Az Ethernet története nagyjából egy időben kezdődik az ALOHA-val, amikor egy Bob Metcalfe nevű egyetemi hallgató megkapta a BSc oklevelét^[16] az MIT-n (Massachusetts Institute of Technology), majd átment a Harvardra, hogy doktori fokozatot szerezzen.^[17] A tanulmányai alatt nagy hatással volt rá Abramson munkássága. A téma annyira felkeltette az érdeklődését, hogy miután ledoktorált úgy határozott, hogy egy nyarat Abramsonnál dolgozik Hawaii-n, mielőtt elkezd dolgozni a Xerox PARC-nál (Palo Alto Research Center, Palo Altó-i kutatóközpont). Mikor a nyár végén munkába állt, azt látta, hogy az ottani kutatók éppen azt tervezik és építik meg, amit később személyi számítógépnek kereszteltek el. Ezek a gépek azonban elszigeteltek voltak. Használva Abramson munkásságából szerzett ismereteit, kollégájával, David Boggs-szal, megtervezte és megvalósította^[18] az első helyi hálózatot [Metcalfe és Boggs, 1976], amelyhez egy hosszú, vastag koaxiális kábelt használt, és amely 3 Mb/s adatsebességgel működött.

A rendszert Ethernetnek („éterháló”) nevezték a világmindenséget betöltő anyagi közeg, az éter után, amelyről úgy gondolták, hogy azon keresztül terjed az elektromágneses sugárzás. (Amikor a 19. századi brit^[19] fizikus, James Clerk Maxwell felfedezte, hogy az elektromágneses sugárzás hullámegyenletekkel leírható, a tudósok feltételezték, hogy a teret valamilyen éternek nevezett anyagi közegnek kell kitöltenie, amiben a sugárzás terjed. A fizikusok csak Michelson és Morley híres, 1887-es kísérlete után fedezték fel, hogy az elektromágneses sugárzás vákuumban is terjed.)

A Xerox Ethernet olyannyira sikeres volt, hogy 1978-ban a DEC, az Intel és a Xerox elkészítették egy közös, 10 Mb/s-os Ethernet-szabványt, amely a DIX- szabvány nevet kapta. 1983-ban, egy kis változtatással a DIX-szabványból jött létre az IEEE 802.3 szabvány. Sajnos a Xeroxnak már korábban is voltak olyan jelentékeny, fejlődést elindító felfedezései (mint például a személyi számítógép), amelyekből azután nem tudott piaci tőkét kovácsolni. Ezt a történetet írja meg Smith és Alexander [1988] Fumbling the Future (A jövő elherdálása) című könyvében. Amikor a Xerox csak az Ethernet szabványosítására mutatott érdeklődést, Metcalfe saját céget alapított, a 3Com-ot, hogy Ethernet-csatolókat adjon el személyi számítógépekhez. A 3Com azután ezeket milliós nagyságrendben adta el.

A klasszikus Ethernet hosszú kábelként kígyózott végig az épületen, amelyhez minden számítógép csatlakozott. Ez az architektúra látható a 4.13. ábrán. Az első változat, a közkedvelt vastag Ethernet (thick Ethernet), amely megjelenésében egy sárga kerti locsolótömlőre emlékeztetett, amelyen a csapok lehetséges csatlakoztatási pontjait 2,5 méterenként megjelölték. (A 802.3 szabvány nem írja elő, hogy a kábelnek sárgának kell lennie, de javasolja.) Ezt követte a vékony Ethernet (thin Ethernet), amelyet könnyebb volt hajlítani és könnyebb volt hozzá gépeket csatlakoztatni az ipari szabvány BNC-csatlakozókkal. A vékony Ethernet jóval olcsóbb volt és könnyebb volt telepíteni, de csak 185 méteres szegmensekből állhatott (a korábbi 500 m helyett), valamint csak 30 eszközt lehetett hozzá csatlakoztatni (a korábbi 100 helyett).

4.13. ábra - A klasszikus Ethernet felépítése

Minden Ethernet-verzió rendelkezik egy legnagyobb megengedett szegmensenkénti kábelhosszal (erősítetlen hossz), amely távolságra a jel terjed. Hogy nagyobb hálózatokat lehessen kialakítani, több kábelszegmenst ismétlőkkel (repeater) kell összekapcsolni. Az ismétlők fizikai rétegben működő eszközök, amelyek fogadják, erősítik (azaz regenerálják, újra előállítják) és mindkét irányba kiküldik a jelet. Szoftverszempontból a kábelszegmensek ismétlőkkel összekapcsolt sorozata nem különbözik egy egyszerű kábeltől (leszámítva az ismétlők által behozott kismértékű késleltetést).

Ezeken a kábeleken keresztül az információt a Manchester-kódolás használatával továbbítják, amiről már tanultunk a 2.5. szakaszban. Egy Ethernet-hálózat több kábelszegmenst és több ismétlőt tartalmazhat, de két adó-vevő nem lehet messzebb egymástól 2,5 km-nél, valamint bármelyik két adó-vevő között legfeljebb csak négy ismétlő lehet. Erre a korlátozásra azért van szükség, hogy a MAC-protokoll, amellyel a következő szakaszban foglalkozunk, megfelelően működjön.

A használt keretformátumot a 4.14. ábra mutatja be. Először egy 8 bájtos Előtag (Preamble) jön, mely az 10101010 mintát tartalmazza (kivéve az utolsó bájtot, amelyben az utolsó 2 bit 11). Ezt az utolsó bájtot, amit Keret kezdete (Start of Frame) határolónak neveznek a 802.3 szabványban. Ennek a mintának a Manchester-kódolása egy 10 MHz-es, 6,4 s időtartamú négyszögjelet állít elő, ami lehetővé teszi, hogy a vevő az adóhoz igazítsa az óráját. Az utolsó két 1-es bit jelzi a vevőnek, hogy a keret többi része kezdődik.

4.14. ábra - Keretformátumok. (a) Ethernet (DIX). (b) IEEE 802.3

Ezután két címmező jön, egyik a célcím, másik a forráscím. Mindkettő 6 bájt hosszú. A célcím első bitje közönséges címek esetén 0, csoportcímek esetén viszont 1 értékű. A csoportcímek több állomás egyetlen címmel való megcímzését teszik lehetővé. Amikor egy keretet csoportcímmel küldünk el, akkor azt a csoport minden tagja veszi. Az állomások egy meghatározott csoportjának való keretküldést többesküldésnek (multicast) nevezik. A különleges, csupa 1-esekből álló cím az adatszórás (broadcast) esetén használatos. A célcímben csupa 1-est tartalmazó kereteket az összes állomás veszi. A többesküldés válogatósabb, de rendelkezik csoportmenedzsmenttel, ami meghatározza, hogy mely állomások tartoznak a csoportba. Az adatszórás azonban nem különbözteti meg az állomásokat, ezért nem is igényel semmiféle csoportkezelést.

Az állomások forráscímének érdekessége, hogy globálisan egyediek, melyeket az IEEE jelöl ki azért, hogy a világon ne fordulhasson elő két azonos cím. Az alapgondolat az, hogy 48 bitet használva már a világ bármely két állomása megcímezheti egymást. Ennek eléréséhez a címmezők első 3 bájtját az OUI (Organizationally Unique Identifier – szervezetenkénti egyedi azonosító) teszi ki. Ennek a mezőnek az értékeit az IEEE határozza meg a gyártó megjelölésére. A gyártók 2²⁴ címből álló blokkokat kapnak. A gyártó az utolsó 3 bájt kiválasztása után egy hálózati csatolóba beleprogramozza a teljes címet, még annak eladása előtt.

