Ethernet

TCP/IP-pino
sovelluskerros sovelluskerros	BGP · DHCP · DNS · ESMTP · FTP · HTTP · IMAP · IRC · LDAP · MGCP · NNTP · NTP · POP3 · RPC · RTP · RTSP · SIP · SMTP · SNMP · SOCKS · SSH · Telnet · TLS/SSL · XMPP  · (..lisää..)
kuljetuskerros kuljetuskerros	TCP · UDP · QUIC · DCCP · SCTP · RSVP · RIP · ECN
verkkokerros verkkokerros	IP (IPv4 ja IPv6) · ICMP (ICMPv6) · IGMP · IPsec
siirtoyhteyskerros	ARP · IS-IS · NDP · OSPF · L2TP · PPP
fyysinen kerros

Ethernet on pakettipohjainen lähiverkkoratkaisu (LAN), joka on yleisin ja ensimmäisenä laajasti hyväksytty lähiverkkotekniikka. Nimi Ethernet on lähtöisin maailmaneetteristä: jaetusta kommunikaatioon käytetystä väylästä, yhteisestä viestiavaruudesta. Nykyään nimitys "Ethernet" viittaa joukkoon lähiverkkojen toteutustapoja, jotka käyttävät CSMA/CD-kilpavaraustekniikkaa jakaessaan siirtotien työasemien kesken. Ethernet toteuttaa OSI-mallin kerrokset 1 ja 2 (fyysinen- ja siirtoyhteyskerros). IEEE on standardoinut Ethernet-tekniikoita 802.3-työryhmässä.

Ensimmäistä Ethernet verkkoa – jota nimitettiin Alto ALOHANetiksi – alettiin kehittää Xeroxin Palo Alton tutkimuskeskuksessa vuonna 1972. Alun perin verkon siirtonopeutena käytettiin 2,94 Mb/s.

Laajemmin Ethernet-verkkoa alettiin käyttää 1980-luvulla. Aluksi käytettiin halkaisijaltaan yli 10 mm vahvuiseen koaksiaalikaapeliin perustuvaa Ethernet-versiota ("paksu" Ethernet), 1985 hyväksyttiin ohuempaa ja halvempaa kaapelia käyttävä versio ("ohut" Ethernet). Seuraavaksi tuli 10baseT, halpaa Cat3-parikaapelointia käyttävä versio.

Vuonna 1995 saavutettiin 100 Mbit/s siirtonopeus, FastEthernet eri versioineen, joista 100baseTX on jäänyt käyttöön. Siirtonopeuden kasvu perustui paitsi parempiin verkkolaitteisiin ja laadukkaampiin kaapeleihin (Cat5) niin ennen kaikkea verkon rakenteen muuttumiseen: Ethernetissä alun perin käytetty väylärakenne oli muuttunut tähtimäiseksi.

Vuonna 1998 kehitettiin seuraava versio GigabitEthernet, jossa 1 Gb/s nopeus saavutettiin ottamalla käyttöön pidemmät kehykset, pienentämällä CSMA/CD-algoritmille sallitun alueen kokoa, tehostamalla siirrossa käytettävää koodausta eli symbolin esitystapaa, siirtymällä half-duplexiin ja lisäämällä PAM-modulaatioon kaksi uutta jännitetasoa. Nykyisin käytössä on jo 10 Gb/s Ethernet, joka toimii pelkästään valokuituyhteyksillä.

Fyysinen toteutus

Ethernet-verkko

Perinteinen Ethernet on topologialtaan väylä: kaikki verkossa olevat koneet ovat kiinni samassa kaapelissa ja jokainen niistä näkee toistensa liikenteen. Kaapelointina oli aluksi 10Base5, Orange Hose Ethernet eli "paksueetteri", eli 10 milliä paksu RG-8-koaksiaalikaapeli, johon laitteet liitettiin erillisten lähetin-vastaanotinyksiköiden eli transceiverien avulla. Yhden kaapelin eli segmentin maksimipituus oli 500 m.

