Ethernet é um protocolo de rede local para comutação de pacotes . É um padrão internacional: ISO / IEC 802-3 .
Projetada inicialmente no início da década de 1970, para conectar computadores ligados ao mesmo cabo coaxial (por analogia com redes de distribuição de fluidos - água, gás - ou televisão a cabo no mesmo prédio), desde a década de 1990, a Ethernet em pares trançados é muito utilizada para conectar estações clientes (o cabo coaxial foi substituído por concentradores - hub - depois switches - switch ) e versões de fibra óptica para o núcleo da rede. Esta configuração suplantou amplamente outros padrões, como Token Ring , FDDI e ARCnet . Nos últimos anos , As variantes sem fio da Ethernet ( padrões IEEE 802.11 , conhecidos como “ Wi-Fi ”) têm tido muito sucesso, tanto para instalações pessoais quanto profissionais.
A Ethernet não oferece uma garantia de boa entrega de dados, que é deixada para as camadas de protocolo superiores.
Nas primeiras redes Ethernet, o cabo coaxial transmitia dados para todas as máquinas conectadas, assim como as ondas de rádio alcançam todos os receptores. O nome Ethernet deriva desta analogia antes do XX ° século , as ondas são imaginadas foram se espalhando no éter , um meio hipotético deveria banhar o Universo. Já o sufixo net , é a abreviatura da palavra rede ("rede") em inglês .
Ethernet foi originalmente desenvolvida como um dos projetos pioneiros do Xerox PARC . Uma história comum diz que foi inventado em 1973 , quando Robert Metcalfe escreveu uma nota a seus chefes sobre o potencial da Ethernet. Metcalfe afirma que a Ethernet foi inventada ao longo de vários anos. Em 1975 , Robert Metcalfe e David Boggs (assistente de Metcalfe) publicaram um documento chamado Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks .
Metcalfe deixou a Xerox em 1979 para promover o uso de computadores pessoais e redes locais e fundou a empresa 3Com . Ele conseguiu convencer a DEC , a Intel e a Xerox a trabalharem juntas para promover a Ethernet como um padrão, no final de um período durante o qual o pensamento dos fabricantes se voltou para a computação descentralizada .
O padrão Ethernet I (10 Mb / s ), ou "DIX" ( DEC Intel Xerox ) foi publicado em 1980, seguido por uma revisão Ethernet II em 1982. O IEEE foi inspirado no padrão DIX e publicou seu padrão IEEE 802.3 em 1983 .
Na época, a Ethernet competia com dois sistemas proprietários, Token Ring ( IBM , mais recente) e ARCnet ( TRW - Matra , mais antigo); esses dois sistemas diminuíram em popularidade ao longo do tempo e então desapareceram em face da Ethernet, devido aos custos mais baixos devido à produção em massa e atualizações subsequentes para Ethernet. A Ethernet também tinha menos restrições topológicas do que o Token Ring (na CeBIT em 1995, podíamos ver experimentalmente um teto branco simulado usado como meio Ethernet, os sinais passando pelo infravermelho). Durante esse tempo, a 3Com cresceu e se tornou uma grande empresa no campo de redes de computadores .
A Ethernet é baseada no princípio de membros (pares) na rede, enviando mensagens no que era essencialmente um sistema de rádio, cativo dentro de um fio ou canal comum, às vezes chamado de éter . Assim, a Ethernet foi originalmente projetada para uma topologia de barramento físico e lógico (todos os sinais transmitidos são recebidos por todas as máquinas conectadas). Cada par é identificado por uma chave globalmente exclusiva, chamada de endereço MAC , para garantir que todas as estações em uma rede Ethernet tenham endereços distintos sem configuração prévia.
ColisõesUma tecnologia conhecida como CSMA / CD ( Carrier Sense Multiple Access com Collision Detection ) controla como as estações acessam a mídia. Originalmente desenvolvido na década de 1960 para ALOHAnet no Havaí usando rádio , a tecnologia é relativamente simples em comparação com Token Ring ou redes controladas por mestre. Quando um computador deseja enviar informações, ele obedece ao seguinte algoritmo :
Procedimento principalUma estação que detecta uma colisão transmite um sinal de colisão na mídia denominado “sinal de congestionamento” (uma sequência de 4 a 6 bytes).
Procedimento de gerenciamento de colisãoNa prática, funciona como um bate-papo normal, em que todas as pessoas usam um meio comum (ar) para falar com outras pessoas. Antes de falar, cada pessoa espera educadamente até que ninguém esteja falando. Se duas pessoas começarem a falar ao mesmo tempo, ambas param e aguardam por um curto período de tempo aleatório. Há uma boa chance de que as duas pessoas esperem por um período de tempo diferente, evitando assim outra colisão. Os tempos de espera que aumentam exponencialmente são usados quando ocorrem várias colisões em sequência.
