Công nghệ mạng Ethernet

Ethernet /ˈiːθərnɛt/ là một tập hợp các công nghệ mạng máy tính thường sử dụng trong mạng LAN, MAN và WAN. Tên gọi Ethernet lấy cảm hứng từ khái niệm Ête trong vật lý. Được thương mại hóa năm 1980 và chuẩn hóa vào năm 1983 với tiêu chuẩn IEEE 802.3, Ethernet liên tục phát triển để hỗ trợ tốc độ bit cao hơn và khoảng cách kết nối xa hơn. Qua thời gian, Ethernet đã hoàn toàn thay thế các công nghệ LAN có dây như token ring, FDDI và ARCNET.

Ethernet ban đầu 10BASE5 sử dụng cáp đồng trục làm môi trường truyền dẫn chung, trong khi các phiên bản mới hơn sử dụng cáp xoắn đôi và liên kết sợi quang để kết nối với các hub hoặc switch. Tốc độ truyền dẫn Ethernet đã tăng từ 2.94 Mbit/s lên đến 100 Gbit/s trong các phiên bản gần đây. Các tiêu chuẩn Ethernet bao gồm nhiều phiên bản tín hiệu và cáp nối của tầng vật lý theo mô hình OSI.

Hệ thống Ethernet chia dữ liệu thành các khung ngắn gọi là frame. Mỗi frame bao gồm địa chỉ nguồn, địa chỉ đích và dữ liệu kiểm tra lỗi để phát hiện và loại bỏ các frame bị hỏng; các giao thức tầng cao hơn thường kích hoạt việc truyền lại các frame bị mất. Trong mô hình OSI, Ethernet cung cấp các dịch vụ lên đến tầng liên kết dữ liệu.

Kể từ khi ra mắt thương mại, Ethernet đã duy trì khả năng tương thích ngược đáng kể. Các yếu tố như địa chỉ MAC 48-bit và định dạng khung Ethernet đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến các giao thức kết nối mạng khác. Hiện nay, Wi-Fi, một giao thức không dây được tiêu chuẩn hóa thành IEEE 802.11, đang dần thay thế một số mạng LAN có dây.

Quá trình phát triển

Ethernet được phát triển tại Xerox PARC từ năm 1973 đến 1974, lấy cảm hứng từ ALOHAnet, một phần của nghiên cứu tiến sĩ của Robert Metcalfe. Ông đã ghi lại ý tưởng này trong một bản ghi nhớ vào ngày 22 tháng 5 năm 1973, và đặt tên công nghệ theo Luminiferous aether (ê-te), với ý nghĩa là một 'phương tiện thụ động khắp nơi để lan truyền sóng điện từ.' Vào năm 1975, Xerox nộp đơn xin cấp bằng sáng chế với Metcalfe, David Boggs, Chuck Thacker, và Butler Lampson là các nhà phát minh. Đến năm 1976, sau khi hệ thống được triển khai tại PARC, Metcalfe và Boggs đã công bố một bài báo quan trọng.

Metcalfe rời Xerox vào tháng 6 năm 1979 để thành lập công ty 3Com. Ông đã thuyết phục Digital Equipment Corporation (DEC), Intel, và Xerox hợp tác để quảng bá tiêu chuẩn Ethernet, gọi là 'DIX' (viết tắt của Digital/Intel/Xerox), cụ thể là Ethernet 10 Mbit/s, với các địa chỉ 48-bit và một trường Ethertype 16-bit. Tiêu chuẩn này được công bố vào ngày 30 tháng 9 năm 1980 với tiêu đề 'The Ethernet, A Local Area Network. Data Link Layer and Physical Layer Specifications.' Phiên bản 2 ra mắt vào tháng 11 năm 1982 đã định nghĩa Ethernet II hiện nay. Nỗ lực tiêu chuẩn hóa đã dẫn đến việc xuất bản IEEE 802.3 vào ngày 23 tháng 6 năm 1983.

