Objavljeno: 26.6.2013 | Avtor: Simon Peter Vavpotič | Monitor Julij-avgust 2013 | Teme: ethernet

Brez njega ni omrežja!

Skoraj ni računalnika, ki ne bi bil povezan v tako ali drugačno omrežje. Ethernetno omrežje. Najvišja standardizirana hitrost prenosa podatkov se je v tridesetih letih z 10 Mb/s zvečala za 1000-krat, na 10 Gb/s, a tudi do 100 Gb/s in 1 Tb/s ni več daleč. Brezžični ethernet je neprimerno počasnejši, a hitrosti do več kot 100 Mb/s kljub temu niso majhne. Bo »baker« končno izpodrinila »optika«?

Intelova omrežna kartica (PCI Express 16) za priklop v 1 Gb/s ethernet

Intelova omrežna kartica (PCI Express 16) za priklop v 1 Gb/s ethernet

Ethernet je družina računalniških omrežnih tehnologij za krajevna omrežja (LAN, angl. local area network). Komercialno predstavitev je doživel že leta 1980 in je bil leta 1985 standardiziran pri IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) s sedežem v New Yorku kot standard IEEE 802.3. Kmalu nato je izpodrinil vse druge tehnologije za krajevna omrežja (angl. local area networks).

Idejni oče etherneta je Robert Metcalfe, ki je v sklopu svoje doktorske disertacije preučeval omrežje ALOHAnet za komunikacijo med otoki, razvito na Havajski univerzi. Izsledki njegovih raziskav so navdihnili raziskovalce v Xeroxovem kalifornijskem raziskovalnem centru PARC (Palo Alto Research Center), da so med letoma 1973 in 1974 pod njegovim vodstvom razvili komunikacijski standard ethernet. Metcalfe je leta 1979 ustanovil lastno podjetje 3Com in prepričal DEC, Intel in Xerox, da so skupaj oblikovali različico standarda ethernet, DIX (Digital/Intel/Xerox) z 10 Mb/s in z 48-bitnima naslovoma izvora in ponora podatkovnega paketa. Standard je bil objavljen septembra 1980. Dve leti zatem je bila objavljena še izpopolnjena različica, znana tudi kot ethernet II. Decembra 1982 je bil standard IEEE 802.3 s protokolom CSMA/CD potrjen. V veljavo je stopil leta 1985.

Marca 1981 je 3Com že začel prodajati prvih 10-megabitnih ethernetnih transiverjev (oddajnikov-sprejemnikov) pa tudi adapterjev za PDP-11, Digitalove VAXe ter Intelove in Sunove računalnike. Prvo ethernetno kartico za IBMov PC smo dobili leta 1982, leta 1985 pa je 3Com že prodal kar 100.000 kartic. Leta 2010 naj bi bila po ocenah strokovnjakov skupna vrednost ethernetnega trga že 16 milijard dolarjev.

Zvezdna topologija namesto vodila

Etherent standardizira več vrst žičnih in optičnih povezav po modelu OSI (»odprtokodna« povezava sistemov, angl. open system interconnection). Originalni ethernet, 10BASE5, je deloval prek koaksialnega kabla kot skupnega prenosnega medija. Etherneta prek kabla s premerom 9,5 mm se je kasneje prijel vzdevek »debeli ethernet«, saj je njegov naslednik, 10BASE2, oziroma »tanki ethernet«, uporabljal klasični 75-ohmski »televizijski« koaksialni kabel s premerom 5 mm. Ker je bila dolžina posameznega segmenta omrežja omejena, smo lahko segment podaljšali, ali dva segmenta združili, z repetitorjem.

V devetdesetih letih preteklega stoletja smo dobili kombinirane omrežne kartice, ki so lahko delovale po standardih 10BASE2 ali 10BASE-T.  Prehod s koaksialnega kabla na kabel UTP (neoklopljena parica, angl. unshielded twisted pair) ali STP (oklopljena parica, angl. shielded twisted pair) s štirimi paricami, ki ga večinoma uporabljamo še danes, je zahteval tudi menjavo fizične topologije omrežja.

