Dintre tehnologiile de reþea existente azi, Ethernet este cea mai populara, fiind disponibila oricui. Aceasta deschidere combinata cu uºurinþa in utilizare ºi robusteþea au dus la extraordinara raspandire a sistemelor Ethernet. Majoritatea producatorilor de calculatoare echipeaza computerele cu elemente din gama 10-Mbps pentru a permite legarea lor intr-un LAN (de asemenea sunt echipate cu elemente din gama 100-Mbps, ce permit operarea atat la 100-Mbps cat ºi la 10-Mbps). Ethernet permite interconectarea in LAN-uri a unor computere diverse ºi a unor elemente de tehnologie de reþea de la diverºi producatori, interoperabile, ceea ce ii permite succesul corespunzator. r5b18bn
Ethernet a fost inventat la Xerox Palo Alto Research Center in 1970 de dr. Robert M. Metcalfe, in cadrul cercetarilor privind dezvoltarea primei personal workstation, Xerox Alto. Primul sistem Ethernet funcþiona la aprox. 3-Mbps ºi se chema "experimental Ethernet". Primele specificaþii Ethernet au fost publicate in 1980 de un consorþiu internaþional format din DEC-Intel-Xerox, care au creat standardul DIX. Ele au transformat Ethernetul experimental intr-un sistem deschis, productiv-calitativ, care sa opereze la 10-Mbps. Tehnologia Ethernet a fost apoi adoptata de comitetul de standarde LAN al prestigiosului institut Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE 802). Primul standard IEEE a fost prima data publicat in 1985, cu numele de "IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications". Standardul IEEE a fost apoi adoptat de organizaþia International Organization for Standardization (ISO), care l-a transformat intr-un standard mondial de conectare in reþea. Standardul IEEE asigura un sistem "Ethernet like", bazat pe tehnologia originala DIX. Toate elementele Ethernet din 1985 incoace sunt realizate conform cu standardul 802.3, sau mai precis in tehnologia "IEEE 802.3 CSMA/CD". De catre cei mai mulþi, aceasta tehnologie este cunoscuta sub numele simplu de Ethernet. Standardul este permanent actualizat pentru a reflecta inovaþiile tehnologice (din 1985 au fost adaugate transmisia prin cablu pereche (twisted-pair) ºi specificaþiile pentru 100-Mbps FastEthernet).

Elemente Ethernet

Un sistem Ethernet consta din trei elemente de baza :
• mediul fizic, pentru transportul semnalelor Ethernet intre computere
• un set de reguli pentru controlul accesului la mediu, incluse in interfaþa Ethernet ºi care permite accesarea multipla ºi echitabila de catre mai multe calculatoare a canalului partajabil Ethernet
• un frame Ethernet ce consta dintr-un set standardizat de biþi pentru transportul datelor prin sistem
Orice computer echipat Ethernet, denumit ºi staþie, opereaza independent de celelalte staþii, deoarece nu exista un controller central. Toate staþiile ataºate la Ethernet partajeaza un mediu de transmitere a semnalelor. Semnalele Ethernet sunt transmise serial, bit dupa bit, intre staþiile ataºate. Pentru a putea transmite, o staþie asculta mai intai canalul ºi cand acesta este liber (idle), transmite datele Ethernet sub forma unui frame sau pachet (termenul din standardul Ethernet este frame, dar pachet are acelaºi inþeles). Dupa fiecare transmisie a unui frame, toate staþiile concureaza in mod egal la posibilitatea transmisiei urmatoarului frame (nu exista staþii privelegiate). Accesul la canalul partajat este asigurat de mecanismul de control al accesului (Medium Access Control - MAC), inclus in interfaþa Ethernet din cartela de reþea a fiecarei staþii conectate. MAC are la baza protocolul numit Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).

