Спецификации физического уровня семейства стандартов компьютерных сетей Ethernet публикуются Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), который определяет электрические или оптические свойства и скорость передачи данных физического соединения между устройством и сетью или между сетевыми устройствами. Он дополняется уровнем MAC и уровнем логической связи . Реализация определенного физического уровня обычно называется PHY .
Физический уровень Ethernet развивался с момента своего существования с 1980 года и охватывает несколько интерфейсов физических сред и несколько порядков скорости от 1 Мбит/с до 400 Гбит/с . Физическая среда варьируется от громоздкого коаксиального кабеля до витой пары и оптоволокна со стандартизированным радиусом действия до 80 км. В целом, программное обеспечение стека сетевых протоколов будет работать одинаково на всех физических уровнях.
Многие адаптеры Ethernet и порты коммутаторов поддерживают несколько скоростей, используя автосогласование для установки скорости и дуплекса для наилучших значений, поддерживаемых обоими подключенными устройствами. Если автосогласование не удается, некоторые многоскоростные устройства определяют скорость, используемую их партнером, [1], но это может привести к несоответствию дуплекса . За редкими исключениями, порт 100BASE-TX ( 10/100 ) также поддерживает 10BASE-T, в то время как порт 1000BASE-T ( 10/100/1000 ) также поддерживает 10BASE-T и 100BASE-TX. Большинство портов 10GBASE-T также поддерживают 1000BASE-T, [2] некоторые даже 100BASE-TX или 10BASE-T. Хотя на автосогласование можно практически положиться для Ethernet по витой паре , немногие оптоволоконные порты поддерживают несколько скоростей. В любом случае, даже многоскоростные оптоволоконные интерфейсы поддерживают только одну длину волны (например, 850 нм для 1000BASE-SX или 10GBASE-SR).
10 Gigabit Ethernet уже использовался как в корпоративных, так и в операторских сетях к 2007 году, при этом были ратифицированы стандарты 40 Гбит/с [3] [4] и 100 Gigabit Ethernet [5] . [6] В 2017 году самыми быстрыми дополнениями к семейству Ethernet стали стандарты 200 и 400 Гбит/с . [7] Разработка стандартов Ethernet 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с началась в 2021 году. [8]
Обычно слои именуются по их характеристикам: [9]
Для 10 Мбит/с кодировка не указана, так как все варианты используют код Manchester . Большинство слоев витой пары используют уникальную кодировку, поэтому чаще всего используется просто -T .
Досягаемость , особенно для оптических соединений , определяется как максимально достижимая длина линии связи, которая гарантированно работает при соблюдении всех параметров канала ( модальная полоса пропускания , затухание , вносимые потери и т. д.). При лучших параметрах канала часто можно достичь более длинной и стабильной длины линии связи. И наоборот, линия связи с худшими параметрами канала также может работать, но только на более коротком расстоянии. Досягаемость и максимальное расстояние имеют одинаковое значение.
В следующих разделах представлен краткий обзор официальных типов носителей Ethernet. В дополнение к этим официальным стандартам многие поставщики внедрили собственные типы носителей по разным причинам — часто для поддержки более длинных расстояний по оптоволоконному кабелю.
Ранние стандарты Ethernet использовали манчестерское кодирование , благодаря чему сигнал был самосинхронизирующимся и не подвергался отрицательному воздействию высокочастотных фильтров .
Все варианты Fast Ethernet используют топологию «звезда» и, как правило, используют линейное кодирование 4B5B .
Все варианты Gigabit Ethernet используют топологию звезды. Варианты 1000BASE-X используют кодировку PCS 8b/10b . Первоначально полудуплексный режим был включен в стандарт, но с тех пор от него отказались. [15] Очень немногие устройства поддерживают гигабитную скорость в полудуплексном режиме.
2.5GBASE-T и 5GBASE-T являются уменьшенными вариантами 10GBASE-T и обеспечивают большую дальность связи по кабелям до Cat 6A . Эти физические уровни поддерживают только медные кабели с витой парой и объединительные платы.
