50 лет Ethernet. Почему технология по-прежнему остаётся сердцем Интернета
В 2023 году верному кабелю Ethernet и его протоколу исполняется 50 лет, и, несмотря на свой возраст, технология продолжает питать сетевую инфраструктуру по всему миру. Многие технологии пришли и ушли за последние 50 лет, некоторые на сегодняшний день достигли своего пика и постепенно движутся к упадку. Ethernet же, начавшийся со скромного исследовательского проекта, произвёл революцию в способах коммуникации и никуда уходить не собирается. Всего через 50 лет после его изобретения планета Земля теперь буквально окутана проводами Ethernet.
Ethernet — это семейство компьютерных сетевых технологий, лежащих в основе современных вычислений. Стандарт Ethernet делит поток передаваемых данных на более короткие части, называемые кадрами или пакетами. Каждый кадр содержит необходимые сведения о передаче данных, включая источник и место назначения передачи; включает в себя данные проверки на наличие ошибок, которые могут использоваться на принимающей стороне передачи для обеспечения приема всех предполагаемых пакетов данных.
Как изменилась технология за эти годы, почему она остаётся популярной среди инженеров и какое будущее ждёт Ethernet?
❯ Рождение
История Ethernet началась в начале 1970-х годов в Исследовательском центре корпорации Xerox PARC. В 1973 году доктор Роберт Меткалф, учёный-компьютерщик, и его команда приступили к реализации проекта по объединению компьютеров и периферийных устройств в локальную сеть. Этот проект, известный как «Alto Aloha Network», заложил основу того, что в конечном итоге станет Ethernet. Например, компьютер Alto, разработанный в Xerox PARC, был одним из первых компьютеров, который использовал Ethernet для работы в сети. Это стало важной вехой в развитии сетевых технологий.
Набросок Боба Меткалфа 1973 года о его первоначальном видении «Ethernet»
Слово «Ethernet» означает «эфирная сеть» или «среда сети», что подразумевает первоначальный принцип работы технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными. Сегодня практически всегда подключение происходит через коммутаторы, так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес).
Меткалф всё ещё находился в процессе получения докторской степени, когда устроился на работу в Исследовательский центр Xerox в Пало-Альто в 1972 году. В качестве «сетевого парня» ему было поручено придумать способ подключения компьютеров Xerox к лазерному струйному принтеру.
Меткалфу предстояло решить несколько серьёзных проблем: как соединить все компьютеры одновременно от одной линии к принтеру, чтобы избежать создания «крысиного гнезда» кабелей, как гарантировать, что их передачи не будут конфликтовать, и как закодировать передаваемую информацию.
Некоторые из первоначальных экспериментов Меткалфа включали подключение одного конца коаксиального кабеля длиной в одну милю к генератору прямоугольных сигналов, а другой конец — к осциллографу для наблюдения за выходным сигналом. В своих первоначальных наблюдениях он увидел, что к тому времени, когда прямоугольный импульс достиг осциллографа, сигнал больше походил на гребень волны. На приёмном конце требовались дополнительные компоненты для восстановления исходной прямоугольной волны.
Для решения проблемы использования одной линии к принтеру по предложению коллеги Дэвида Лиддла был использован сетевой отвод Vampire tap, что позволило бы при необходимости добавить новый компьютер.
Пример Vampire tap
Следующая проблема, которую необходимо было преодолеть, связана с коллизиями сигналов. Если два компьютера попытаются отправить сообщение одновременно, они будут мешать друг другу, и ни один из них не сможет успешно передать сообщение. Меткалф черпал вдохновение в AlohaNet в Гавайском университете, чтобы решить эту проблему.
В отличие от установки в Xerox PARC, AlohaNet работала по радио и позволяла нескольким компьютерным терминалам отправлять сообщения одному приёмнику. Однако, поскольку эти терминалы не были связаны друг с другом, у них не было возможности координировать свои действия во избежание столкновений. В настройке AlohaNet каждому терминалу разрешалось передавать сообщение всякий раз, когда у него были доступные данные, добавляя некоторую степень случайности, которая помогла минимизировать коллизии.
Меткалф обнаружил, что если произошла коллизия и терминал не получил подтверждения своего сообщения, то он повторил бы передачу после случайного короткого промежутка времени. С этой схемой два терминала не будут пытаться одновременно выполнять повторную передачу и столкнуться с другой коллизией сообщений.
Использование фреймов лежит в основе функционирования Интернета. Если данные отправляются на домашний широкополосный маршрутизатор, маршрутизатор проверяет, завершён ли каждый входящий фрейм. Маршрутизатор отправит запрос на повторную передачу любого кадра, который оказался неполным. Большинство людей думают, что данные просто отправляются и принимаются, но на самом деле существует сложная система проверки ошибок и повторной отправки отсутствующих кадров, которая происходит за кулисами.
