Hlavní navigace

Jak přišel na svět Ethernet

Pavel Satrapa 23. 5. 2002

Během pár dnů se očekává standardizace desetigigabitového Ethernetu, sluší se proto ohlédnout za jeho vývojem. V dnešním článku se podíváme na to, jak se propracoval od 10 Mb/s k 1 Gb/s, a chystaný desetinásobek si necháme na příště.

Ethernet je nepochybně nejúspěšnější síťovou technologií současnosti. Podle odhadů je kolem 85 % všech instalovaných síťových portů realizováno právě touto technologií. Jeho kořeny bychom našli u firmy Xerox, která v roce 1973 začala vyvíjet počítačovou síť se sběrnicovou topologií. Později vytvořila konsorcium společně s Digitalem a Intelem a v roce 1980 tato trojice představila veřejnosti finální produkt. Jednalo se o síť se sběrnicovou topologií postavenou na koaxiálních kabelech a přenosovou rychlostí 10 Mb/s.

Přenášená data se pro Ethernet kouskovala na úseky o délce 46–1500 bajtů, které se pak přenášely v takzvaných rámcích. Jedním ze stavebních kamenů byl i algoritmus CSMA/CD pro odvysílání rámce. Podle něj může každý vysílat, kdy chce. Pokud začnou vysílat dva stroje současně, dojde ke kolizi. Oba počkají náhodně zvolenou dobu a zkusí to znovu (hodně zjednodušuji, podrobnosti najdete například v textu Jiřího Peterky).

Velký příběh Ethernetu začal docela nenápadně. Během osmdesátých let probíhal mírný pokrok v mezích zákona. Objevila se nová kabeláž s tenkým koaxiálním kabelem, která byla levnější a pružnější, ale také choulostivější a kratší než ta původní.

Počátkem devadesátých let (konkrétně v roce 1991) by Ethernet přesazen na nové médium – zvolna se prosazující kroucenou dvojlinku. Sběrnicová topologie se změnila na hvězdicovou, jejímž středem byl rozbočovač (hub). Ten předával signály z jednoho kabelu do všech ostatních, takže reálné chování odpovídalo původní sběrnici.

Kroucená dvojlinka ovšem otevřela zcela nové možnosti. Inženýři se utrhli ze řetězu a zahájili běsnění, které dosud neskončilo. Fast Ethernet, gigabitový Ethernet, 10gigabitový Ethernet, to vše se zrodilo během necelých deseti let. Ale vezměme to postupně.

Jen pro srovnání startovní situace: rok po Ethernetu představila firma IBM svůj model PC. Měl procesor s frekvencí 5 MHz, 16 KB paměti, jednu nebo dvě diskety s kapacitou 160 KB a grafiku CGA s rozlišením 320×200 bodů ve čtyřech barvách.

Jistě se shodneme, že osobní počítače se od té doby hodně změnily. Jejich výkonnostní parametry jsou dnes o několik řádů výše a hlavně jich jsou všude mračna. Z tohoto pohledu je fascinující, že zhruba stejně starý Ethernet dokáže s mírným faceliftem (přechod na kroucenou dvojlinku) vyhovět v řadě případů i dnešním požadavkům. Pro spoustu sítí je dodnes 10 Mb/s bohatě dostačující rychlostí.

Pro náročné Ethernet postupem času nabídl rychlejší deriváty. Neměl to však vůbec jednoduché, nemalý problém v jejich vývoji představoval výše zmíněný algoritmus CSMA/CD. Podle původních úvah totiž zrychlení Ethernetu vůbec nemělo být možné.

V čem je problém? Stručně řečeno: v detekci kolizí. Když stanice začne vysílat, trvá signálu určitý čas, než obsadí celý kabelážní systém. Elektrický proud se sice šíří (skoro) rychlostí světla, ta však není nekonečná. Další zpoždění vzniká na aktivních prvcích.

Aby CSMA/CD fungovalo, musí platit, že doba potřebná k rozšíření signálu na celý kabelážní systém musí být kratší než doba odvysílání nejkratšího rámce. Kdyby toto neplatilo, mohlo by se stát, že dvě stanice začnou vysílat zároveň, jejich rámce se v kabelu protnou a tudíž znehodnotí, ale vysílání skončí dříve, než dorazí signál od protější stanice. Vysílající proto nezjistí, že došlo ke kolizi. Domnívají se, že odvysílali svá data a krátce nato odvysílal svůj rámec někdo jiný.

Když zvýšíte přenosovou rychlost, zkrátí se doba vysílání nejkratšího rámce. Vznikne tak problém: jak zajistit, aby stále platilo, že se médium obsadí rychleji. Elektřina se urychlit nedá a prodloužení minimálního rámce je tabu, protože byste přišli o zpětnou kompatibilitu. Zbývá jediné: zkrátit médium.

Čítankovým příkladem je Fast Ethernet, který vznikl v polovině devadesátých let (oficiálně byl standardizován v roce 1995). Nabídl desetinásobnou přenosovou rychlost, řadu prvků však převzal z původního Ethernetu. Především formát rámce a algoritmus CSMA/CD.

