Физика Ethernet для самых маленьких

Что такое Ethernet

Эта технология была разработана в 1970 г. исследовательским центром в Пало-Альто, который принадлежит корпорации Xerox, а в 1980 г. на ее основе была принята спецификация IEЕЕ 802.3.

Основной принцип работы, используемый в данной технологии, заключается в следующем. Чтобы начать передачу данных в сети, сетевой адаптер компа «прослушивает» сеть на наличие какого-либо сигнала. Если его нет, то адаптер начинает передачу данных, если же сигнал есть, то передача откладывается на определенный интервал времени. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи 1-го кадра.

Кадр — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, к примеру адрес получателя и адрес отправителя. После того как адаптер отправителя поместил кадр в сеть, его начинают принимать все сетевые адаптеры. Каждый адаптер проводит анализ кадра, и если адрес совпадает с их собственным адресом устройства (МАС-адрес), кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера, если же не совпадает, то он игнорируется.

В том случае, если два или более адаптера, «прослушав» сеть, начинают передавать данные, появляется коллизия (collision). Адаптеры, обнаружив коллизию, прекращают передачу данных, а затем, повторно «прослушав» сеть, повторяют передачу данных через разные промежутки времени.

Чтобы получить пакет данных, который рассчитан для конкретного адаптера, он должен принимать все пакеты, которые появляются в сети.

Такой метод доступа к среде передачи данных получил название CSMA/CD {carrier-sense multiple access/collision detect­ion) — множественный доступ с обнаружением несущей.

Витая пара и дуплексный режим рабты

Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым.
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover), в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX — технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача.
Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) — устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).
Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

• 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
• 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
• Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
• Возможность использовать технологию Power over ethernet

Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.

Технология Ethernet

Ethernet — на нем основаны большинство сетей в наше время. Есть большое количество технологий, позволяющих соединить компьютеры в сеть. Каждая из них была разработана в разное время и предназначена для решения определенной задачи.

Технология Ethernet охватывает сразу два нижних уровня модели OSI. Физический и канальный уровни. Далее будем говорить только о физическом уровне модели OSI, то есть о том, как передаются биты данных между двумя соседними устройствами.

В настоящее время для построения локальных сетей используют технологию FastEthernet, которая является новой реализацией технологии Ethernet.

Классический Ethernet

Исторически появился самым первым, в первом варианте Ethernet использовалась топология “общая шина”.

Вдоль всех компьютеров шел коаксиальный кабель, который соединял все компьютеры между собой. Компьютеры подключались к этому коаксиальному кабелю с помощью Т-коннекторов, к которым с двух сторон подключались разные участки коаксиального кабеля соединяющего компьютер с двумя соседними. Такие сети не были удобны в эксплуатации, если где-то происходил разрыв кабеля или повреждение адаптера, то сразу переставала работать вся сеть. И найти место, где конкретно произошла проблема было очень сложно, поэтому со временем появился второй вариант технологии Ethernet на основе устройств — концентратор (hud).

Полнодуплексный режим

Стандарт технологии Fast Ethernet также включает в себя рекомендации относительно обеспечения возможности полно-дуплексной работы (full—duplexmode) при подключении сетевого адаптера к коммутатору или же при непосредственном соединении коммутаторов между собой.

Суть полно-дуплексного режима заключается в возможности одновременной передачи и приема данных по каналам Тх (канал от передатчика к приемнику) и Rx(канал от приемника к передатчику), при этом скорость передачи возрастает вдвое и достигает 200 Мбит/с. На данный момент почти все производители сетевого оборудования заявляют, что их устройства обеспечивают работу в полно-дуплексном режиме, однако из-за разного толкования стандарта, в частности способов правления потоком кадров, не. всегда удается добиться корректной работы этих устройств и хороших скоростных показателей.

Физический и канальный уровни

Технология Ethernet включает физический и канальный уровни модели взаимодействия открытых систем OSI. На физическом уровне технология Ethernet содержит описание передачи сигналов по трём типам кабелей коаксиал, медный кабель и оптоволокно.

На канальном уровне содержится методы доступа и протоколы, эти методы и доступы работают одинаково независимо от того какой кабель используется для передачи данных, медный или оптический.

