Ethernet

Ethernet ir uz kadriem bāzētu datortīklu tehnoloģiju kopa, uz kurām balstās lielākā daļa lokālo tīklu. Šiem standartiem ir kopīgs (līdzīgs un savstarpēji atpakaļsavietojams) kanāla slāņa protokols un vēsturiski dažādi fiziskā slāņa savienojumu standarti (daži no tiem ir daļēji savstarpēji savietojami (piem 100mbit ierīces spēj darboties ar 10mbit standartu)). Sākotnējā ethernet versija darbojās ar ātrumu 10Mbit/s un tika standartizēta kā IEEE 802.3, tur lietoja koaksiālos kabeļus maģistrāles topoloģijā. Vēlāk izstrādāja variantu ar vītā pāra kabeļiem, šajiem lietoja zvaigznes topoloģiju. Lietojot šādus pašus kabeļus (tālākajiem standartiem palielinājās prasības pret kabeļa kvalitāti) izstrādāja 100mbit un 1000mbit standartus. Eksistē arī standarti, kur lieto optiskos kabeļus, tur arī tīkla topoloģija ir vai nu zvaigzne, vai arī point-to-point.

Fizikālais slānis

Sākotnējajai versijai, kas darbojās ar ātrumu 3mbit/s un nekur nebija standartizēta, kā arī pirmajai standartizētajai ethernet versijai (10base5)(standarts IEEE 802.3(8)) lietoja resnu koaksiālo kabeli. Tālākās standartizētās versijas, kas lieto vītā pāra kabeļus parasti ir atpakaļsavietojamas, tas nozīmē, ka savienojot datoru ar 10mbit tīklakarti un datoru ar 100mbit tīklakarti, tīkls darbosies (ar ātrumu 10mbit).

10base2

Šeit lietoja tievāku 50 omu koaksiālo kabeli un datorus tam pieslēdza ar BNC konnektoriem. Lai arī šī tehnoloģija ir novecojusi, to dažreiz vēl lieto. Nosaukumā 10 nozīmē, to, ka tīkls darbojas ar 10mbit/s, base - to, ka lieto baseband signālus (neapstrādātu digitālo signālu, atšķirībā no broadband) un 2 ir aptuvenais maksimālais tīkla kabeļa garums simtmetros. (precīzi ir 185m, kas aptuveni ir 200m). Standarts 802.3(10). Visiem koaksiālo kabeļu ethernet standartiem parasti lieto maģistrāles topoloģiju.

10baseT

Šeit lieto vītā pāra kabeļus. Sākotnējais standarts bija 1base5 (darbojās ar ātrumu 1mbit/s), bet tas nebija izplatīts. Šis ir otrs izplatītākais 10 mbit ethernet standarts. Te lieto vai nu zvaigznes topoloģiju (ja jāsavieno vairāki datori (parasti ar hubu centrā), vai arī point-to-point topoloģiju, ja jāsavieno tikai 2 datori. Maksimālais kabeļa garums šajā standartā ir 100m.

100baseT

Šī ir 100 mbit ethernet standartu kopa, kur lieto vītā pāra kabeļus ar maksimālo garumu 100m. No šiem nozīmīgākais (vienīgais plaši izplatītāis) ir 100base-TX. Tas lieto cat5 (5. kategorijas) kabeļus un tam vajag 2 vadu pārus. Sākumā bija izstrādāti arī citi standarti, taču tie neguva popularitātri. 100base-T4 lietoja ca3 kabeļus, taču tam vajadzēja 4 vadu pārus. 100base-T2 lietoja cat3 kabeļus un tam vajadzēja 2 vadu pārus, taču tas lietoja sarežģītu signāla formātu un tīkla kartēm vajadzēja dārgus signālu procesorus.

1000base-T

Šis ir izplatītākais 1000mbit ethernet standarts. Eksistē arī standarti, kur lieto optiskās šķiedras. Šeit lieto cat5 kabeli un ir nepeciešami visi 4 vadu pāri. Savulaik bija arī 1000base-TX standarts, kur vajadzēja tikai 2 vadu pārus, taču tur vajadzēja cat6 kabeļus, kas bija pārāk dārgi (salīdzinot ar tīklakartēm), tāpēc šis standarts popularitāti neguva. 1000base-T maksimālais kabeļa garums ir 100m.

Switchi un hubi

Lai vienā tīklā varētu savienot vairāk nekā divus datorus, lietojot vītā pārā kabeļus, nākas lietot kādu atsevišķu ierīci, kurā iesprauž vadus no visiem datoriem. Šī ierīce ir vai nu switch vai arī hub.

Caur hubu ir iespējamas tikai half duplex komunikācijas, tāpat kā caur koaksiālo tīklu. Hubi darbojas tikai kā elektriski pastiprinātāji, tie neskatās adreses. Visas hubā ienākošās paketes tiek nosūtītas ārā pa visiem portiem. Sākotnēji hubi bija lētāki, jo tie ir vienkāršāki.