Seuraavaksi kehitettiin 10Base2, "ohuteetteri", thinnet tai cheapernet. Paksu "letku" korvattiin suhteellisen ohuella ja notkealla RG-58-koaksiaalikaapelilla. Laitteet kytketään peräkkäin ketjuun, laitteiden ja kaapelin osien liittämiseen käytetään BNC-liittimiä. Ethernet-kaapeli voitiin nyt viedä suoraan verkkokorttille, erillistä liitinyksikköä ei tarvittu. Ohuemman koaksiaalikaapelin sähköiset ominaisuudet eivät olleet yhtä hyvät kuin paksun, ja segmentin pituus piti laskea 185 metriin.

Aluksi kaikki verkon koneet oli kytketty yhteiseen kaapeliin. Pian kuitenkin kehitettiin toistin, digitaalinen vahvistin, joka toistaa yhden kaapelin liikenteen toisessa. Alkuperäisen spesifikaation mukaan toistimia sai kytkeä kaksi peräkkäin, 1985 sallittiin neljä peräkkäistä toistinta ja viisi segmenttiä.

Vuodesta 1990 alkaen käyttöön tuli edelleen halvempi ja helpompi parikaapeliin perustuva tähtimäinen Ethernet. Jokaisella verkkoon kytketyllä laitteella oli oma kaapelinsa, joka oli kytketty tähden keskellä olevaan toistimeen, keskittimeen. Ethernet ja puhelinverkko voivat nyt käyttää rakennusten sisällä yhtenäiskaapelointia: samat parikaapelit ja RJ-45-liittimet käyvät sekä puhelimille että Ethernet-verkoille.

Sillat ja kytkimet

Kun verkkoon kytkeytyi satoja koneita, joiden teho ja tiedonsiirtotarpeet olivat moninkertaistuneet 1970-luvulta, Ethernetin alun perin rajattomalta tuntuneen 10 Mb/s kapasiteetin rajat alkoivat tulla vastaan. Ratkaisu tähän ongelmaan, samoin kuin perättäisten toistimien ja segmenttien määrään, oli verkon osien erottaminen toisistaa sillalla. Silta on laite, joka vastaanottaa paketin yhdestä verkon osasta ja lähettää sen toiseen. Ethernetin CDMA/CD-algoritmi toimi itsenäisesti kussakin sillalla erotetussa verkon osassa, kullekin osalla oli käytettävissään Ethernetin koko 10 Mb/s kapasiteetti.

Viimeisin 10 Mbit/s Ethernetin kehitysvaihe oli kytketty Ethernet: siinä keskitin ei olekaan toistin vaan silta, kytkin. Verkon jokainen työasema voi viestiä toisista riippumatta, jokaisella 10 Mbit/s nopeudella (aikaisemmin koko verkon yhteinen nopeus oli 10 Mbit/s).

Siirtoyhteys

Ethernetin medianvarausmenetelmä on CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection). Se on kilpavarausmenetelmä: jos mikään muu laite ei lähetä (Carrier Sense), kaikilla laitteilla on oikeus aloittaa lähetys (Multiple Access). Jos kaksi tai useampi laite alkaa lähettää samanaikaisesti, ne havaitsevat törmäyksen (Collision Detection) ja keskeyttävät lähetyksen. Törmäykseen osallistuneet laitteet joutuvat odottamaan satunnaisen ajan ennen kuin ne saavat yrittää uudestaan lähetystä.

Eri verkkolaitteet tunnistetaan MAC-tason (Media Access Control) osoitteilla, joka on 48-bittinen yksilöllinen osoite jokaiselle verkkolaitteelle. Ethernet versio 2 kehys on pituudeltaan 64–1518 tavua, ja pystyy kantamaan 1500 tavua kuormaa. Alla IEEE 802.3 kehysrakenne.