Система повторной отправки неполных пакетов объясняет, почему подключение к серверу на другом континенте происходит медленнее, чем подключение к серверу, расположенному намного ближе к месту жительства. Чем дальше должны перемещаться данные и чем больше число промежуточных точек переключения данных, тем выше вероятность того, что неполные кадры дойдут до места назначения, и тем больше времени потребуется для замены неполных или отсутствующих кадров.
❯ Становление
В 1976 году Меткалф и его команда представили концепцию Ethernet в документе под названием «Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks», в котором предложили сеть с коммутацией пакетов, с использованием общего коаксиального кабеля, чтобы несколько компьютеров могли передавать/принимать данные одновременно. Эта статья, опубликованная в Communications of the ACM, стала основополагающей работой в области компьютерных сетей.
Роберт Меткалф в 1973 году
Xerox подала патент на Ethernet в 1975 году. Изобретателями были названы Меткалф, Дэвид Боггс, Чак Такер и Батлер Лэмпсон. Меткалф покинул Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com, которая в итоге была куплена Hewlett-Packard. В рамках перехода к 3Com компания Xerox отказалась от торговой марки Ethernet, и в 1980 году Ethernet стал всемирным стандартом, а первый стандарт был обозначен как «Ethernet, локальная сеть».
Ethernet впервые использовался внутри проводных локальных сетей, например, между зданиями кампуса или внутри предприятия, для создания соединений WAN и LAN. Протокол имел исходную скорость передачи данных 2,94 Мбит/с.
В 1980 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) сформировал комитет для разработки стандартов Ethernet. Комитет выпустил первый стандарт Ethernet (IEEE 802.3), известный как «Ethernet версии 1.0» или «Ethernet DIX», в котором указана скорость передачи данных 10 Мбит/с и использование коаксиального кабеля. В течение оставшейся части десятилетия Ethernet завоевал популярность как надёжная и экономичная сетевая технология. Гибкость и масштабируемость сделали его предпочтительным выбором для подключения компьютеров, принтеров и других устройств в организациях. Появление кабельной системы с витой парой и внедрение концентраторов ещё больше расширили возможности технологии Ethernet.
Ранний Ethernet 10BASE5 использовал толстый коаксиальный кабель в качестве общей среды. Его в значительной степени вытеснил 10BASE2, в котором использовался тонкий и гибкий кабель, дешевый и простой в обращении. Более современные варианты Ethernet используют витую пару и оптоволокно в сочетании с коммутаторами. На протяжении своей истории скорость передачи данных Ethernet увеличилась с первоначальных 2,94 Мбит/с до новейших 400 Гбит/с, при этом в разработке находятся скорости до 1,6 Тбит/с. Стандарты Ethernet включают несколько вариантов проводки и сигнализации физического уровня OSI.
❯ Признание
Первоначально Ethernet приходилось конкурировать с Token Ring и другими проприетарными протоколами. Компания смогла адаптироваться к потребностям рынка и перейти на недорогой тонкий коаксиальный кабель с 10BASE2 и на широко распространенную витую пару с 10BASE-T. К концу 1980-х годов Ethernet стал доминирующей сетевой технологией, выжив всех своих конкурентов.
Несмотря на топологию физической звезды и наличие отдельных каналов передачи и приёма в витой паре и оптоволокне, сети Ethernet на основе ретрансляторов по-прежнему используют полудуплекс и CSMA/CD с минимальной активностью ретранслятора. Каждый пакет отправлялся на все остальные порты повторителя, поэтому проблемы с пропускной способностью и безопасностью не решались. Общая пропускная способность повторителя ограничена пропускной способностью одного канала, и все каналы должны работать с одинаковой скоростью. Чтобы решить эти проблемы, был создан мост для связи на канальном уровне с изоляцией физического уровня. При использовании моста из одного сегмента Ethernet в другой пересылаются только правильно сформированные пакеты Ethernet; коллизии и ошибки пакетов изолированы.
Это новшество ознаменовало собой значительный шаг вперед в разработке и внедрении Ethernet, продемонстрировав его устойчивость и адаптируемость перед лицом вызовов.
