Ethernet: Что это, как работает, стандарты и скорости сети

Ethernet представляет семейство технологий проводной передачи данных, стандартизированных IEEE 802.3. Он определяет формат кадров, работу MAC, физические интерфейсы и способы передачи сигналов по витой паре, оптоволокну, DAC и другим средам.

Ethernet используют в домашних и офисных LAN, серверных, системах хранения и сетях центров обработки данных. Одинаковое название не означает одинаковые разъемы и кабели: 1000BASE-T работает по медной витой паре, а 100GbE может использовать оптические модули или DAC. Совместимость нужно проверять для всей линии.

Ethernet простыми словами

Приложение формирует данные, сетевой стек помещает их в IP-пакет, а Ethernet доставляет пакет по локальному каналу внутри кадра. У кадра есть адрес отправителя, адрес получателя, служебные поля, полезная нагрузка и контрольная сумма.

Коммутатор читает MAC-адрес назначения и решает, на какой порт отправить кадр. Маршрутизатор обрабатывает IP-пакет и передает его в другую сеть, создавая новый кадр для следующего канала.

Как работает Ethernet

Рассмотрим передачу между компьютером и сервером в одной подсети:

1. Компьютер определяет, что IP-адрес сервера находится в локальной сети.

2. ARP или Neighbor Discovery помогает узнать канальный адрес назначения.

3. Сетевой адаптер формирует Ethernet-кадр.

4. PHY преобразует биты в электрический или оптический сигнал.

5. Коммутатор принимает кадр и запоминает MAC-адрес источника за входным портом.

6. По таблице MAC он выбирает выходной порт.

7. Адаптер сервера проверяет кадр и передает полезную нагрузку сетевому стеку.

Если MAC-адрес назначения еще неизвестен, коммутатор может разослать кадр по портам соответствующего VLAN. После получения ответа таблица уточняется.

Устройство кадра Ethernet

В распространенном представлении кадр содержит:

• MAC-адрес назначения, 6 байт;

• MAC-адрес источника, 6 байт;

• поле EtherType или длины, 2 байта;

• полезную нагрузку;

• FCS, 4 байта для обнаружения повреждения.

Тег IEEE 802.1Q добавляет четыре байта и указывает VLAN ID, класс обслуживания и другие признаки. Перед кадром на линии идут преамбула и Start Frame Delimiter, а между кадрами выдерживается интервал. Эти элементы занимают время на канале, хотя не всегда включаются в привычный размер кадра.

MAC, PHY и порт Ethernet

MAC отвечает за формирование кадров и канальную адресацию. PHY кодирует сигнал, согласует параметры линии и работает с физической средой. В сетевом адаптере эти функции могут находиться в одном или нескольких компонентах.

Порт Ethernet не обязательно выглядит как RJ45. Это может быть:

• встроенный медный порт;

• слот SFP, SFP+, SFP28, QSFP28, QSFP56 или QSFP-DD;

• разъем сетевой карты;

• внутренний интерфейс шасси;

• порт промышленного устройства.

Форм-фактор модуля сам по себе не гарантирует нужную скорость. Например, совпадающий корпус разъема не отменяет требований к стандарту, кодированию, числу линий, FEC, длине волны и прошивке устройства.

Стандарты и скорости Ethernet

Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 1000BASE-T

Fast Ethernet обычно означает семейство стандартов со скоростью 100 Мбит/с. Gigabit Ethernet работает на 1 Гбит/с. 1000BASE-T является гигабитным вариантом для медной витой пары и использует четыре пары кабеля.

Обозначения стандартов помогают прочитать назначение. Число указывает скорость, BASE означает передачу в базовой полосе, а суффикс описывает среду или вариант физического уровня. Однако правила не стоит угадывать только по названию. Для проекта сверяют таблицы IEEE и документацию оборудования.

Кабель Ethernet: витая пара, оптика и DAC

Витая пара и RJ45

Медный Ethernet удобен для рабочих мест, точек доступа и части серверных подключений. Категория кабеля, качество монтажа, длина, разъемы и патч-панели должны соответствовать выбранному стандарту. Вся линия тестируется как канал, а не как отдельная бухта кабеля.

RJ45 является распространенным названием модульного разъема для витой пары. Ethernet этим разъемом не ограничивается.

Оптоволокно

Оптика нужна для больших расстояний, высокой скорости и электрической развязки. Выбор зависит от одномодового или многомодового волокна, длины волны, класса трансивера, коннектора, допустимых потерь и совместимости оборудования.

DAC и AOC

DAC представляет готовую медную сборку для коротких соединений, часто внутри стойки или ряда. AOC использует оптический канал со встроенными преобразователями. При выборе учитывают допустимую длину, радиус изгиба, энергопотребление, плотность и поддержку обоими устройствами.