Protocolul CSMA/CD

Protocolul CSMA/CD presupune ascultarea un timp, pana ce nu exista semnal pe canal (Carrier Sense), dupa care poate incepe transmisia de la oricare din staþii (Multiple Access). Deoarece semnalele ajung dupa un timp finit de la un capat la altul al sistemului Ethernet, primii biþi ai unui frame nu ajung la toate staþiile in acelaºi timp. De aceea este posibil ca doua interfeþe sa considere liber canalul ºi sa inceapa transmisia frame-urilor simultan. In aceasta situaþie, se sezizeaza de catre interfeþe coliziunea semnalelor ºi transmisia este oprita, frame-urile urmand a fi retransmise (Collision Detection). Protocolul CSMA/CD permite un acces echitabil la un canal partajabil, astfel ca toate staþiile au aceeaºi ºansa de a folosi reþeaua. Dupa fiecare trasnmisie, toate staþiile folosesc protocolul CSMA/CD pentru a determina urmatoarea staþie care va transmite. Daca mai mult de o staþie transmite in acelaºi timp pe canal, semnalele se spune ca produc coliziune. Staþiile sunt notificate de aceasta ºi iºi replanifica transmisia folosind un algoritm special de reluare. Astfel, staþiile implicate iºi aleg un interval aleator (?s) dupa care este replanificata transmisia frame-ului, pentru evitarea unei noi coliziuni. Trebuie inþeles ca aceste coliziuni nu produc aspecte negative in reþea (pierderi de date, fiind denumite uneori evenimente stochastice), ci fac parte din logica de partajare a canalului (astfel se intreþese transmisia frame-urilor). Cu cat sunt mai multe staþii ataºate la un sistem Ethernet, iar traficul creºte, coliziunile devin din ce in ce mai dese. Majoritatea coliziunilor intr-o reþea Ethernet neaglomerata se rezolva in ?s sau 10?(-6) secunde. Daca apar multe coliziuni pentru acelaºi frame, intervalul de ?s de aºteptare este crescut progresiv. Coliziuni repetate pentru acelaºi pachet inseamna o reþea incarcata (cu trafic intens). Procesul de creºtere a intervalului de aºteptare ºi reluare a transmisiei se mai numeºte "truncated binary exponential backoff" ºi permite adaptarea staþiilor la incarcarea reþelei. Dupa 16 coliziuni consecutive pentru acelaºi pachet, acesta nu se va mai transmite, deoarece se considera ca exista o supraincarcare a reþelei pe un interval mare de timp sau reþeaua este intrerupta. Desigur, obiectivul unui sistem Ethernet, ca a oricarei alte tehnologii de LAN, este de a asigura transmisia cat mai rapida ºi sigura a datelor, conform principiului "best effort". Fiind importante complexitatea ºi costul unui LAN, tehnologia nu elimina total erorile, care desigur pot sa apara ( ? 16 coliziuni succesive pentru un pachet datorita supraincarcarii, sau coruperea unui pachet datorita unui zgomot in cablu, etc). Trebuie spus ca nici o tehnologie hardware nu permite un LAN perfect, aici intervenind rolul nivelelor software de corecþie a erorilor. Protocoalele de nivel inalt (software) stabilesc, in principiu, un serviciu sigur de transport folosind numere de secvenþa ºi mecanisme de achitare transmisie (acknowledgment) in pachetele trimise prin LAN.

Frame ºi adrese Ethernet

Frame-ul este unitatea de transmisie date in sistemul Ethernet (se mai cheama cadru MAC), constand din mai multe campuri de biþi. Astfel avem campuri de adrese, un camp variabil pentru date, cuprins intre 46 ºi 1500 octeþi ºi un camp de control al erorilor ce verifica integritatea datelor din frame, asigurand transmisia lor corecta, fig 1 (lungimea campurilor este in biþi).