Právě ten se podepsal na významném omezení kabeláže. Ve Fast Ethernetu zůstala zachována maximální délka krouceného kabelu mezi počítačem a hubem (100 m). Jednotlivé huby, které mohou být po cestě maximálně tři, však smí být nanejvýš 10 m od sebe.

Maximální dosah Fast Ethernetu tak činí 220 m. Když oprášíte prapůvodní definici Ethernetu na tlustém koaxiálním kabelu, najdete tam maximální možný dosah zhruba 2,5 km. To je ale náhodička! Za desetinásobnou rychlost jsme zaplatili zhruba desetinovým dosahem.

Kroucená dvojlinka s sebou ale přinesla ještě jedno významné vylepšení. Fyzickou topologii sítě změnila z původní sběrnice na hvězdu. Nyní má každý počítač svůj vlastní kabel, navíc se spoustou vodičů. Nabízí se myšlenka využít některé pro vysílání dat a jiné pro příjem. Tím pádem se vysílání a příjem dat nijak neruší a mohou být provozovány současně. Narodil se full-duplex.

Plně duplexní režim musí podporovat partneři na obou koncích kabelu. Pokud je tato podmínka splněna, může nerušeně probíhat provoz v obou směrech najednou. Důsledky jsou dalekosáhlé:

  1. Kapacita linky se zdvojnásobí.
  2. Odpadá nutnost zjišťovat kolize, nepoužívá se CSMA/CD.
  3. Prodlužuje se dosah. Odpadá omezení dané detekcí kolizí a vzdálenost je omezena jen přenosovými schopnostmi média.

Plně duplexní režim se však nedá provozovat s hubem. Hub je veskrze neinteligentní zařízení, které co na jednom portu slyší, slepě předá do všech ostatních. Jakmile by vysílal více než jeden stroj, došlo by ke zkomolení dat, ale duplexně připojené počítače by to neměly šanci zjistit.

Proto je plně duplexní režim k dispozici jen na přepínačích (switch). Jedná se o inteligentní zařízení, která přijmou rámec, uloží do pracovní paměti a poté jej zcela nezávisle odvysílají. Příjem/vysílání na jednom portu přepínače nijak neovlivňuje ostatní porty. Pokud některé z nich pracují poloduplexně, provozuje každý z nich svůj vlastní CSMA/CD algoritmus nezávisle na ostatních portech.

Na každém portu přepínače běží samostatný Ethernet, nezávislý na všech ostatních. Můžete míchat různá média (kroucenou dvojlinku s optikou) i různé rychlosti a překonávat délkové omezení. Každým přepínačem začíná nový (Fast) Ethernet a tudíž nových 220 m (případně pár kilometrů, pokud je médiem optické vlákno).

Přepínač navíc zkoumá cílové adresy a rámce zasílá jen do toho portu, kde sídlí skutečný příjemce. Tím se zvyšuje výkon (do každého kabelu odcházejí jen data, která tam skutečně patří) a také bezpečnost (nedá se odposlouchávat cizí provoz).

Od tupého hubu se sdílenou kabeláží a rychlostí 10 Mb/s jsme se tedy dostali k duplexnímu přepínači pro Fast Ethernet, který odděluje provoz a teoreticky může dosáhnout až průchodnost 200 Mb/s na každém portu. Nejlepší na tom je, že takováto obluda se dá dnes pořídit za směšné peníze a je dostupná prakticky pro každého.

Vývoj se ovšem nezastavil na Fast Ethernetu. Jakmile se ledy hnuly, pokračovalo vše velice rychle. Jestliže trvalo patnáct let, než se přenosová rychlost zvýšila z deseti Mb/s na sto, další desetinásobek byl dobyt za pouhé tři roky.

V roce 1998 se objevila definice gigabitového Ethernetu. Opět převzal formát rámce i algoritmus CSMA/CD, ten však spíše pro formu. Gigabitový hub považuji za zběsilou konstrukci a nevím o tom, že by se něco podobného vůbec vyrábělo. Cena přepínací části je poměrně nízká ve srovnání s gigabitovými rozhraními a „ušetřit“ na ní a degradovat tak výkon zařízení by opravdu nebylo šťastné rozhodnutí. V praxi proto gigabitový Ethernet uvidíte jen v plně duplexním režimu.

Původně byl vyvinut jako technologie pro páteřní sítě, a proto používal výlučně optická vlákna. Později se objevila i verze pro kroucenou dvojlinku, která ale dosáhne jen do vzdálenosti 25 m. Dá se použít například k připojení serverové farmy či k zapojení hi-fi laboratoře.

Hlavní doménou gigabitového Ethernetu však zůstávají páteřní sítě, kde se stékají datové toky z více míst. Ostatně valná většina současných počítačů ani nedokáže smysluplně generovat datové toky převyšující 100 Mb/s.