A következő mező a Típus (Type) vagy a Hossz (Length) mező, attól függően, hogy a keret Ethernet vagy IEEE 802.3. Az Ethernet a Típus mezőt használja, amely azt határozza meg, hogy a vevőnek mit kell tennie a kerettel. Több hálózati rétegbeli protokoll is működhet egy gépen egyszerre, az operációs rendszernek pedig tudnia kell, hogy melyiknek kell átadni a keretet. A Típus mező tehát azt adja meg, hogy melyik folyamatnak kell átadni a keretet. Például, a 0x0800 típus azt jelenti, hogy a hordozott adat egy IPv4-csomag.

Az IEEE 802.3 bölcsen úgy döntött, hogy ez a mező a keret hosszát fogja szállítani, mert eddig az Ethernet-keretek hosszát úgy állapították meg, hogy belenéztek az adatmezőbe, ami a rétegezés megsértése, ha egyáltalán volt rétegezés. Ebből természetesen az következett, hogy a vevő sehogy nem tudta kitalálni, hogy mit kezdjen a bejövő kerettel. Ezt a problémát egy újabb, az LLC (Logical Link Control – logikai kapcsolatvezérlés) protokoll fejlécének az adatmezőbe történő beszúrásával oldották meg. Ez a fejléc felhasznál 8 bájtot, hogy a 2 bájtos protokoll típus információt szállítsa.

Mire a 802.3-at közzé tették, sajnos már olyan sok DIX Ethernet-hardver és -szoftver volt használatban, hogy a gyártók és felhasználók nemigen lelkesedtek a Típus-ról a Hossz mezőre való átállásért. 1997-ben aztán az IEEE is bedobta a törölközőt, és mindkét megoldásra áldását adta. Szerencsére minden 1997 előtt használt Típus érték nagyobb volt 1500-nál, ezért ezt állapították meg legnagyobb adathossznak. Most az a szabály, hogy a 0x0600-nál (1536) kisebb vagy egyenlő számokat Hossz-ként, az 0x0600-nál (1536) nagyobbakat pedig Típus-ként kell értelmezni. Így az IEEE is elmondhatja magáról, hogy mindenki az ő szabványát használja, a többiek pedig folytathatják azt, amit eddig csináltak (nem kell bajlódniuk az LLC-vel) anélkül, hogy bűntudatot kellene érezniük.

Ezután jön a legfeljebb 1500 bájt hosszúságú adatmező. Ezt a határt többé-kevésbé önkényesen állapították meg az Ethernet-szabvány mérföldkővé válásakor, leginkább arra alapozva, hogy az adó-vevőnek elegendő memóriával kell rendelkeznie egy teljes keret tárolásához, márpedig a memória 1978-ban drága volt. Egy magasabb felső határ több memóriát, és emiatt drágább adó-vevőt igényelt volna.

Nemcsak a maximális, hanem a minimális kerethossz is rögzítve van. Egy 0 hosszúságú adatmezőnek is lehet ugyan értelme, mégis problémákat okozhat. Amikor egy adó-vevő ütközést érzékel, csonkolja az aktuális keretet, ami azt jelenti, hogy kóbor bitek és keretdarabkák bármikor jelen lehetnek a kábelen. Annak érdekében, hogy az érvényes kereteket könnyebben meg lehessen különbözteti a szeméttől, az érvényes Ethernet-kereteknek a célcímtől az ellenőrző összegig (beleértve e két mezőt is) legalább 64 bájt hosszúnak kell lenniük. Ha tehát egy keret adatrésze 46 bájtnál rövidebb, akkor a Kitöltés (Pad) mezőt kell használni a keret minimális méretének eléréséhez.

A minimális kerethosszúság előírását más (sokkal fontosabb) indok is szükségessé teszi. Rövid keretek engedélyezése esetén előfordulhatna, hogy egy állomás még azelőtt befejezné a keretének küldését, mielőtt annak első bitje elérné a kábel legtávolabbi végét, ahol az még egy másik kerettel ütközhet. A problémát a 4.15. ábra illusztrálja. A 0 időpillanatban a hálózat egyik végén elhelyezkedő A állomás elküld egy keretet. Jelöljük azt az időtartamot, amíg ez a csomag elér a hálózat másik végéig, -val. Éppen azelőtt, hogy a keret elérte volna a vezeték másik végét (azaz pillanatban), a legtávolabbi állomás, B szintén adni kezd. Amikor B észleli, hogy az általa vett jel erőssége nagyobb, mint amit maga sugárzott, rájön, hogy ütközés történt. Abbahagyja az adását és egy 48 bit hosszú zajlöketet (noise burst) állít elő, hogy a többi állomást is figyelmeztesse az ütközésre. Más szóval, beletömköd egy bitsorozatot (jam) az éterbe, hogy biztos legyen abban, hogy az eredeti adó észreveszi az ütközést. Az eredeti küldő fél az adás megkezdése után csak körülbelül idő elteltével érzékeli a zajlöketet, amelynek hatására szintén leáll a forgalmazással. Ezután véletlenszerű ideig vár, majd újból próbálkozik.

4.15. ábra - Az ütközés érzékelése időt is igénybe vehet

Ha egy állomás nagyon rövid keretet próbál elküldeni, elképzelhető, hogy bekövetkezik egy ütközés, de az átvitel befejeződik, mielőtt a zajlöket a idő elteltével az adóhoz visszaérkezik. Az adó ekkor azt a téves következtetést vonja le, hogy a keretet sikeresen küldte el. Az ilyen helyzetek elkerülése érdekében minden keretnek olyan hosszúnak kell lennie, hogy elküldése legalább időt igényeljen. Ily módon az átvitel még biztosan tartani fog, amikor a zajlöket visszaérkezik az adóhoz. Egy (a 802.3 specifikációja alapján) maximális, azaz 2500 méter hosszú, négy ismétlőt tartalmazó, 10 Mb/s-os LAN-on a körülfordulási idő értékét (beleértve a négy ismétlőn való áthaladás idejét is) a legrosszabb esetet feltételezve mintegy 50 s-ban rögzítették. Következésképpen a legrövidebb engedélyezett keret átvitelének is legalább ennyi ideig kell tartania. 10 Mb/s átviteli sebesség esetén egy bit 100 ns hosszú, vagyis 500 bites az a legrövidebb keret, mely garantáltan működni fog. A biztonság kedvéért ezt a számot felkerekítették 512 bitre, azaz 64 bájtra.

Az utolsó mező az Ellenőrző összeg (Checksum). Ez egy 32 bites CRC, amiről a 3.2. szakaszban volt szó. Valójában ugyanazt a generátorpolinomot használja, mint amit ott megadtunk, és ami felbukkan a PPP-nél, az ADSL-nél és még más összeköttetéseknél is. Ez a CRC egy hibajelző kód, amit a keret helyes vételének megállapítására használnak. Mivel csak hibajelzésre használható, a keretet eldobják, ha hibát érzékeltek.

Vizsgáljuk most meg a klasszikus Ethernet teljesítőképességét nagy és állandó terhelés mellett! Tegyük fel, hogy k állomás folyamatosan adásra kész állapotban van. A bináris exponenciális visszalépés algoritmusának teljes vizsgálata nagyon bonyolult, ezért Metcalfe és Boggs [1976] példáját követve, minden résben állandó újraküldési valószínűséget feltételezünk. Ha minden egyes állomás p valószínűséggel ad egy versengés során, akkor annak valószínűsége (A), hogy valamelyik állomás meg is tudja szerezni a csatornát:

4.5. egyenlet - 4.5

A akkor maximális, ha és ha , akkor -hez. Annak valószínűsége, hogy a versengési intervallum pontosan j időszeletet tartalmaz, , így tehát a versengésenkénti rések számának középértéke:

Mivel minden rés időtartama , ezért a versengési intervallum átlagos hossza . Optimális p-t feltételezve a versengési rések számának középértéke soha nem nagyobb mint e, így w legfeljebb lehet.