Como no caso de uma rede não comutada, todas as comunicações são enviadas em um meio compartilhado, qualquer informação enviada por uma estação é recebida por todas as outras, mesmo que essa informação seja destinada a uma única pessoa. Os computadores conectados à Ethernet devem, portanto, filtrar o que é destinado a eles ou não. Este tipo de comunicação “alguém fala, todo mundo ouve” da comunicação Ethernet era um de seus pontos fracos, pois, enquanto um dos nós está transmitindo, todas as máquinas da rede recebem e devem, por sua vez, observar o sinal. Silêncio. Isso significa que uma comunicação de alta velocidade entre apenas duas estações poderia saturar toda uma rede local.
Da mesma forma, como as chances de colisão são proporcionais ao número de transmissores e aos dados enviados, a rede fica extremamente congestionada além de 50% de sua capacidade (independentemente do número de fontes de tráfego).
Dependendo da taxa de bits usada, deve-se levar em consideração o domínio de colisão regido pelas leis da física e, em particular, a velocidade de propagação finita dos sinais em um cabo de cobre. Se as distâncias máximas entre as máquinas não forem respeitadas, o protocolo CSMA / CD fica inoperante e a detecção de colisão deixa de funcionar corretamente.
TopologiaHistoricamente, a Ethernet usava barramentos em cabos coaxiais , especialmente do tipo 10BASE5 e 10BASE2 . Posteriormente foi adaptado em 10BASE-T para uso de topologias físicas em estrela em par trançado de cabo , os pares são conectados aos hubs ( hubs ) , o que não altera a natureza da Ethernet: a topologia lógica permanece bus , o meio permanece compartilhado, todos recebe todos os frames, sempre há apenas um segmento , todo mundo vê as colisões.
Domínios de difusão e colisãoEthernet é uma rede do tipo broadcast , ou seja, é possível enviar (inclusive em atualizações subsequentes, a pedido) um determinado quadro para todas as estações conectadas à rede Ethernet, o que constitui, portanto, um domínio de broadcast .
É possível ligar dois Ethernet segmentos por meio de uma ponte que irá repetir e retransmitir identicamente (ao contrário de um router ) os quadros a partir de um segmento para o outro segmento . Os dois segmentos assim conectados formam um único domínio de difusão , por outro lado, cada um deles forma seu próprio domínio de colisão (as colisões não cruzam a ponte ).
Para resolver problemas relacionados a colisões, os switches ( switches ) foram desenvolvidos para maximizar a largura de banda disponível, ocupando os pares trançados dos cabos (e posteriormente adicionando a fibra óptica). Um switch é uma espécie de ponte multiporta , em que cada link ponto a ponto entre um host e o switch é um segmento com seu próprio domínio de colisão . Neste caso, as características da Ethernet mudam significativamente:
Historicamente, a Ethernet é um padrão de fato descrito desde 1980 pelas especificações Ethernet / DIX. Além disso, o IEEE publicou seu próprio padrão IEEE 802.3 em 1983, inspirando-se neste padrão de fato. Portanto, há de fato um padrão Ethernet II / DIX por um lado (de 1982) e um padrão IEEE 802.3 por outro lado (de 1983). Os dois padrões são interoperáveis. Posteriormente, as atualizações normativas foram formalizadas pelo IEEE , e o 802.3 além disso oficialmente levou em consideração aspectos do DIX em 1998 (revisão 802.3-1998).
Embora implemente a camada física (PHY) e a subcamada Media Access Control (MAC) do modelo IEEE 802.3 , o protocolo Ethernet é classificado nas camadas de link de dados (nível 2) e físicas (nível 1) do modelo OSI . No 802.3 , a camada do 802.2 Logical Link Control (LLC) forma a dobradiça entre as camadas superiores e a subcamada Media Access Control (MAC), que é parte integrante do processo 802.3 com a camada física ; os formatos de quadro que o padrão define são padronizados e podem ser encapsulados em protocolos diferentes de suas próprias camadas físicas MAC e PHY . Essas camadas físicas são objeto de padrões separados de acordo com as taxas de bits, o meio de transmissão, o comprimento dos links e as condições ambientais.
Ethernet foi padronizada com o nome IEEE 802.3 :
Existem quatro tipos de frames Ethernet (além do Ethernet Experimental de 1975):
Esses diferentes tipos de quadro têm formatos diferentes, mas podem coexistir e ser diferenciados uns dos outros no mesmo meio físico pelos membros da rede.