На канальном уровне для передачи данных используются кадры. В Ethernet есть три формата кадров:

• Первый вариант — экспериментальная реализация Ethernet в Хerox, сейчас он почти не используется
• Ethernet 2 — это индустриальный стандарт трех компаний Хerox, DEC и Intel.
• Юридический стандарт IEEE 802.3, принимался долго и к тому времени когда его приняли применялось много оборудования, которые используют формат кадра Ethernet 2, поэтому Ethernet 2 популярнее.

Концентратор (HUB)

Физическая топология в такой сети звезда, все компьютеры подключаются к одному концентратору, но логическая топология общая шина. Так как сигнал который поступает на один порт концентратора передается на все остальные порты. Преимущество концентратора в том, что если выйдет из строя кабель или сетевой адаптер, то перестает работать сеть всего лишь на одном компьютере.

Найти неисправность неисправность легко, на основе цветовой индикации, на портах концентратора.

Что такое коннектор rj45 и разъем RJ45

Registered Jack (RJ) — это стандартизированный физический сетевой интерфейс необходимый для подключения телекоммуникационного или информационного оборудования.

Важно отметить, что часто в литературе не разделяют понятия разъем и коннектор. Это происходит из-за того, что в английской документации все подобные интерфейсы называют connector.

В нашей стране по стандартам СКС понятия разъём и коннектор различают.

• Разъем — это элемент для подключения и соединения линейных кабелей.
• Разъёмное соединение состоит их штекерного разъёма (штекер, вилка) и гнездового разъёма (розетка).
• В отличие от разъёма, коннектор — это часть разъема, служащая для подключения отдельных проводников кабеля в разъёме. Формально коннектор это позолоченный контакт с «ножом» для врезки в жилу кабеля.

Буквы и цифры RJ45 — это стандарт несимметричного разъемного соединения гнездового и штекерного разъёмов. Разъемное соединение rj45 образуется вставкой штекера в гнездо.

Обратите внимание, что в каждом разъёме два коннектора (контакта). Один коннектор врезной, он служит для подключения жил витой пары. Второй коннектор контактный, он коммутирует соединение в совмещаемом разъёме.

Что такое RJ45

RJ45 (Registered Jack ) – это специальный физический интерфейс определенного вида, который позволяет связывать между собой разные устройства по специальному кабелю – витая пара. По-другому еще называется как сетевой коннектор. Например, для связи компьютера и роутера. Скорее всего вы уже видели такое подключение на работе или у себя дома.

RJ45 как раз называют вот такие маленькие пластиковый штучки с металлическими жилами, который ровно 8 штук. При чем это название встречается в интернете и среди инженеров и системных администраторов. Если загуглить это название, то вы сразу же увидите восьми жильный коннектор. А что если я скажу, что на самом деле RJ45 вообще не существует.

Дело в том, что в интернете, а в частности в России и странах СНГ путают RJ45 с коннектором 8P8C. То есть на самом деле правильно называть именно 8P8C, а не RJ45. В частности, RJ 45 или правильнее RJ45S имеет совсем другой вид и всего лишь 4 жилы, а предназначен для подключения модемов.

В итоге у нас есть 8P8C и RJ45S (8P4C), которые и путают между собой. Скорее всего путать будут и дальше, так как название уже сильно прижилось среди IT инженеров, системных администраторов и других специалистов, которые занимаются сетевым оборудованием.

Проблема ещё в том, что в некоторых маршрутизаторах, коммутаторах входы имеют название «RJ45», но как вы понимаете, это в корне не верно. Но именно с помощью этого интерфейса и происходит подключение сетевых устройств. Например, роутера и всех домашних: компьютеров, ноутбуков, телевизоров и т.д.

Также для подключения подобных коннекторов используется специальный вида кабель – «Витая пара». Называется он так, потому что внутри кабеля есть ещё 4 пары (8 штук) проводков, который скручены между собой. Это необходимо, чтобы защитить передаваемые данные от электромагнитного воздействия. Советую почитать более подробную статью про витую пару тут.

Разъём с различными конфигурациями

Нежелательно самостоятельно выполнять подключение ещё и потому, что обыватель даже не подозревает о том, какие разновидности разъёмов бывают. Их главное различие скрывается в ножах-контактах.

• ножи с прямыми выступами;
• ножи с небольшими отступами.

Первый вариант применяется для обжимки наборных жил. То есть, в одной жиле находится несколько медных проводников. Два ножа зажимают такой проводник идеально.