Ha egy átlagos keret elküldéséhez P másodpercre van szükség, akkor sok küldeni kívánó állomás esetén:

4.6. egyenlet - 4.6

Itt látható, hogy a két állomás közti maximális kábelhosszúság hol játszik szerepet a teljesítőképesség alakulásában. Minél hosszabb a kábel, annál hosszabb a versengési intervallum hosszúsága is, ezért határoz meg az Ethernet-szabvány maximális kábelhosszt.

Tanulságos a (4.6) egyenlőséget az F kerethossz, a B hálózati sávszélesség, az L kábelhosszúság és a c jelterjedési sebesség segítségével az optimális e keretenkénti versengési rés esetére átalakítani. teljesülése esetén a (4.6) egyenlet így alakul:

4.7. egyenlet - 4.7

Amikor a nevező második tényezője nagy, a hálózat hatékonysága kicsi. Konkrétan, ha a hálózati sávszélesség és a távolság nő (BL szorzat), akkor ez csökkenti az egy adott keretméretre számított hatékonyságot. Sajnos azonban a legtöbb hálózatihardver-kutatás éppen ennek a szorzatnak a növelésére irányul. Nagy távolságokon nagy sávszélességet akarnak elérni (például üvegszálas MAN-ok), ez alapján a klasszikus Ethernet nem a legalkalmasabb az ilyen alkalmazások számára. Az Ethernet megvalósítására más módszereket látunk majd a következő szakaszban.

A 4.16. ábrán a (4.7) egyenlőség alapján s és 10 Mb/s-os adatátviteli sebesség mellett az adni kész állomások függvényében rajzoltuk fel a csatornahatékonyság görbéjét. 64 bájtos résidő mellett nem meglepő, hogy a 64 bájtos keretek nem hatékonyak. Másfelől, 1024 bájtos kereteket és versengési intervallumonként e darab (amely csak aszimptotikusan közelíthető) 64 bájtos rést feltételezve, a hatékonyság 0,85, míg a versengési periódus 174 bájt hosszú lesz. Ez az érték sokkal jobb, mint az időszeletelt ALOHA 37%-os hatékonysága.

4.16. ábra - Az Ethernet hatékonysága 10 Mb/s-os sebesség és 512 bites résidő esetén

Valószínűleg megéri megemlíteni, hogy az Ethernettel (és más hálózatokkal) kapcsolatban rengeteg elméleti teljesítményelemzés létezik. A legtöbb eredmény (jókora) fenntartással kezelendő, két ok miatt. Először is, majdhogynem az összes elméleti munka Poisson-forgalmat feltételez. Ahogy azonban a kutatók elkezdték a valódi forgalmi adatokat vizsgálni, kiderült, hogy a hálózatok forgalma ritkán Poisson-forgalom. Ehelyett, önhasonló és löketes a különböző időintervallumokban [Paxson és Floyd, 1994; Willinger és mások, 1995]. Ez azt jelenti, hogy a hosszú időintervallumokra számított átlagértékek nem egyenlítik (nem simítják) ki a forgalmat. Továbbá, megkérdőjelezhető modellt használva sok vizsgálat az „érdekes”, irreálisan magas terhelés melletti teljesítőképesség vizsgálatára fókuszál. Boggs és társai [1988] kísérletileg bebizonyították, hogy az Ethernet a valóságban jól működik, még viszonylag magas terhelés mellett is.

Az Ethernet szinte azonnal – a klasszikus Ethernet egyetlen hosszú kábelt tartalmazó architektúrájának megjelenését követően – továbbfejlődött. A kábel töréseivel vagy az érintkezési hibák megtalálásával összefüggő probléma egy új vezetékezési mintát kényszerített ki, amelyben minden állomás saját kábellel csatlakozik egy központi elosztóhoz (hub). Az elosztó egyszerűen villamos kapcsolatot létesít a hozzá csatlakozó vezetékek között, mintha összeforrasztották volna azokat. Ez a kiépítés látható a 4.17.(a) ábrán.

4.17. ábra - (a) Elosztó. (b) Kapcsoló

A vezetékek általában a telefontársaságok sodrott érpárjai voltak, mivel a legtöbb irodaépület már be volt kábelezve ezzel, és rendszerint rengeteg tartalék vonal állt rendelkezésre. Ez az újrahasznosítás nagy nyereség volt, de a megengedett legnagyobb kábelhosszt a legközelebbi elosztótól mérve 100 méterre csökkentette (illetve 200 méterre, ha a jó minőségű 5-ös kategóriájú sodrott érpárt használták). Egy állomás hozzáadása vagy eltávolítása ebben a kiépítésben egyszerűbb lett, és a kábeltörés is könnyebben érzékelhetővé vált. A meglévő kábelezés újrahasznosításával, a könnyebb karbantarthatóságával a sodrott érpáros, elosztós kiépítés gyorsan az Ethernet domináns formájává vált.

Az elosztók azonban nem növelték meg az átviteli kapacitást, mert logikailag a klasszikus Ethernet egyetlen hosszú kábeles kiépítésével egyezett meg. Ahogy újabb és újabb állomások csatlakoznak a klasszikus Ethernethez, minden állomás egyre csökkenő részt kap a rögzített kapacitásból. Esetenként a LAN telítődhet. Ennek elkerülésre az egyik megoldás az, hogy növeljük a sebességet, mondjuk 10 Mb/s-ról 100 Mb/s-ra, 1 Gb/s-ra vagy még tovább. Ahogy azonban a multimédiás tartalmak és a szerverek teljesítménye növekszik, még az 1 Gb/s-os Ethernet is telítődhet.

Szerencsére a megnövekedett forgalom kezelésére van egy másik megoldás is: a kapcsolt Ethernet. A rendszer lelke a 4.17.(b) ábrán látható kapcsoló (switch). Ez egy nagy sebességű hátlapot (backplane) tartalmaz, ami összekapcsolja az összes portot. Kívülről egy kapcsoló éppen úgy néz ki, mint egy elosztó. Mindkettő tipikusan 4–48 portot tartalmazó doboz, melynek portjai egy-egy RJ-45 foglalatot tartalmaznak a sodrott érpár részére. Mindegyik kábel egy-egy számítógéphez csatlakoztatja a kapcsolót vagy az elosztót, ahogy az 4.18. ábrán látható. Egy kapcsolónak megvannak ugyanazok az előnyös tulajdonságai, mint az elosztónak. Egyszerű az állomások hozzáadása és eltávolítása: a vezetéket egyszerűen be kell dugni (vagy ki kell húzni) a csatlakozó aljzatba. Könnyű a hibák helyének meghatározása is, mert a hibás kábel vagy port általában csak egyetlen állomást érint. Továbbra is van egy közös komponens, amely meghibásodhat, ez maga a kapcsoló. Ha azonban az összes állomás kiesik, akkor a rendszergazdák tudják, hogyan hárítsák el a hibát: kicserélik magát a kapcsolót.