A diferença básica entre os quadros Ethernet II e outros quadros é o uso do campo de 16 bits (ou seja, 2 bytes) localizado após os endereços MAC :
Por convenção, os valores deste campo entre 0 e 1500 indicam um tamanho de carga útil e, portanto, permitem identificar um quadro Ethernet 802.3; e os valores maiores indicam um EtherType e o uso do formato Ethernet II. Este duplo uso do mesmo campo justifica seu nome atual de campo de comprimento / tipo.
O IEEE 802.3 tendo inicialmente definido neste campo de 16 bits após os endereços MAC como o comprimento da carga útil, um novo campo é usado para especificar a carga transportada e os níveis e tipos de serviços utilizados ( Serviço Access Point ). Os quadros 802.3 devem, portanto, ter um campo LLC de 3 bytes definido pelo padrão IEEE 802.2 . O LLC ser demasiado pequeno para as necessidades potenciais, um adicional de SNAP campo de 5 bytes foi definido mais tarde, que podem ser usados como uma opção. Ao examinar o campo LLC , é possível determinar se ele é seguido por um campo SNAP ou não.
Além disso, a Novell usou quadros 802.3 sem LLC (antes da padronização IEEE 802.2) em seu sistema operacional Netware para passar seu protocolo IPX . Tendo o Netware muito difundido (ao mesmo tempo), esse não-padrão se tornou um.
Tipo de moldura | EtherType ou comprimento | Os primeiros dois bytes da carga útil |
---|---|---|
Ethernet II | ≥ 1536 | Não importa |
Novell raw IEEE 802.3 | ≤ 1500 | 0xFFFF |
IEEE 802.2 LLC | ≤ 1500 | Outro |
SNAP IEEE 802.2 | ≤ 1500 | 0xAAAA |
Nota: Os valores de comprimento / tipo de campo entre 1.500 e 1.536 são indefinidos e nunca devem ser usados.
Camada OSI | Preâmbulo | Delimitador de início de quadro | Destino MAC | Fonte MAC | Tag 802.1Q (opcional) | Ethertype ( Ethernet II ) ou comprimento ( IEEE 802.3 ) | LLC / SNAP (se 802.3) + Carga útil | Sequência de verificação de quadro ( CRC de 32 bits ) | Atraso entre pacotes (InterPacket Gap) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
7 bytes | 1 byte | 6 bytes | 6 bytes | (4 bytes) | 2 bytes | 46-1.500 bytes | 4 bytes | 12 bytes | |
Camada 2: quadro Ethernet | ← 64-1522 bytes → | ||||||||
Camada 1: Pacote Ethernet e IPG | ← 72–1530 bytes → | ← 12 bytes → |
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14… 1513 | 1514 | 1515 | 1516 | 1517 |
Endereço MAC de destino | Endereço MAC de origem | Tipo de protocolo | Dados | FCS / CRC |
Exemplo de frame Ethernet II ( informação extraída do documento de G. Requilé do CNRS e adaptada):
O campo Tipo de protocolo para frames Ethernet II pode assumir os seguintes valores, entre outros:
A maioria dos desenvolvimentos subsequentes são possíveis pela implementação de Ethernet comutada.
Uma estação e um switch que se conectam podem usar a autonegociação , ou seja, eles negociam automaticamente, sem necessidade de configuração prévia, os elementos de comunicação Ethernet incluindo velocidade, duplex e se devem ou não usar o controle de fluxo.
Na Ethernet comutada, todas as estações da rede podem se comunicar ao mesmo tempo (ou em velocidades diferentes, o meio físico não sendo compartilhado), portanto, é possível que uma estação tenha sua porta saturada na recepção por várias comunicações entrantes. O switch pode então armazenar temporariamente e / ou destruir os quadros que não podem ser transmitidos, ou optar por outros métodos, como contrapressão ou pausar quadros.
ContrapressãoNeste caso o switch gera um sinal de colisão fictício em direção à estação transmissora (na verdade não há colisão, pois é comutado Ethernet, full-duplex, mas esse sinal é sempre levado em consideração), que interrompe temporariamente sua transmissão.
Pausar quadros: 802.3x e 802.1QbbO IEEE 802.3x define um tipo de quadro de pausa que um dispositivo cujo link está saturado na recepção pode enviar para silenciar o transmissor até que o link não esteja mais saturado, fornecendo assim um mecanismo de controle de fluxo padronizado.
Porém, esta norma não permite ser específica de acordo com o tráfego (sem consideração de tipos ou classes de tráfego), todo o tráfego da estação é interrompido. Consequentemente, os frames de pausa levando em consideração as classes de serviço são padronizados pelo padrão IEEE 802.1Qbb (controle de fluxo Ethernet levando em consideração as prioridades 802.1p ).