fig 1 - formatul unui frame Ethernet

Preambulul este format din 8 octeþi, din care primii 7 conþin biþii 1010...1010 iar ultimul conþine 10101011. Primele 2 campuri de adrese cuprind adrese pe 48 de biþi, numite adrese destinaþie ºi sursa. IEEE controleaza asignarea adreselor prin administrarea unei zone din campul de adresa. IEEE asigura un identificator pe 24 biþi, numit "Organizationally Unique Identifiers" (OUIs), pentru fiecare producator de interfeþe Ethernet. Interfeþele vor avea astfel cei 24 biþi superiori setaþi cu OUI-ul propriu, ceilalþi 24 biþi fiind specifici fiecarei interfeþe (adresa MAC). Primul bit din cei 48 selecteaza tipul de adresa, individuala sau de grup (0=individuala, 1=de grup) iar al doilea bit din cei 48 specifica modul de administrare a adresei (0=adresa administrata global, 1=adresa administrata local). La transmisia unui pachet in reþea, interfeþele compara cei 48 biþi din campul de adresa destinaþie cu propria adresa, la coincidenþa interfaþa citind frame-ul ºi predandu-l nivelelor software din protocol. Interfeþele care constata ca adresa lor difera de cea a pachetului care circula, vor opri citirea. O adresa de multicast permite unui frame sa fie recepþionat de un grup de staþii. Se poate seta o interfaþa Ethernet sa asculte anumite adrese de multicast. Se pot grupa astfel staþiile la un grup multicast. Exista ºi cazul special al adresei de broadcast, cand toate staþiile vor citi frame-ul cu aceasta adresa destinaþie. Datele sunt transmise intr-o reþea folosind protocoale software, ca de exemplu stiva TCP/IP (populara datorita Internetului). Aceste protocoale au propriile lor adrese, ca de exemplu adresa pe 32 biþi a IP-ului. Pentru a se putea gasi alte adrese Ethernet ale altor staþii pornind de la un IP se foloseºte un protocol de recunoaºtere a adreselor (Address Resolution Protocol - ARP).

Sa luam un exemplu. Sa spunem ca staþia "A", cu adresa de IP 192.0.2.1 doreºte sa transmita staþiei "B", ce are IP-ul 192.0.2.2. Staþia "A" trimite un pachet cu adresa de broadcast, conþinand o cerere ARP, pentru determinarea adresei Ethernet a staþiei cu IP-ul 192.0.2.2. Fiind un broadcast, orice interfaþa a oricarei staþii va citi pachetul, il va preda protocolului software (de nivel inalt), dar numai "B", cu IP-ul 192.0.2.2 va raspunde, trimiþand un pachet inapoi lui "A" cu adresa sa de Ethernet (pe care o ºtie). Acum staþia "A" are adresa Ethernet a lui "B" catre care poate trimite informaþii folosind protocolul de comunicaþii de nivel inalt. Un sistem Ethernet poate include mai multe tipuri de protocoale de nivel inalt. De exemplu, poate include protocoale TCP/IP, Novell, AppleTalk, etc. Ethernet este deci sistemul de transport a pachetelor intre calculatoare, ce nu þine cont de conþinutul pachetelor (þin cont protocoalele de nivel inalt).

Topologie ºi timing de semnal Ethernet

Pentru a inþelege cum traverseaza semnalele diverse segmente ale unui sistem Ethernet, trebuie explicat topologia sistemului. Topologia de semnal Ethernet se mai numeºte topologie logica, pentru a o distinge de pozarea fizica a cablelor. Topologia logica prevede un singur canal (numit bus) care transporta semnale de la/catre toate staþiile. Mai multe segmente Ethernet pot fi legate intre ele, folosind dispozitive de amplificare ºi resincronizare a semnalelor, numite repetoare. Datorita repetoarelor, un segment Ethernet poate avea fizic o structura stea, arbore, dar logic avem un singur canal Ethernet ce transporta semnale la toate staþiile. Nu exista o radacina predefinita, arborele putand creºte in orice direcþie prin concatenare de segmente (unele cabluri suporta conexiuni la ambele capete - coaxial, iar altele nu). Trebuie respectata regula ca sa nu se formeze bucle, caz in care sistemul Ethernet nu mai funcþioneaza corect. Orice canal trebuie sa aiba doi terminatori. In fig 2 se prezinta o topologie de semnal Ethernet, mai multe segmente legate prin repetoare ºi conectand staþii. Semnalul emis de la o staþie traverseaza segmentul propriu, dupa care prin repetoare ajunge la orice alta staþie. Topologia fizica poate include cabluri bus sau stea (cele trei segmente legate la repetor). Indiferent de legarea fizica, exista un singur canal logic care transporta semnalele catre toate staþiile. Pentru ca toate MAC-urile din interfeþe sa funcþioneze corect, ele trebuie sa raspunda corespunzator intr-un interval specificat de timp la semnale. Timing-ul de semnal reprezinta intervalul necesar pentru tur-returul unui semnal, pornind de la unul din capete (denumit ºi "round trip time"). Maximul timpului "round trip time" este marginit strict superior, pentru a permite fiecarei interfeþe sa recepþioneze orice semnal din sistem.