Однако, если попытаться этот же разъём использовать для одинарной жилы, должного контакта может не возникнуть. Во время обжимки жила смещается. Ввиду этого профессионалы рекомендуют применять разъём с немного смещёнными ножами.

Благодаря им, некорректный зажим одинарной жилы становится в принципе невозможным.

Широкая сфера применения разъёма

Ни для кого не секрет, что интернетизация распространяется в России стремительными темпами. Во многом, вышеозначенное стало возможным благодаря весьма доступному разъёму. Ведь без него невозможно не только подключение, но и монтаж коммутаторов.

Многие предприятия используют витую пару для организации внутренней разветвлённой защищённой локальной сети. И, естественно, применяется для её создания снова RJ45.

Сегодня налажен массовый выпуск разъёма из пластика специального состава. Разъём достаточно прочен во всех своих частях. Стандартизация позволила создать специальное оборудование для работы с разъёмом.

Обжимные клещи обеспечивают предельно быстрый и качественный монтаж разъёма на кабель.

Типы разъемов RJ45

Чтобы поговорить про виды и типы разъемов RJ45 поговорим о подключении провода (жилы кабеля) к коннектору.

Данный вид разъёмного соединения не требует предварительной зачистки жил кабеля от изоляции. Жилы вставляются в отверстия разъёма и соединяется с контактом методом врезания IDC ножей коннектора в жилу при его обжиме.

В зависимости от типа используемых ножей разъёмы подразделяют:

• На разъёмы для одножильных кабелей;
• Для многожильных кабелей;
• И универсальные.

История разъёма RJ45

Давайте начнем с разъема RJ45. Этот термин сейчас наиболее широко используется для обозначения соединений кабелей Ethernet.

RJ переводится и расшифровывается как «зарегистрированный разъем». Изначально разъем RJ разрабатывался как часть стандартизированного интерфейса телекоммуникационной сети для подключения в телефонных сетях.

Разъемы RJ были разработаны как значительно меньшая и более дешевая замена старым телефонным методам установки проводных шнуров или громоздких вилок.

С появлением компьютерных сетей для передачи данных был разработан новый, но очень похожий разъем: 8P8C.

Экранирование

Различают разъёмы RJ45 по наличию защитного экрана от помех. Если он есть (фото выше), в обозначении можно найти аббревиатуры FTP и STP, по аналогии с маркировкой TP проводов.

LAN

Начнем, пожалуй, с сокращенного названия LAN, а в развернутом виде звучит как «Local Area Network» – что в переводе обозначает: «Локальная сеть». На этом этапе многим уже стало понятнее, но на всякий случай расскажу по подробнее.

В частности, LAN можно обозначать абстрактное подключение локальной сети. Локальная сеть — это сеть нескольких устройств, компьютеров, ноутбуков, камер видеонаблюдения, серверов, которые находятся в одном месте. Отличным примером служит домашняя локальная сеть. Если у вас есть Wi-Fi роутер (маршрутизатор), то значит дома у вас точно есть LAN.

Давайте взглянем на порты роутера и вам сразу всё станет понятно. Чаще всего на подобных аппаратах есть хотя бы 1 LAN порт для подключения локального устройства. На картинке выше их 4. И сюда мы может подключить ноутбук, компьютер, телевизор или сетевой принтер. Все они будут в одной локальной сети.

Но есть ещё один вход, который обычно выделяется на фоне остальных и имеет надпись «WAN». WAN или Wide Area Network — это глобальная сеть. Обычно туда вставляют кабель от провайдера и подключение к интернету идёт именно с этого порта.

ПРИМЕЧАНИЕ! Иногда порты имеют другие обозначения «LAN» – «Ethernet», а «WAN» – «Internet». Названия похожи, но имеют разное назначение.

Общую схему вы можете наблюдать выше. Кабель от провайдера идёт в WAN порт. Далее после настройки интернета и подключения на маршрутизаторе, все подключенные устройства к локальной сети будут иметь доступ к глобальной сети. Какие-то основные вещи я рассказал, но если вы хотите поподробнее узнать про LAN и другие подключения, то смело идём сюда.

Что такое Ethernet — коллизии

Как следует из вышесказанного, при большом числе компьютеров в сети и при интенсивном обмене данными очень быстро растет число коллизий, и, как следствие, пропускная способность сети падает. Не исключен случай, когда пропускная способность может упасть до нуля. Но даже в сети где средняя нагрузка не превышает рекомендованную (30-40% от общей полосы пропускания), скорость передачи составляет 70-80% от номинальной.

