Ethernet teknologi

I föregående avsnitt såg vi hur Datalänkskiktet ansvarar för att organisera data i ramar, adressera enheter och styra åtkomsten till det gemensamma nätverket. Den teknologi som i praktiken dominerar detta skikt i nästan alla LAN är Ethernet.

Ethernet kan därför ses som en konkret tillämpning av de principer som Datalänkskiktet beskriver. Med sina standarder för ramformat, adressering och medieåtkomst har Ethernet blivit den teknik som format hur moderna nätverk fungerar och utvecklats till att stödja allt högre hastigheter och olika typer av fysiska medier.

Sedan introduktionen av Ethernet år 1973 har teknologin kontinuerligt utvecklats med nya standarder som gjort den snabbare och mer flexibel. I dag är Ethernet den helt dominerande LAN-tekniken i världen.

Viktiga milstolpar i utvecklingen:

  • 1973 – Ethernet skapas av Dr. Robert Metcalfe på Xerox.
  • 1980 – DIX-standarden och Ethernet II lanseras av Digital Equipment, Intel och Xerox. Standard för 10 Mbps över koaxialkabel.
  • 1983 – IEEE publicerar 802.3 och standarden 10BASE-5 (10 Mbps över tjock koaxialkabel).
  • 1985 – Företaget SynOptics grundas, utvecklar TP-baserade Ethernet-hubbar.
  • 1990 – Crescendo Communications grundas, utvecklar TP-baserade FDDI-produkter och Ethernet-hubbar.
  • 1995 – Granite Systems grundas, fokuserar på produkter för Gigabit Ethernet.
  • 1998 – Ethernet firar 25-årsjubileum.

Denna förmåga till ständig utveckling är en av huvudorsakerna till att Ethernet blivit så framgångsrikt som LAN-teknologi. Från de första versionerna på 10 Mbps har hastigheten idag ökat dramatiskt – med standarder som når 100 Gbps och ännu högre i modern utveckling.

Bandbreddssteg inom Ethernet>/h4>

  • 10 Mbps
  • 100 Mbps (Fast Ethernet)
  • 1 000 Mbps (1 Gbps, Gigabit Ethernet)
  • 10 000 Mbps (10 Gbps)
  • 40 000 Mbps (40 Gbps)
  • 100 000 Mbps (100 Gbps)

Ethernet och OSI-modellen

Ethernet är definierat inom två OSI-skikt: det Fysiska skiktet och Datalänkskiktet.

  • Det Fysiska skiktet tillhandahåller de transmissionssätt som används för att skicka de bitar som utgör datalänksramarna.
  • Datalänkskiktet ansvarar för ramformat, adressering, ramstorlek, tidshantering och kodning.
  • Datalänkskiktet delas i sin tur upp i två underskikt:
    • LLC (Logical Link Control) – definieras i IEEE 802.2
    • MAC (Media Access Control) – definieras i IEEE 802.3

På så sätt skapar Ethernet en flexibel och standardiserad grund för nätverkskommunikation, vilket har bidragit starkt till dess långvariga dominans.

LLC-underskikt

Logical Link Control (LLC) fungerar som en brygga mellan övre skiktens protokoll och de nedre skikten i OSI-modellen (MAC och Fysiska skiktet). LLC hanterar kommunikationen från exempelvis nätverks- och transportprotokoll, och tillämpar styrinformation som underlättar leveransen av datapaket.

En viktig funktion hos LLC är att lägga till kontrollinformation i varje PDU (t.ex. ett IPv4-paket) så att ram-hanteringen och leveransen fungerar korrekt.

MAC-underskiktet

Media Access Control (MAC) är den del av Datalänkskiktet som ansvarar för att bygga Ethernet-ramar och placera dem på nätverksmediet. Funktionerna är i regel implementerade i hårdvara, oftast i datorns nätverkskort (NIC). Där fungerar MAC som en brygga mellan LLC-underskiktet och det Fysiska skiktet.

MAC har två huvuduppgifter:

  1. datainkapsling
  2. åtkomst till transmissionsmediet.

Datainkapsling

Vid datainkapsling läggs en header och en trailer till PDU:n från nätverksskiktet. På så sätt skapas en fullständig Ethernet-ram som innehåller source- och destinationsadress samt en kontrollsumma (CRC/FCS) för feldetektering.

Datainkapslingen enligt IEEE 802.3 omfattar tre huvudfunktioner:

  • Ramavgränsning (Frame delimiting) – Identifierar grupper av bitar som tillhör en ram och skapar synkronisering mellan sändare och mottagare.
  • Adressering – Varje Ethernet-ram innehåller en source (MAC) och en destinationsadress (MAC) för att säkerställa korrekt leverans inom ett LAN.
  • Feldetektering (Error detection) – En trailer med Frame Check Sequence (FCS) används för att kontrollera ramar. Vid mottagning räknas en CRC ut och jämförs med värdet i ramen. Om värdena stämmer accepteras ramen, annars kasseras den.

Åtkmost till transmissionsmediet

Den andra uppgiften är att styra åtkomsten till mediet. Ursprungligen delade flera enheter samma kabel, vilket kunde leda till kollisioner. Därför användes metoden CSMA/CD i halvduplex-Ethernet. Moderna nätverk bygger däremot på switchar och full-duplex, vilket gör att kollisioner inte längre är ett problem och att Ethernet kan fungera effektivt vid höga hastigheter.

MAC-underskiktet beskrivs i IEEE 802.3 och gäller för olika typer av medier, som koppar och fiber. Det stödjer dessutom olika kommunikationssätt: unicast, multicast och broadcast.

Ethernet-standarder i MAC-underskiktet

MAC-underskiktet definieras i IEEE 802.3-standarden, som genom åren har utvecklats i flera versioner för att stödja högre hastigheter och olika typer av medier. Den ursprungliga 802.3-standarden beskrev Ethernet på 10 Mbps över koaxialkabel, men nya tillägg har successivt införts för att möta behovet av större bandbredd och modernare kablage.

Den översta raden i figuren visar nätverksprotokoll och tjänster som hör till Nätverksskiktet (Lager 3), exempelvis IPv4 och IPv6.

Under detta visas Datalänkskiktet (Lager 2), som delas i två underskikt: LLC och MAC.

  • LLC fungerar som en kontaktpunkt mot Nätverksskiktet och kan kommunicera direkt med dess protokoll.
  • MAC har inte denna förbindelse, utan arbetar enbart mot det Fysiska skiktet.

LLC-funktionerna beskrivs i IEEE 802.2 och implementeras normalt i programvara, vilket gör dem oberoende av den fysiska utrustningen.

MAC-funktionerna definieras i IEEE 802.3 och dess olika varianter, exempelvis:

  • 802.3 – Ethernet, 10 Mbps
  • 802.3u – Fast Ethernet, 100 Mbps
  • 802.3z – Gigabit Ethernet över fiber
  • 802.3ab – Gigabit Ethernet över koppar (1000BASE-T)
  • 802.3ae – 10 Gigabit Ethernet
  • 802.3ba – 40 och 100 Gigabit Ethernet
  • 802.3bj – 100 Gigabit Ethernet över backplane och koppar
  • 802.3bm – 100 Gigabit Ethernet över fiber och korta kopparkablar

Till skillnad från LLC sträcker sig MAC-standarderna även ned mot det Fysiska skiktet, eftersom de beskriver hur ramar byggs, adresseras, kontrolleras och överförs över olika medier som kopparkabel och fiberoptik.