10 Gigabit Ethernet — это версия Ethernet с номинальной скоростью передачи данных 10 Гбит/с, что в десять раз быстрее Gigabit Ethernet. Первый стандарт 10 Gigabit Ethernet, IEEE Std 802.3ae-2002, был опубликован в 2002 году. Последующие стандарты охватывают типы носителей для одномодового оптоволокна (дальние расстояния), многомодового оптоволокна (до 400 м), медной объединительной платы (до 1 м) и медной витой пары (до 100 м). Все 10-гигабитные стандарты были объединены в IEEE Std 802.3-2008. Большинство 10-гигабитных вариантов используют код PCS 64b/66b ( -R ). 10 Gigabit Ethernet, в частности 10GBASE-LR и 10GBASE-ER , занимают значительную долю рынка в сетях операторов.
Однополосный 25-гигабитный Ethernet основан на одной полосе 25,78125 Гбод из четырех из стандарта 100-гигабитного Ethernet, разработанного рабочей группой P802.3by. [18] 25GBASE-T по витой паре был одобрен наряду с 40GBASE-T в IEEE 802.3bq. [19] [20]
Этот класс Ethernet был стандартизирован в июне 2010 года как IEEE 802.3ba. Работа также включала первыйПоколение 100 Гбит/с , опубликованное в марте 2011 года как IEEE 802.3bg. [21] [22] AСтандарт витой пары со скоростью 40 Гбит/с был опубликован в 2016 году как IEEE 802.3bq-2016.
Рабочая группа IEEE 802.3cd разработала стандарты 50 Гбит/с, а также стандарты следующего поколения 100 и 200 Гбит/с, используя полосы 50 Гбит/с. [24]
Первое поколение 100-гигабитного Ethernet, использующее полосы 10 и 25 Гбит/с, было стандартизировано в июне 2010 года как IEEE 802.3ba вместе с 40-гигабитным Ethernet. [21] Второе поколение, использующее полосы 50 Гбит/с, было разработано рабочей группой IEEE 802.3cd вместе со стандартами 50 и 200 Гбит/с. [24] Третье поколение, использующее одну полосу 100 Гбит/с, было стандартизировано в сентябре 2022 года как IEEE 802.3ck вместе с Ethernet 200 и 400 Гбит/с. [25] [26]
Первое поколение 200 Гбит/с было определено целевой группой IEEE 802.3bs и стандартизировано в 802.3bs-2017. [27] Целевая группа IEEE 802.3cd разработала стандарты 50 и следующего поколения 100 и 200 Гбит/с, использующие одну, две или четыре полосы 50 Гбит/с соответственно. [24] Следующее поколение, использующее полосы 100 Гбит/с, было стандартизировано в сентябре 2022 года как IEEE 802.3ck вместе с PHY 100 и 400 Гбит/с и интерфейсами устройств присоединения (AUI), использующими полосы 100 Гбит/с. [25] [26]
Стандарт Ethernet, способный работать на скорости 200 и 400 Гбит/с, определен в IEEE 802.3bs-2017. [27] Дальнейшей целью может стать скорость 1 Тбит/с. [28]
В мае 2018 года IEEE 802.3 создал целевую группу 802.3ck для разработки стандартов для физических уровней 100, 200 и 400 Гбит/с и интерфейсов устройств присоединения (AUI) с использованием линий 100 Гбит/с. [25] Новые стандарты были утверждены в сентябре 2022 года. [26]
В 2008 году Роберт Меткалф , один из соавторов Ethernet, заявил, что, по его мнению, коммерческие приложения, использующие Terabit Ethernet, могут появиться к 2015 году, хотя для этого могут потребоваться новые стандарты Ethernet. [29] Было предсказано, что за этим быстро последует масштабирование до 100 Терабит, возможно, уже в 2020 году. Это были теоретические прогнозы технологических возможностей, а не оценки того, когда такие скорости действительно станут доступны по практической цене. [30]
В апреле 2020 года Консорциум технологий Ethernet предложил вариант Ethernet PCS со скоростью 800 Гбит/с, основанный на тесно связанном 400GBASE-R. [31]
В декабре 2021 года IEEE создал целевую группу P802.3df для определения вариантов для 800 и 1600 Гбит/с по твинаксиальной меди, электрическим объединительным платам, одномодовому и многомодовому оптоволокну, а также новых вариантов 200 и 400 Гбит/с с использованием линий 100 и 200 Гбит/с. [32]
В декабре 2022 года IEEE создала целевую группу P802.3dj для определения вариантов для 200, 400, 800 и 1600 Гбит/с по твинаксиальной меди, электрическим объединительным платам, одномодовому и многомодовому оптоволокну, а также новых вариантов, использующих полосы 100 и 200 Гбит/с. [32]
Ethernet на первой миле обеспечивает доступ в Интернет напрямую от провайдеров к домам и малым предприятиям.
