Počítačové sítě/Ethernet

Ethernet je v počítačových sítích nejrozšířenější protokol na 1. a 2. vrstvě ISO/OSI modelu. Počítač připojený UTP kabelem k síti používá Ethernet. Mobilní telefony se připojují k Internetu přes WiFi, což je podmnožina protokolu Ethernet.

Mobilní telefony se připojují k Internetu i přes bezdrátovou síť operátora, například 4G, 3G nebo GPRS, a to už jsou jiné protokoly.

Sdílené médium

Každé zařízení, které chce komunikovat s ostatními, potřebuje přístup k médiu, které přenáší komunikační signály.

Koaxiální kabel a sběrnicová topologie

Sběrnicová topologie

V začátcích Ethernetu se používaly koaxiální kabely, které propojovaly zařízení do sběrnicové topologie.

Nevýhodami této topologie jsou především:

• špatná rozšiřitelnost
• nefunkčnost sítě při porušení hlavního kabelu
• nefunkčnost sítě při porušení napojovacích konektorů.

UTP kabel a hvězdicová topologie

Hvězdicová topologie

Vývoj Ethernetu pokračoval nahrazením koaxiálních kabelů za UTP kabely a použití hvězdicové topologie, kde nevýhoda hlavního kabelu byla vystřídána nevýhodou centrálního zařízení - síť je při poruše centrálního zařízení nefunkční. Při porušení napojovacích konektorů, které lze v hvězdicové topologii chápat jako porty centrálního zařízení, dojde však k výpadku pouze té části sítě, která je připojená přes porušený port.

V porovnání se sběrnicovou topologií lze hvězdicovou lépe rozšiřovat - při potřebě rozšíření sítě lze přidat další centrální zařízení a tím síť zvětšit. V praxi se navíc ukázalo, že pokud je centrálním prvkem zařízení a nikoli kabel, má to více výhod.

Rozdíl mezi zmíněnými topologiemi je nutné chápat z hlediska umístění zařízení a kabeláže. Z pohledu 1. vrstvy ISO/OSI modelu je ale komunikace stejná - připojené zařízení pošle signál přes sdílené médium a ten je dostupný všem zařízením, která jsou ke sdílenému médiu připojena. Sběrnicová i hvězdicová topologie tedy používá broadcast způsob komunikace, kdy jedno zařízení vysílá data a ostatní tato data přijímají.

Kolizní doména

Kolizní doménu lze definovat jako skupinu všech zařízení připojených k jednomu sdílenému médiu, na kterém dochází z pohledu 1. vrstvy ISO/OSI modelu k broadcast komunikaci. Problém nastává, když se dvě zařízení ve stejné kolizní doméně snaží najednou vysílat data. V takovém případě dochází ke kolizi a ostatní zařízení nejsou schopna data správně přijmout.

Příkladem může být vyučovací hodina dějepisu s učitelem, který nedokáže studenty zaujmout. Studenti se začnou nekontrolovaně bavit a přestože jsou mezi nimi tací, kteří mají o dějepis stále zájem, přes ostatní spolužáky nejsou schopni učitele slyšet. Jedním z řešení tohoto problému je, že student či učitel, který takovouto kolizi detekuje, začne křičet. Během křiku se všichni přestanou bavit, nastává ticho a následně lze pokus o broadcast komunikaci obnovit.

V Ethernetu se tomuto přístupu říká CSMA/CD.

Opakovač a rozbočovač

Jedním z prvních aktivních prvků v Ethernetu postaveném na UTP kabelech je opakovač (anglicky repeater) a rozbočovač (anglicky hub). Opakovač má dva porty a zesiluje signál - to, co jedním portem přijde, je zesíleno a posláno na druhý. Rozbočovač má portů více, ale funkčnost je stejná. Příchozí signál je zesílen a přeposlán na všechny porty kromě příchozího. Rozbočovač lze tedy použít pro zvyšování počtu zařízení připojených ke sdílenému médiu, zároveň ale zvětšuje kolizní doménu a tím roste počet kolizí, ke kterým v síti dochází.