4.18. ábra - Egy Ethernet-kapcsoló

A kapcsolón belül azonban teljesen más történik, mint az elosztón belül. A kapcsolók csak azokra a portokra teszik ki a kereteket, amelyekre azokat a kereteket szánták. Amikor egy kapcsoló port egy Ethernet-keretet kap egy állomástól, megvizsgálja az Ethernet-címeket, hogy meg tudja állapítani, hogy melyik porton kell kimennie. Ez a lépés megköveteli a kapcsolóktól, hogy képesek legyenek meghatározni, hogy melyik porthoz melyik cím van hozzárendelve. Ezt a folyamatot a 4.8. szakaszban mutatjuk be annak az általános esetnek a tárgyalásánál, amikor kapcsolók más kapcsolókkal vannak összeköttetésben. Egyelőre tételezzük fel, hogy a kapcsoló ismeri a keret célportját. Ezután a kapcsoló továbbítja a keretet a nagy sebességű hátlapján keresztül a célporthoz. A hátlap tipikusan több Gb/s sebességű, és egyedi protokollt használ, amelyet nem szükséges szabványosítani, mert teljes egészében el van rejtve a kapcsoló belsejében. A célport ezután továbbítja a keretet a vezetéken, amely így eléri a kívánt állomást. Egyetlen másik port sem tud a keret létezéséről.

Mi történik, ha ugyanabban a pillanatban több mint egy állomás akar keretet küldeni? Ismét megjegyezzük, hogy a kapcsolók különböznek az elosztóktól. Az elosztók esetében az összes állomás egy ütközési tartományt (collision domain) képez. Ezeknek feltétlen a CSMA/CD-algoritmust kell használniuk adásaik ütemezésére. Kapcsoló esetén, minden porthoz saját ütközési tartomány tartozik. Abban az általános esetben, amikor a kábel duplex, mind az állomás, mind a port egyszerre tud keretet küldeni a kábelre anélkül, hogy aggódni kellene más portok és állomások miatt. Így az ütközések lehetetlenné váltak és a CSMA/CD alkalmazása nem szükséges. Ha azonban a kábel fél-duplex, az állomásnak és portnak versengenie kell az adás jogáért a CSMA/CD-vel a szokásos módon.

A kapcsoló két módon is jobb teljesítményt nyújt az elosztóknál. Először is, mivel nincsenek ütközések, az átviteli kapacitás hatékonyabban kihasználható. Másodszor, és ez a fontosabb érv, kapcsoló használatával több állomás tud egyszerre keretet továbbítani. Ezek a keretek elérik a kapcsoló portjait és áthaladnak a kapcsoló hátlapján, hogy a megfelelő kimeneti portokon keresztül hagyják el a kapcsolót. Mivel azonban lehetséges, hogy két keretet ugyanarra a kimenő portra küldtek ugyanabban a pillanatban, ezért a kapcsolónak pufferrel kell rendelkeznie, hogy a bejövő keretet ideiglenesen tárolni tudja, amíg az a kimenő portra küldhető lesz. Összegezve, ezek a fejlesztések olyan nagy teljesítménybeli előnyt jelentenek, amire az elosztó nem képes. A teljes rendszer átbocsátóképessége gyakran egy nagyságrenddel nagyobb lesz, a portok számától és a forgalom mintájától függően.

A biztonság szempontjából is előnyös, hogy megváltozott, hogy mely portokon keresztül mennek ki a keretek. A legtöbb LAN-illesztő rendelkezik azzal a képességgel, hogy ún. válogatás nélküli üzemmódban (promiscuous mode) üzemeljen, amikor is minden keretet továbbít a számítógépnek, és nem csak azokat, amelyeket annak az állomásnak címeztek. Egy elosztóval minden hozzákapcsolt számítógép láthatja az összes többi számítógép között menő forgalmat. A kémek és a minden lében kanál emberek nagyon szeretik ezt a funkciót. Ez a korlátozás nagyobb elszigeteltséget eredményez, ami által a forgalom nem tud könnyen kijutni és rossz kezekbe kerülni. Mindenesetre jobb, ha titkosítjuk az adatforgalmat, amennyiben a biztonságra ténylegesen szükség van.

Mivel a kapcsoló csak annyit vár el, hogy szabványos Ethernet-keretek érkezzenek a bemeneti portjaira, néhány portját koncentrátorként lehet használni. A 4.18. ábrán a jobb felső portra nem egy különálló számítógép, hanem egy 12 portos elosztó csatlakozik. Az elosztóra érkező keretek a szokott módon versengenek a közegért, beleértve az ütközéseket és a kettes visszalépéses algoritmus használatát is. Azok a keretek, amelyek sikeresen átjutottak az elosztón, folytatják útjukat a kapcsoló felé, ahol ugyanolyan bánásmódban részesülnek, mint bármilyen más beérkező keret. A kapcsoló nem tudja, hogy meg kellett harcolniuk az odajutásért. Amikor már a kapcsolóban vannak, továbbításra kerülnek a nagy sebességű hátlapon keresztül a megfelelő kimeneti vonal felé. Az is elképzelhető, hogy a megfelelő cél az elosztóhoz kapcsolódik, ebben az esetben a keret már meg is érkezett, és a kapcsoló eldobja. Az elosztók egyszerűbbek és olcsóbbak ugyan a kapcsolóknál, de a kapcsolók árának zuhanása miatt mára már veszélyeztetett fajnak számít. A modern hálózatok főként kapcsolt Ethernetet használnak, azonban a korábbi elosztók még mindig megtalálhatók.

Ahogy a kapcsolók egyre népszerűbbé váltak, a 10 Mb/s sebességű Ethernet egyre nagyobb nyomás alá került. A 10 Mb/s kezdetben valóságos mennyországnak tűnt a felhasználók számára éppúgy, ahogy a kábelmodemek is csodának számítottak a telefonmodemek felhasználóinak szemében. Az újdonság varázsa azonban hamar elszállt. Úgy tűnik, mintha Parkinson törvényének („A munka mindig kitölti az elvégzéséhez rendelkezésre álló időt”) egyfajta következményeként igaz lenne az is, hogy az adat mindig kitölti az átviteléhez rendelkezésre álló sávszélességet.

Sok alkalmazás 10 Mb/s-nál nagyobb sávszélességet igényelt, emiatt sokszor jó néhány 10 Mb/s-os LAN-t kötöttek össze ismétlők, elosztók és kapcsolók útvesztőjével. A rendszergazdák pedig sokszor már úgy érezték, hogy az egész rendszert csak rágógumi és csirkeháló tartja egyben. Még Ethernet-kapcsolók használatakor is korlátozta a számítógép rendelkezésére álló sávszélességet az a kábel, ami a gépet összekötötte a kapcsoló portjával.

Így történt, hogy az IEEE 1992-ben újból összehívta a 802.3 bizottságot, hogy készítsen szabványt egy gyorsabb LAN-ra. Az egyik javaslat az volt, hogy tartsák meg a 802.3 szabványt olyannak amilyen, csak tegyék gyorsabbá. A másik indítvány szerint viszont az egészet teljesen át kellett volna alakítani és olyan újabb szolgáltatásokkal felruházni, mint például a valós idejű forgalom és a digitális beszédátvitel, és csak a régi nevet tartsák meg (üzleti okokból). Némi huzavona után a bizottság az első javaslat mellett döntött. A stratégia szerint a munkát be fogják fejezni, még mielőtt a technológia megváltozna, és így elkerülik a teljesen új tervezéssel járó előreláthatatlan problémákat. Az új tervezetnek kompatibilisnek kellene lennie a létező Ethernet LAN-okkal. A vesztes indítvány mögött álló emberek erre azt tették, amit a számítógépipar bármely más önérzetes résztvevője tett volna a helyükben: félrevonultak, megalapították saját bizottságukat, és elkészítették saját LAN-szabványukat, a 802.12-t. Az eredmény szánalmas bukás volt.

