, které zapříčiňují komplikovanou a nákladnou instalaci. Důvodem vysoké ceny i mechanických vlastností tlustého kabelu jsou dobré elektrické vlastnosti kabelu: vysoká odolnost vůči rušení, velká rychlost šíření signálu atd. Počítačové sítě se ale běžně vyskytují v prostředích s malým rušením, kde tyto přednosti nejsou využity. Technologie 10BASE2, která je dnes standardizována normou IEEE 802.3 používá jako přenosové médium levnější koaxiální kabel o průměru 0,2 (asi 5 mm), vnitřní žíla má průměr 0,89 mm a stínění je na průměru 2,95 mm. Rychlost šíření signálu je 0,66 rychlosti světla a impedance 50 ohmů.

Používá opět sběrnicovou topologii, přenosová rychlost je 10 Mbit/s, maximální délka segmentu je 185 m a minimální vzdálenost mezi stanicemi je 0,5m. Maximální počet stanic na jednom segmentu je 30. Pro spojování segmentů platí stejné pravidlo jako u standardu 10BASE5, maximální vzdálenost, kterou lze pomocí takto překlenout, je 1555 m. Jako přístupová metoda ke sdílenému mediu je opět použita CSMA/CD. Připojení stanic ke kabelu lze provést několika způsoby: Pomocí konektoru typu BNC-T - kabel se v místě připojení stanice přeruší, opatří konektory BNC a kabel se opět spojí konektorem T, který se třetím koncem připojí přímo do síťové karty počítače. Nevýhodou tohoto způsobu je, že kabel je nutno vést ke každé stanici a případě náhodného rozpojení či jiné poruchy přestane fungovat celý segment sítě. Výhodou je naopak levná instalace takovéto sítě. Další možností je využití tzv. EAD kabelů a EAD zásuvek. V principu se jedná o smyčku, která prodlouží segment a připojí stanici. V případě nahodilého vytažení kabelu zásuvka segment automaticky propojí a zbytek sítě funguje bez problému dále. Poslední možností je využití transceiverů podobně jako u standardu 10BASE5, tato metoda je ale nejnákladnější. 5.1.3 10BASE-T 10BASE-T obecně připojuje pomocí fyzického média pracovní stanici k rozbočovači neboli k přepínači.. Rozbočovač je v podstatě mnoho portový opakovač. Rozbočovače nedělí síť do jednotlivých kolizních domén na rozdíl od mostů nebo přepínačů. Maximální vzdálenosti mezi jednotlivýma síťovými prvky jsou založeny na omezeních konkrétního fyzického média. Připojení bez opakovačů je omezeno na vzdálenosti do 100 m (328 ft). Tato vzdálenost mnohdy pro použití v síti postačuje, ovšem je třeba brát v úvahu,že délka kabeláže je mnohem větší než vzdálenost mezi počítači. Problém s překročením maximální povolené délky, je možné vyřešit

zapojením směrovače, který nám síť rozdělí do jednotlivých kolizních domén. Obr.6.3: Koncovka typu RJ-45 10BASE-T používá kódovaní typu 4B/5B,které je ještě dál zakódované pomocí kódování Manchester. Kde každý bit je zakódován jako změna napěťové úrovně: při logické 0 je detekována sestupná hrana a při logické 1 je detekována hrana vzestupná - viz obr. Obr 5.2.2: Manchester kódování. Převzato z [1] 5.2 100-Mbps Ethernet 100-Mbps Ethernet, který je známý též pod pojmem Fast Ethernet neboli rychlý Ethernet. Při tomto typu Ethernetu jsou k dispozici dva typy kabeláže: 100BASE-TX, který používá měděný drát 100BASE-FX, který používá jako médium mnohavidové optické vlákno Formát ethernetového rámce je stejný jako u 10 Mbitového Ethernetu. Obr 6.4:Rámec Ethernetu. Převzato z [1]