SFP и трансиверы Ethernet

SFP является форм-фактором сменного модуля, а не названием одной скорости. SFP, SFP+, SFP28 и семейство QSFP рассчитаны на разные поколения интерфейсов. При покупке проверяют:

• стандарт физического уровня;

• скорость и число линий;

• тип волокна или кабеля;

• дальность;

• длину волны;

• FEC;

• допустимую температуру;

• поддержку модулей производителем коммутатора и адаптера.

Auto-negotiation, duplex и FEC

Auto-negotiation позволяет сторонам согласовать поддерживаемые режимы. На старом оборудовании ручная фиксация только одной стороны могла приводить к проблемам duplex. В современной сети после подключения проверяют фактически согласованную скорость, режим duplex и FEC.

FEC добавляет избыточность для исправления части ошибок на физическом канале. На высоких скоростях определенный режим FEC может быть обязательным. Линк способен оставаться активным и одновременно накапливать исправленные или неисправимые ошибки из-за оптики, кабеля, загрязнения коннекторов или несовпадения настроек.

MTU и jumbo frame

MTU задает максимальный размер сетевого пакета без фрагментации на интерфейсе. Увеличенный MTU может уменьшить число пакетов и нагрузку обработки при больших последовательных передачах. Но выигрыш зависит от приложения и оборудования.

Jumbo frame включают только после проверки всей трассы: серверной карты, виртуального коммутатора, физических коммутаторов, туннелей и получателя. Несогласованный MTU вызывает потери, зависание отдельных соединений и сложные ошибки PMTUD.

VLAN поверх Ethernet

VLAN меняет логическую границу канального домена, но не увеличивает физическую скорость. Один trunk делит пропускную способность между всеми передаваемыми VLAN. Структура тега, access, trunk и native VLAN подробно разобраны в статье «VLAN: что это и как работает 802.1Q».

PoE Ethernet

Power over Ethernet передает питание и данные по кабельной инфраструктуре. Технологию используют для точек доступа, IP-телефонов, камер и датчиков. При проектировании важны стандарт PoE, требуемая мощность устройства, бюджет питания коммутатора, длина кабеля и нагрев пучков.

Наличие разъема RJ45 не означает поддержку PoE. Совместимость подтверждают в спецификации источника и потребителя.

Как выбрать скорость Ethernet

Сначала измеряют профиль трафика, а затем выбирают порт. Для пользовательского доступа часто достаточно 1GbE. Современным точкам Wi-Fi и рабочим станциям могут понадобиться 2.5 или 5GbE. Серверы и СХД часто используют 10, 25, 50 или 100GbE. GPU-кластеры могут требовать 100, 200 или 400GbE, но решение зависит от распределенности задачи и топологии.

Оцените:

• пиковый и устойчивый трафик;

• число одновременных потоков;

• допустимую задержку;

• oversubscription;

• резервирование;

• пропускную способность шины PCIe;

• возможности дисковой подсистемы;

• запас роста;

• стоимость портов, модулей и кабелей как единой линии.

Диагностика медленной сети

Проверяйте не только тест скорости:

1. Согласованную скорость и duplex.

2. Счетчики CRC, symbol errors и drops.

3. Режим и счетчики FEC.

4. Температуру и оптические уровни трансиверов.

5. MTU по всей трассе.

6. Загрузку очередей и портов.

7. Потери, задержку и повторные передачи TCP.

8. Производительность CPU, PCIe, накопителей и приложения.

FAQ

Ethernet это кабель или технология?

Это семейство сетевых технологий IEEE 802.3. Кабель является только одной частью физического соединения.

Что такое порт Ethernet?

Это интерфейс с функциями MAC и PHY либо слот для трансивера, который подключает устройство к линии Ethernet.

Чем Fast Ethernet отличается от Gigabit Ethernet?

Fast Ethernet обычно работает на 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet на 1 Гбит/с.

RJ45 и Ethernet это одно и то же?

Нет. RJ45 называют разъем витой пары. Ethernet также работает по оптоволокну, DAC и другим средам.

Какая скорость Ethernet нужна серверу?

Она зависит от нагрузки. Для управления может хватить 1GbE, для приложений и хранения применяют 10-100GbE, а высокопроизводительные кластеры используют 100-400GbE и выше.

Что такое Ethernet-адаптер?

Это сетевая карта или встроенный контроллер, который реализует передачу кадров и физический интерфейс.

Почему линк активен, а сеть работает медленно?

Причиной могут быть ошибки линии, неверный FEC или MTU, перегрузка порта, потери, ограничения PCIe, дисков или приложения.

Подбор Ethernet-линии для сервера и ЦОД

Для расчета подготовьте число портов, скорости, расстояния, трассы, профиль трафика, MTU, резервирование и модель серверов. Start Server поможет согласовать сетевое оборудование, адаптеры, трансиверы и кабели. Отправить требования можно через контакты.