В 1990-х годах спрос на более высокие скорости передачи данных стимулировал развитие Fast Ethernet. Представленный в 1995 году, Fast Ethernet достиг скорости 100 Мбит/с, что в десять раз быстрее, чем у его предшественника. Это усовершенствование сделало возможным более эффективное сетевое взаимодействие и способствовало развитию мультимедийных приложений. Основываясь на успехе Fast Ethernet, в конце 1990-х появился Gigabit Ethernet, обеспечивающий скорость передачи данных 1 Гбит/с. Этот прорыв открыл новые возможности для приложений, интенсивно использующих полосу пропускания, и расширил охват Ethernet в таких областях как потоковое видео, высокопроизводительные вычисления и центры обработки данных. Например, такие компании, как Netflix и Amazon Web Services, в значительной степени полагаются на Gigabit Ethernet в операциях с интенсивным использованием данных, что демонстрирует критическую роль Ethernet в современной цифровой экономике.
По мере того, как мир осваивал беспроводные технологии, Ethernet также адаптировался к меняющемуся ландшафту. В начале 2000-х годов IEEE представила стандарт 802.11, широко известный как Wi-Fi, обеспечивавший беспроводное подключение к Сети. Беспроводные локальные сети (WLAN) получили широкое распространение, предлагая комфорт мобильности без ущерба для сетевого подключения.
Кроме того, появилась технология Power over Ethernet (PoE), позволяющая таким устройствам, как IP-телефоны, беспроводные точки доступа и камеры видеонаблюдения, получать питание и данные по одному кабелю Ethernet. Это нововведение упрощает установку и снижает потребность в дополнительных источниках питания. Сегодня Ethernet остается доминирующей технологией для локальных сетей, соединяющей миллиарды устройств по всему миру. Его универсальность, надёжность и постоянное развитие гарантируют, что он и дальше будет играть жизненно важную роль в будущем сетей.
❯ В расцвете сил
Несмотря на солидный возраст, Ethernet продолжает доминировать в сетевой инфраструктуре во всем мире. Требования к скорости передачи данных в технологической отрасли постоянно растут в геометрической прогрессии. Интернет-магистрали и центры обработки данных по-прежнему нуждаются в более быстром соединении с меньшими задержками, поскольку сложность и взаимосвязь корпоративных приложений для обработки данных продолжают расти.
Такие приложения, как искусственный интеллект, MR/VR/AR, огромные озера данных и повышение качества аудио- и видеопередачи, везде требуют большей пропускной способности. Приложения перемещаются не только между конечным пользователем и хранилищами данных; теперь приложения и данные передаются друг другу во всё более сложных взаимозависимостях. Это часто называют трафиком «восток-запад» в средах центров обработки данных.
В последние годы промышленные Ethernet-решения для автоматизации производства значительно расширились и получили широкое распространение. Ожидается, что эта тенденция сохранится и в будущем, поскольку все большее число заводов будут использовать цифровизацию и концепции Индустрии 4.0. Внедрение ускоряется такими технологиями, как Single Pair Ethernet (SPE), которые передают питание и данные, упрощая и расширяя функциональность периферийных устройств.
SPE снижает требования к кабелям, упрощает установку и обеспечивает связь на больших расстояниях. Например, новый стандарт IEEE 802.3cg 2019 вводит два новых варианта Ethernet со скоростью 10 мегабит в секунду по одной витой паре, известных как 10BASE-T1S и 10BASE-T1L. Эксперты по промышленным сетям внесли свой вклад в стандарт IEEE 802.3cg, сделав его идеальным для таких приложений, как управление технологическими процессами, автоматизация зданий и промышленных предприятий, в том числе требующих искробезопасности. 10BASE-T1L поддерживает полнодуплексную связь по одной паре витой пары на расстоянии до 1 км. 10BASE-T1S предназначен для приложений на коротких расстояниях и может работать в многоточечном режиме, устраняя необходимость в коммутаторах и обеспечивая очень экономичный вариант с точки зрения установки и эксплуатации.
Протоколы связи Ethernet, такие как EtherNet/IP и Profinet, стали популярным выбором для приложений промышленной автоматизации благодаря их высокоскоростной связи, возможностям управления в реальном времени и способности обрабатывать большие объёмы данных. Эти протоколы широко используются ведущими поставщиками средств автоматизации и поддерживаются обширной экосистемой продуктов.
Одним из наиболее значительных усовершенствований технологии Industrial Ethernet является включение TSN (Time-Sensitive Networking). TSN — это набор стандартов, обеспечивающих детерминированную передачу данных с малой и ограниченной задержкой, что делает его идеальным для приложений управления в реальном времени. TSN также предоставляет механизм планирования сетевого трафика, обеспечивающий большую гибкость и улучшенное использование ресурсов. Это позволяет нескольким критически важным приложениям совместно использовать одну и ту же сетевую инфраструктуру, не влияя на производительность друг друга.
