
Robert Metcalfen alkuperäinen piirustus, jolla hän esitteli Ethernetin toimintaperiaatetta ja rakennetta (Charles Spurgeon [6].)

Johdanto

Ethernet [1] on kaupallinen nimi, jota käytetään viitattaessa joukkoon lähiverkkojen toteutustapoja, jotka toteuttavat (likimain) ISO:n OSI-viitemallin kerrokset 1 ja 2 (Physical ja Data Link). Vaikka Ethernetit eroavat merkittävästi toisistaan, niin niillä on yhteinen tausta ja paljon yhteisiä mekanismeja. Kaikki Ethernetit välittävät verkkoon liitettyjen koneiden välillä tietoa käyttäen kehyksiä.

Tärkein yhteinen piirre eri Etherneteillä on kehysten lähettämisessä käytetty kuri, CSMA/CD, jonka avulla useat koneet voivat jakaa saman kommunikaatiotien. Nimi Ethernet on peräisin juuri tuosta kommunikaatiotien jakamisesta, jossa ether (eetteri) viittaa kaikille yhteiseen avaruuteen, jossa viestit etenevät.

Historia

Ethernetin kehitystyö käynnistyi vuonna 1972 Xerox's Palo Alto Research Centerissä [2]. Verkkoa alunperin kutsuttiin Alto Aloha netiksi ja sen nopeus oli 2.94 Mbit/sec. Nimi Ethernet tuli käyttöön toukokuussa 1973 ja verkon nopeus kasvoi lopulta arvoon 10Mbit/sec. Lukuisten kokeilujen jälkeen työryhmän jäsenet Robert Metcalf ja David Boggs julkaisivat kehitystyön tulokset vuonna 1976 [1].

Samaan aikaan oli kehitteillä useita muitakin lähiverkkoja. Ethernetin tärkeimpiä kilpailijoita oli IBM:n kehittämä TokenRing [3]. Saadakseen sekavaan tilanteeseen järjestystä IEEE [4] muodosti helmikuussa 1980 ryhmän 802 lähiverkkojen standardointia varten. Kaupallisten paineiden puristuksessa IEEE:n ryhmän työ oli hyvin hidasta ja johti tulokseen vasta vuonna 1985, jolloin syntyi standardi IEEE 802.3.

Kaupallisten ryhmittymien työ oli paljon nopeampaa. Jo syyskuussa 1980 DIX-konsortio (Digital, Intel ja itse Xerox) julkaisi oman standardinsa, jota kutsutaan usein nimellä Version I, joskin sitä on myöhemmin päivitetty. Vuonna 1982 sama ryhmä julkaisi Version II, jota useimmat ihmiset tarkoittavat puhuessaan Ethernetistä.

Ennakoiden tulevaa IEEE standardia Novell NetWare julkaisi oman versionsa vuonna 1983. Novellin versio jäi kuitenkin vähälle merkitykselle, sillä muut tahot painostivat IEEE 802.3 standardin kehykseen mukaan LLC:n (Logical Link Control, IEEE 802.2). IEEE:n oma standardi ei pystynyt voittamaan markkoilla jo de facto standardina ollutta versio II:ta. Niinpä IEEE muokkasi standardistaan versio II:n kanssa yhteensopivan 802.3 SNAP standardin. Lisäksi on syntynyt muita Ethernet-yhteensopivia standardeja, esimerkiksi IEEE 802.12 100VG-AnyLAN.

1990-luvun alussa nähtiin [5], että nopeasti yleistyvät ja suunnitteilla olevat nopeat verkot muodostavat kaupallisen uhan Ethernetille. Niinpä marraskuussa 1992 IEEE 802 otti käsittelyyn nopeampien Ethernetien kehittelyn. Monien vaiheiden ja erilaisten kehitysehdotusten jälkeen työ johti tulokseen vuonna 1994, jolloin 100BaseT-Ethernetistä päästiin sopuun marraskuussa 1994. Kaupallinen valmistus seurasi päätöstä lähes räjähdysmäisesti: maaliskuun 1995 loppuun mennessä markkinoille oli julkaistu yli 80 100BaseT-tuotetta.

Fyysinen toteutus

Ethernetit käyttävät useita topologiota ja siirtomedioita. Alla niistä on listattu osa (tarkempaa tietoa voi etsiä lähteistä [6,7])

Nimi	Nopeus	Media	Topologia	Segmettipituus
10Base5	10 Mbps	Thick COAX	väylä	500 m
10Base2	10 Mbps	Thin COAX	väylä	185 m
1Base5	1 Mbps	Cat 5 UTP	tähti	500 m
10BaseT	10 Mbps	Cat 5 UTP	tähti	100 m
10BaseF	10 Mbps	Fiber-Optic (multimode)	tähti	2 km
100BaseT	100 Mbps	Cat 5 UTP	tähti	100 m
100BaseF	100 Mbps	Fiber-Optic (single-mode)	tähti	20km

Perinteisen Ethernetin toiminta perustuu väylätopologian käyttöön, toisin sanoen kaikki verkossa olevat koneet ovat kiinni samassa kaapelissa ja jokainen niistä näkee toistensa liikenteen. Orange Hose Ethernet eli 10Base5 (katso tämän sivun alussa olevaa kuvaa) käytti puolen tuuman 52ohmista koaksiaalikaapelia, johon laitteet (station) liitettiin erillisten transceiverien avulla läpäisemällä (tap) Ethernet-kaapeli.