Zvezdna topologija po standardu 10BASE-T zahteva uporabo spojnikov, mostov, stikal ali usmerjevalnikov, ne le za komunikacijo med segmenti omrežja, temveč tudi za komunikacijo  med računalniki. Kljub temu da 10BASE-T zahteva več ožičenja je bil konec osemdesetih let preteklega stoletja pogosto enostavnejši za implementacijo v poslovnih stavbah, katerih načrti so predvidevali le telefonske povezave.

Vendar fizična zvezdna topologija v začetku še ni prinesla spremembe načina delovanja. Spojniki so omogočali le hkratni prenos podatkov v eno smer (half-duplex) in so delovali po shemi CSMA/CD.

10 Gbps ethernetni usmerjevalnik Netiron XMR 16000

10 Gbps ethernetni usmerjevalnik Netiron XMR 16000

Brez kolizij

Čeprav je fizična zvezdna topologija omrežja odpravila veliko električnih težav z omrežno infrastrukturo, je ethernet logično še vedno deloval kot skupen prenosni medij na temelju protokola CSMA. Vsi segmenti so morali delovati z enako hitrostjo, to pa je onemogočalo postopne nadgradnje. Omrežni mostovi (angl. network bridges), ki so med omrežnimi segmenti prepuščali le pravilno zgrajene pakete (oz. ethernetne podatkovne okvire), so problem znatno omilili. Kolizije in napake v paketih so bile tako omejene na posamezne segmente. Hkrati so mostovi omogočali tudi različne prenosne hitrosti v posameznih segmentih ethernetnega omrežja. S tem so v devetdesetih letih preteklega stoletja odprli pot 100-megabitnemu ehternetu po podrazličicah standarda IEEE 802.3: 100BASE-TX ter 100BASE-FX in 100BASE-SX, ki jih pretežno uporabljamo še danes. Oznaka podrazličice standarda TX standardizira komunikacijo prek bakrenih kablov, preostali dve pa komunikacijo prek optičnih kablov.

Leta 1989 so v podjetju Kaplana predstavili prvo ethernetno stikalo, EtherSwitch. Omrežni mostovi so preverjali le podatke iz glav paketov, omrežno stikalo pa je celoten paket prebralo v svoj notranji pomnilnik in ga preverilo ob pomoči kontrolne vsote. Tako napačni paketi niso več mogli vplivati na delovanje celotnega omrežja.

Standardi 100BASE določajo tudi možnost dvosmerne komunikacije po kablu UTP ali STP (4 bakrene parice) ali optičnem vodniku med omrežnimi stikali ali nanj neposredno povezanimi računalniki. S tem odpade tudi potreba po detekciji in zmanjševanju števila kolizij pri prenosu podatkov. Večja je tudi varnost podatkov, saj omrežno stikalo posamezne pakete prepušča le v smeri od izvora k ponoru. Zato jih drugi računalniki, priključeni nanj, ne morejo prestrezati.

Danes za povezovanje računalnikov in drugih naprav v ethernetno omrežje uporabljamo skoraj izključno omrežna stikala in usmerjevalnike. Slednji omogočajo tudi samodejno usmerjanje paketov po različnih poteh glede na različne kriterije. Tako je mogoče v omrežja vgraditi tudi različne stopnje varnosti pred odpovedjo. Najpreprostejši protokoli za usmerjanje paketov le preverjajo razpoložljivost posameznih poti in na podlagi tega v primeru okvare osnovne poti izberejo alternativno pot. Kakovostnejši protokoli obsegajo tudi razne načine za optimalno izkoriščanje zmogljivosti glede na trenutno obremenitev posameznih omrežnih povezav. Z njimi ethernet iz drevesne arhitekture počasi prehaja v druge oblike z večjo zmogljivostjo in večjo stopnjo redundance, ki imajo manj ozkih grl in enotnih točk odpovedi (angl. single points of failure).

Vendar ne gre za to, da bi protokol CSMA in načelo vodila kar izginila iz ethernetnih omrežij, le redko ju uporabljamo; čeprav ga vključujejo tudi najnovejši standardi za 40 in 100-gigabitna optična ethernetna omrežja. Uporaben je vedno, ko imamo možnost, da ethernet tako ali drugače (logično) deluje kot vodilo.

