Ethernet (1)

Het populairste netwerksysteem heet Ethernet. In dit en het volgende deel leggen we je uit hoe Ethernet in elkaar steekt en functioneert.

We vallen meteen met de deur in huis. Ethernet is een LAN-technologie die informatie verstuurt tussen computers met een snelheid van 10, 100 of 1000 Mbit/s. De oorspronkelijke definitie van deze netwerktechnologie stamt uit de jaren ’70 en de uitvinder was dr. Robert M. (“Bob”) Metcalfe, die toen werkte in het befaamde Xerox Palo Alto Research Center. Dit onderzoekscentrum moest onderzoek doen naar het “kantoor van de toekomst” en dat kantoor zou uiteraard gebruik maken van de Xerox Alto, die ook een van ’s werelds eerste persoonlijk werkstations was. Het allereerste Ethernet-systeem stond bekend als “experimentele Ethernet” en werkte aan een snelheid van ongeveer 3 Mbit/s. Xerox had alle rechten op Ethernet in handen en bepaalde eenzijdig wat er wel en niet in zou zitten. Om er een echt open netwerksysteem van te maken dat effectief in productie-omgevingen gebruikt zou kunnen worden, kon het natuurlijk niet dat slechts één bedrijf er de volledige controle over had. Bijgevolg zocht en vond Xerox partners voor een consortium dat de eerste officiële Ethernet-standaard vastlegde en publiceerde in 1980. Deze standaard staat tegenwoordig ook wel bekend als DIX, naar de eerste letters van de namen van de drie consortiumleden: DEC, Intel en Xerox.

DIX
De DIX-standaard krikte de werksnelheid van Ethernet op naar 10 Mbit/s. Het systeem wekte zo’n interesse dat het al vlug overgedragen werd aan het Instituut van Elektriciteits- en Elektronica-ingenieurs (IEEE) dat de netwerktechnologie vastlegde in een IEEE-standaard. Dat gebeurde in 1985 en de formele titel van het document was “IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications”. We komen zodadelijk uitgebreider terug op wat dit allemaal betekent. Sindsdien werd deze IEEE-standaard overgenomen door de ISO (Internationale Standaardisatie-Organisatie) en is het een echte wereldwijde netwerkstandaard geworden. IEEE 802.3 voorziet een systeem dat gebaseerd is op de originele DIX-standaard, maar niet helemaal hetzelfde is. Vandaar dat tegenwoordig de naam Ethernet zonder bijkomende verduidelijking alleen nog op de IEEE 802.3-standaard slaat en niet meer op de DIX-standaard. Sinds 1985 werd de 802.3-standaard uitgebreid voor werksnelheden van 100 en 1000 Mbit/s.

Als het niet klinkt, dan botst het maar
Ethernet was door Bob Metcalf gedefinieerd als een broadcastsysteem met bustopologie. (Zie deel 3) Het komt er dus op neer dat alle netwerkstations op dezelfde bus zitten en alle data die op die bus terechtkomen ook altijd door alle stations ontvangen worden. Dat is het “Multiple Access” (meervoudige toegang) die we hoger vermeld hebben. De “Carrier Sense” (draaggolfzintuig) betekent dat elk station voordat het iets verzendt de gemeenschappelijke bus onderzoekt om te zien of een ander station al aan het zenden is. Als dit onderzoekt oplevert dat kennelijk niemand anders aan het zenden is, kan het netwerkstation zijn data beginnen te zenden. Het probleem is dat het best mogelijk is dat een station de bus onderzoekt en daarna begint met zenden terwijl er wel al een ander systeem aan het zenden was, alleen was die data nog niet tot bij het eerste systeem geraakt. Dat komt nogal eens voor bij langere afstanden. In een Ethernet netwerk verstuurt men immers data aan een snelheid van 10 Mbit/s. Dat betekent dat één enkele bit slechts 100 nanoseconden nodig heeft om van zender naar ontvanger te reizen. Elektriciteit werkt aan de lichtsnelheid en dat is 300.000 km/s. In één nanoseconde legt elektriciteit dus zo’n 30 cm af. Je begrijpt dat het dus best mogelijk is dat bij een onderzoek van de bus geen zendactiviteit gedetecteerd wordt omdat die data nog niet tot bij dat onderzoekende station gekomen zijn. In zo’n geval zou dat tweede station met zenden begonnen zijn terwijl het eerste ook al bezig was. Ergens in de kabel zullen die twee zendingen op elkaar botsen. Dat verklaart waarom die “Collision Detect” of botsingsdetectie in de benaming nodig is. Wanneer zo’n botsing voorkomt, stoppen de twee stations onmiddellijk met zenden en proberen het na een willekeurig gekozen wachttijd nog eens. Je begrijpt dat het risico op botsingen nog sterk verhoogd wordt als er heel veel netwerkstations aangesloten zijn (Ethernet aanvaardt tot 1024 netwerkstations op éénzelfde bus of segment), of als er via repeaters de kabellengte sterk vergroot wordt.

Botsingen
Hoe detecteer je nu een botsing? De clou zit ‘m in het feit dat de broadcastnatuur van Ethernet inhoudt, dat alle verzonden data ook altijd door alle netwerkstations ontvangen wordt. Dat betekent dat de zender ook zijn eigen data zal ontvangen. Dit noemt men een “round trip” of rondloop. Laten we een botsing even bekijken vanuit het allerslechtste geval bij Ethernet. Daarvoor zou een netwerkstation aan het uiteinde van de bus beginnen met het zenden van data. Het elektrische signaal gaat door de kabels en eventuele repeaters en net voordat het aan het andere uiteinde komt, begint het station aldaar met uitzenden (omdat het de bus gecontroleerd had en immers geen verzonden data aantrof). Lap, een botsing. Het tweede station ziet dit onmiddellijk en stopt met zenden, maar het eerste station zal dit niet detecteren totdat het botsingssignaal helemaal teruggekomen is doorheen het LAN tot op het startpunt van de zending. Eender welk systeem dat gebaseerd is op botsingsdetectie moet de tijd beperken die vereist is voor de allerslechtste rondloop die een signaal moet maken doorheen het netwerk. In Ethernet is die rondlooptijd vastgelegd op maximaal 50 ¬µs. Tegen een werksnelheid van 10 Mbit/s betekent dit dat in die tijd maximaal 500 bits of iets minder dan 64 bytes verstuurd kunnen worden. Om zeker te zijn dat een botsing herkend wordt, vereist de Ethernet-standaard dat een station blijft uitzenden totdat de rondlooptijd van 50 ¬µs verstreken is. Als het station toevallig minder dan 64 bytes te verzenden heeft, moet het de data aanvullen met nullen achteraan totdat er wel 64 bytes zijn. Hiermee heb je meteen de minimumomvang van een Ethernet-pakket. Het zou best mogelijk zijn om een alternatief Ethernet-systeem te verzinnen met een andere rondlooptijd (40 of 60 of misschien 100 ¬µs) en dat betekent dat dan ook meteen de minimum pakketgrootte verandert, maar dat zou ook meteen wijzigingen in de aangesloten apparatuur vereisen.