O padrão IEEE 802.1Q permite que redes virtuais circulem dentro da rede Ethernet física, distinguindo os frames de cada VLAN (Virtual LAN) por um identificador de 12 bits de 1 a 4095. Ele também contém uma classe de valor de serviço. ( 802.1p ) em 3 bits.
Qualidade de serviço (802.1p)O padrão IEEE 802.1Q , além de definir VLANs, também inclui um valor de classe de serviço de 3 bits ( 802.1p ) que permite classificar e discriminar 8 classes de tráfego (Classes de Serviço - Classe de Serviço ou CoS) para possível processamento por um mecanismo de Quality of Service / QoS (Quality of Service) .
Agora é possível que um switch verifique a identidade da estação e / ou do usuário antes de permitir que ele acesse a rede (e se necessário colocá-lo em uma determinada VLAN), graças ao padrão IEEE 802.1X .
Os padrões IEEE 802.3af e IEEE 802.3at permitem que um switch forneça energia a equipamentos conectados em par trançado como parte do conceito de Power over Ethernet (PoE) .
A seção abaixo fornece um breve resumo de todos os tipos de mídia Ethernet. Além de todos esses padrões oficiais, vários fabricantes implementaram tipos de mídia proprietários por diferentes motivos - às vezes para suportar distâncias mais longas em fibra óptica .
(cf. círculo CREDO)
O padrão Ethernet de 10 gigabits por segundo cobre sete tipos diferentes de mídia para LANs , MANs e WANs . Ele foi especificado pelo padrão IEEE 802.3ae , cuja primeira publicação data de 2002 , então foi incorporado a uma revisão do IEEE 802.3 . A versão Ethernet de 10 Gbit / s é 10 vezes mais rápida do que Gigabit Ethernet; isso é verdadeiro apenas no nível da camada MAC.
Essas duas famílias de padrões (40GBASE e 100GBASE) foram inicialmente definidas em 2010 sob o padrão IEEE 802.3ba .
Essas duas famílias de padrões (200GBASE e 400GBASE) foram definidas em dezembro de 2017 sob o padrão IEEE 802.3bs .
Ethernet de 10 Gigabit e posterior suportam apenas o modo full duplex .
Em mídia de fibra, o modo LAN opera a uma velocidade de linha, no nível da fibra, de 10,3 Gbit / s, que representa a velocidade MAC de 10 Gbit / s ponderada pela razão 66/64 relacionada à codificação da camada PCS usando o código de linha 64B66B . O excesso de velocidade desse código é de 3%, em comparação com 25% do código 8B10B no modo Gigabit Ethernet.
Há um modo WAN PHY que permite que os quadros 10 Gigabit Ethernet sejam transportados por links SDH ou SONET ainda em vigor em muitas redes. O modo WAN PHY opera a uma taxa de bits ligeiramente inferior a 10 Gbe, ou seja, 9.953.280 kbit / s (que corresponde à taxa STM64 / OC192). O contêiner virtual 64c ou 192c carrega os códigos 64B66B.
Vários fabricantes (Fiberxon, Sumitomo , Finisar, etc.) oferecem módulos ópticos (ou de cobre, dependendo da tecnologia utilizada) chamados de transceptores em inglês, permitindo interoperabilidade. Esses módulos convertem o sinal óptico (lado da linha) em um sinal elétrico diferencial (lado do hardware) a uma taxa de 10,3 Gbit / s ; é, portanto, o equivalente da camada PHY no nível PMD do modelo OSI .
Existem vários padrões para esses transceptores , por exemplo (em 10 Gb / s): XENPAK, XPAK, X2, XFP (padronizado de acordo com o XFP MSA Group), SFP + (padronizado de acordo com o Small Form Factor Committee).
Este sinal de 10 Gbit / s , muito rápido na época de sua padronização, não podia ser processado diretamente, por isso teve que ser paralelizado, geralmente em 64 bits. Circuitos dedicados especializados permitem essa conversão.
O termo serdes vem do inglês para serializar / desserializar .
O código online 64B66B usado transforma o formato XGMII (64 bits de dados mais 8 bits de controle) em palavras de 66 bits. O objetivo é múltiplo:
O código de 66 bits é composto de dois bits de sincronização seguidos por 64 bits de dados.
Os 64 bits de dados são codificados por um embaralhador sincronizado automaticamente.
Neste nível encontramos um formato MII equivalente, as seguintes camadas: enlace de dados (MAC), rede (IP), transporte (TCP / UDP) operando de forma semelhante ao gigabit Ethernet.