A munkával hamar végeztek is (legalábbis egy szabványosítási bizottsághoz képest), és az eredményt, a 802.3u szabványt 1995 júniusában elfogadta az IEEE. A 802.3u technikailag nem új szabvány, hanem a meglevő 802.3 kiegészítése (a hátrafelé kompatibilitás hangsúlyozása érdekében). Ezt a stratégiát gyakran használják. Szinte mindenki – így mi is – gyors Ethernet (fast Ethernet) néven hivatkozik rá a 802.3u helyett.

A gyors Ethernet alapötlete egyszerű: tartsunk meg minden régi keretformátumot, interfészt és eljárási szabályt, a bitidőt, de csökkentsük 100 ns-ról 10 ns-ra. Műszaki szempontból lehetséges lett volna a 10 Mb/s-os klasszikus Ethernet megőrzése, és még ekkor is időben lehetett volna észlelni az ütközéseket, ha a maximális kábelhosszt tizedére csökkentették volna. A sodort érpáros kábelezés előnyei azonban annyira meggyőzők voltak, hogy a gyors Ethernetet teljes egészében erre a megoldásra alapozták. Ezért minden gyors Ethernet-rendszer elosztókat és kapcsolókat használ; a vámpírcsatlakozós csatolókábelek vagy a BNC-csatlakozók nem megengedettek.

Néhány döntést azonban még így is meg kellett hozni. A legfontosabb ezek közül az volt, hogy milyen kábelfajtát támogassanak. A verseny egyik résztvevője a 3-as kategóriájú sodrott érpár volt. A mellette szóló érv az volt, hogy a nyugati világban gyakorlatilag minden irodát legalább négy, 3-as kategóriájú (vagy jobb) sodrott érpár kötött össze a 100 méteren belül lévő telefonos kábelrendezővel. Esetenként két ilyen kábel is létezett. Ily módon a 3-as kategóriájú sodrott érpárok segítségével az asztali számítógépeket anélkül lehetne gyors Ethernet-hálózatba csatlakoztatni, hogy az egész épületet újra kellene kábelezni, ami sok szervezet számára óriási előnyt jelent.

A 3-as kategóriájú sodrott érpár fő hátránya az, hogy képtelen a 100 Mb/s sebesség nyújtására 100 méter hosszú kábelen, márpedig ez a maximális távolság a számítógépek és az elosztó között a 10 Mb/s-os elosztók esetén. Ezzel szemben az 5-ös kategóriájú sodrott érpár számára a 100 méter nem jelent akadályt, a fényvezető szál pedig még ennél is távolabb mehet. Végül azt a kompromisszumot választották, hogy megengedik mindhárom lehetőséget, ahogy ezt a 4.19. ábra is szemlélteti, de a 3-as kategóriájú megoldást fel kellett javítani úgy, hogy elérje a szükséges szállítási kapacitást.

4.19. ábra - A gyors Ethernet eredeti kábelezése

A 3-as kategóriájú UTP-séma, melyet 100Base-T4-nek neveznek, 25 MHz-es ^{Helyesebb lenne 25 MBaud-ot mondani. (A lektor megjegyzése)} jelzési sebességet használt, ami csak 25%-kal több az Ethernet-szabvány 20 MHz-énél ^{Helyesebb lenne 20 MBaud-ot mondani. (A lektor megjegyzése)} (ne felejtsük el, hogy a 2.5. szakaszban tárgyalt Manchester-kódolás két órajel-periódust igényel minden egyes bithez a másodpercenként elküldött 10 millió bitből). A szükséges adatsebesség eléréséhez a 100Base-T4 négy sodrott érpárt igényel. A négy sodrott érpár közül egy mindig az elosztó felé, egy mindig az elosztó felől, a maradék kettő pedig átkapcsolható módon, az aktuális átvitel irányába szállítja az adatokat. A 100 Mb/s-os sávszélesség mindkét irányban való elérésének érdekében egy meglehetősen bonyolult sémát használnak mindegyik sodrott érpáron. Ez azzal jár, hogy három feszültségszinttel ternális digiteket kell tobábbítani. Ezt a kódolást valószínűleg nem az eleganciájáért fogják díjazni, ezért a részleteket mellőzzük. Akárhogy is, miután már évtizedek óta négy sodrott érpár fut a telefonkábelekben, a legtöbb irodának lehetősége van a meglévő kábelezést használni. Természetesen ez az irodai telefon feladását vonja maga után, de ez bizonyára nem nagy ár a gyorsabb elektronikus levelekért cserébe.

A 100Base-T4 fokozatosan kikerült a használatból, amikor sok irodaépületet újrakábeleztek 5-ös kategóriájú UTP-kábellel, hogy a 100Base-TX Ethernetet használják, ami mára piacvezető lett. Ez a megvalósítás egyszerűbb, mivel a kábel képes a 125 MHz-es órajelet kezelni. Állomásonként mindössze két sodrott érpárt használnak, egyet az elosztó felé, egyet pedig az elosztó felől. Sem a közvetlen bináris kódolást (azaz NRZ), sem a Manchester-kódolást nem alkalmazzák. Helyettük a 4B/5B kódolást használják, amit a 2.5. szakaszban mutattunk be. 4 adatbitet kódolnak 5 bitre és küldik át 125 MHz-en, így szolgáltatva a 100 Mb/s-os adatsebességet. Ez a séma egyszerű, ugyanakkor van a szinkronizációhoz megfelelő számú jelátmenete és viszonylag jól kihasználja a vezeték sávszélességét is. A 100Base-TX rendszer duplex: az állomások egy időben adhatnak az egyik sodrott érpáron és vehetnek a másikon 100 Mb/s sebességgel.

Az utolsó lehetőség, a 100Base-FX két többmódusú fényvezető szálat használ, mindkét irányban egyet-egyet, így ez is 100 Mb/s-os duplex átvitelt biztosít mindkét irányban. Ebben a kiépítésben egy állomás és a kapcsoló közötti távolság pedig akár 2 km is lehet.

A gyors Ethernet megengedi, hogy az összeköttetés akár elosztóval, akár kapcsolóval történjen. Hogy biztosítsák a CSMA/CD-algoritmus további működését, a legkisebb keretméret és a legnagyobb kábelhossz közötti kapcsolatot fenn kell tartani, a hálózat 10 Mb/s-ról 100 Mb/s-ra való gyorsításakor. Tehát, vagy a 64 bájtos legkisebb keretméretet kell arányosan megnövelni, vagy a 2500 méteres legnagyobb kábelhosszat arányosan kell lerövidíteni. A könnyű választás az volt, hogy a két tetszőleges állomás közötti megengedett legnagyobb kábelhosszt rövidítik le egy 10-es osztóval, mert az elosztók miatt a 100 méteres kábelek már úgyis ezen a korláton belül vannak. A 2 km-es 100Base-FX kábelek azonban túl hosszúak ahhoz, hogy megengedjék egy 100 Mb/s-os normális Ethernet ütközési eljárású elosztó működését. Ezeket a kábeleket elosztó helyett kapcsolóval kell összekötni és duplex módban kell üzemeltetni, így nem lesznek ütközések.

