Ethernet

Ethernet on pakettipohjainen lähiverkkoratkaisu (Local Area Network, LAN), joka on yleisin ja ensimmäisenä laajasti hyväksytty lähiverkkotekniikka. Nimi Ethernet on lähtöisin maailmaneetteristä: jaetusta kommunikaatioon käytetystä väylästä, yhteisestä viestiavaruudesta. Nykyään nimitys "Ethernet" viittaa joukkoon lähiverkkojen toteutustapoja, jotka käyttävät CSMA/CD-kilpavaraustekniikkaa jakaessaan siirtotien työasemien kesken. Ethernet toteuttaa OSI-mallin kerrokset 1 ja 2 (fyysinen- ja siirtoyhteyskerros). IEEE on standardoinut Ethernet-tekniikoita 802.3-työryhmässä.

Ethernet on ytimessään protokolla, joka kertoo miten tietoa välitetään johtimissa.

Ethernetin vaiheet

Ensimmäistä Ethernet-verkkoa – jota nimitettiin Alto ALOHANetiksi – alettiin kehittää Xeroxin Palo Alton tutkimuskeskuksessa vuonna 1972. Ensimmäinen käyttökohde oli Xerox Alto-tietokone. Aluksi verkon siirtonopeus oli 2,94 Mbit/s koaksiaalikaapelin yli. David Boggs ja Robert Metcalfe julkaisivat Ethernetin kuvauksen vuonna 1976 artikkelissa Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks.
30. syyskuuta 1980 DEC, Xerox ja Intel julkaisivat "siniseksi kirjaksi" kutsutun Ethernetin määrittelyn, josta tuli viisi vuotta myöhemmin IEEE-standardi IEEE 802.3.

Laajemmin Ethernet-verkkoa alettiin käyttää 1980-luvulla. Aluksi käytettiin halkaisijaltaan yli 10 mm vahvuiseen koaksiaalikaapeliin perustuvaa Ethernet-versiota (10Base5 eli "paksu" Ethernet), 1985 hyväksyttiin ohuempaa ja halvempaa kaapelia käyttävä versio (10Base2 eli "ohut" Ethernet). Seuraavaksi tuli 10baseT, halpaa Cat3-parikaapelointia käyttävä versio.

Vuonna 1995 saavutettiin 100 Mbit/s siirtonopeus, FastEthernet eri versioineen, joista 100baseTX on jäänyt käyttöön. Siirtonopeuden kasvu perustui paitsi parempiin verkkolaitteisiin ja laadukkaampiin kaapeleihin (Cat5) niin ennen kaikkea verkon rakenteen muuttumiseen: Ethernetissä alun perin käytetty väylärakenne (topologia) oli muuttunut tähtimäiseksi, eli jokainen "solmu" on erillisen yhteyden (kaapelin) päässä eikä riipu toisen solmun yhteydestä, ja keskitin tai kytkin välittää tietoja. Aiemmin 10Base2-kaapelit kulkivat solmusta (tietokoneesta) toiseen.

Vuonna 1998 kehitettiin seuraava versio GigabitEthernet, jossa 1 Gbit/s nopeus saavutettiin ottamalla käyttöön pidemmät kehykset, pienentämällä  CSMA/CD-algoritmille sallitun alueen kokoa, tehostamalla siirrossa käytettävää koodausta eli symbolin esitystapaa, siirtymällä half-duplexiin ja lisäämällä PAM-modulaatioon kaksi uutta jännitetasoa. Nykyisin käytössä on jo 10 Gbit/s Ethernet, joka tuki aluksi vain valokuituyhteyksiä, mutta nyt käytössä on jo useampi standardi myös kuparikaapeleille.

Fyysinen toteutus 

Perinteinen Ethernet on topologialtaan väylä: kaikki verkossa olevat koneet ovat kiinni samassa kaapelissa ja jokainen niistä näkee toistensa liikenteen. Kaapelointina oli aluksi 10Base5, Orange Hose Ethernet eli "paksueetteri", eli 10 milliä paksu RG-8-koaksiaalikaapeli, johon laitteet liitettiin erillisten lähetin-vastaanotinyksiköiden eli transceiverien avulla. Yhden kaapelin eli segmentin enimmäispituus oli 500 m.