Однако в настоящее время данная проблемка практически решена, ввиду того, что разработаны устройства, способные разделять потоки данных между теми писишниками, для которых эти данные предназначаются. Другими словами, трафик между портами, подключенными к передающему и принимающему сетевым адаптерам, изолируется от других портов и адаптеров. Такие устройства называются коммутаторами (switch).

Существуют различные реализации данной технологии -Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, которые могут обеспечивать скорость передачи данных 10, 100 и 1000 Мбит/с соответственно.

Стандарт IЕЕЕ 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. К примеру, 10 BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10 BASE-2 — тонкий, а 10 BASE-F, 10 BASE-FB, 10 BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEЕЕ 802.3 100BASE-TX, в которой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных витых пар с разъемами RJ-45.

Реализации сети Ethernet

Перечисленные выше спецификации Ethernet можно описать следующим образом. Первое число в имени спецификации, указывает максимально возможную скорость передачи данных. Например «10» обозначает скорость передачи сигнала 10 Мбит/с. «Base», означает использование в стандарте Baseband-технологии {baseband— это узкополосная передача). При таком способе передачи данных по кабелю каждый бит данных кодируется отдельным электрическим или световым импульсом. При этом весь кабель используется в качестве 1-го канала связи, т.е. одновременная передача 2-х сигналов невозможна.

Первоначально последняя секция в названии спецификации предназначалась для отображения максимальной длины кабельного сегмента (без концентраторов и коммутаторов) в сотнях метров. Однако для удобства и более полного определения сути стандарта в его названии цифры были заменены буквами Т и F. Где Т обозначает twistedpair— витую пару, a F обозначает оптоволокно.

Таким образом, в настоящее время можно встретить сети, основанные на следующих спецификациях:

• 10Base-2 — 10 МГц Ethernet на коаксиальном кабеле с сопротивлением 50 Ом, baseband. 10Base-2 известен как «тонкий Ethernet»;
• 10Base-5 — 10MHzEthernetна стандартном (толстом) коаксильном кабеле с сопротивлением 50 Ом, baseband;
• 10Base-T — 10MHz Ethernet по кабелю витая пара;
• 100 Base-TX — 100MHz Ethernet по кабелю витая пара.

Весьма существенным преимуществом различных вариантов Ethernet является обоюдная совместимость, которая позволяет юзать их совместно в одной сети, в ряде случаев даже не изменяя существующую кабельную систему.

Стандарт RJ45

RJ45 стандарт означает, что данное разъёмное соединение является не прямым, а несимметричным и создаётся гнездом и штекером.

LAN разъем RJ45 для витой пары — это 8-позиционный, 8-контактный (8P8C) модульный штекер. Для сравнения, разъем RJ-50 это 10-позиционный 10-контактный (10P10C) модульный штекер.

Разъем RJ45 или 8P8C

Если вы уже имели дело с компьютерными сетями, вы, несомненно, слышали, что оба термина RJ45 и 8P8C взаимозаменяемы. Однако давайте выясним почему вообще возникло такое противопоставление.

Заключение про разъем RJ45

В заключении покажу, чем разъем RJ45 8p8c отличается от разъёма 8p6c. У обоих разъёмов 8 отверстий для жил кабеля. Однако у 8p8c восемь контактных ножей, а 8p6c таких ножей всего лишь шесть. Разъёмы 4Р4С это rj11, для телефонов. Разъёмы 6P4C и 6Р6С это rj12 для телефонов и старых сетевых устройств. Не путайте. В следующей статье разберём, как обжимать rj разъём.

Заключение

Сейчас Ethernet самая популярная технология для создания проводных компьютерных сетей. Технология развивалась быстро и благодаря этому ей удалось вытеснить все остальные.

Итог

Я постарался раскрыть полностью этот вопрос, но вы всегда можете обратиться ко мне через комментарии. Также можете писать свои дополнения или исправлять мои ошибки, если вы таковые найдете. В образовательных целях я бы ещё посоветовал прочесть ещё пару статей, который чуть полнее раскроют вам глаза на мир сетей и интернета:

• Что такое Wi-Fi
• Что такое роутер.