Ethernet: магия передачи данных в кадрах и не только

Если компьютерные сети были бы оркестром, то Ethernet — это дирижёр, который задаёт ритм, объединяет инструменты и следит, чтобы ни одна скрипка не играла не в такт. В этой статье мы погрузимся в Ethernet, чтобы понять, что же это такое, как устроены кадры данных, зачем нужны MAC-адреса и почему все так любят коммутаторы. Поехали!

Немного истории — Ethernet, от Xerox до наших дней

В далёком 1973 году Роберт Меткалф из компании Xerox изобрёл Ethernet, чтобы подключить к одному лазерному принтеру много компьютеров. Это было как устроить вечеринку и пригласить всех своих друзей — все могут общаться, только надо соблюдать порядок.

В 1982 году Ethernet получил официальное признание через стандарт IEEE 802.3, который стал краеугольным камнем локальных сетей. С тех пор Ethernet прошёл путь от коаксиальных кабелей до гигабитных скоростей и оптических волокон.

Модификации Ethernet: от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с и больше

Ethernet — это целое семейство технологий с разными скоростями и типами кабелей:

На заре Ethernet работал только с коаксиалом, теперь же в ходу преимущественно витая пара и оптика. Витая пара — это как два друга, обмотанные вместе, чтобы лучше слышать друг друга, защищаясь от шума.

Кадр Ethernet — как устроен пакет данных

Вся передача данных в Ethernet происходит с помощью кадров — как почтовые конверты, в которые вкладываются данные и служебная информация. Структура кадра — это микс полей, где есть адреса, данные и проверочные байты:

Преамбула — как барабанный бой, который объявляет: «Внимание, сейчас передам важные данные!»

Типы кадров Ethernet: как выбрать нужный конверт

В Ethernet используют четыре основных типа кадров:

• Ethernet II (DIX) — классика, где поле длины заменено на поле типа протокола.
• 802.3/LLC — кадр с заголовком уровня LLC.
• Raw 802.3 — вариант без заголовка LLC, использовавшийся Novell.
• Ethernet SNAP — расширенный кадр с дополнительным заголовком для универсальной идентификации протоколов.

Сетевые устройства обычно умеют автоматически определять тип кадра по значению поля длины/типа: если значение больше 1500, значит, это поле типа (Ethernet II), иначе — длина (802.3).

MAC-адрес — паспорт устройства в сети

Каждое устройство в сети имеет уникальный MAC-адрес из 6 байт — своего рода отпечаток пальца. Адрес назначается производителем и контролируется организацией IEEE.

MAC-адреса нужны, чтобы кадры доходили именно до тех, кому они предназначены, а не терялись в эфире, как письма без адреса.

Классический Ethernet: как он работает и почему коллизии — враг номер один

В классическом Ethernet используется одна общая среда передачи (например, коаксиальный кабель), поэтому если два устройства пытаются передать данные одновременно — происходит коллизия.

Для решения проблемы применяют метод CSMA/CD:

• Устройство слушает линию (Carrier Sense).
• Если линия свободна, начинает передачу.
• Если возникает коллизия (Collision Detection), передача останавливается, отправляется сигнал Jam.
• Устройства ждут случайный промежуток времени и пытаются снова.

Это как очередь в магазине: если два покупателя одновременно подходят к кассе — они оба отступают и ждут, пока очередь не прояснится.

Почему минимальная длина кадра 46 байт?

Чтобы коллизии успевали обнаруживаться, кадр не должен быть слишком коротким. Минимум — 46 байт данных, если меньше — добавляют заполнение.

Коммутаторы и хабы: кто есть кто?

Коммутаторы значительно повышают эффективность сети, ведь каждый кадр передаётся только нужному получателю.

Коммутируемый Ethernet: точка-точка — всё лучше, чем общая шина

Коммутируемый Ethernet (Fast Ethernet и выше) использует топологию «точка-точка», где каждый порт коммутатора соединён с отдельным устройством. Это почти как отдельная линия для каждого участника телефонной конференции.