Seuraavaksi kehitettiin 10Base2, "ohuteetteri", thinnet tai cheapernet. Paksu "letku" korvattiin suhteellisen ohuella ja notkealla RG-58-koaksiaalikaapelilla. Laitteet kytketään peräkkäin ketjuun, laitteiden ja kaapelin osien liittämiseen käytetään BNC-liittimiä. Ethernet-kaapeli voitiin nyt viedä  suoraan verkkokortille, erillistä liitinyksikköä ei tarvittu. Ohuemman koaksiaalikaapelin sähköiset ominaisuudet eivät olleet yhtä hyvät kuin paksun, ja segmentin pituus piti laskea 185 metriin.

Aluksi kaikki verkon koneet oli kytketty yhteiseen kaapeliin. Pian kuitenkin kehitettiin toistin, digitaalinen vahvistin, joka toistaa yhden kaapelin liikenteen toisessa. Alkuperäisen spesifikaation mukaan toistimia sai kytkeä kaksi peräkkäin, 1985 sallittiin neljä peräkkäistä toistinta ja viisi segmenttiä.

Vuodesta 1990 alkaen käyttöön tuli edelleen halvempi ja helpompi parikaapeliin perustuva tähtimäinen Ethernet. Jokaisella verkkoon kytketyllä laitteella oli oma kaapelinsa, joka oli kytketty tähden keskellä olevaan toistimeen, keskittimeen. Ethernet ja puhelinverkko voivat nyt käyttää rakennusten sisällä yhteiskaapelointia: samat parikaapelit ja RJ-45-liittimet käyvät sekä puhelimille että Ethernet-verkoille.

Kuparikaapelille on tullut vaihtoehdoksi valokuitukaapeli, jolla on etuja erityisen pitkien kaapeleiden kanssa sekä suurta kaistaa vaativissa verkoissa. Valokuitu on myös immuuni sähkömagneettisille häiriöille, joita teollisuusympäristöissä esiintyy.

Vuonna 2009 julkaistussa HDMI 1.4 -standardissa on tuki Ethernetille, jonka tarkoituksena on helpottaa esimerkiksi älytelevisioiden kaapelointia, koska sama kaapeli voi kuljettaa sekä AV-signaalit että verkkosignaalit.

Sillat ja kytkimet

Kun verkkoon kytkeytyi satoja koneita, joiden teho ja tiedonsiirtotarpeet olivat moninkertaistuneet 1970-luvulta, Ethernetin alun perin rajattomalta tuntuneen 10 Mb/s kapasiteetin rajat alkoivat tulla vastaan. Ratkaisu tähän ongelmaan, samoin kuin perättäisten toistimien ja segmenttien määrään, oli verkon osien erottaminen toisistaan sillalla. Silta on laite, joka vastaanottaa kehyksen yhdestä verkon osasta ja lähettää sen toiseen. Ethernetin CSMA/CD-algoritmi toimi itsenäisesti kussakin sillalla erotetussa verkon osassa, kullekin osalla oli käytettävissään Ethernetin koko 10 Mb/s kapasiteetti.

Viimeisin 10 Mbit/s Ethernetin kehitysvaihe oli kytketty Ethernet: siinä keskitin ei olekaan toistin (hub) vaan kytkin. Verkon jokainen työasema voi viestiä toisista riippumatta, jokaisella 10 Mbit/s nopeudella (aikaisemmin koko verkon yhteinen nopeus oli 10 Mbit/s).

Siirtoyhteys

Ethernetin kaistanvarausmenetelmä on CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection). Se on kilpavarausmenetelmä: jos mikään muu laite ei lähetä (Carrier Sense), kaikilla laitteilla on oikeus aloittaa lähetys (Multiple Access). Jos kaksi tai useampi laite alkaa lähettää samanaikaisesti, ne havaitsevat törmäyksen (Collision Detection) ja keskeyttävät lähetyksen. Törmäykseen osallistuneet laitteet odottavat satunnaisen ajan, jonka jälkeen ne yrittävät uudelleen lähettämistä. 