5.2.1 100BASE-TX V roku 1995, 100BASE-TX byla tato technologie standardizována, pomocí Kategorie 5 UTP kabelu. Tenhle typ kabelu si v oblasti uživatelů našel širokou oblibu. Původní Ethernet který pracoval na koaxiálním kabelu, používal half duplex, Co znamená že jenom jedno zařízení může vysílat v jeden okamžik. Dva roky po standardizaci Ethernetu, byl rozšířen o full duplex. 100BASE-TX používá kódovaní typu 4B/5B,které je ještě dál zakódované pomocí Multi-Level Transmit (MLT-3) kódování. Napěťová úroveň se mění (jakýmkoliv směrem) pouze při logické 1 - viz obr. Obr 5.2.2: MLT-3 kódování. Převzato z [1] 100BASE-TX je schopné přenést 100 Mbps dat v half-duplex módu. Ve full-duplex mode, 100BASE-TX umožňuje stanicím vyměnit 200 Mbps dat za sekundu. 5.2.2 100BASE-FX Po příchodu Fast-Ethernetu založeném na měďeném médiu bylo požadováno pro použití v specializované oblasti také využití optického vlákna. Jedná se hlavně o prostory s velikým elektromagnetickým rušením resp. vedení signálu na delší vzdálenosti 100BASE-FX se i přes výhody optického média v praxi moc neuplatnilo, protože vysokou cenu a problematiku instalace vyřešil i po stránkách rychlosti Gigabitový Ethernet, ať už po měďeném neboli optickém médiu. Na rozdíl od 100Mbitové měďené technologie používá kódování NRZI. Funguje stejně jako MLT-3 akorát na 2 napěťových úrovních - viz obr.

Obr 5.2.3: NRZI kódování. Převzato z [1] 5.3 Gigabit and 10-Gigabit Ethernet 5.3.1 1000 Mb/s Ethernet 1000Mb/s Ethernet se realizuje pomocí 2 technologií: Standart 1000BASE-T, (IEEE 802,3ab) kde se používá UTP kabel kategorie 5 nebo vyšší. Standart 1000BASE-X, (IEEE 802,3z) kde se využívá optického kabelu. Obr 5.3.2: Vlastnosti 1000BASE-T. Převzato z [1] Rozdíly mezi Ethernetem, Fast Ethernetem a Gigabit Ethernetem jsou na fyzické úrovni. Čím je počet bitu přenesených za sekundu větší tak tím se zmenšuje časový parametr. Z toho vyplývá, že výsledná frekvence na kabelu jsou vyšší, což činí extrémní nároky na měděné medium. Standarty 1000BASE-TX, 1000BASE-SX a 1000BASE-LX mají stejný časový parametr 1ns (1 bilion bitu za sekundu). Gigabit Ethernetový rámec má stejný formát jaký se využívá v 10 a 100 Mb/s Ethernetu.

V důsledku toho používají některé Gigabit Ethernetové technologie různé metody na převod rámců na bity, které jdou fyzicky po kabelu. 5.3.2 1000BASE-T 1000BASE-T standart byl zaveden aby navýšil šířku pásma v těch místech kde přestal vyhovovat Fast Ethernet. Nejprve se začal používat na páteřních sítích mezi budovami, v serverových sálech a mezi linkami přepínače. Dnes se využívá i k připojení koncových stanic. Fast Ethernet byl navržen aby fungoval na kabelech kategorie 5. Většina UTP kabelů kategorie 5 splňuje i podmínky kategorie 5e. To je důležité pro standart 1000BASE-T, že může nahradit stávající 10BASE-T a 100BASE-TX. Toho lze dosáhnout tak, že budeme používat všechny 4 kroucené páry, místo tradičních 2. To znamená rychlost 250Mb/s na pár při 1000Mb/s. Posílaný rámec se rozdělí na 4 části, pošle se po 4 párech a na konci se zase složí zpět. Používá se kódování 4D-PAM5. K přenosu slouží 17 napěťových úrovní. Díky tomuto vysokému číslu, je zde větší problém se šumem a rušením. Obr 5.3.4:Zapojení kabelu 1000BASE-T. Převzato z [1] 5.3.4 1000BASE-SX a 1000BASE-LX Gigabit Ethernet Standart IEEE 802.3 doporučuje používat Gigabit Ethernet pomocí optických vlákna na páteřních sítích. Výhody těchto technologií je velká šumová imunita, možnost použití na delší vzdálenosti a odpadající problémy s potenciálem v uzemnění. 1000BASE-X používá 8B/10B kódování konvertované na Non-Return to Zero (NRZ) přímé kódování. NRZ signály jsou potom impulzy na vláknech. Buď krátké nebo dlouhé vlnové délky ve světelném zdroji. Používaná vlnová délka pro multimódový SX- 850nm (laser nebo LED) a pro singlemód a multimódový LX- 1310nm. Maximální délka kabelu které lze dosáhnout je při LX single-módu 5 km. Při přenosu je povolen jen 1 opakovač.

