Спецификации физического уровня семейства стандартов компьютерных сетей Ethernet публикуются Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), которые определяют электрические или оптические свойства и скорость передачи физического соединения между устройством и сетью или между сетевые устройства. Его дополняют уровень MAC и уровень логического канала . Реализация определенного физического уровня обычно называется PHY .
Физический уровень Ethernet развивался за время своего существования, начиная с 1980 года, и включает в себя множество интерфейсов физической среды и скорость на несколько порядков от 1 Мбит/с до 400 Гбит/с . Физическая среда варьируется от громоздкого коаксиального кабеля до витой пары и оптоволокна со стандартным 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 дуплексного режима . За редкими исключениями, порт 100BASE-TX ( 10/100 ) также поддерживает 10BASE-T , а 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 автосогласование практически можно использовать для Ethernet по витой паре , лишь 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).
К 2007 году 10-гигабитный Ethernet уже использовался как в корпоративных, так и в операторских сетях, были ратифицированы 40 Гбит/с [3] [4] и 100-гигабитный Ethernet [5] . [6] В 2017 году самыми быстрыми дополнениями к семейству Ethernet были скорости 200 и 400 Гбит/с . [7] Разработка стандартов Ethernet 800 Гбит/с и 1,6 Тбит/с началась в 2021 году. [8]
Обычно слои называются в соответствии с их характеристиками: [9]
Для скорости 10 Мбит/с кодировка не указывается, поскольку во всех вариантах используется манчестерский код . 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 будет работать при соблюдении всех параметров канала ( модальная полоса пропускания , затухание , вносимые потери и т. д.). При лучших параметрах канала часто можно достичь большей и стабильной длины соединения. И наоборот, связь с худшими параметрами канала тоже может работать, но только на меньшем расстоянии. Досягаемость и максимальное расстояние имеют одно и то же значение.
В следующих разделах представлен краткий обзор официальных типов носителей Ethernet. В дополнение к этим официальным стандартам многие поставщики по разным причинам внедрили собственные типы носителей — часто для поддержки больших расстояний по оптоволоконным кабелям.
Ранние стандарты Ethernet использовали манчестерское кодирование , чтобы сигнал был самосинхронизирующимся и не подвергался негативному влиянию фильтров верхних частот .
Все варианты Fast Ethernet используют звездообразную топологию и обычно используют линейное кодирование 4B5B .
Все варианты Gigabit Ethernet используют звездообразную топологию. Варианты 1000BASE-X используют кодирование 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 представляют собой уменьшенные варианты 10GBASE-T и обеспечивают большую дальность действия по сравнению с кабелями предшествующей категории Cat 6A . Эти физические уровни поддерживают только медные кабели витой пары и объединительные платы.
10 Gigabit Ethernet — это версия Ethernet с номинальной скоростью передачи данных 10 Гбит/с, что в десять раз быстрее, чем Gigabit Ethernet. Первый стандарт 10 Gigabit Ethernet, IEEE Std 802.3ae-2002, был опубликован в 2002 году. Последующие стандарты охватывают типы носителей для одномодового волокна (дальняя связь), многомодового волокна (до 400 м), медной объединительной платы (до 1 м) и медная витая пара (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-гигабитный Ethernet, в частности 10GBASE-LR и 10GBASE-ER , занимает значительную долю рынка в сетях операторов связи.
Одноканальный 25-гигабитный Ethernet основан на одной линии 25,78125 ГБод из четырех линий стандарта 100 Gigabit Ethernet, разработанных целевой группой P802.3. [18] Технология 25GBASE-T по витой паре была одобрена наряду с 40GBASE-T в рамках стандарта IEEE 802.3bq. [19] [20]
Этот класс Ethernet был стандартизирован в июне 2010 года как IEEE 802.3ba. В работу также вошли первыеПоколение 100 Гбит/с , опубликованное в марте 2011 года как IEEE 802.3bg. [21] [22] АСтандарт витой пары 40 Гбит/с был опубликован в 2016 году как IEEE 802.3bq-2016.