Kaapelointi tuotti ongelmia ja läpäisyllä saadut kytkennät olivat epävarmoja. Niinpä CheaperNET eli 10Base2 korvasi pian paksun Orange Hosen. Siinä laitteet kytketään ketjuun peräkkäin käyttäen ohuita kaapelinpätkiä koneiden välillä. Tyypillisesti erillisiä tranceivereita ei ole, vaan Ethernet-kaapeli tulee suoraan kunkin koneen verkkokortin BNC-liittimiin.

Uudet Ethernetit (esimerkiksi 100BaseT) ovat tyypillisesti tähtitopologian mukaisia. Yleensä kukin kone on kytkeytynyt omalla kaapelillaan keskittimeen (hub). Keskittimien lisäksi verkossa voi olla kytkimiä (switch), joiden ansiosta kaikki liikenne verkossa ei näy joka paikkaan. Näin verkon kaistaa voidaan käyttää tehokkaammin. Tähtitopologian ja uuden kaapeloinnin käyttö on tehnyt mahdolliseksi myös kaksisuuntaisen (full-duplex) tiedonsiirron perinteisen yksisuuntaisen (half-duplex) lisäksi.

Looginen toteutus

Ethernetin looginen toteutus perustuu CSMA/CD:n käyttöön.

MA (Multiple Access) tarkoittaa, että väylä (siirtomedia) on jaettu usean aseman kesken.
CS (Carrier Sense) tarkoittaa, että kukin asema kuuntelee onko väylällä liikennettä, ennen kuin alkaa itse lähettää.
CD (Collision Detection) tarkoittaa, että kukin asema pystyy tunnistamaan, jos sen lähetys on sattunut silti jonkun muun lähetyksen päälle.

Ethernet-kehyksiä on useita erilaisia (kunkin standardin mukaan, katso esimerkiksi [8,9,10]) Alla yleisen versio II:n kehys. Muiden versioiden kehykset ovat hyvin samankaltaisia.

Ethernet versio II -kehys alkaa preamblella, jonka avulla vastaanottaja synkronoituu signaaliin. Preamble on pitkä sekvenssi vastakkaisia bittejä, joka päättyy kahteen ykköseen. Preamblen jälkeen kehyksessä on lähettäjän ja vastaanottajan tunnisteet, jotka ovat fyysisiä (Ethernet-korttikohtaisia) tunnisteita. Type-kenttä kertoo datan sisällön tyypin; tavallisin niistä lienee IP-datagrammi (katso [11]). Datan pituus on vaihteleva, enintään 1500 tavua.

Kolareiden tunnistamisen vuoksi kehyksessä on oltava vähintään 46 tavua dataa. Huomaa, että kehyksessä ei ole laikaan sen pituutta, koska kehys päättyy siihen, kun signaali lakkaa. (Ethernet käyttää koodausta, jossa jännite on aina nollasta poikkeva.) CRC toimii sisällön oikeellisuuden tarkistuksena.

Tulevaisuus

Tietoliikennefoorumeilla on keskusteltu paljon, kuinka nykyisin Ethernetin päällä toimivia sovelluksia voidaan siirtää kulkemaan nopeissa verkoissa kuten ATM-verkoissa. Useista suunnitelmista huolimatta siirtyminen ei ole ollut nopeaa.

Tärkein syy tähän lienee se, ettei Ethernet ennustuksista huolimatta ole vielä kuollut. Yllättävästi tilastot näyttävät lähes päinvastaista. 100BaseT on kaupallisilla markkoilla täyttänyt monien tarpeet ja tehnyt siirtymisen muuhun lähiverkkoon tarpeettomaksi. Vuonna 1996 kaikista verkkotoimituksista 82% oli Ethernet-pohjaisia [12], ja vaikka esimerkiksi ATM-kytkimien kauppa kasvaa rajusti, niin Ethernet-kytkimien kauppa on kasvanut vielä rajummin. Käsitykset tulevaisuudesta ovatkin ristiriitaisia ja kilpailu kovaa.

Teknisesti Ethernet ei ole vielä kehityksensä päässä. Gigabit Ethernet on ilmeisesti tulossa kovaa vauhtia. Parin vuoden takaisista vaatimattomista alkusuunnitelmista on nopeasti kasvanut merkittävä ryhmittymä, Gigabit Ethernet Alliance, joka sisältää jo lähes 100 alan johtavaa yritystä (mukana muun muassa Intel, 3Com, Cisco ja Sun).

Ensimmäisten standardin IEEE 802.3z luonnokseen pohjautuvien Gigabit Ethernet -tuotteiden julkistukset on ajoitettu kesäksi 1997. Standardi yritetään lyödä lukkoon vuoden 1998 alussa. Uuden standardin vahvimpana kilpailuvalttina on helppo yhteensopivuus olemassaolevien lähiverkkojen kanssa, jota kuva alla havainnollistaa (lähde: Gigabit Ethernet Alliance [13]).