Switchi skatās ienākošo pakešu adreses un nosūtā tās tikai uz to portu, pie kura ir piesprausts saņēmējs. Sākumā, pēc ieslēgšanas, switchi nezina adreses, tās noskaidro no tā, no kurienes nāk ienākošās paketes. Paketes, par kurām nav zināms pie kura porta atrodas saņēmējs un broadcast paketes sūta uz visiem portiem, tāpat kā hubi. Ar swichiem ir iespējamas full duplex komunikācijas, jo tiem ir atmiņa un tas ļauj apstrādāt vairākas paketes, no atšķirīgiem portiem, vienlaicīgi. Switchi ilgu laiku bija dārgāki (un pašā sākumā arī lēnāki (jo tos būvēja uz datoru bāzes)) par hubiem.

Kanāla slānis

Ethernetā lieto 72 līdz 1526 baitu garus kadru. Minimālo kadra garumu nosaka signāla izplatīšanās ātrums tīkla segmentā (lai varētu identificēt sadursmes). Maksimālo kadra garumu vēsturiski noteica tīklakartē iebūvējamās atmiņas daudzums (tolaik (20. gs 80. gadu sākums)) tā bija visai dārga. Tas nodrošina dažādu ātrumu ethernet tīklu savienojamību. Gigabita tīklos lieto arī kadrus ar izmēru līdz ~9KB, taču tie nav savietojami ar 10 un 100 mbit tīkliem. Šo izmēru galvenokārt nosaka tas, ka kontrolsummas aprēķināšanas metode zaudē efektivitāti pie ~12kb (vairs nespēj atrast kļūdas).

Ethernet tīkli, kas lieto koaksiālo kabeli vai vīto pāri un hubu lieto half duplex sakarus (tīklakartes var vai nu raidīt vai uztvert, bet ne raidīt un uztvert vienlaicīgi) un tīklā ir iespējamas sadursmes (collision), kas notiek, ja vienlaicīgi sāk raidīt divas tīklakartes. Sadursmes gadījumā abi raidītie kadri tiek iznīcināti un tos ir jānosūta vēlreiz. Šī procedūra ir CSMA/CD (carrier sense multiple access / collision detection) kadra nosūtīšana notiek pēc apmēram šāda algoritma:

1. kadrs ir gatavs nosūtīšanai
2. Vai neviens cits neraida? Ja nē, gaida kamēr beigs raidīt + starpkadru periods (interframe gap period) (10mbit tīkliem 9,6µs)
3. Sāk raidīt
4. Vai ir notikusi sadursme? Ja jā, tad pāriet uz sadursmes apstrādes procedūru.
5. Nonullē retransmission skaitītājus un uzskata, ka kadrs ir nosūtīts veiksmīgi
6. Sadursmes apstrādes procedūra: Turpina raidīt tik ilgi, kamēr sasniedz minimālo kadra garumu, lai panāktu, ka visi uztvērēji pamana sadursmi.
7. Inkrementē retransmission skaitītāju
8. Vai sasniegts maksimālais raidīšanas mēģinājumu skaits? Ja jā, uzskata, ka raidīšana ir izgāzusies un ar to beidz.
9. Aprēķina un gaida random laika periodu, kas atkarīgs no sadursmju skaita (jo lielāks, jo ilgāk)
10. Atsāk galveno procedūru no 1. stadijas.

Full duplex tīklos, tur kur vai nu lieto vienu vītā pāra kabeli starp diviem datoriem, vai arī switch, ir iespējams raidīt un uztvert vienlaicīgi un šī (CSMA/CD) procedūra nav nepieciešama.

Pārslēgšanās no full duplex uz half duplex, tīklakartēs parasti notiek automātiski, tomēr dažreiz ir iespējama situācija, kad viena tīkla karte ir full duplex režīmā, bet otra - half duplex. Tas var izraisīt tīkla caurlaidības samazināšanos virzienā no tās half duplex tīklakartes.

Kadra struktūra

Ethernet kadri sastāv no hedera, datiem un kontrolsummas (FCS). Ethernet tīkla aparatūru sāka ražot vēl pirms bija pabeigts standarts tāpēc dažu hedera lauku definīcijas var atšķirties. Lielākie ražotāji bija DEC, Intel un Xerox, pēc tiem definē DIX kadru. Oficiālajā ethernet standartā 802.3 var atšķirties viena lauka nozīme. Šeit ir aprakst'tis DIX kadrs, jo tādi ir izplatītāki:

• preamble - Šis lauks identificē paketes sākumu un tā saturs ir 10101010, šo lauku nevar pārtvert ar pakešu snifferiem, jo to noņem jau tīkla karte.
• Saņēmēja adrese - adrese, uz kuru šo kadru ir jāpiegādā. Var būt multicast adrese, tad šo kadru pieņems visi kam to piegādās.
• Nosūtītāja adrese - adrese, no kuras šis kadrs nāk. Šo lauku var izmainīt, lai tas rādītu kādu citu adresi.
• type (ether type) - DIX standartā tas apzīmē lietoto tīkla slāņa protokola veidu, 802.3 standartā te bija paredzēts lietot datu lauka garumu. Beigās abus standartus apvienoja, un ja šis lauks ir 1536 vai vairāk, to uzskata par type lauku, ja ir īsāks - par garuma lauku.
• Dati - pārsūtāmie dati (parasti tīkla slāņa protokola pakete).
• Kontrolsumma (FCS frame check sequence) - kadra kontrolsumma, ja tā neatbilst, var uzskatīt ka kadrs ir bojāts. Šo lauku nevar pārtvert ar pakešu snifferiem, jo to noņem jau tīklakarte.