Ethernet и коммутация на канальном уровне

Ethernet является доминирующей технологией проводного канального уровня, определяющей формат кадра, адресацию и семейство физических сред, и сегодня она функционирует как полнодуплексная коммутируемая сеть, а не как разделяемая, подверженная коллизиям среда своего происхождения.

Definition

Ethernet — это семейство сетевых технологий канального уровня, стандартизированных как IEEE 802.3, определяющих формат кадра, MAC-адресацию и опции физического уровня, первоначально использующих CSMA/CD в общей среде и теперь преимущественно развертываемых как коммутируемые, полнодуплексные соединения.

Scope

Эта тема охватывает стандарт Ethernet и его коммутируемую работу: формат кадра Ethernet (преамбула, MAC-адреса источника и назначения, тип, полезная нагрузка и CRC), эволюцию от CSMA/CD по общему коаксиальному кабелю до полнодуплексной коммутируемой витой пары и оптоволокна, диапазон скоростей от раннего мегабитного Ethernet до мультигигабитных вариантов, а также роль коммутаторов Ethernet в современных локальных сетях и центрах обработки данных. Она дополняет более широкую тему коммутируемых локальных сетей, фокусируясь на специфике Ethernet, и исключает маршрутизацию более высоких уровней.

Core questions

• Из каких полей состоит кадр Ethernet и что делает каждое из них?
• Как Ethernet эволюционировал от общей среды CSMA/CD до коммутируемых полнодуплексных каналов?
• Какой диапазон скоростей и физических сред охватывает семейство Ethernet?
• Как коммутаторы Ethernet пересылают кадры и устраняют коллизии?
• Почему Ethernet остался доминирующим для проводных локальных сетей и сетей центров обработки данных?

Key concepts

• Формат кадра Ethernet
• MAC-адреса
• CSMA/CD (устаревшее)
• Полнодуплексный коммутируемый Ethernet
• Физические среды (витая пара, оптоволокно)
• Скорости Ethernet (Fast, Gigabit, 10G+)
• Обнаружение ошибок CRC
• Коммутаторы Ethernet

Key theories

Структура кадра Ethernet

Кадр Ethernet содержит преамбулу для синхронизации, MAC-адреса назначения и источника, поле типа/длины, полезную нагрузку переменной длины и CRC для обнаружения ошибок; этот простой, стабильный формат сохранялся на протяжении десятилетий увеличения скорости.

От общего CSMA/CD к коммутируемому полнодуплексному режиму

Исходный Ethernet использовал общую коаксиальную шину и CSMA/CD для управления коллизиями; современный Ethernet предоставляет каждому хосту выделенное коммутируемое соединение, работающее в полнодуплексном режиме, что устраняет коллизии и позволяет масштабировать пропускную способность в соответствии со скоростями портов коммутатора.

Clinical relevance

Ethernet является стандартом проводных сетей для офисов, домов и центров обработки данных, а его формат кадра является основой, на которой IP и остальная часть стека Интернета работают по локальным каналам. Его коммутируемая, полнодуплексная форма обеспечивает высокую, предсказуемую пропускную способность, от которой зависят центры обработки данных и корпоративные сети, а постоянное увеличение скорости сохраняет его центральное положение в современной инфраструктуре.

History

Меткалф и Боггс изобрели Ethernet в Xerox PARC в 1973-1976 годах, используя CSMA/CD по общему коаксиальному кабелю. Он был стандартизирован как IEEE 802.3 и развивался от 10 Мбит/с по общему коаксиальному кабелю до витой пары, затем до коммутируемой полнодуплексной работы, которая устранила коллизии, и далее через Fast, Gigabit и мульти-десятигигабитные скорости, пережив конкурирующие технологии локальных сетей, такие как Token Ring.

Key figures

• Robert Metcalfe
• David Boggs

Seminal works

• metcalfe1976
• kurose2021
• ieee8023-2018

Frequently asked questions

Использует ли Ethernet до сих пор CSMA/CD?

Современный коммутируемый Ethernet, как правило, не использует. Каждый хост имеет выделенное полнодуплексное соединение с коммутатором, поэтому коллизий нет, и CSMA/CD не требуется. Механизм остается частью стандарта для устаревших полудуплексных общих сегментов, но сегодня они встречаются редко.

Почему Ethernet пережил другие технологии локальных сетей?

Ethernet объединил простой, стабильный формат кадра с постоянным увеличением скорости, низкой стоимостью и легкой коммутацией. Его обратная совместимость и экосистема позволили ему масштабироваться от мегабит до многих гигабит без изменения базовых абстракций, что позволило ему вытеснить альтернативы, такие как Token Ring, и доминировать в проводных сетях.