Lisätietoja

Koska Ethernet on niin suosittu lähiverkkojen toteutustapa, niin siitä on saatavilla tietoa valtava määrä. Aiemmin viitattujen lähteiden lisäksi tietoa voi etsiä seuraavista lähteistä, joiden sisältöä on arvosteltu tähdin (*).

Standardointiorganisaatiot
- IEEE [6](**)
- Gigabit Ethernet Alliance [13](****)
Yliopistojen tietoliikenne- ja järjestelmäkurssien kotisivut, esimerkiksi
- University of Marylandin kurssi CMSC818Z [14](***)
- Ohio State Universityn Unix kurssi [15](**)
Laitevalmistajat, joita on todella paljon, esimerkiksi
- 3com [16](*)
- Cisco [17](*)
- Intel, tietoliikennetuotteet [18](**)
WWW:ssä olevat tietoliikennekoosteet, esimerkiksi
- Data Communicationin Magazinen laajat yleissivut [19](***)
- Telecom Information Resourcesin laajat yleissivut [20](**)
- Case Technologyn lyhyt, mutta selkeä yhteenveto [21](***)
USENETin keskusteluryhmät, jotka sisältävät paljolti yhä uudelleen ja uudelleen samojen perusongelmien läpikäyntiä.
- comp.dcom.lans.ethernet [22] - Ethernetiin erikoistunut ryhmä (*)
- comp.dcom.cabling [23] - fyysisiin kysymyksiin erikoitunut ryhmä (*)
- comp.dcom.lans.misc [24] - enimmäkseen työaseminen LAN-ohjemistojen keskustelu (*)
- comp.dcom.net-management [25]- verkkojen hallinta-asiat (*)

Viitteet

[1] R. Metcalf and D. Boggs. Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks.

Communications of the ACM, 19(7): 395-403, July 1976.
[2] Zerox Palo Alto Research Center: Home Page

<ULR:http://www.parc.xerox.com/parc-go.html>
[3] A. Spiece: Token Ring vs. Ethernet

<ULR:http://cord.iupui.edu/~adspiece/home.html>
[4] IEEE (The Institute of Electrical and Electronis Engineers, Inc.): Home Page

<ULR:http://www.ieee.org/>
[5] M. Murray: Fast Ethernet - History

<ULR:http://cs.wpi.edu/~mmurray/fast_ethernet/fehstry.html>
[6] C. Spurgeon: Ethernet Pages

<ULR:http://www.ots.utexas.edu/ethernet/>
[7] Develcon: Ethernet Frame & Protocol Header

<ULR:http://www.develcon.com/service/frame.htm>
[8] CaveBear: Ethernet Codes master page

<ULR:http://www.cavebear.com/CaveBear/Ethernet/>
[9] Optimized Engineering Technical Compendium (a collection).

<ULR:http://www.optimized.com/tech_cmp/index.html>
[10] J. Hall: Ethernet Frame Types

<ULR:http://www.tbi.net/~jhall/frmlan.html>
[11] J. Reynolds, J. Postel: Internet RFC 1700 - Assigned Numbers.

<ULR:ftp://ftp.funet.fi/pub/standards/RFC/rfc1700.txt>
[12] Gigabit Ethernet Alliance: Ethernet - The Dominant Network Technology

<ULR:http://www.gigabit-ethernet.org/technology/whitepapers/gige/dominant.html>
[13] Gigabit Ethernet Alliance: Home Page

<ULR:http://www.gigabit-ethernet.org/>
[14] University of Maryland: CMSC 818Z Homepage

<ULR:http://www.cs.umd.edu/class/cmsc818Z-s96/>
[15] F.G. Fiamingo: Introduction to Unix System Administration

<ULR:http://sunos-wks.acs.ohio-state.edu/sysadm_course/sysadm.html>
[16] 3com Corporation: Home Page

<ULR:http://www.3com.com/>
[17] Cisco Systems: Home Page

<ULR:http://www.cisco.com/>
[18] Intel Corporation: Networking Products

<ULR:http://www.intel.com/comm-net/sns/index.htm>
[19] Data Communications Magazine: Home Page

<ULR:http://www.data.com/>
[20] Telecom Information Resources: Home Page

<ULR:http://www.spp.umich.edu/telecom/telecom-info.html>
[21] Case Technology: Enterprise Networking Strategy

<ULR:http://www.craycom.co.uk/corporat/w_paper.htm>
[22] USENET list comp.dcom.lans.ethernet

<ULR:news:comp.dcom.lans.ethernet>
[23] USENET list comp.dcom.cabling

<ULR:news:comp.dcom.lans.ethernet>
[24] USENET list comp.dcom.net-management

<ULR:news:comp.dcom.net-management>
[25] USENET list comp.dcom.lans.misc

<ULR:news:comp.dcom.lans.misc>

Vesa.Hirvisalo@cs.hut.fi