В таком режиме коллизий нет, что позволяет работать в полнодуплексном режиме — передавать данные одновременно в обе стороны.

Режимы передачи данных: simplex, half-duplex и full-duplex

• Simplex — передача в одном направлении (например, радио).
• Half-duplex — данные передаются в обе стороны, но по очереди (рация).
• Full-duplex — одновременная передача в обе стороны (телефон).

Полнодуплексный Ethernet — это как дружеский разговор, где оба собеседника говорят и слушают одновременно.

Таблица коммутации в коммутаторах: память устройства

Коммутатор хранит в таблице соответствие между MAC-адресами и портами, куда они подключены. Это позволяет отправлять кадры напрямую нужному получателю, экономя время и ресурсы сети.

Если адрес в таблице не найден — данные передаются на все порты, как в хабе.

Контрольная сумма и её роль

Каждый кадр заканчивается полем CRC (4 байта), которое проверяет целостность данных. Отправитель вычисляет контрольную сумму, получатель — тоже, и сравнивает. Несовпадение — значит, данные повреждены, и кадр отправляют повторно.

CRC — как почтовый штемпель, удостоверяющий, что письмо дошло в целости.

Дополнительные нюансы Ethernet

• Промискуитет-режим (promiscuous mode) позволяет адаптеру принимать все кадры, даже не предназначенные ему. Используется для мониторинга сети.
• JumboFrame — расширение, позволяющее передавать кадры до 9000 байт, чтобы сократить накладные расходы.
• Алгоритм CSMA/CD помогает избежать и обнаружить коллизии в классическом Ethernet.

Итог: Ethernet — это просто и гениально!

Ethernet — основа современного мира сетей, объединяющая миллиарды устройств. От простых кадров с MAC-адресами и контрольной суммой до сложных коммутаторов и протоколов — всё это работает вместе, чтобы мы могли без сбоев смотреть видео, работать и общаться.

FAQ

Что такое MAC-адрес?
Уникальный физический адрес устройства в сети из 6 байт, который помогает кадрам найти получателя.

Почему Ethernet имеет минимальную длину кадра?
Чтобы гарантировать обнаружение коллизий при передаче данных в общей среде.

Чем отличается коммутатор от хаба?
Коммутатор направляет кадры только нужному получателю, хаб отправляет всем.

Что такое коллизия и как её избежать?
Одновременная передача нескольких устройств, приводящая к ошибкам. Ethernet использует CSMA/CD для предотвращения и обнаружения.

Что такое Full Duplex?
Режим, в котором данные передаются одновременно в двух направлениях.

Чек-лист для понимания Ethernet

• [x] Знать основные уровни OSI, на которых работает Ethernet (физический и канальный)
• [x] Понимать структуру кадра Ethernet
• [x] Уметь отличать типы кадров Ethernet
• [x] Знать, что такое MAC-адрес и его роль
• [x] Понимать принципы работы CSMA/CD
• [x] Отличать хаб от коммутатора и маршрутизатора
• [x] Понимать разницу между simplex, half duplex и full duplex
• [x] Знать основные стандарты и скорости Ethernet

Полезные советы

• При проектировании сети отдавайте предпочтение коммутаторам для увеличения производительности и безопасности.
• Следите за уникальностью MAC-адресов в сети, чтобы избежать конфликтов.
• Используйте полнодуплексные соединения, если оборудование и топология сети это поддерживают.
• Для снижения ошибок и повышения надежности контролируйте качество кабелей и физической среды.
• Если нужно передавать большие объемы данных, рассмотрите поддержку JumboFrame.

Вот так Ethernet и живёт своей динамичной жизнью — от простых кадров с битами до сложных сетевых структур. Не бойтесь, берите в руки кабели и экспериментируйте — в мире Ethernet всегда найдётся место для новых героев!