Přestože gigabitový Ethernet na rozdíl od Fastu nelze prohlásit za vysloveně levný, ceny jsou dnes takové, že se na ně dá bez větších problémů dosáhnout. Metalickou kartu pro PC pořídíte za 5 tisíc korun a dokonce se již objevily i základní desky s integrovaným gigabitovým Ethernetem. Malý jednoduchý přepínač lze koupit bratru za 20 tisíc.

Ethernetová rodinka to u zákazníků vyhrála především dvěma argumenty: vzájemnou kompatibilitou a cenou. Všechny varianty Ethernetu používají stejný formát rámce. Díky tomu mohou data proplouvat celou ethernetovou sítí bez jakékoli změny. Rámec zůstává nedotčen, může se měnit jen rychlost, kterou je přenášen. Stejný rámec navíc znamená, že veškeré vyšší vrstvy síťového kódu zůstávají beze změny. Jakmile dovedou sestavit data pro odeslání rámce, mohou používat libovolnou z odrůd Ethernetu.

Právě kompatibilita velmi urychlila praktické nasazení rychlých Ethernetů. Zároveň se dalo využít některých již vyvinutých komponent a celá technologie se tak zlevnila. Byla tudíž dostupnější, zákazníci ji začali kupovat, rozjela se výroba ve velkém a ceny začaly klesat opravdu rychle. Výsledkem je, že Ethernety nabízejí megabit přenosového pásma za takovou cenu, o které se konkurenčním technologiím může jen zdát.

S jídlem roste chuť. Když můžeme mít serverové farmy na gigabitovém Ethernetu či gigabitové propojení mezi skupinou fastových přepínačů, chtělo by to na jejich vzájemné propojení něco rychlejšího. Cestou nejmenšího odporu je několik gigabitových Ethernetů s rozkládáním zátěže, to však labužníka neuspokojí. Pro náročné je určen desetigigabitový Ethernet, kterému se budu věnovat příště.

Našli jste v článku chybu?

7. 9. 2006 20:30

cerf (neregistrovaný)
4 prepinace za sebou - toje jen kvuli STP protokolu.....

26. 5. 2002 13:05

kix (neregistrovaný)
To řešemí skutečně umí obousměrný přenos, a to s použitím jednoho vlákna a jediné vlnové délky.
Koneckonců, právě to, že se signály šíří proti sobě, umožňuje je oddělit.
Zde nevidím žádný principielní problém, snad nutnost důsledně minimalizovat odraz na vstupu vlákna (aby se přijímané světlo nekombinovalo s vysílaným), což je ale opticko/mechanická záležitost..

Podnikatel.cz: Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Podnikatel.cz: Přivýdělek u Airbnb nebo Uberu? Čekejte kontrolu

Přivýdělek u Airbnb nebo Uberu? Čekejte kontrolu

Vitalia.cz: Chtějí si léčit kvasinky. Lék je jen v Německu

Chtějí si léčit kvasinky. Lék je jen v Německu

120na80.cz: Rakovina oka. Jak ji poznáte?

Rakovina oka. Jak ji poznáte?

Lupa.cz: Na koho se v Křišťálové Lupě nedostalo?

Na koho se v Křišťálové Lupě nedostalo?

Podnikatel.cz: Berňák kvůli EET prodlužuje otevírací dobu

Berňák kvůli EET prodlužuje otevírací dobu

Vitalia.cz: Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Mondelez stahuje rizikovou čokoládu Milka

Měšec.cz: Vklad na cizí účet je draze zpoplatněn (přehled)

Vklad na cizí účet je draze zpoplatněn (přehled)

Vitalia.cz: Manželka je bio, ale na sex moc není

Manželka je bio, ale na sex moc není

Lupa.cz: Google měl výpadek, nejel Gmail ani YouTube

Google měl výpadek, nejel Gmail ani YouTube

Podnikatel.cz: Zavře krám u #EET Malá pokladna a Teeta?

Zavře krám u #EET Malá pokladna a Teeta?

120na80.cz: Na ucho teplý, nebo studený obklad?

Na ucho teplý, nebo studený obklad?

Měšec.cz: Golfové pojištění: kde si jej můžete sjednat?

Golfové pojištění: kde si jej můžete sjednat?

Root.cz: Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Podnikatel.cz: Babiše přesvědčila 89letá podnikatelka?!

Babiše přesvědčila 89letá podnikatelka?!

Lupa.cz: Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

Podnikatel.cz: Na poslední chvíli šokuje vyjímkami v EET

Na poslední chvíli šokuje vyjímkami v EET

Podnikatel.cz: 3, 2, 1..EET startuje. Na co nezapomenout?

3, 2, 1..EET startuje. Na co nezapomenout?

DigiZone.cz: ČT má dalšího zástupce v EBU

ČT má dalšího zástupce v EBU

Vitalia.cz: Spor o mortadelu: podle Lidlu falšovaná nebyla

Spor o mortadelu: podle Lidlu falšovaná nebyla