Standardy Ethernet

Ethernet jako rodzina technologii LAN

Ethernet to rodzina przewodowych technologii sieciowych, stosowanych przede wszystkim w sieciach lokalnych (LAN), a także w sieciach dostępowych i miejskich (MAN). W sieciach rozległych (WAN) występuje między innymi jako technologia usług operatorskich. Prototypy Ethernetu rozwijano w Xerox PARC w latach 70., między innymi w ramach prac Roberta Metcalfe'a. Opis Metcalfe'a i Davida Boggsa opublikowano w 1976 roku, a IEEE później ujęło tę technologię w standardach 802.3. Jej rozpowszechnienie wiąże się z prostą strukturą, niskim kosztem wdrożenia i szerokim wyborem mediów transmisyjnych.

Znaczenie Ethernetu wynika między innymi ze standaryzacji. Grupa robocza IEEE 802.3 definiuje specyfikacje warstwy fizycznej i podwarstwy MAC dla Ethernetu. Zgodność z odpowiednimi częściami standardu pozwala urządzeniom różnych producentów współpracować przy tych samych parametrach PHY i MAC.

Klasyczny Ethernet 10 Mb/s

Pierwsze standardy Ethernet działały z prędkością 10 Mb/s i korzystały ze współdzielonego medium, do którego urządzenia były podłączone w ramach jednej domeny komunikacyjnej.

Standardy koncentryczne, topologia magistrali

• 10Base-5 (Thicknet): Ten wczesny standard Ethernet używał grubego, sztywnego kabla koncentrycznego jako wspólnego szkieletu. Urządzenia podłączano za pomocą „wampirków” (vampire taps), które przebijały izolację, aby nawiązać kontakt. Maksymalna długość segmentu wynosiła 500 metrów.
• 10Base-2 (Thinnet): Tańszy i bardziej elastyczny następca wykorzystywał cieńszy kabel koncentryczny. Urządzenia były łączone szeregowo za pomocą złączy BNC typu T. Maksymalna długość segmentu wynosiła 185 metrów. Oba te standardy tworzyły jedną domenę kolizyjną, co oznaczało, że kolizje były normalnym elementem działania, zarządzanym przez protokół CSMA/CD.

10BASE-T, topologia gwiazdy

Wprowadzenie 10Base-T upowszechniło fizyczną topologię gwiazdy w miejsce magistrali. Każde urządzenie było podłączone własnym kablem do urządzenia centralnego.

• Medium: Wykorzystywano nieekranowaną skrętkę (UTP) kategorii 3 lub 5, zwykle zakończoną złączem 8P8C nazywanym RJ-45.
• Urządzenie centralne: Początkowo urządzenia były podłączane do Koncentratora (Huba). Hub działa jak prosty regenerator wieloportowy, co oznacza, że kopiuje przychodzące dane na wszystkie inne porty. Logicznie sieć nadal zachowywała się jak magistrala, ze wszystkimi urządzeniami w tej samej domenie kolizyjnej. Później huby zostały zastąpione przełącznikami wykonującymi selektywne przekazywanie ramek.
• Zalety: Awaria jednego kabla zwykle dotyczyła pojedynczego łącza, co ułatwiało diagnostykę i ograniczało jej wpływ na pozostałe urządzenia.

Fast Ethernet: 100 Mb/s

Wzrost wymagań aplikacji doprowadził do rozwoju Fast Ethernet, standaryzowanego jako IEEE 802.3u. Standard zwiększył nominalną prędkość dziesięciokrotnie, do 100 Mb/s.

• 100Base-TX: Dominujący standard dla Fast Ethernet po miedzi. Wymaga dwóch par przewodów w kablu UTP kategorii 5 (lub lepszej). Przez wiele lat stał się de facto standardem dla połączeń LAN.
• 100Base-FX: Światłowodowa wersja Fast Ethernet. Używa dwóch włókien światłowodu wielomodowego(jednego do nadawania, drugiego do odbierania). Przy określonych warunkach i pełnym dupleksie zasięg może wynosić do 2 km.

Gigabit Ethernet: 1 Gb/s

Kolejne dziesięciokrotne zwiększenie prędkości przyniosło Gigabit Ethernet (1000 Mb/s), stosowany między innymi w połączeniach serwerowych i szkieletach sieciowych.

Gigabit po miedzi, 1000BASE-T

Standaryzowany jako IEEE 802.3ab, 1000Base-T wykorzystuje wszystkie cztery pary kabla kategorii 5e lub lepszej do jednoczesnej transmisji w obu kierunkach (pełny dupleks). Wymaga to przetwarzania sygnału i eliminacji echa.

Gigabit po światłowodzie, 1000BASE-X

Standaryzowana jako IEEE 802.3z, ta rodzina obejmuje wersje światłowodowe do połączeń szkieletowych:

• 1000Base-SX: Używa laserów o krótkiej fali (S), około 850 nm, na światłowodzie wielomodowym. Zasięg do 550 metrów zależy od klasy włókna.
• 1000Base-LX: Używa laserów o długiej fali (L), około 1310 nm, na światłowodzie wielomodowym (typowo do 550 m), jak i jednomodowym (typowo do 5 km).

10 Gigabit Ethernet i wyższe prędkości

10 Gigabit Ethernet (10 Gb/s) rozszerzył zastosowania Ethernetu na połączenia dostępowe, centra danych i wybrane sieci miejskie.

• 10GBASE-T: Zapewnia 10 Gb/s po miedzi. Pełny kanał o długości 100 metrów wymaga kabla kategorii 6A lub lepszej, w tym kategorii 7, przy zachowaniu parametrów określonych dla instalacji.
• 10GBASE-SR/LR/ER: Rodzina standardów światłowodowych dla różnych odległości: Short Reach (około 300 m na MMF), Long Reach (10 km na SMF) i Extended Reach (40 km na SMF).
• 10GBASE-LX4: Standard wykorzystujący zgrubną multipleksację falową (CWDM) do przesyłania czterech długości fal jedną parą włókien wielomodowych, aby osiągnąć 10 Gb/s.

Ethernet 40 Gb/s i 100 Gb/s

Standaryzowane w IEEE 802.3ba prędkości 40 i 100 Gb/s wykorzystują równoległe tory transmisyjne. Część standardu definiująca zależności od medium fizycznego jest opisana przez podwarstwę PMD (Physical Medium Dependent).

Standardy i technologie

• 40GBASE-SR4 i 100GBASE-SR10: Są to standardy krótkiego zasięgu na równoległym światłowodzie wielomodowym. 40G używa 4 torów po 10 Gb/s każdy, zwykle 8 włókien dla obu kierunków. 100G używa 10 torów po 10 Gb/s każdy, zwykle 20 włókien.
• 40GBASE-LR4 i 100GBASE-LR4: Są to standardy dalekiego zasięgu na jednej parze włókien jednomodowych. Zamiast równoległych włókien wykorzystują multipleksację falową (WDM) do przesyłania 4 oddzielnych długości fal („kolorów”). Dla 40G każda fala niesie 10 Gb/s, a dla 100G każda fala niesie 25 Gb/s.
• 100GBASE-ER4: Odmiana Extended Reach określona w rodzinie standardów 100G, zdolna do transmisji 100 Gb/s na odległość do 40 km po włóknie jednomodowym.

IEEE P802.3df zakończył się przyjęciem IEEE Std 802.3df-2024 dla Ethernetu 400 Gb/s i 800 Gb/s. IEEE P802.3dj dotyczy kolejnych prędkości, w tym 1,6 Tb/s, i pozostaje projektem, którego status zależy od etapu standaryzacji.