Ethernet ban đầu phải cạnh tranh với hai hệ thống bản quyền lớn là Token Ring và Token Bus. Tuy nhiên, nhờ tính thực tế và khả năng sử dụng cáp xoắn đôi giá rẻ và phổ biến, Ethernet nhanh chóng chiếm ưu thế trên thị trường, trong khi các giao thức bản quyền này dần tụt lại phía sau. Đến cuối những năm 1980, Ethernet đã trở thành công nghệ mạng chủ đạo, và 3Com nổi lên như một người chơi chính. Vào tháng 3 năm 1981, 3Com bán ra sản phẩm Network Interface Controller (NIC) 3C100 hỗ trợ Ethernet 10 Mbit/s, cùng với các adapter cho PDP-11, VAX, và máy tính Intel, Sun Microsystems trên nền tảng Multibus. DEC cũng nhanh chóng theo sau với adapter Ethernet cho Unibus, và nội bộ công ty đã sử dụng chúng để xây dựng mạng tập đoàn với hơn 10,000 node vào năm 1986, trở thành một trong những mạng máy tính lớn nhất thế giới. Một card adapter Ethernet cho IBM PC ra mắt năm 1982, và đến năm 1985, 3Com đã bán được 100,000 chiếc. Ethernet trên cổng song song cũng được phát triển với driver cho DOS và Windows. Đến đầu thập niên 1990, Ethernet trở thành tiêu chuẩn, xuất hiện trên cả các bo mạch chủ cấp thấp nhờ sự ra đời của 10BASE-T và đầu nối modular nhỏ gọn.

Từ đó, Ethernet không ngừng phát triển để đáp ứng các nhu cầu về băng thông và thị trường mới. Ngày nay, Ethernet không chỉ được sử dụng cho máy tính mà còn liên kết các thiết bị gia dụng và thiết bị di động cá nhân. Ethernet cũng được ứng dụng trong công nghiệp và đang nhanh chóng thay thế các hệ thống truyền dữ liệu cũ trong mạng viễn thông toàn cầu. Đến năm 2010, thị trường thiết bị Ethernet đã vượt ngưỡng 16 tỉ USD mỗi năm.

Quá trình tiêu chuẩn hóa

Vào tháng 2 năm 1980, Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) bắt đầu dự án 802 để tiêu chuẩn hóa các mạng local area network (LAN). 'Nhóm DIX' với các thành viên Gary Robinson (DEC), Phil Arst (Intel), và Bob Printis (Xerox) đã trình bày bản specification 'Blue Book' CSMA/CD như một ứng viên cho tiêu chuẩn mạng LAN. Ngoài CSMA/CD, Token Ring (hỗ trợ bởi IBM) và Token Bus (được General Motors chọn và hỗ trợ) cũng là những ứng viên cho tiêu chuẩn LAN. Sự cạnh tranh gay gắt và mối quan tâm lớn từ nhiều bên đã dẫn đến sự bất đồng trong việc chọn công nghệ tiêu chuẩn hóa. Đến tháng 12 năm 1980, nhóm này được chia thành ba nhóm con, và quá trình tiêu chuẩn hóa được tiến hành riêng rẽ cho mỗi công nghệ.