Рабочая группа IEEE 802.3cd разработала скорость 50 Гбит/с наряду со стандартами следующего поколения 100 и 200 Гбит/с с использованием линий 50 Гбит/с. [24]
Первое поколение 100-гигабитного Ethernet с использованием линий 10 и 25 Гбит/с было стандартизировано в июне 2010 года как IEEE 802.3ba наряду с 40-гигабитным Ethernet. [21] Второе поколение, использующее линии 50 Гбит/с, было разработано целевой группой IEEE 802.3cd вместе со стандартами 50 и 200 Гбит/с. [24] Третье поколение, использующее одну полосу пропускания 100 Гбит/с, было стандартизировано в сентябре 2022 года как IEEE 802.3ck вместе с Ethernet 200 и 400 Гбит/с. [25] [26]
Скорость 200 Гбит/с первого поколения была определена целевой группой IEEE 802.3bs и стандартизирована в 802.3bs-2017. [27] Рабочая группа IEEE 802.3cd разработала стандарты 50 и следующего поколения 100 и 200 Гбит/с с использованием одной, двух или четырех линий по 50 Гбит/с соответственно. [24] Следующее поколение, использующее каналы 100 Гбит/с, было стандартизировано в сентябре 2022 года как IEEE 802.3ck вместе с PHY 100 и 400 Гбит/с и интерфейсами устройств подключения (AUI), использующими каналы 100 Гбит/с. [25] [26]
Стандарт Ethernet со скоростью 200 и 400 Гбит/с определен в IEEE 802.3bs-2017. [27] Еще одной целью может стать 1 Тбит/с. [28]
В мае 2018 года IEEE 802.3 создал рабочую группу 802.3ck для разработки стандартов для PHY 100, 200 и 400 Гбит/с и интерфейсов устройств подключения (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 вскоре последует масштабирование до 100 Терабит, возможно, уже в 2020 году. Это были теоретические предсказания технологических возможностей, а не оценки того, когда такие скорости действительно станут доступными по практической цене. [30]
В апреле 2020 года Консорциум Ethernet Technology предложил вариант Ethernet PCS 800 Гбит/с на основе тесно связанного 400GBASE-R. [31]
В декабре 2021 года IEEE создал рабочую группу P802.3df для определения вариантов для 800 и 1600 Гбит/с по твинаксиальной медной сети, электрических объединительных плат, одномодового и многомодового оптического волокна, а также новых вариантов 200 и 400 Гбит/с с использованием 100 и линии 200 Гбит/с. [32]
В декабре 2022 года IEEE создал рабочую группу P802.3dj для определения вариантов со скоростями 200, 400, 800 и 1600 Гбит/с по твинаксиальной меди, электрическим объединительным платам, одномодовому и многомодовому оптическому волокну, а также новые варианты, использующие 100 и 200 Гбит/с. Линии 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 разделены на три подуровня, чтобы упростить проектирование и взаимодействие: [36]
Несколько разновидностей Ethernet были специально разработаны для работы с 4-парными медными структурированными кабелями, уже установленными во многих местах. В отличие от 10BASE-T и 100BASE-TX, 1000BASE-T и выше используют все четыре пары кабелей для одновременной передачи в обоих направлениях за счет использования эхоподавления .
Использование медных кабелей типа «точка-точка» дает возможность передавать электроэнергию вместе с данными. Это называется питанием через Ethernet , и в стандартах IEEE 802.3 определено несколько вариантов. Сочетание 10BASE-T (или 100BASE-TX) с режимом A позволяет концентратору или коммутатору передавать как мощность, так и данные только по двум парам. Это было сделано для того, чтобы оставить две другие пары свободными для аналоговых телефонных сигналов. [37] [ не удалось проверить ] Контакты, используемые в режиме B, подают питание на запасные пары, не используемые 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, для более высоких скоростей требуются как более качественные кабели, так и более сложное кодирование.
Некоторые оптоволоконные соединения имеют минимальную длину кабеля из-за ограничений максимального уровня принимаемых сигналов. [41] Оптоволоконные порты, предназначенные для работы на больших длинах волн, могут потребовать использования аттенюатора сигнала , если они используются внутри здания.
Для установок 10BASE2, работающих на коаксиальном кабеле RG-58, требуется расстояние не менее 0,5 м между станциями, подключенными к сетевому кабелю, чтобы минимизировать отражения. [42]
Установки 10BASE-T, 100BASE-T и 1000BASE-T, работающие по кабелю витой пары, используют топологию «звезда» . Для этих сетей не требуется минимальной длины кабеля. [43] [44]
Некоторые сетевые стандарты не являются частью стандарта Ethernet IEEE 802.3, но поддерживают формат кадров Ethernet и способны взаимодействовать с ним.
Другие сетевые стандарты не используют формат кадров Ethernet, но все же могут быть подключены к Ethernet с использованием моста на основе MAC.
Другие физические уровни специального назначения включают полнодуплексный коммутируемый Ethernet Avionics и TTEthernet .
... партнер по ссылке может определить скорость, с которой работает другой партнер по ссылке, даже если другой партнер по ссылке не настроен для автоматического согласования. Чтобы определить скорость, партнер по каналу определяет тип поступающего электрического сигнала и определяет, составляет ли он 10 МБ или 100 МБ.
Эта медиасистема позволяла последовательно подключать несколько полудуплексных повторителей сигналов Ethernet, что превышало ограничение на общее количество повторителей, которые можно было использовать в данной системе Ethernet со скоростью 10 Мбит/с.... В течение первых нескольких лет после стандарт был разработан, оборудование было доступно у нескольких поставщиков, но это оборудование больше не продается.
...стратегическая победа в разработке совместно с Cisco новых продуктов Ethernet с большой дальностью действия, включающих технологию 10BaseS от Infineon