TSN применяется в промышленных приложениях, таких как автоматизация производства, робототехника и управление технологическими процессами, где критически важными являются управление и синхронизация в реальном времени. Благодаря сотрудничеству между IEC и IEEE в настоящее время стандартизируется профиль TSN для промышленной автоматизации (IEC/IEEE 60802). Профили выбирают функции, параметры, конфигурации, значения по умолчанию, протоколы и процедуры мостов, конечных станций и локальных сетей для построения сетей промышленной автоматизации.
Несомненно, стандартизированный характер является наиболее важным фактором популярности технологии. Подобно тому, как USB позволяет устройствам разных производителей взаимодействовать друг с другом по стандартизированным кабелям, стандарты Ethernet чётко определены, включая физические соединения и используемые протоколы. Конечно, физические характеристики кабелей могут влиять на максимальную пропускную способность и максимальную длину кабеля, но они не влияют на терминацию кабелей или способ передачи данных.
Ещё одна причина популярности связана с масштабируемостью. Возможность масштабирования сетей Ethernet была одной из основных целей, на которые рассчитывали разработчики, и сохранение этой возможности позволило инженерам создавать массивные компьютерные сети. Это особенно актуально для центров обработки данных, состоящих из тысяч серверных стоек, которым необходимо взаимодействовать друг с другом.
Улучшения в электронике и кабельных технологиях также позволили кабелям Ethernet работать с высокой пропускной способностью на больших расстояниях. Кабели со скоростью выше 10 Гбит/с уже развёрнуты, а кабели со скоростью 1 Гбит/с теперь широко используются в домах. Это значительно быстрее, чем у Wi-Fi или других сетевых технологий, которые борются с подключением большего количества устройств.
❯ Когда на покой?
Закон Меткалфа
Законы, оказавшие наибольшее влияние на технологии, названы в их честь, и это не исключение для закона Меткалфа. Этот закон гласит, что стоимость телекоммуникационной сети пропорциональна количеству подключенных узлов в системе. Один компьютер в сети не имеет никакой ценности, так как ему не с кем в этой сети общаться. Но если добавить второй компьютер, то эта сеть станет более ценной, так как теперь два компьютера могут общаться друг с другом. Если добавить третий, теперь каждый компьютер может связываться с двумя другими компьютерами. Закон Меткалфа объясняет, что стоимость увеличивается с каждым добавленным компьютером.
В целом, инженеры продолжают выбирать Ethernet из-за его повсеместного распространения, масштабируемости, высокой скорости передачи данных, надёжности, гибкости и поддержки конвергентных сетей. Способность Ethernet адаптироваться к меняющимся сетевым требованиям, отраслевая поддержка и непрерывные инновации делают её надёжным и предпочтительным выбором для инженеров в самых разных областях применения и отраслях.
Ethernet идёт в ногу со временем, но растущие проблемы связаны с развитием фундаментальных архитектур центров обработки данных. Меняется сама природа центров обработки данных, и впервые встаёт долгосрочный вопрос о том, сможет ли Ethernet удовлетворить потребности совершенно новых архитектур центров обработки данных, которые очень мало похожи на современные центры обработки данных.
Такие технологии, как PCIe и Compute Express Link (CXL), могут взять на себя обязанности Ethernet, по крайней мере, внутри самого центра обработки данных. Другим маловероятным конкурентом могут быть квантовые сети, но эта технология, вероятно, находится более чем в десятилетии от реальной практической реализации.
Маловероятно, что в ближайшее десятилетие Ethernet уйдёт в отставку или на пенсию. По мере совершенствования технологий будут улучшаться и возможности кабелей Ethernet. Протоколы, используемые сетями Ethernet, также претерпят изменения для поддержки новых функций, таких как программно-определяемые сети, которые позволят виртуализировать, и также вероятно, что будут развёрнуты новые протоколы безопасности для защиты от новых атак.
Но также возможно, что кабели Ethernet будут заменены оптическими системами, при этом сохранятся те же разъёмы и протоколы. Медные кабели могут делать только некоторые вещи, и существуют физические ограничения при работе на скоростях в терагерцах, но это то, с чем легко справляются волоконно-оптические системы. Кроме того, волоконная оптика может не только обрабатывать несколько разных частот одновременно, но и использовать одну и ту же частоту в обоих направлениях, не вызывая помех.
Ethernet сегодня совсем не похож на Ethernet в Xerox PARC. Сегодняшний Ethernet имеет больше сходства с пакетным протоколом и больше не использует такие вещи, как случайная повторная передача или манчестерское кодирование. Меткалф заявил, что долговечность Ethernet с течением времени может быть связана с улучшением пропускной способности с каждым последующим поколением, его открытым стандартом, обратной совместимостью и конкуренцией на рынке для инноваций и улучшения.