Việc tiêu chuẩn hóa bị trì hoãn đã đặt máy trạm Xerox Star và các sản phẩm LAN Ethernet của công ty 3Com vào tình thế rủi ro. David Liddle, Tổng giám đốc của Xerox Office Systems, và Metcalfe từ 3Com đã hỗ trợ nhiệt tình cho dự án của Fritz Röscheisen từ Siemens Private Networks nhằm xây dựng một liên minh trong thị trường truyền thông văn phòng đang phát triển. Điều này bao gồm sự hỗ trợ của Siemens trong việc tiêu chuẩn hóa quốc tế cho Ethernet (ngày 10 tháng 4 năm 1981). Ingrid Fromm, đại diện của Siemens tại IEEE 802, nhanh chóng mở rộng sự hỗ trợ cho Ethernet ra ngoài IEEE thông qua việc thành lập một nhóm nhiệm vụ cạnh tranh có tên là 'Local Networks' trong cơ quan tiêu chuẩn hóa Châu Âu ECMA TC24. Vào tháng 3 năm 1982, ECMA TC24 và các thành viên doanh nghiệp của nó đã đồng ý về một tiêu chuẩn cho CSMA/CD dựa trên bản nháp của IEEE 802. Nhờ vào sự hoàn thiện kỹ thuật của dự án DIX và hành động nhanh chóng của ECMA trong việc hòa giải các bất đồng trong IEEE, tiêu chuẩn IEEE 802.3 CSMA/CD đã được phê chuẩn vào tháng 12 năm 1982. IEEE đã công bố tiêu chuẩn 802.3 dưới dạng bản nháp vào năm 1983 và dưới dạng tiêu chuẩn chính thức vào năm 1985.

Ethernet đã được công nhận ở cấp quốc tế nhờ vào một hành động liên nhóm tương tự mà Fromm đã thực hiện với vai trò liên lạc viên để kết hợp Ethernet với Ủy ban Kỹ thuật Quốc tế IEC Technical Committee 83 (TC83) và Ủy ban Kỹ thuật ISO Technical Committee 97 Sub Committee 6 (TC97SC6). Tiêu chuẩn ISO 8802-3 đã được phát hành vào năm 1989.

Quá trình phát triển

Ethernet đã trải qua quá trình phát triển liên tục với băng thông ngày càng cao, các phương pháp điều khiển truy cập media được cải thiện và hỗ trợ nhiều loại phương tiện vật lý khác nhau. Cáp đồng trục đã được thay thế bằng các liên kết điểm đến điểm kết nối qua các bộ lặp Ethernet hoặc các switch.

Các trạm Ethernet giao tiếp với nhau bằng cách gửi và nhận các gói dữ liệu: các khối dữ liệu được truyền và xử lý một cách riêng biệt. Giống như các mạng LAN IEEE 802 khác, mỗi trạm Ethernet đều có một địa chỉ MAC 48-bit. Địa chỉ MAC này được sử dụng để xác định nguồn và đích của mỗi gói dữ liệu. Ethernet thiết lập các kết nối ở mức liên kết bằng cách sử dụng địa chỉ nguồn và đích. Khi nhận dữ liệu, máy nhận sẽ sử dụng địa chỉ đích để quyết định xem liệu dữ liệu có nên được truyền tiếp hay bỏ qua. Một giao diện mạng thường không nhận các gói dữ liệu có địa chỉ thuộc các trạm Ethernet khác. Các địa chỉ của các adapter được lập trình sẵn có giá trị duy nhất trên toàn thế giới.

Trường EtherType trong mỗi khung dữ liệu (frame) được hệ điều hành tại trạm nhận sử dụng để chọn module protocol phù hợp, chẳng hạn như một phiên bản của Internet Protocol như IPv4. Các khung Ethernet được coi là tự xác định nhờ vào kiểu khung. Khả năng tự xác định của các khung này cho phép việc kết hợp các giao thức khác nhau trên cùng một mạng vật lý và cho phép một máy tính đơn lẻ sử dụng nhiều giao thức. Mặc dù công nghệ Ethernet đã tiến bộ, tất cả các thế hệ Ethernet (trừ các phiên bản thử nghiệm ban đầu) đều sử dụng các định dạng khung chung. Mạng với tốc độ hỗn hợp có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các switch và repeater Ethernet để hỗ trợ các cấu hình Ethernet mong muốn.

Với sự phổ biến của Ethernet, chi phí phần cứng hỗ trợ nó đã giảm đáng kể, và diện tích cần thiết cho Ethernet xoắn đôi cũng được giảm bớt. Ngày nay, hầu hết các nhà sản xuất đã tích hợp các giao diện Ethernet trực tiếp vào bo mạch chủ của PC, loại bỏ nhu cầu phải cài đặt thêm card mạng riêng.