fig 2 - topologie de semnal Ethernet

Cu cat este mai lung un segment Ethernet, cu atat dureaza mai mult traversarea lui de catre un semnal. Indicaþiile de configurare a reþelei vin sa asigure limitele de "round trip time", indiferent de combinaþiile fizice facute. Indicaþiile de configurare constau in reguli de combinare a segmentelor cu repetoare, astfel ca timing-ul de semnal sa fie respectat in toata reþeaua LAN. Daca nu sunt respectate specificaþiile pentru lungimile individuale de segmente ºi regulile de configurare, s-ar putea ca computerele sa nu poata transmite semnale intre oricare, respectand limitele de timp, ceea ce poate duce la o interferenþa de semnale. Operarea corecta intr-o reþea LAN Ethernet depinde de regulile cunoscute (publicate) pentru fiecare tip de suport fizic. LAN-urile mai complexe, ce includ segmente de diverse tipuri fizice, trebuie proiectate conform cu indicaþiile de configurare multi-segment prevazute in standardele Ethernet. Aceste indicaþii cuprind limite ale numarului de repetoare ºi segmente ce pot exista in sistem, pentru a fi siguri ca timpul de de "round trip time" este asigurat.

Tehnologia Ethernet a fost proiectata pentru a permite o extensie uºoara, conform necesitaþilor. Pentru a putea extinde reþelele exista dispozitive care fac legaturi (porturi) multiple Ethernet. Aceste dispozitive se numesc hub-uri. Exista doua tipuri majore de hub-uri : repetoarele ºi hub-uri de comutare (bridge). Dupa cum s-a vazut, fiecare port dintr-un hub repetor leaga segmente Ethernet pentru a crea o reþea mai larga, care sa funcþioneze ca un LAN Ethernet. Numarul total de segmente ºi repetoare din LAN trebuie sa satisfaca specificaþiile de "round trip time". Al doilea tip de hub permite comutarea (switching) pachetelor, bazata in special pe porturi bridge. Un hub comutator permite legarea mai multor sisteme Ethernet ce opereaza ca LAN-uri separate, specificaþiile de "round trip time" fiind valabile doar in interiorul unui LAN. Deci repetoarele leaga segmente in interiorul unui LAN, cuprinzand zeci de computere, in timp ce comutatoarele bridge leaga LAN-uri Ethernet intre ele, cuprinzand sute sau mii de maºini.

Media Ethernet 10-Mbps

Protocolul de acces la mediu fizic CSMA/CD ºi formatul frame-ului Ethernet este acelaºi pentru toate tipurile de medii Ethernet, indiferent de viteza lor de operare. Tipurile de medii 10-Mbps ºi 100-Mbps folosesc totuºi componente diferite ºi au reguli de configurare diferite. Un sistem original Ethernet opereaza la 10-Mbps ºi exista patru medii de baza descrise in standard, fig 3.