Dvojni dvoaksialni kabel (podoben koaksialnemu za TV, le, da ima dvakrat po dva notranja vodnika) za priklop naprav SATA3 v prerezu

Dvojni dvoaksialni kabel (podoben koaksialnemu za TV, le, da ima dvakrat po dva notranja vodnika) za priklop naprav SATA3 v prerezu

Wi-Fi

Današnji brezžični ethernet je veliko bolj podoben nekdanjemu omrežju ALOHAnet kot ožičeni. Za svoje delovanje uporablja protokol CSMA/CA, obenem pa lahko podatke tudi varnostno šifrira, s čimer omogoči njihovo branje le vozlišču ali vozliščem, katerim so namenjeni. Oznaka Wi-Fi je postala sinonim za brezžično krajevno omrežje (angl. WLAN, wireless local area network).

Wi-Fi Alliance, ki danes združuje več kot 550 izdelovalcev izdelkov za brezžična omrežja, je nastal leta 1999, ker so imeli prvi izdelki, izdelani po prvotnem standardu IEEE 802.11, težave z združljivostjo. Najprej se je imenoval združenje Wireless Compatibility Alliance (WECA). Med ustanovitelji so bili vsi večji izdelovalci strojne in programske opreme za brezžične aplikacije. Pripravili so novo različico standarda, IEEE802.11b, in uvedli plačljiva testiranja skladnosti izdelkov, ki jih IEEE ne izvaja. Združenje se je leta 2002 preimenovalo v Wi-Fi Alliance, po svoji registrirani blagovni znamki Wi-Fi.

Oznako Wi-Fi lahko izdelovalci uporabljajo samo za proizvode, za katere pridobijo ustrezen certifikat Wi-Fi Alliance. Danes so zahteve za pridobitev stroge. Dokazati je treba združljivost z več standardi: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g in IEEE 802.11n (osnutek 2.0). Vsi izdelki morajo imeti tudi podporo zaščiti podatkov med prenosom po standardu IEEE802.11i. Poleg teh Wi-Fi Alliance opravlja tudi izbirna testiranja po standardih IEEE802.11h in IEEE802.11d in testiranje kakovosti in varčne porabe energije po IEEE802.11e ter nekatera druga testiranja.

Vgradni modul za povezave 10 Gb/s prek dvoaksialnega bakrenega kabla

Vgradni modul za povezave 10 Gb/s prek dvoaksialnega bakrenega kabla

Pri odločitvi za nakup naprave Wi-Fi je pomembno prej preveriti, ali naprava ustreza standardom in potrebam naše aplikacije oziroma projekta. Preveriti moramo tudi zmogljivost naprave glede na različne pogoje uporabe omrežij Wi-Fi. Pri tem moramo upoštevati, da bo dejanska hitrost prenosa podatkov odvisna od različnih dejavnikov, kot so: oddaljenost od omrežnega usmerjevalnika, število bližnjih brezžičnih omrežij ethernet in število njihovih uporabnikov. Čim več je čakanja na prenos podatkov zaradi zasedenosti frekvenčnega spektra, pa tudi motenj prenosa, tem nižja bo povprečna hitrost.

Protokol CSMA

CSMA (zaznavanje nosilnega signala in sočasni dostop, angl. carrier sense multiple access) uvrščamo med probabilistične omrežne protokole. Vozlišče v omrežju preverja prisotnost prometa v omrežju, preden začne oddajati po skupnem prenosnem mediju, kot sta vodilo (koaksialni kabel ali optični kabel) ali dodeljeni frekvenčni prostor pri brezžičnem oddajanju.

Z zaznavanjem nosilnega signala (angl. carrier sense) na prenosnem mediju lahko ethernetni oddajnik zazna, ali katero od preostalih vozlišč v omrežnem segmentu oddaja signal. Če je prenosni medij zaseden, počaka in nato znova preveri prisotnost nosilnega signala.