Media chia sẻ

Ethernet ban đầu được xây dựng dựa trên ý tưởng các máy tính giao tiếp qua một dây cáp đồng trục chung, dây cáp này hoạt động như một môi trường truyền tin broadcast. Phương pháp này tương tự như cách mà các hệ thống vô tuyến sử dụng dây cáp chung để tạo ra một kênh giao tiếp, giống như Luminiferous aether trong vật lý vào thế kỷ 19. Tên gọi 'Ethernet' cũng xuất phát từ đó.

Trong hệ thống Ethernet nguyên thủy, cáp đồng trục (môi trường chia sẻ) được kéo qua toàn bộ tòa nhà hoặc campus để kết nối tất cả các máy tính. Phương pháp điều khiển truy cập kênh truyền là carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD), quản lý cách các máy tính chia sẻ kênh. Phương pháp này đơn giản hơn so với các công nghệ cạnh tranh như token ring hay token bus. Các máy tính kết nối qua một transceiver Attachment Unit Interface (AUI), và transceiver này lại nối với dây cáp (trong trường hợp thin Ethernet, transceiver được tích hợp vào adapter mạng). Mặc dù một dây dẫn thụ động có độ tin cậy cao cho các mạng nhỏ, nhưng nó không đáng tin cậy cho các mạng lớn hơn, nơi mà sự hỏng hóc ở một điểm hoặc một connector bị lỗi có thể làm hỏng toàn bộ segment Ethernet.

Cấu trúc khung dữ liệu

Trong chuẩn IEEE 802.3, một datagram được gọi là packet (gói) hoặc frame (khung). Packet thường chỉ toàn bộ đơn vị truyền và bao gồm preamble, start frame delimiter (SFD) và carrier extension (nếu có). Frame bắt đầu ngay sau start frame delimiter với phần header bao gồm địa chỉ MAC nguồn và đích, cùng với trường EtherType chỉ rõ loại giao thức của payload hoặc độ dài của payload. Phần giữa khung chứa dữ liệu payload, có thể bao gồm các header cho các giao thức khác (ví dụ, Internet Protocol) được mang trong khung. Khung kết thúc với cyclic redundancy check 32-bit để phát hiện lỗi dữ liệu trong quá trình truyền. Đáng lưu ý, các packet Ethernet không có trường time-to-live, điều này có thể gây ra vấn đề khi có hiện tượng vòng lặp switching.

Các chuẩn liên quan

• Các chuẩn mạng không thuộc chuẩn Ethernet IEEE 802.3 nhưng có thể hoạt động cùng nhau.
  • LattisNet
  • 100BaseVG
  • TIA 100BASE-SX
  • TIA 1000BASE-TX
• Các chuẩn mạng không dựa trên định dạng khung Ethernet nhưng vẫn có khả năng kết nối với Ethernet
  • 802.11 — Chuẩn mạng không dây thường được kết hợp với một đường trục (backbone) Ethernet.
• 10BaseS - Ethernet qua VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line)
• Long Reach Ethernet
• Avionics Full-Duplex Switched Ethernet

• IEEE 802.3
• Mạng ảo (Virtual LAN)
• Viễn thông
• Internet

Lắp đặt

• 10/100/1000 Opencores Verilog LGPL tri-mode Ethernet MAC

Chú thích

• Metcalfe, Robert M. và Boggs, David R. (1976). “Ethernet: Chuyển mạch gói phân phối cho mạng máy tính cục bộ”. Thông tin liên lạc của ACM. 19 (5): 395–405. Bản gốc lưu trữ ngày 7 tháng 8 năm 2007. Truy cập ngày 3 tháng 12 năm 2006.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết) - bài báo gốc của Metcalfe và Boggs về Ethernet

Liên kết ngoài

• Hướng dẫn về Ethernet
• Các định dạng khung Ethernet
• Các kiến thức cơ bản về Ethernet và liên kết đến các chủ đề Ethernet khác
• Cách nối dây Ethernet