อีเทอร์เน็ตและการสลับข้อมูลระดับลิงก์

อีเทอร์เน็ตเป็นเทคโนโลยีระดับลิงก์แบบมีสายที่โดดเด่น ซึ่งกำหนดรูปแบบเฟรม การระบุแอดเดรส และตระกูลของสื่อทางกายภาพ และปัจจุบันทำงานเป็นเครือข่ายแบบสลับข้อมูลแบบฟูลดูเพล็กซ์ แทนที่จะเป็นสื่อที่ใช้ร่วมกันและมีแนวโน้มที่จะเกิดการชนกันเหมือนในยุคเริ่มต้น

Definition

อีเทอร์เน็ตคือตระกูลของเทคโนโลยีเครือข่ายระดับลิงก์ที่ได้รับการกำหนดมาตรฐานเป็น IEEE 802.3 ซึ่งระบุรูปแบบเฟรม การระบุแอดเดรส MAC และตัวเลือกชั้นกายภาพ เดิมใช้ CSMA/CD บนสื่อที่ใช้ร่วมกัน และปัจจุบันส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้เป็นลิงก์แบบสลับข้อมูลฟูลดูเพล็กซ์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมมาตรฐานอีเทอร์เน็ตและการทำงานแบบสลับข้อมูล: รูปแบบเฟรมอีเทอร์เน็ต (พรีแอมเบิล, แอดเดรส MAC ต้นทางและปลายทาง, ชนิด, เพย์โหลด, และ CRC), วิวัฒนาการจาก CSMA/CD บนสายโคแอกเชียลที่ใช้ร่วมกันไปสู่สายคู่บิดเกลียวและใยแก้วนำแสงแบบสลับข้อมูลฟูลดูเพล็กซ์, ช่วงความเร็วตั้งแต่อีเทอร์เน็ตเมกะบิตยุคแรกไปจนถึงรุ่นมัลติ-กิกะบิต, และบทบาทของสวิตช์อีเทอร์เน็ตใน LAN และศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่ หัวข้อนี้เสริมหัวข้อ LAN แบบสลับข้อมูลที่กว้างขึ้นโดยเน้นที่รายละเอียดเฉพาะของอีเทอร์เน็ต และไม่รวมการกำหนดเส้นทางระดับที่สูงกว่า

Core questions

• ฟิลด์ใดบ้างที่ประกอบเป็นเฟรมอีเทอร์เน็ต และแต่ละฟิลด์ทำหน้าที่อะไร?
• อีเทอร์เน็ตมีวิวัฒนาการจากสื่อ CSMA/CD ที่ใช้ร่วมกันไปสู่ลิงก์ฟูลดูเพล็กซ์แบบสลับข้อมูลได้อย่างไร?
• ตระกูลอีเทอร์เน็ตครอบคลุมช่วงความเร็วและสื่อทางกายภาพใดบ้าง?
• สวิตช์อีเทอร์เน็ตส่งต่อเฟรมและขจัดปัญหาการชนกันได้อย่างไร?
• เหตุใดอีเทอร์เน็ตจึงยังคงเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับเครือข่ายท้องถิ่นแบบมีสายและเครือข่ายศูนย์ข้อมูล?

Key concepts

• รูปแบบเฟรมอีเทอร์เน็ต
• แอดเดรส MAC
• CSMA/CD (แบบเก่า)
• อีเทอร์เน็ตแบบสลับข้อมูลฟูลดูเพล็กซ์
• สื่อทางกายภาพ (สายคู่บิดเกลียว, ใยแก้วนำแสง)
• ความเร็วอีเทอร์เน็ต (Fast, Gigabit, 10G+)
• การตรวจจับข้อผิดพลาด CRC
• สวิตช์อีเทอร์เน็ต

Key theories

โครงสร้างเฟรมอีเทอร์เน็ต

เฟรมอีเทอร์เน็ตประกอบด้วยพรีแอมเบิลสำหรับการซิงโครไนซ์, แอดเดรส MAC ปลายทางและต้นทาง, ฟิลด์ชนิด/ความยาว, เพย์โหลดที่มีความยาวผันแปรได้, และ CRC สำหรับการตรวจจับข้อผิดพลาด; รูปแบบที่เรียบง่ายและเสถียรนี้ยังคงอยู่ตลอดหลายทศวรรษของการเพิ่มความเร็ว