Danes je v rabi več različic CSMA. Najpreprostejša je CSMA/CD z detekcijo kolizij (angl. collision detection). Ko vozlišče oddaja podatke, obenem preverja, ali je prišlo do kolizije oziroma ali hkrati z njim podatke oddaja še kako drugo vozlišče. V takem primeru oddajanje ethernetnega okvira prekine in počaka naključno izbrani časovni interval pred vnovičnim poskusom.

Brezžični ethernet (Wi-Fi) uporablja zmogljivejši CSMA/CA. »CA« pomeni izogibanje kolizijam (angl. collision avoidance). Če vozlišče ugotovi, da je prenosni medij prost, začne oddajati z določeno verjetnostjo. Če vozlišče ne začne oddajati, počaka na naslednjo časovno rezino, ko je prenosni medij prost, in se naključno odloči za začetek oddajanja z enako verjetnostjo kot prvič. Postopek ponavlja, dokler ne odda ethernetnega okvira. Prednost probabilističnega začetka oddajanja je statistično manjše število kolizij pri sorazmerno visoko obremenjenem prenosnem mediju.

Nekatera omrežja s skupnim prenosnim medijem uporabljajo tudi druge oblike CSMA, kot sta nevztrajna in O-vztrajna. Prva deluje tako, da preverja zasedenost prenosnega medija le, preden začne oddajati. Če je medij prost, začne oddajati, drugače pa počaka naključno dolgo časovno rezino, preden poskusi znova. O-vztrajna različica CSMA vključuje nadzorno enoto, ki določa vrstni red oddajanja vozlišč. Zato praviloma do kolizij ne more priti. Uporabljata jo omrežja CobraNet, LonWorks in vodilo CAN (angl. controller area network) za komunikacijo mikrokrmilnikov v vozilu.

Sodobno ethernetno omrežje

Za prvotni ethernet po koaksialnem kablu je bila postavitev manjšega omrežja za domačo ali poslovno rabo sorazmerno enostavna. Vsak računalnik je potreboval omrežno kartico in svoj člen T, ki je priključek BNC na omrežni kartici razdelil na dva. Nato smo s kosi koaksialnega kabla računalnike zaporedno povezali v vodilo, na obeh koncih omrežnega segmenta pa dodali še 75-ohmski zaključitvi.

Hitri, 100-megabitni, ethernet je prinesel veliko sprememb. Koaksialne kable je bilo treba nadomestiti s spojniki (angl. hubs) in kabli UTP ali STP (v okoljih z več elektromagnetnimi motnjami). S pocenitvijo tehnologije so vlogo spojnikov prevzele pomanjšane in cenene različice omrežnih stikal, ki jih uporabljamo še danes. Nanje preprosto povežemo vse računalnike v ethernetnem segmentu in izvedemo povezavo z nadrejenim omrežnim stikalom ali usmerjevalnikom. Včasih smo morali paziti, da smo za tako povezavo uporabili križni ethernetni kabel (križanje oddajnih in sprejemnih signalov) ali uporabili ustrezna vrata stikala, pri katerih smo lahko s tipko zamenjali položaj vhodnih in izhodnih signalov na konektorju. Novejša omrežna stikala pa znajo na katerihkoli vratih sama zaznati tip kabla in se ustrezno prilagoditi. Standardi za 1-gigabitna ali hitrejša omrežna stikala zahtevajo obvezno prilagajanje. Zato je vseeno, kakšno različico kabla uporabimo, pomembneje je, da izpolnjuje zahteve glede kakovosti (glej tabelo 2).

Pri najpogostejši gradnji omrežja s 100BASE-TX (100 Mb/s) na 1000BASE-TX (1 Gb/s) je pomembna predvsem uporaba »popolnih« oziroma običajnih kablov UTP ali STP z osmimi žicami. Obstoječih kablov večinoma ni treba menjati, je pa treba upoštevati, da zahteva 1000BASE-TX vse štiri parice,  pri 10BASE-TX ali 100BASE-TX pa po istem kablu izvedemo dve hkratni povezavi ali pa uporabimo tanjši kabel z le dvema paricama. Napačna priključitev v tem pogledu ne pomeni, da povezave ne bodo delovale, bodo pač le 100-megabitne.