Označení vláken: Tx, vysílání Rx, čtení, příjem dát Obr 5.3.3:Maximální vzdálenosti, porovnání technologií. Převzato z [1] 5.4 Architektura Gigabit Ethernetu Limit vzdáleností při plném duplexu je limitován jen médiem a ne oběhovým zpožděním. Protože je Gigabit Ethernet většinou využíván, mezi přepínači, jsou hodnoty v tabulkách praktický maximální vzdálenosti mezi těmito zařízeními. Obr 5.4.1:Maximální vzdálenosti 1000BASE-LX. Převzato z [1] Obr 5.4.2:Maximální vzdálenosti 1000BASE-SX. Převzato z [1]

1000BASE-T UTP kabel je stejný jako 10BASE-T a 100BASE-TX, z čehož vyplývá, že maximální vzdálenost je 100m. 5.4.1 10Gb Ethernet Standart IEEE 802.3ae zavádí 10Gigabit Ethernetový přenos v plném duplexu po optických vláknech. 10GbE byl vyvinut pro MANs a WANs siťe. 10GbE má stejný formát rámců jako jeho předchůdci. Má časový parametr 0,1nm (10 bilionů bitu za sekundu) a pouze v režimu full duplex. Maximální délka kabelu je 40 km. Je flexibilní, výkonný a spolehlivý. TCP/IP může běžet přes LANs, MANs, WANs s jednou layer 2 transportní metodou. Dělení: 10GBASE-SR v multimódu 26-82 m 10GBASE-LX4 v multimódu 240-300 m, v single-módu až 10 km 10GBASE-LR a 10GBASE-ER v single-módu 10 40 km 10GBASE-SW, 10GBASE-LW a 10GBASE-EW vzchází z 10GBASE-W, umí pracovat s SONET/SDH WAN 5.4.2 Architektura 10Gb Ethernetu Obr 5.4.1:vlastnosti 10Gbs Ethernetu. Převzato z [1] Důležitým faktorem je synchronizace, protože trvání jednoho bitu je krátké a je ho tudíž těžší rozeznat od šumu. Pro 10GbE se používá technologie Wide Wavelength Division Multiplex (WWDM), která používá 4 simultánních bitových streamu na různých vlnových délkách v 1 vláknu.

Obr 5.4.2:Skládání více signálu. Převzato z [1] Produkty pro 10GbE jsou formou zásuvných modulů, a prodávají se jen pro ty nejlepší přepínače a směšovače. Pro 10GbE existují jen optická média. Není zde podporován half-duplex mód a ani opakovače. 5.5 Budoucnost Ethernetu IEEE a 10-Gigabit Ethernet Alliance pracují na 40, 100, dokonce na 160Gb/s standardech. Budoucnost síťových médií: měděné( do 1Gb/s, možná i víc) bezdrátové (přibližují se 100Mbps) optické vlákna ( na 10Gb/s, brzy bude víc) Při polovičním duplexu jsou možnosti kolizí, proto nejsou vhodné pro Quality of Service (QoS), ale uplatní se pro IP telefonii a video vysílání. 6.Otázky k procvičení 1.Jaké jsou typické topologie sítí při použití Ethernetu? 2.Popište výhody a nevýhody jednotlivých topologií. 3.Popište rozdíly mezi použitím koaxiálního kabelu, kroucené dvojlinky a optickým kabelem. V jakých případech je je možné použít? 4.Popište rozdíly mezi FULL-DUPLEX a HALF-DUPLEX

5.Proč je uvedena u jednotlivých technologií Ethernetu povolená délka kabeláže? 7.Použitá literatura [1] Cisco Networking academy Program, Cisco Systems, Module 1.7 Ethernet Technologies [2] Historie vzniku sítě Ethernet, V.Čejpa,T.Čejpa, 18. únor 2007. Dokument dostupný na URL http://site.the.cz/index.php?id=24 (únor 2007).