จาก CSMA/CD แบบใช้ร่วมกันไปสู่ฟูลดูเพล็กซ์แบบสลับข้อมูล

อีเทอร์เน็ตดั้งเดิมใช้บัสโคแอกเชียลร่วมกันและใช้ CSMA/CD เพื่อจัดการการชนกัน; อีเทอร์เน็ตสมัยใหม่ให้โฮสต์แต่ละเครื่องมีลิงก์สลับข้อมูลเฉพาะที่ทำงานแบบฟูลดูเพล็กซ์ ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการชนกันและทำให้ความจุสามารถปรับขนาดได้ตามความเร็วพอร์ตสวิตช์

Clinical relevance

อีเทอร์เน็ตเป็นมาตรฐานเครือข่ายแบบมีสายสำหรับสำนักงาน บ้าน และศูนย์ข้อมูล และรูปแบบเฟรมของมันเป็นพื้นฐานที่ IP และส่วนที่เหลือของสแต็กอินเทอร์เน็ตใช้ในการสื่อสารผ่านลิงก์ภายใน รูปแบบฟูลดูเพล็กซ์แบบสลับข้อมูลของมันให้ปริมาณงานที่สูงและคาดการณ์ได้ ซึ่งศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายองค์กรพึ่งพา และการปรับขนาดความเร็วอย่างต่อเนื่องทำให้มันยังคงเป็นหัวใจสำคัญของโครงสร้างพื้นฐานสมัยใหม่

History

เมตคาล์ฟและบ็อกส์ได้ประดิษฐ์อีเทอร์เน็ตที่ Xerox PARC ในปี 1973-1976 โดยใช้ CSMA/CD บนสายโคแอกเชียลที่ใช้ร่วมกัน มันได้รับการกำหนดมาตรฐานเป็น IEEE 802.3 และพัฒนาจากสายโคแอก 10 Mbps ที่ใช้ร่วมกันไปสู่สายคู่บิดเกลียว จากนั้นไปสู่การทำงานแบบฟูลดูเพล็กซ์แบบสลับข้อมูลที่ขจัดปัญหาการชนกัน และต่อเนื่องไปสู่ความเร็ว Fast, Gigabit และ multi-ten-gigabit ซึ่งอยู่รอดได้นานกว่าเทคโนโลยี LAN คู่แข่ง เช่น Token Ring

Key figures

• Robert Metcalfe
• David Boggs

Seminal works

• metcalfe1976
• kurose2021
• ieee8023-2018

Frequently asked questions

อีเทอร์เน็ตยังคงใช้ CSMA/CD หรือไม่?

โดยทั่วไปแล้ว อีเทอร์เน็ตแบบสลับข้อมูลสมัยใหม่ไม่ได้ใช้ แต่ละโฮสต์มีลิงก์ฟูลดูเพล็กซ์เฉพาะไปยังสวิตช์ ดังนั้นจึงไม่มีการชนกันและ CSMA/CD จึงไม่จำเป็น กลไกนี้ยังคงเป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานสำหรับส่วนที่ใช้ร่วมกันแบบฮาล์ฟดูเพล็กซ์แบบเก่า แต่ปัจจุบันพบได้น้อยมาก

เหตุใดอีเทอร์เน็ตจึงอยู่รอดได้นานกว่าเทคโนโลยี LAN อื่นๆ?

อีเทอร์เน็ตรวมรูปแบบเฟรมที่เรียบง่ายและเสถียรเข้ากับการเพิ่มความเร็วอย่างต่อเนื่อง ต้นทุนต่ำ และการสลับข้อมูลที่ง่ายดาย ความเข้ากันได้แบบย้อนหลังและระบบนิเวศของมันทำให้สามารถปรับขนาดจากเมกะบิตไปเป็นหลายกิกะบิตได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนนามธรรมพื้นฐาน ทำให้สามารถแทนที่ทางเลือกอื่น เช่น Token Ring และครองเครือข่ายแบบมีสายได้