Obenem je pomembno ločiti med standardoma 1000BASE-T, ki je nekoliko hitrejši, saj omogoča več hkratnih komunikacij, in 1000BASE-TX, ki ga danes skoraj izključno uporabljamo. 1000BASE-TX uporablja le po dve parici za komunikacijo v vsako smer. Hitrejši, 1000BASE-T, te omejitve nima, vendar zahteva uporabo kablov kategorije 6.

Ponudba strojne opreme pri slovenskih računalniških trgovcih pokaže, da komponent za 10-gigabitna ethernetna omrežja v glavnem še ne moremo kupiti ali pa so zelo drage. Večina naprav, od osnovnih plošč do sestavljenih računalnikov in omrežnih naprav, podpira največ 1-gigabitne povezave. Veliko pove tudi podatek, da nekatera ethernetna stikala omogočajo vgradnjo modula za 10-gigabitno povezavo (standard 10GBASE-TX) le kot izbiro.

Vendar opozorimo, da za hitrejši ethernet potrebujemo tudi kakovostnejše kable (glej tabelo 2). Pred implementacijo omrežja se je dobro pozanimati tudi o ustreznosti kabla glede na to, kakšno dolžino bomo potrebovali. Če je povezava med omrežnim stikalom in računalnikom daljša, potrebujemo kakovostnejši kabel z več oklopi. Na splošno je za 10-gigabitni ethernet potreben 4-parični kabel kategorije 6, za 1-gigabitni ali počasnejši pa zadošča kategorija 5.

Za brezžični ethernet, Wi-Fi, ponudba obsega usmerjevalnike s hitrostmi 54 Mb/s, 150 Mb/s in 300 Mb/s ter ustrezne omrežne kartice s priključki USB ali PCI, oboji v različnih izvedbah. Pri tem višja hitrost povezave pomeni tudi višjo ceno. Vse naprave z oznako Wi-Fi so med seboj združljive ne glede na zmogljivost. Hitrost komunikacije določa počasnejša naprava.

Intelov dvoaksialni bakreni kabel za 10 Gb/s povezave

Intelov dvoaksialni bakreni kabel za 10 Gb/s povezave

Od 10 Gb/s do 100 Gb/s in 1 Tb/s

Standardizirana hitrost prenosa podatkov se je v letih strmo povečala, vse do današnjih 10 Gb/s (10 GBASE). Prihodnje leto naj bi dobili tudi standard IEEE 802.3bj za 100 Gb/s omrežja. Čeprav ne gre pričakovati, da bomo omrežno kartico s tako hitrostjo že kmalu uporabljali v domačem računalniku, je standard nujno potreben zaradi zmogljivih medomrežnih povezav, ki jih potrebujejo ponudniki internetnih storitev. Strokovnjaki IEEE že razmišljajo tudi o standardizaciji 400 Gb/s in o 1 Tb/s povezav, ki bi jih lahko ustvarili z več vzporednimi 100 Gb/s povezavami.

Računalniški analitiki glede na trenutni trend naraščanja hitrosti ethernetnih povezav in tudi glede na konkurenčne standarde za prenos podatkov pričakujejo, da bi do leta 2020 terabitne ethernetne povezave že lahko »zaživele« tudi v praksi.

Bo vse to res?

V zadnjem času se število uporabnikov interneta strmo povečuje. Povečuje se tudi količina podatkov na spletnih straneh. Kljub temu večina podjetij ugotavlja, da njihova notranja 100-megabitna ethernetna omrežja za normalno delo zaposlenih povsem zadoščajo in obenem niso v celoti izkoriščena. Ožičeni ethernet za domačo rabo počasi izginja in nadomešča ga brezžični ethernet. Celo  tisti, ki imajo doma optični »modem« z 20 Mb/s (okoli 2,3 MB/s) s povečanjem hitrosti domačega etherneta s 100 Mb/s na 1 Gb/s ne bodo (dosti) pridobili; hitrejše bo le kopiranje datotek med domačimi računalniki. 

Tipi paričnih kablov [PDF]

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki

Monitor na Facebooku

Monitor TV na YouTube

WgtTlaQnT-o

  • Polja označena z * je potrebno obvezno izpolniti
  • Pošlji