A felhasználók rövidesen elkezdték a gyors Ethernet használatát, de nem dobták ki a régi számítógépeikben lévő 10 Mb/s-os Ethernet-kártyáikat. Ennek következtében gyakorlatilag minden gyors Ethernet-kapcsoló képes vegyesen 10 Mb/s-os és 100 Mb/s-os állomásokat is kezelni. A frissítés megkönnyítésére a szabvány egy automatikus egyezkedés (autonegotiation) nevű mechanizmust ajánl, amivel két állomás automatikusan megegyezhet az optimális sebességről (10 vagy 100 Mb/s) és a duplexitásról (duplex vagy fél-duplex). Ez jól működik a legtöbb esetben. Köztudott azonban, hogy duplexitás illeszkedési hiba (duplex mismatch) nevű problémához vezet, ha egy kapcsolat egyik vége alkalmazza az automatikus egyezkedést, míg a másik vége nem, ugyanakkor ez utóbbi duplex módba van állítva [Shalunov és Carlson, 2005]. A gyors Ethernet-termékek többsége ki is használja ezt a képességet saját maga konfigurálására.

Még alig száradt meg a tinta a gyors Ethernet-szabványon, amikor a 802-es bizottság már elkezdett dolgozni egy még gyorsabb Ethernet tervén, gyorsan rá is ragasztották a gigabites Ethernet (gigabit Ethernet) nevet. Az IEEE 1999-ben a 802.3ab név alatt hagyta jóvá a legnépszerűbb formáját. Alább megvizsgáljuk a gigabites Ethernet néhány kulcsfontosságú képességét. További információkkal Spurgeon [2000] munkája szolgál.

A bizottság céljai a gigabites Ethernet tervezésénél lényegében megegyeztek a gyors Ethernet tervezésénél alkalmazottakkal: tízszereződjön meg a teljesítmény, de maradjon kompatibilis az összes meglevő Ethernet-szabvánnyal. A gigabites Ethernetnek lényegében nyugtázatlan datagramszolgáltatást kellett nyújtania, mind egyesküldésnél, mind adatszórásnál; használnia kellett a már meglevő 48 bites címzési sémát, és meg kellett őriznie a régi keretformátumot a minimális és maximális keretméretekkel együtt. A végső szabvány meg is felelt ezeknek a céloknak.

Mint ahogy a gyors Ethernet, a gigabites Ethernet is minden kiépítésében kétpontos (point-to-point) kapcsolatokat használ. A legegyszerűbb gigabites Ethernet-kiépítést a 4.20.(a) ábra szemlélteti, ahol két számítógép van közvetlenül összekötve egymással. Gyakoribb azonban az az eset, hogy egy kapcsoló vagy elosztó köt össze több számítógépet, esetleg további kapcsolókat vagy elosztókat, ahogy azt a 4.20.(b) ábra mutatja. Bármelyik kiépítést is nézzük azonban, minden egyes Ethernet-kábel végén pontosan két eszköz található, se több, se kevesebb.

4.20. ábra - (a) Ethernet két állomással. (b) Ethernet több állomással

A gyors Ethernethez hasonlóan, a gigabites Ethernet is két különböző működési módot támogat: a duplex és a fél-duplex működést. A duplex mód a „normális” eset, mely lehetővé teszi, hogy mindkét irányban menjen forgalom egyazon időben. Ezt akkor használják, amikor egy központi kapcsolót kötnek össze a periférián lévő számítógépekkel (vagy más kapcsolókkal). Ebben az elrendezésben minden vonalat pufferelnek, így bármely számítógép és kapcsoló tetszése szerinti időben küldheti el a kereteit. Az adónak nem kell figyelnie a csatornát, hogy használja-e azt éppen más is, mert a versengés kizárt. Egy olyan vonalon, mely egy számítógépet és egy kapcsolót köt össze, csak az adott számítógép küldhet adatokat a kapcsoló felé, és az átvitel még akkor is sikeres lesz, ha a kapcsoló éppen keretet küldött a számítógépnek, hiszen a vonal duplex. Mivel nincs versengés, ezért CSMA/CD-protokollt sem használnak, így a maximális kábelhosszt a jel erőssége határozza meg, nem pedig az, hogy legrosszabb esetben mennyi ideig tart egy zajlöketnek visszajutnia az adóig. A kapcsolóknak módjukban áll keverni és egyeztetni a sebességeket. Automatikus egyezkedésre is van lehetőség, akárcsak a gyors Ethernetnél, de most a 10, 100 és 1000 Mb/s-os sebességek közül tudnak választani.

A fél-duplex működési módot akkor használják, ha a számítógépek nem egy kapcsolóhoz, hanem egy elosztóhoz csatlakoznak. Az elosztó nem puffereli a beérkező kereteket, hanem belül az összes vonalat villamosan összeköti, a klasszikus Ethernet többpontú kábeleit utánozva. Ebben a módban ütközések is történhetnek, ezért a szabványos CSMA/CD-protokollra is szükség van. Mivel egy 64 bájtos (azaz a megengedett legrövidebb) keretet a klasszikus Ethernetnél 100-szorta gyorsabban lehet elküldeni, a maximális távolságnak 100-szor kisebbnek kell lennie, azaz 25 méteresnek, hogy megmaradjon az az alapvető tulajdonság, hogy az adó adása még a legrosszabb esetben is tartson addig, amíg a zajlöket visszaér hozzá. Egy 2500 méter hosszú kábel esetén az 1 Gb/s sebességgel működő adó már rég végezne egy 64 bájtos keret adásával, amikor a keret még a kábel tizedén se haladt végig, nem beszélve a visszaútról.

A hossz ilyetén szabályozása elég fájdalmas volt ahhoz, hogy két új képességet tettek bele a szabványba, hogy 200 méter hosszúságúra növeljék a legnagyobb kábelhosszt, ami valószínűleg a legtöbb irodának megfelel. Az első képességet vivőjel-kiterjesztésnek (carrier extension) nevezik. Ez lényegében arra utasítja a hardvert, hogy illessze a saját kitöltő bitsorozatát a rendes keret után, hogy a keret hossza elérje az 512 bájtot. Mivel ezt a kitöltést az adó hardvere illeszti be, és a vevő hardvere távolítja el, a szoftver nem is tud róla, vagyis a meglevő szoftvert nem kell megváltoztatni. A hátránya az, hogy 512 bájt átviteléhez szükséges kapacitást használunk fel 46 bájtnyi felhasználói adat (ennyi a 64 bájtos keret adatrésze) átviteléhez, így a vonal hatásfoka mindössze 9%-os lesz.

A második képesség a keretfűzés (frame bursting). Ez lehetővé teszi, hogy az adó egyetlen adás során több, egymás után fűzött keretet vigyen át. Amennyiben a teljes löket hossza kisebb mint 512 bájt, akkor itt is a hardver végzi a kitöltést. Ha kellően sok keret vár továbbításra, akkor kiemelkedő hatékonysága miatt ezt a sémát szokták előnyben részesíteni a vivőjel-kiterjesztéssel szemben.

Őszintén szólva, nehéz elképzelni egy olyan szervezetet, amely modern számítógépeket vásárol gigabites Ethernet-kártyákkal, majd régimódi elosztókkal köti össze a gépeket, hogy a klasszikus Ethernetet szimulálja, annak ütközéseivel együtt. A gigabites Ethernet-illesztőkártyák elég drágák voltak, de az áruk esett, ahogy az eladott mennyiség nőtt. A számítógépiparban a hátrafelé kompatibilitás fogalma még mindig szent, ezért a bizottságnak sem volt más választása, minthogy elfogadja. Manapság a számítógépeket olyan Ethernet-csatolóval forgalmazzák, amely képes 10, 100 és 1000 Mb/s-os működésre, és amely mindezekkel kompatibilis is.