Начиная с Fast Ethernet, спецификации физического уровня делятся на три подуровня для упрощения проектирования и взаимодействия: [36]
Несколько разновидностей Ethernet были специально разработаны для работы по 4-парной медной структурированной кабельной системе, уже установленной во многих местах. В отличие от 10BASE-T и 100BASE-TX, 1000BASE-T и выше используют все четыре пары кабеля для одновременной передачи в обоих направлениях с использованием эхоподавления .
Использование медных кабелей точка-точка дает возможность передавать электроэнергию вместе с данными. Это называется питанием по Ethernet , и существует несколько вариаций, определенных в стандартах IEEE 802.3. Объединение 10BASE-T (или 100BASE-TX) с режимом A позволяет концентратору или коммутатору передавать как питание, так и данные только по двум парам. Это было разработано для того, чтобы оставить две другие пары свободными для аналоговых телефонных сигналов. [37] [ проверка не удалась ] Контакты, используемые в режиме B, подают питание по запасным парам, не используемым 10BASE-T и 100BASE-TX. 4PPoE , определенный в IEEE 802.3bt, может использовать все четыре пары для подачи до 100 Вт.
Требования к кабелю зависят от скорости передачи и используемого метода кодирования. Как правило, более высокие скорости требуют как более высококачественных кабелей, так и более сложного кодирования.
Некоторые волоконно-оптические соединения имеют минимальную длину кабеля из-за ограничений максимального уровня принимаемых сигналов. [41] Волоконно-оптические порты, предназначенные для длинных волн большой протяженности, могут потребовать использования аттенюатора сигнала, если они используются внутри здания.
Для установок 10BASE2, работающих на коаксиальном кабеле RG-58, требуется минимальное расстояние 0,5 м между станциями, подключенными к сетевому кабелю, чтобы минимизировать отражения. [42]
Установки 10BASE-T, 100BASE-T и 1000BASE-T, работающие на витой паре, используют топологию звезды . Для этих сетей не требуется минимальная длина кабеля. [43] [44]
Некоторые сетевые стандарты не являются частью стандарта Ethernet IEEE 802.3, но поддерживают формат кадра Ethernet и способны взаимодействовать с ним.
Другие сетевые стандарты не используют формат кадра Ethernet, но их все равно можно подключить к Ethernet с помощью моста на основе MAC.
Другие специализированные физические уровни включают Avionics Full-Duplex Switched Ethernet и TTEthernet .
...партнер по соединению может определить скорость, на которой работает другой партнер по соединению, даже если другой партнер по соединению не настроен на автоматическое согласование. Чтобы определить скорость, партнер по соединению определяет тип поступающего электрического сигнала и определяет, составляет ли он 10 Мбит или 100 Мбит.
Эта медиасистема позволяла последовательно соединять несколько повторителей полудуплексного сигнала Ethernet, что превышало ограничение на общее количество повторителей, которые могли использоваться в данной системе Ethernet со скоростью 10 Мбит/с.... В течение первых нескольких лет после разработки стандарта оборудование было доступно у нескольких поставщиков, но теперь оно снято с продажи.
стратегическая разработка-выигрыш с Cisco для новых продуктов Ethernet дальнего действия, включающих технологию 10BaseS от Infineon