Most a přepínač

Pro zlepšení efektivity bylo třeba minimalizovat počet kolizí, k čemuž začaly sloužit mosty (anglicky bridge). Síťový most je opakovač, který má navíc dvě důležité funkce:

1. Učení: Z každého rámce, který na most přijde, si uloží zdrojovou MAC adresu a příchozí port do tabulky MAC adres.
2. Rozhodování: Po přijetí rámce hledá cílovou MAC adresu ve svojí tabulce MAC adres a následně:
   1. Pokud záznam najde, pustí rámec pouze na uložený port.
   2. Pokud záznam nenajde, chová se jako opakovač - signál zesílí a přepošle.

Síťový most se naučí MAC adresy zařízení připojených k portu mostu. Poté, díky rozhodování, umožňuje současnou komunikaci v obou částech sítě. Každá část sítě je kolizní doménou - sdíleným médiem, na kterém dochází z pohledu 1. vrstvy ISO/OSI modelu k broadcast komunikaci. Celá síť se jako sdílené médium chová jen výjimečně (když chybí záznam v tabulce MAC adres nebo probíhá komunikace mezi zařízeními oddělenými mostem). Síťový most tedy zvětšuje počet kolizních domén a tím klesá počet kolizí.

Přepínač (anglicky switch) se od mostu liší počtem portů - typické domácí přepínače mají 5 nebo 8 portů. Stejně jako síťový most, má přepínač dvě důležité funkce:

1. Učení: Z každého rámce, který na most přijde, si uloží zdrojovou MAC adresu a příchozí port do tabulky MAC adres.
2. Rozhodování: Po přijetí rámce hledá cílovou MAC adresu ve svojí tabulce MAC adres a následně:
   1. Pokud záznam najde, pustí rámec pouze na uložený port.
   2. Pokud záznam nenajde, chová se jako rozbočovač - signál zesílí a přepošle na všechny porty, kromě příchozího.

Rozdíl mezi přepínačem a rozbočovačem

Zásadní rozdíl mezi přepínačem a rozbočovačem je v počtu kolizních domén. Zatímco rozbočovač funguje jako sdílené médium a kolizní doménu zvětšuje (je tedy jen jedna), přepínač, díky funkcím učení a rozhodování, má na každém portu jednu kolizní doménu. V současnosti se běžně používají přepínače a full-duplex komunikace, takže kolize v síti prakticky neexistují.

Rámec

Rámec je PDU (Protocol Data Unit) Ethernetu. Ethernet zapouzdří data z vyšší vrstvy (typicky IP packet) tak, že k nim přidá hlavičku obsahující zdrojovou a cílovou MAC adresu, přenášený protokol a další informace a patičku obsahující kontrolní součet FCS (Frame check sequence).

        0               1               2               3         <- oktet
 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7  <- bit oktetu
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
+                           Preamble            +-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                               |      SFD      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
+           Zdrojová            +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|            adresa             |            Cílová             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+            adresa             +
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      802.1Q (volitelné)                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Ethertype           |                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               +
|                                                               |
~                              DATA                             ~
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                              FCS                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
+                          Interpacket                          +
|                              gap                              |
+                                                               +
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Nejdůležitější pojmy

• Preamble slouží k synchronizaci hodin přijímače, je to konstanta:

10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010.

• SFD (anglicky Start of frame delimiter) uvozuje začátek rámce, je to konstanta:

10101011.

• Zdrojová adresa je MAC adresa vysílajícího zařízení.
• Cílová adresa je MAC adresa adresovaného zařízení.
• 802.1Q se používá ve virtuálních lokálních sítí a pro QoS, tento parametr je v Ethernetovém rámci volitelně.
• Ethertype - pro standard Ethernet II obsahuje identifikátor přenášeného protokolu a pro standard 802.3 velikost rámce.
• DATA jsou data vyšší vrstvy, typicky IP packet.
• FCS (anglicky Frame check sequence) je kontrolní součet rámce, který se vypočítá jako CRC (anglicky Cyclic redundancy check).
• Interpacket gap je minimální mezera mezi Ethernetovými rámci, nutná například pro obnovení hodin přijímače nebo detekci kolizí.

Související LABy

• Počítačové sítě/LAB: Hub vs. Switch