A gigabites Ethernet támogatja a rézből és a fényvezető szálból készült vezetékeket is, amint azt a 4.21. ábra felsorolása is mutatja. Az 1 Gb/s-os vagy azt megközelítő sebesség megköveteli, hogy minden nanoszekundumban egy bit kódolása és elküldése megtörténjen. Ezt a mutatványt kezdetben rövid, árnyékolt rézkábelekkel (az 1000Base-CX verzió) és fényvezető szálakkal sikerült teljesíteni. A fényvezető szálak esetében két hullámhossz engedélyezett, ezért két különböző verziójuk van: a 0,85 mikronos hullámhossz (rövid, 1000Base-SX) és az 1,3 mikronos hullámhossz (hosszú, 1000Base-LX).

4.21. ábra - A gigabites Ethernet kábelezése

A rövid hullámhosszú jelzés olcsó LED-ekkel megvalósítható. Többmódusú fényvezető szálat használ, és épületen belüli összeköttetések kiépítésénél hasznos, mivel az 50 mikron átmérőjű fényvezető szál akár 500 m hosszan is futhat. A hosszú hullámhosszú jelzés megköveteli a drágább lézereket. Amikor viszont egymódusú (10 mikron átmérőjű) fényvezető szállal kombinálják, a kábel hossza akár 5 km is lehet. Ez a felső határ lehetővé teszi az épületek közötti hozzárendelt (dedikált), nagy távolságú kétpontos (point-to-point) összeköttetések megvalósítását, mint amilyen például egy egyetemi gerinchálózat. A szabvány későbbi változatai még hosszabb kapcsolatokat is megengednek egymódusú fényvezető szálon.

Hogy biteket a gigabites Etherneten keresztül lehessen küldeni, a 2.5. szakaszban bemutatott 8B/10B kódolást vették kölcsön egy másik, Fibre Channelnek nevezett hálózati megoldástól. A séma 8 adatbitet 10 bites kódszavakba foglalja, innen származik a 8B/10B név. A kódszavakat úgy választották meg, hogy kiegyensúlyozható legyen (azaz ugyanannyi 0-st és 1-est tartalmazzon) és elegendő jelátmenetet tartalmazzon az órák újraszinkronizálásához. Az NRZ-vel kódolt bitek küldése 25%-kal nagyobb sávszélességet igényel a kódolatlan bitek küldéséhez képest, ami nagy előrelépést jelent a Manchester-kódolás 100%-os többletéhez képest.

Mindenesetre, ezek a tulajdonságok új rézvezetéket vagy fényvezető szálakat igényeltek a gyorsabb jelzések támogatásához. Egyik sem hasznosítja a gyors Ethernettel telepített nagy mennyiségű 5-ös kategóriájú UTP-kábelt. Egy éven belül megérkezett az 1000Base-T, hogy kitöltse a rést, és azóta is ez a gigabites Ethernet legnépszerűbb formája. Úgy tűnik, az emberek nem szeretik újrakábelezni az épületeiket.

Még bonyolultabb jelzés szükséges, hogy az Ethernet 1000 Mb/s sávszélességgel fusson az 5-ös kategóriájú vezetékeken. Először is, a kábel mind a négy sodrott érpárját használják, ráadásul egyszerre mindkét irányba. A különböző irányú jelek szétválasztásához digitális jelfeldolgozást használnak. Mindegyik vezetéken a jelzésekhez 5 feszültségszinten visznek át 2 bitet 125 megaszimbólum/másodperc sebességgel. A bitek szimbólumokká történő leképezése nem magától értetődő. A nagyobb számú jelátmenet érdekében tördeléseket tartalmaz, ezután egy hibajavító kódolás jön, ami 4 értéket képez le 5 jelszintre.

Az 1 Gb/s-os sebesség meglehetősen gyorsnak számít. Például, ha egy vevő akár csak 1 ms ideig is valami mással van elfoglalva, és nem üríti a bemeneti puffert valamelyik vonalon, akkor akár 1953 keret is összegyűlhet a szünet alatt. Ugyanígy, ha egy gigabites Etherneten levő számítógép egy klasszikus Etherneten levő másik gépnek küldi át az adatokat, akkor nagy valószínűséggel puffertúlcsordulás lép fel. E két megfigyelésnek köszönhetően a gigabites Ethernet támogatja a forgalomszabályozást. A mechanizmus abból áll, hogy az egyik végpont egy speciális vezérlőkeretet küld a másiknak, melyben arra utasítja, hogy bizonyos ideig tartson szünetet. Ezek a PAUSE (SZÜNET) vezérlőkeretek 0x8808 típus kódú szokványos Ethernet-keretek. A szünet hosszát a minimális keretidő időegységében adják meg. A gigabites Ethernet esetében ez az időegység 512 ns, amely lehetővé teszi, hogy a szünetek 33,6 ms hosszúak legyenek.

A gigabites Ethernet még egy kiterjesztést vezetett be. Az óriáskeret vagy jumbokeret (Jumbo frame) használata lehetővé teszi az 1500 bájtnál hosszabb keretek használatát általában 9 KB felső határig. Ez a kiterjesztés nem szabványos. Azért nem ismerték el a szabvány részeként, mert a használatával a korábbi Ethernet-verziókkal inkompatibilissé válna. Ennek ellenére a legtöbb gyártó támogatja. A használatának alapvető oka, hogy az 1500 bájt túl kicsi egység a gigabites sebességhez. Nagyobb információtömbbel való foglalkozás csökkenti a keret sebességét és a vele járó adatfeldolgozást, mint amilyen például a processzornak küldött megszakítás, amely értesíti a processzort egy keret érkezéséről, vagy az egy Ethernet-keretbe nem férő üzenet feldarabolásáról majd újra összerakásáról.

Mire a gigabites Ethernet szabványosítása befejeződött, a 802-es bizottság már elunta magát, és újra dolgozni akart. Az IEEE javaslatára aztán nekiláttak a 10 gigabites Ethernet kidolgozásának. A munkamenet követte a korábbi Ethernet-szabványok munkamenetének mintáját: szabványt dolgoztak ki fényvezető szálra és árnyékolt rézkábelre először 2002-ben, majd 2004-ben, amit a réz sodrott érpárt használó szabvány követett 2006-ban.

10 Gb/s óriási sebesség, 1000-szer gyorsabb az eredeti Ethernetnél. Vajon hol lehet erre szükség? A válasz az, hogy adatközpontok és kapcsolóközpontok belsejében, amelyek felső kategóriás útválasztókat, kapcsolókat és szervereket kötnek össze, valamint irodák közötti nagy távolságú és nagy sávszélességű trönköknél, amelyek lehetővé teszik, hogy egész nagyvárosi hálózatok Ethernetre és fényvezető szálra épüljenek. A nagy távolságú összeköttetésekhez fényvezető szálat használnak, míg a rövid összeköttetésekhez használhatnak rézvezetéket vagy fényvezető szálat.

A 10 gigabites Ethernet összes változata kizárólag a duplex működést támogatja. A CSMA/CD már kikerült a tervekből, és a szabvány a nagyon nagy sebességre képes fizikai réteg részleteire koncentrál. A kompatibilitás azonban még mindig fontos, ezért a 10 gigabites Ethernet-csatolók alkalmazzák az automatikus egyezkedést és a vonal mindkét vége által támogatott, a legnagyobb sebességre történő visszalépést.

A 10 gigabites Ethernet főbb változatait a 4.22. ábra mutatja. A többmódusú fényvezető szálat használják 0,85 m (S, rövid) hullámhosszal közepes távolságokra, és az egymódusú fényvezető szálat használják 1,3 m (L, hosszú) és 1,5 m (E, kiterjesztett) hullámhosszal nagy távolságokra. 10GBase-ER akár 40 km hosszú is lehet, ami alkalmazhatóvá teszi nagy kiterjedésű hálózatokban. Mindegyik változat egy soros adatfolyamot küld, ami az adatbitek tördelésével és ezután 64B/66B kódolásával jön létre. Ez a kódolás kisebb többletet eredményez, mint a 8B/10B kódolás.

