Вся правда об Ethernet: от кабеля до террабит в секунду

Если вы когда-нибудь подключали компьютер к сети, значит, вы уже пользовались Ethernet — той самой магией, что позволяет устройствам говорить друг с другом без лишних слов и споров. Сегодня мы отправимся в захватывающее путешествие по миру Ethernet, где будут и загадки, и коллизии, и свитые пары, и даже гигабиты, которые бегают быстрее гепарда.

Что такое Ethernet и почему он так популярен?

Ethernet — это набор стандартов и технологий, обеспечивающих передачу данных по проводам между устройствами в сети. Он работает на двух нижних уровнях модели OSI: физическом (как именно сигналы бегут по кабелю) и канальном (как формируются и управляются кадры данных).

Если сравнить Ethernet с почтовой службой, то физический уровень — это почтовые дороги, а канальный — сама система упаковки и маркировки писем.

Немного истории: как все начиналось

В 1973 году Роберт Меткалф из Xerox PARC представил Ethernet — технологию, задуманную для подключения нескольких компьютеров к одному лазерному принтеру. С тех пор Ethernet прошел путь от толстого коаксиального кабеля до витой пары и оптики, став королём локальных сетей.

Физическая среда передачи: от коаксиала до витой пары

Первоначально Ethernet использовал коаксиальный кабель — толстую трубку, по которой сигналы бегали как по единой трассе. Это обеспечивало разделяемую среду: все компьютеры слушали один канал, и только один мог говорить в данный момент.

Потом на сцену вышла витая пара — кабель с проводами, свитыми друг с другом. По двум парам в 10Base-T идет передача и прием, что уменьшает помехи и позволяет использовать дуплексный режим (передача и прием одновременно). В 10Base-T используется 2 пары, хотя кабель обычно 4-парный — остальное оставлено на запас, например, для телефона или будущих обновлений.

Зачем четыре пары, если используются только две?

Что такое домен коллизий и почему он напоминает драку в баре?

Когда два устройства пытаются передавать данные по одному кабелю одновременно, их сигналы сталкиваются, как боксёры на ринге — это и есть коллизия. Устройства это ощущают (обнаружение коллизий), останавливают передачу, и каждый ждет случайное время, прежде чем попытаться снова.

Такую территорию, где могут случаться коллизии, называют доменом коллизий.

В классическом Ethernet с общей шиной проблема коллизий ограничивала количество компьютеров и длину кабеля, чтобы сигналы успевали «услышать» друг друга.

Почему кадр не может быть меньше 64 байт?

Минимальный размер кадра — 64 байта — это строгое правило, чтобы коллизии успевали обнаруживаться.

Представьте: если кадр слишком короткий, сигнал мог бы проскочить, не успев столкнуться с другим сигналом, и коллизия осталась бы незамеченной — ошибки бы скакали, как кузнечики на поле.

Если данные меньше, кадр дополняют специальным полем pad — заполнителем.

Как ограничивается длина сегмента сети?

Скорость света — не шутка: сигналы по кабелю бегают примерно со скоростью 3×10^8 м/с, но все равно тратят время, чтобы добраться от одного конца сегмента до другого.

Чтобы коллизии фиксировались корректно, длина сегмента сети ограничена. Если сегмент слишком длинный, коллизии могут не обнаружиться, и сеть начнет путаться.

Для витой пары стандарт 10Base-T ограничивает длину сегмента 100 метрами — как длина школьного стадиона.

Классический Ethernet vs. Коммутируемый Ethernet: битва топологий

Коммутатор умеет читать адреса MAC и посылать данные только туда, куда нужно — не на всю улицу, а точно в дом. Это уменьшает коллизии и повышает скорость.

Режимы передачи: simplex, half duplex, full duplex — кто кого?

• Симплекс — движение в одном направлении, как односторонняя улица.
• Полудуплекс — движение в обе стороны, но по очереди, как узкая мостовая.
• Полнодуплекс — движение в обе стороны одновременно, как широкая автомагистраль.

В классическом Ethernet применяется полудуплекс — вы либо говорите, либо слушаете. В современных коммутируемых сетях — полнодуплекс, скорость и качество общения возрастают.

Как устроена передача данных? Кадры, адреса и проверки

Данные передаются блоками — кадрами. Каждый кадр содержит:

• Адрес получателя (MAC-адрес)
• Адрес отправителя
• Поле данных
• Контрольную сумму (FCS) для проверки ошибок

MAC-адрес — уникальный «паспорт» сетевого устройства, записанный на заводе. Он помогает понимать, кому предназначено каждое сообщение.

Сколько пар используется в кабеле для передачи данных?

Gigabit Ethernet и выше используют сложные методы модуляции (PAM-5), чтобы увеличить скорость, применяя сразу 4 пары в обе стороны.

Как работает CSMA/CD — защита от драки в сети

Ethernet использует алгоритм CSMA/CD:

• Компьютер слушает линию (Carrier Sense).
• Если линия свободна, начинает передачу (Multiple Access).
• Если обнаруживается коллизия (Collision Detection), все останавливаются и ждут случайное время.

Это как в очереди: никто не толкается, все ждут своей очереди.

Таблица основных стандартов Ethernet

Перспективы Ethernet: беги, гиг, беги!

Сети не стоят на месте. 40GbE и 100GbE уже используются в дата-центрах и крупных провайдерских сетях, а Terabit Ethernet (1 Тбит/с) — это как мечта супергероя, требующая новых лазеров, оптоволокна и модулей.

Заключение: Ethernet — просто, надежно и очень быстро

Ethernet — это не просто кабель и разъемы. Это целая наука, баланс между скоростью, надежностью и стоимостью. От коаксиального кабеля к витой паре, от коллизий к коммутаторам, от мегабит до террабит — Ethernet идет в ногу со временем, позволяя нам смотреть видео, играть онлайн и работать в облаке без сбоев.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое домен коллизий?
Это часть сети, где возможны одновременные передачи от нескольких устройств, приводящие к наложению сигналов (коллизиям).

Почему нельзя делать кадр меньше 64 байт?
Меньшие кадры могут привести к тому, что коллизии не будут обнаружены вовремя, что нарушит работу сети.

Сколько пар провода нужно для Ethernet?
Для 10Base-T и 100Base-TX — 2 пары, для Gigabit Ethernet и выше — 4 пары.

Что такое MAC-адрес?
Уникальный идентификатор сетевого устройства, по которому происходит адресация в Ethernet.

Зачем нужны коммутаторы?
Чтобы снизить коллизии и направлять трафик только туда, куда нужно, повышая скорость и безопасность.

Чек-лист: чтобы ваша Ethernet-сеть работала как часы

• Используйте правильный кабель (категория не ниже 5e для Gigabit и выше)
• Не превышайте длину сегмента (максимум 100 м для витой пары)
• Обеспечьте корректное обжатие разъемов (8P8C, не RJ-45!)
• При необходимости используйте коммутаторы, а не концентраторы
• Помните о минимальном размере кадра (64 байта)
• Следите за отсутствием повреждений кабеля и помех
• Настраивайте дуплексный режим в зависимости от оборудования

Теперь вы вооружены знаниями, чтобы понять, почему Ethernet — это целая экосистема с собственными правилами, героями и приключениями!