Fast Ethernet

Fast Ethernet on yleisnimitys kaikille 100 Mbit/s siirtäville Ethernet-tekniikoille. Näitä ovat:

• 100BASE-TX (Cat5 parikaapelin yli)
• 100BASE-T4 (neliparisen Cat3 tai paremman kaapelin yli; nyt vanhentunut)
• 100BASE-T2 (kaksiparisen Cat3 tai paremman kaapelin yli; nyt vanhentunut)

FastEthernetiin siirtymisessä vaaditaan usein uusi kaapelointi, sillä FastEthernet vaatii tähtimäiseen verkkoon keskittimen ja Cat5-luokan parikaapelin. Uuden kaapeloinnin käyttö on tehnyt mahdolliseksi myös kaksisuuntaisen (full-duplex) tiedonsiirron perinteisen yksisuuntaisen (half-duplex) lisäksi.

Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet on yleisnimitys kaikille 1 Gbit/s siirtonopeuteen pystyville Ethernet-verkkotekniikoille. Tekniikka on standardoitu 1000BASE-T:ssa Cat5e kuparikaapeloinnille ja 1000BASE-SX:ssa lyhyille kuituyhteyksille.

Gigabit Ethernetissä on kaikki toimivaksi todettu, "vanha" Ethernet ja FastEthernet tekniikka pyritty säilyttämään ja samalla on saavutettu yhteensopivuus vanhoihin 10 Mbit/s ja 100 Mbit/s verkkoihin.

Lähetys tapahtuu edelleen kilpavaraustekniikalla, mutta lyhyiden kehysten pituus on kasvatettu täytetavuilla vähintään 512 tavuun, jotta lähetysaika kasvaa ja törmäys voidaan havaita koko segmentin pituudella.

10 Gb Ethernet

10 gigabitin Ethernetin määrittely on esitetty IEEE 802.3 standardin liitteessä IEEE 802.3ae. Määriteltyjä mediatyyppejä on seitsemän, kaikki erilaisia kuituja. Kehitteillä on myös standardi kierrettyä parikaapelia varten. Ainoastaan full-duplex on tuettu.

10 Gigabitin Ethernetissä on myös otettu käyttöön XGMII (Gigabit Media Independent Interface), jonka tarkoituksena on ohjata datavirta varsinaiselle siirtomediakohtaiselle alikerrokselle ja loogisesti erottaa siirtomediakohtainen elektroniikka kaikille toteutuksille yhteisestä siirtokerroksen elektroniikasta.

Yhteenveto Ethernet-standardeista

Standardi	Vuosi	Kuvaus
Kokeellinen Ethernet	1972 (patentoitu 1978)	2,94 Mb/s koaksiaalikaapelissa
Ethernet II (DIX v2.0)	1982	10 Mb/s paksu koaksiaalikaapeli - Protokollatasasolla kehyksiin tyyppi-kenttä
IEEE 802.3	1983	10BASE5 10 Mb/s paksun koaksiaalikaapelin yli - Protolla DIX, mutta tyyppikenttä korvataan pituus-kentällä ja LCC-kenttä lisätään
802.3a	1985	10BASE2 10 Mb/s ohut koaksiaalikaapeli (thinnet tai cheapernet)
802.3c	1985	10 Mb/s toistimen määrittely
802.3d	1987	FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link)
802.3i	1990	10BASE-T 10 Mb/s parikaapelissa
802.3j	1993	10BASE-F 10 Mb/s kuidussa
802.3u	1995	100BASE-T Fast Ethernet, 100 Mb/s
802.3x	1997	Full Duplex
802.3z	1998	1000BASE-X Gigabit Ethernet koaksiaalissa, 1 Gb/s
802.3ab	1999	1000BASE-T Gigabit Ethernet parikaapelissa, 1 Gb/s
802.3ac	1998	Kehyksen koko kasvatetaan 1522 tavuun, VLAN-tagit
802.3ad	2000	Linkkien yhdistäminen (aggregointi)
802.3ae	2003	10 Gigabit Ethernet kuidussa
802.3af	2003	Tehonsyöttö ja Ethernet samassa 4-parisessa kaapelissa, (Power over Ethernet)