4.22. ábra - A gigabites Ethernet kábelezése

Először a rézalapú verziót szabványosították, a 10GBase-CX4-et, ami 4 pár twinaxiális rézvezetékből álló kábelt használ. Minden vezetékpár 8B/10B kódolást alkalmaz és 3,125 Giga-szimbólum/másodperc sebességen fut, így adva ki 10 Gb/s-ot. Ez a változat olcsóbb, mint a fényvezető szál és korán a piacra került. A jövő kérdése azonban, hogy vajon hosszú távon a közönséges sodrott rézpáron futó 10 gigabites Ethernet kiüti-e majd a nyeregből.

10GBase-T az a verzió, ami UTP-kábelt használ és 6a-s kategóriájú vezetékezést kíván, de kisebb távolságra megengedi a meglévő alacsonyabb kategóriájú (5-ös kategóriájúig) kábelek újrafelhasználását. Nem meglepő, hogy a fizikai réteg meglehetősen bonyolult, hogy sodrott érpáron elérje a 10 Gb/s sávszélességet. Csak néhány felsőszintű részletet vázolunk fel. Mind a 4 sodrott érpár használatban van, hogy 2500 Mb/s sebességgel tudjon mindkét irányban adni. Ezt a sebességet 800 megaszimbólum/másodperc sebességgel és szimbólumonkénti 16 feszültségszinttel éri el. A szimbólumok előállítása az adatok tördelésével, LDPC (Low Density Parity Check – alacsony sűrűségű paritásellenőrző) kódolással és a hibajavítás érdekében további hibajavító kódolással történik.

A 10 gigabites Ethernet még a helyét keresi a piacon, de a 802.3-es bizottság már továbblépett. 2007 végén az IEEE létrehozott egy csoportot, hogy szabványosítsa azt az Ethernetet, amely 40 Gb/s és 100 Gb/s adatsebességgel üzemel. Ez a továbbfejlesztés az Ethernetet az olyan nagyon nagy teljesítményű rendszerek versenytársává fogja tenni, mint amilyenek a gerinchálózatokon lévő nagy távolságú összeköttetések és az eszközök hátlapján lévő kis távolságú összeköttetések. Bár a szabvány még nincs kész, a gyártók saját változatú termékei már elérhetők.

Az Ethernet már több mint három évtizede létezik, és még mindig nem akadt komoly vetélytársa, így valószínűleg még sokáig fennmarad. Kevés processzorarchitektúra, operációs rendszer vagy programozási nyelv mondhatja el magáról, hogy három évtizede uralja a maga területét. Az Ethernet tehát valamit nagyon eltalált. De vajon mit?

Hosszú életének legfőbb oka valószínűleg az, hogy egyszerű és rugalmas. Az „egyszerű” a gyakorlatban azt jelenti, hogy megbízható, olcsó és könnyű karbantartani. Amióta az elosztót és kapcsolót tartalmazó architektúrák elterjedtek, a hibák rendkívül ritkává váltak. Az emberek pedig kétszer is meggondolják, hogy lecseréljenek-e valamit, ami mindig is tökéletesen működött, különösen annak a tudatában, hogy a számítógépiparban hihetetlenül sok dolog működik nagyon gyatrán, és sok úgynevezett „továbbfejlesztés” szembetűnően rosszabb annál a rendszernél, amit felváltani hivatott.

Az „egyszerű” tehát olcsót is jelent. A sodrott érpáros kábelezés ára viszonylag kedvező ugyanúgy, ahogy a hardverkomponensek ára is. Lehetséges, hogy ez utóbbiak kezdetben drágák voltak az átmeneti időszak alatt, például az új gigabites Ethernet-csatolók vagy -kapcsolók, de ezek pusztán a meglévő hálózat kiegészítései (nem a helyettesítései), és az áruk gyorsan esik az eladott mennyiség növekedésével.

Az Ethernetet könnyű karbantartani. A meghajtókon (driver) kívül nem kell más szoftvert telepíteni, és nem nagyon kell kezelni konfigurációs táblázatot sem, amit el lehetne rontani. Az új hosztokat pedig egyszerűen csak csatlakoztatni kell, és már működnek is.

Fontos érv az is, hogy az Ethernet jól együttműködik a mára egyeduralkodóvá vált TCP/IP-vel. Az összeköttetés nélküli IP tökéletesen illeszkedik a szintén összeköttetés nélküli Ethernethez. Az IP sokkal kevésbé illik az olyan összeköttetés-alapú alternatívákhoz, mint amilyen az ATM is. Ez a különbözőség határozottan rontotta az ATM esélyeit.

Végül a valószínűleg leglényegesebb: az Ethernet a kritikus területeken is képes volt a fejlődésre. A sebessége több nagyságrenddel nőtt, megjelentek az elosztók és a kapcsolók, de mindezen újítások nem igényelték a szoftver megváltoztatását és gyakran a meglévő kábelezést is újra fel lehetett használni. Ha egy hálózatokkal kereskedő ügynök megjelenik egy nagy telephelyen, és azt mondja: „Ajánlom önnek ezt a fantasztikus új hálózatot! Nem is kell mást tennie, mint hogy kidobja az összes hardverét, és újraírja az összes szoftverét!” – nos, akkor máris bajban van.

Sok alternatív hálózati megoldás, amiről Ön valószínűleg nem is hallott, a bevezetésükkor gyorsabbak voltak, mint az Ethernet. Ilyenek az ATM, az FDDI (Fiber Distributed Data Interface – fényvezetőszálas osztott adatinterfész) és a Fibre Channel^[20] (fényvezetőszálas csatorna). Az utóbbi két hálózat kettős gyűrűalapú optikai helyi hálózat volt, azonban egyik sem volt kompatibilis az Ethernettel. Mivel túl bonyolultak voltak, ami összetett chipekhez és magas árakhoz vezetett, nem is maradtak versenyben. A gyártóknak ismerniük kellett volna a KISS leckét (Keep It Simple, Stupid – tartsd meg egyszerűnek, butának). Az Ethernet pedig idővel a sebesség terén is utolérte ezeket, gyakran egyes megoldásaik átvételével, például a 4B/5B kódolást az FDDI-től és a 8B/10B kódolást a Fibre Channeltől. Eztán nem is maradt több előnyük, és csendesen ki is múltak vagy speciális feladatokra korlátozódtak.

Úgy tűnik, hogy az Ethernet alkalmazási területe bővülni fog az elkövetkező időkben. A 10 gigabites Ethernet megszabadult a CSMA/CD távolságkorlátjától. Sok fejlesztés irányul a nagy távolságú Ethernetre (carrier-grade Ethernet), ami lehetővé teszi a szolgáltatóknak, hogy Ethernet-alapú szolgáltatást ajánljanak fogyasztóiknak nagyvárosi és nagy kiterjedésű hálózatokhoz [Fouli és Maler, 2009]. Ez az alkalmazás Ethernet-kereteket szállít nagy távolságra fényvezető szálon keresztül, és jobb felügyeleti képességet igényel az operátorok támogatására, hogy megbízható, magas színvonalú szolgáltatást ajánljanak. Nagyon nagy sebességű hálózatokat kezdenek alkalmazni a nagy útválasztók és szerverek hátlapján a komponensek összekötésére is. Mindkét fent említett alkalmazási terület ráadás ahhoz képest, hogy irodai számítógépek között kereteket lehet küldözgetni.