Статті

Эволюция сетевых протоколов. От истоков до сегодня. Часть 1

За полвека своей истории, технология Ethernet успела стать не только лидером среди передачи данных на канальном уровне, но и своеобразным синонимом термина «локальная сеть». Процесс развития Ethernet оказался нетипичным в компьютерном мире – при практически полной совместимости версий стандарта, производительность технологии выросла буквально на порядки. Стандарты Ethernet определяют требования к физическому уровню (Physical Layer) и специфицируют одноименные протоколы канального уровня (Data Link Layer) в сетевой модели OSI (что вместе соответствует уровню сетевого доступа модели TCP/IP). Название Ethernet (произносится как «эзернет») имеет довольно поэтичное происхождение — когда-то так назывался люминофорный эфир, через который, как считалось, распространяются электромагнитные волны.

Формально история стандарта (и протокола) Ethernet отсчитывается с 22 мая 1973 года. В этот день Роберт Меткалф, работавший в то время в исследовательском центре Xerox PARC, представил докладную записку руководителю центра о высоком практическом потенциале технологии Ethernet. Фактически же, идея Ethernet-а оформилась у Роберта еще во время его работы вместе с Норманом Абрамсоном над знаменитым сетевым проектом ALOHA на солнечных Гаваях, куда он приехал после защиты докторской диссертации в Гарварде, увлеченный трудами Абрамсона. Первая практическая реализация сети на Ethernet была осуществлена Меткалфом совместно с коллегой Дэвидом Боггсом в 1976 в том же самом Xerox PARC. Это была локальная сеть между предшественниками современных ПК, соединенных вместе длинным и толстым коаксиальным кабелем со скоростью работы 3 Мбит/с (топология типа «шина») — по сути, первая локальная сеть в мире и первая реализация протокола «классического Ethernet-а» (classic Ethernet).
В 1978 году компании Xerox, DEC и Intel оформили спецификацию Ethernet  со скоростью работы 10 Мбит/с под названием DIX Ethernet (DIX standard), которая в 1983 году успешно стала стандартом IEEE 802.3 (с небольшими поправками).
Тем не менее, заинтересованности в практической реализации и развитии технологий Ethernet у Xerox не оказалось, и в 1979 Меткалф покинул ее стены и организовал собственную компанию 3Com, которая начала успешно выпускать и продавать Ethernet-оборудование.

В стандарте IEEE 802.3 были выполнены первые «цифровые модификации» протокола – был добавлен 8-байтовый заголовок для подуровня LLC (управление логическим каналом), таким образом увеличив количество рабочих машин в одном сегменте сети с 30 до 100.

Развитием classic Ethernet (стандарты Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) стал коммутируемый (switched) Ethernet, использующий витую пару вместо коаксиала и соединение всех ПК через коммутатор по топологии типа «звезда». Скорость работы коммутируемого Ethernet-а возросла на порядок: с 3-10 Мбит/с — до 100 Мбит/с. Новая модификация получила также общеизвестное название «Fast Ethernet» (дословно – «быстрый Ethernet») и номер расширения стандарта 802.3u. В плане изменения самого протокола Fast Ethernet — в глобальном смысле, не произошло ничего: комитет 802.3 после долгих и жарких дискуссий принял решение повысить скорость исключительно за счет технической реализации и архитектуры, не изменив ни единого бита в программных спецификациях. Тем не менее, к протоколу были добавлены подуровни кодирования (реализация через NRZI и MLT-3), согласования (канальный уровень), а также зависимости физической среды и автопереговоров о скорости передачи (физический уровень). Такие модификации обусловлены необходимостью согласования скоростей работы оборудования различных поколений стандарта, а также появление оптоволокна в качестве физической среды передачи.

Следующей версией Ethernet стал очередной «прорыв порядков скоростей» – стандарт Gigabit Ethernet с номером рабочей группы 802.3ab и скоростью приема/передачи, соответственно, 1 Гбит/с.
В контексте протоколов, изменилось совершенно немного — на канальном уровне (кадр) было добавлено свойство расширения носителя (carrier extension) в виде специального поля заполнения, обрабатываемого исключительно аппаратурой. Также была добавлена возможность пакетной передачи кадров (frame bursting), суть которой отражена непосредственно в ее названии. В 1999 году на рынке уже были доступны первые Gigabit Ethernet-устройства.

Группа технологий под общим названием «10-гигабитный Ethernet» (10GE, 10GbE) получила первые формальные стандарты в 2002 и 2004 годах для оптоволоконной среды и медного кабеля в экране; в 2006-м был опубликован стандарт для медной витой пары.
Протоколы 10GbE используют кодирование 64B/66B на физическом уровне и не нуждаются более в алгоритмах множественного доступа CSMA/CD (применяется исключительно полнодуплексный режим работы).

Технологии 40- и 100-гигабитного Ethernet (40GbE и 100GbE соответственно) впервые описаны в стандарте IEEE 802.3ba-2010, и далее раскрыты в спецификациях 802.3bg-2011, 802.3bj-2014 и 802.3bm-2015.
В сетевых протоколах для этих технологий были добавлены схемы кодирования PAM4, DP-QPSK, SD-FEC и KP4, более существенных изменений замечено не было.

И, наконец, терабитный Ethernet (Terabit Ethernet, TbE), рассмотренный стандартами 802.3bs-802.3cu, уже получил практическую реализацию в сетевом оборудовании некоторых производителей. Пока что под «терабитным» подразумеваются вариации Ethernet-а со скоростями, большими 100 Гбит/с (например, 200 и 400 Гбит/с).
Детали соответствующих изменений протокола пока что не получили широкой огласки в стандартах.

Подводя краткий итог развития Ethernet — можно сказать, что этот стандарт, переживший на рынке несколько поколений сетевых архитектур, стал своеобразным образцом правильной «инкапсуляции» IT-технологий нижнего уровня в верхние, с сохранением совместимости и целостности его интерфейса при более чем впечатляющей эволюции «начинки».

(продолжение следует)