fig 3 - patru tipuri de medii 10-Mbps Ethernet

Cele patru medii sunt reprezentate de identificatori IEEE. Un identificator IEEE include 3 categorii de informaþii. Primul element din identificator, "10", reprezinta viteza semnalelor prin mediu, 10-Mbps. Cuvantul "BASE" reprezinta banda de baza (baseband), un tip de propagare a semnalelor (simplu inseamna ca semnalele Ethernet sunt singurele ce se propaga prin mediu). Ultima parte a identificatorului reprezinta o indicaþie a tipului de segment sau a lungimii. De exemplu, pentru coaxial gros "5" reprezinta lungimea maxima de 500 metri pentru un segment separat; pentru coaxial subþire, "2" reprezinta rotunjirea valorii de 185 metri, maximul lungimii unui segment. "T" ºi "F" semnifica pereche rasucita (twisted-pair) ºi fibra optica. Prima specificaþie Ethernet se referea la cablu coaxial gros. Apoi a aparut coaxial subþire, pereche ºi fibra.

Componente folosite in medii 10-Mbps

In fig 4 se prezinta diverse componente folosite in conexiunile din medii 10-Mbps, prezente in standard. Componentele le gasim in oferte, adresate prin identificatori cu trei litere, tiparite pe dispozitive Ethernet.

fig 4 - elemente de interfaþare Ethernet

Mediul fizic poate fi unul din cele patru medii prezentate mai sus. Conexiunea la mediu se face cu un MDI. De exemplu, pentru coaxial gros ºi subþire avem mufe tip BNC, pentru pereche avem un conector jack cu opt pini, cunoscut sub codul de conector telefonic RJ-45, etc. Urmatorul element de conexiune este un MAU. In standardul original DIX Ethernet el este cunoscut sub numele de transceiver (poate face atat TRANSmit cat ºi reCEIVE de semnale). MDI se include de cele mai multe ori in MAU, permiþand accesul electric la mediu. AUI este urmatorul element de legatura (in standardul DIX se mai numeºte cablu transceiver). AUI se conecteaza cu cartela de reþea din computer prin mufa de 15 pini. In standardul IEEE, un computer cu o interfaþa Ethernet se numeºte DTE (data terminal equipment). Interfaþa Ethernet conþine electronica necesara pentru funcþiile MAC, necesare transmiterii frame-urilor pe canale Ethernet. Porturile Ethernet din repetoare nu au cartele de reþea, conectandu-se la mediu prin AUI, MAU ºi MDI. Porturile din repetoare opereaza la nivelul biþilor individuali care circula, multiplexand semnalele. Daca repetoarele opereaza la nivel de frame, atunci sunt de fapt hub-uri repetoare (computere cu mai multe interfeþe), care au implementate un protocol din clasa SNMP (Simple Network Management Protocol). In fig 4 se observa cele doua posibilitaþi de configurare : cu MAU extern ºi intern. Intr-o configurare externa, DTE-ul sau portul din repetor au mufa de 15 pini pentru AUI. Cablu AUI ºi MAU sunt in afara (legatura cu cablu transceiver ºi transceiver). In conexiunea interna, AUI ºi MAU sunt in placa de reþea sau portul repetorului, dispozitivul extern fiind doar MDI, ce leaga interfaþa cu mediul (cazul coaxialului subþire sau pereche rasucita 4 fire).

Sumar pentru cele prezentate

In cele prezentate s-au descris evoluþia standardelor Ethernet, operarea incluzand mecanisme MAC, topologii de semnale, medii ºi componente Ethernet. S-au introdus frame-ul ºi asignarea/regasirea de adrese de catre protocoale de nivel inalt ARP. Important este ºi considerarea limitelor de "round trip time", avand in vedere posibilitaþile de extensie cu noi segmente prin repetoare sau bridge-uri.

Un computer DTE, ce conþine o interfaþa Ethernet formeaza ºi trimite frame-uri, ce conþin datele utile unui alt computer. Interfaþa se leaga la mediu prin echipamente ce includ AUI, MAU, ce are asociat un MDI. MAU ºi MDI sunt specifice fiecarui mediu. AUI ºi MAU pot fi incluse sau nu in interfaþa de reþea.