Eri verkkolaitteet tunnistetaan MAC-tason (Media Access Control) MAC-osoitteilla, joka on 48-bittinen yksilöllinen osoite jokaiselle verkkolaitteelle. Ethernet versio 2 kehys on pituudeltaan 64–1518 tavua, ja pystyy kantamaan 1 500 tavua kuormaa. Alla IEEE 802.3 kehysrakenne.

Fast Ethernet
Fast Ethernet on yleisnimitys kaikille 100 Mbit/s siirtäville Ethernet-tekniikoille. Näitä ovat:
100BASE-TX (Cat5 parikaapelin yli)
100BASE-T4 (neliparisen Cat3 tai paremman kaapelin yli; nyt vanhentunut)
100BASE-T2 (kaksiparisen Cat3 tai paremman kaapelin yli; nyt vanhentunut)

FastEthernetiin siirtymisessä vaaditaan usein uusi kaapelointi, sillä FastEthernet vaatii tähtimäiseen verkkoon kytkimen ja Cat5-luokan parikaapelin. Uuden kaapeloinnin käyttö on tehnyt mahdolliseksi myös kaksisuuntaisen (full-duplex) tiedonsiirron perinteisen vuorosuuntaisen (half-duplex) lisäksi.

Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet on yleisnimitys kaikille 1 Gbit/s siirtonopeuteen pystyville Ethernet-verkkotekniikoille. Tekniikka on standardoitu 1000BASE-T:ssa Cat5e kuparikaapeloinnille ja 1000BASE-SX:ssa lyhyille kuituyhteyksille. 1000BASE-TX vaatii toimiakseen Cat6-luokan kaapeloinnin.

Gigabit Ethernetissä on kaikki toimivaksi todettu, "vanha" Ethernet ja FastEthernet tekniikka pyritty säilyttämään ja samalla on saavutettu yhteensopivuus vanhoihin 10 Mbit/s ja 100 Mbit/s verkkoihin. 

Lähetys tapahtuu edelleen kilpavaraustekniikalla, mutta lyhyiden kehysten pituus on kasvatettu täytetavuilla vähintään 512 tavuun, jotta lähetysaika kasvaa ja törmäys voidaan havaita koko segmentin pituudella.

Uudet standardit

10 Gbit Ethernet
10 gigabitin Ethernet määriteltiin ensimmäisen kerran IEEE 802.3 standardin liitteessä IEEE 802.3ae. Määriteltyjä mediatyyppejä oli seitsemän, kaikki erilaisia valokuituja. Myöhemmin ovat tulleet muun muassa standardit 802.3ak ja 802.3an erilaisille kuparikaapeleille.

10 gigabitin Ethernetissä on myös otettu käyttöön XGMII (Gigabit Media Independent Interface), jonka tarkoituksena on ohjata datavirta varsinaiselle siirtomediakohtaiselle alikerrokselle ja loogisesti erottaa siirtomediakohtainen elektroniikka kaikille toteutuksille yhteisestä siirtokerroksen elektroniikasta.

Vuonna 2016 ethernetin käyttö ohitti InfiniBandin Top 500-listan suosituimpana kytkentänä supertietokoneissa: InfiniBandin käyttö laski 205:een järjestelmään kun gigabitin ethernet oli käytössä 218:ssa järjestelmässä, joista 176 käytti 10 gigabitin ethernetiä.

400 Gbit Ethernet
Toukokuussa 2021 arvioitiin päivityssyklin alkavan 400 gigabitin ethernetiin.

Terabit Ethernet
Muun muassa Facebook on ilmaissut tarpeen terabitin ethernetille: vuonna 2010 oli jo tarve 100 gigabitin ethernetille.

Katso myös 

IEEE 802.3
Lähiverkko
 ARP
 Teollinen Ethernet
 TTEthernet

Lähteet

 
IEEE 802
Seulonnan keskeiset artikkelit