Jan Kończak

Kolokwialnie mówiąc, Ethernet to najpopularniejszy obecnie rodzaj przewodowych sieci lokalnych.
Dzisiejszy Ethernet to rodzaj sieci opisany przez rodzinę standardów IEEE z rodziny 802.3. Ethernet realizuje zadania warstwy fizycznej i warstwy łącza danych – czyli pozwala wymieniać się wiadomościami bezpośrednio połączonym urządzeniom.

W materiałach do laboratorium są wybrane istotne dla użytkownika aspekty warstwy fizycznej ethernetu.

Część standardów IEEE z rodziny 802.3 opisuje jak mają wyglądać kable i sygnały pozwalające wymieniać dane z konkretną prędkością.
Te standardy wprowadzają nazwy takie jak 10BASE-T, 40GBASE-LR4, czy 1.6TBASE-DR8 w których początek (tutaj: 10[M], 40G, 1.6T) odnosi się do prędkości, a końcówka (-T, -LR4, -DR8) do wykorzystywanego medium ("kabla").

W tej chwili większość urządzeń końcowych wykorzystuje gigabitowy Ethernet (1000BASE-T).
Nowy sprzęt ma teraz już często karty o prędkości na 2.5 GBit/s lub 10 GBit/s (2.5GBASE-T/10GBASE-T).
Sprzęt sieciowy i sprzęt używany w bardziej wymagających zastosowaniach używa znacznie lepszych przepustowości [1] [2].

Te standardy określają też maksymalną wspieraną długość kabla i to, czy można naraz nadawać i odbierać (full duplex), czy też można w danej chwili tylko nadawać bądź tylko odbierać (half duplex).

Na warstwie fizycznej odbywa się autonegocjacja która wybiera najlepszy standard wspierany przez obie strony.
Pozwala to też na wykrywanie łącza – określenie czy coś w ogóle jest po drugiej stronie.

Stare standardy (np. 100BASE-TX) wysyłały dane jedną parą przewodów i odbierały drugą, więc łącząc dwa komputery ze sobą należało zamienić kolejność przewodów we wtyczkach. Taki kabel nazywa się skrosowanym.
Te same standardy nakazywały zamieniać kolejność w gniazdach switchy, więc łącząc komputer ze switchem należało użyć kabla prostego – mającego przewody ułożone we wtyczce w tej samej kolejności z obu stron.

Począwszy od gigabitowego ethernetu karty sieciowe mają obowiązek implementować funkcję auto MDI-X, czyli rozpoznawać czy są połączone kablem prostym czy skrosowanym i działać niezależnie od użytego kabla.
(Z tego powodu kable skrosowane praktycznie wyszły z użycia.)

Wake on Lan jest funkcją kart sieciowych pozwalającą im włączyć komputer po otrzymaniu odpowiedniego pakietu.

Kabel sieciowy można też wykorzystać do zasilania podłączonych urządzeń. Takie rozwiązanie nazywa się PoE i jest popularne np. przy kamerach czy punktach dostępu do sieci bezprzewodowej.

Z poziomu systemu operacyjnego można odczytać informacje o działaniu ethernetowych kart sieciowych i zmienić niektóre parametrów ich pracy.
W Linuksie służy do tego program ethtool (i starszy mii-tool)
ethtool <ifname> – wyświetla podstawowe informacje o stanie karty.

Współcześnie karty sieciowe potrafią wykonać za procesor część przetwarzania ramek – producenci dodają rozumienie wybranych elementów protokołów warstwy sieci i transportu tak żeby odciążyć procesor tam gdzie to jest możliwe. Listę takich funkcji (i to czy są włączone) można sprawdzić wykonując komendę ethtool --show-features<ifname>

Przykład wyniku komendy ethtool

/ # ethtool eth0 
Settings for eth0:
        Supported ports: [ TP    MII ]
        Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full
                                100baseT/Half 100baseT/Full
                                1000baseT/Full
                                2500baseT/Full
        Supported pause frame use: Symmetric Receive-only
        Supports auto-negotiation: Yes
        Supported FEC modes: Not reported
        Advertised link modes:  10baseT/Half 10baseT/Full
                                100baseT/Half 100baseT/Full
                                1000baseT/Full
                                2500baseT/Full
        Advertised pause frame use: Symmetric Receive-only
        Advertised auto-negotiation: Yes
        Advertised FEC modes: Not reported
        Link partner advertised link modes:  10baseT/Half 10baseT/Full
                                             100baseT/Half 100baseT/Full
                                             1000baseT/Full
        Link partner advertised pause frame use: Symmetric
        Link partner advertised auto-negotiation: Yes
        Link partner advertised FEC modes: Not reported
        Speed: 1000Mb/s
        Duplex: Full
        Auto-negotiation: on
        master-slave cfg: preferred slave
        master-slave status: slave
        Port: Twisted Pair
        PHYAD: 0
        Transceiver: external
        MDI-X: Unknown
        Supports Wake-on: pumbg
        Wake-on: g
        Link detected: yes

Patch panel – panel do szaf rackowych (szaf 19") zwykle z gniazdami ethernetowymi. [1]

Okablowanie poziome – kable leżące w (lub zawieszone na) ścianach od "ostatniego" patch panelu do gniazd przy stacjach

Okablowanie pionowe – pozostałe kable leżące w (lub zawieszone na) ścianach

"Typowo" na każdym piętrze leży switch do którego są podpięte komputery, stąd "poziome" okablowanie do komputerów i "pionowe" między sprzętem sieciowym.

Patch cord – krótki "gotowy" kabel, z założenia do połączeń między gniazdem a urządzeniem [1].
Nazwa patch cord określa zastosowanie, nie medium – patch cord może równie dobrze być skrętką jak i światłowodem.

Normy/standardy okablowania strukturalnego określają jakich używać kabli (np. jakie parametry mają spełniać), jak je układać, gdzie jak je zakańczać (gniazdami/panelami), jak sprawdzić czy kable ułożono poprawnie, ile kabli/gniazd montować (np. na 10m²), jak powinien wyglądać projekt okablowania, gdzie lokalizować punkty dystrybucyjne, jak opisywać instalację, etc.
W Polsce głównie stosuje się normy PN-EN 50173 i PN-EN 50174 bądź ISO/IEC 11801.

Skrętka – kabel złożony z par skręconych przewodów.
W kontekście sieci komputerowych to 4 pary skręconych ze sobą przewodów [1].
Czasami pary też są skręcone wzajemnie, a każda para ma różną ilość skrętów na metr - wszystko w celu minimalizacji zakłóceń.

Drut – "lita" żyła.
Linka – żyła spleciona z cienkich drucików.
Linka jest odporna na wielokrotne zginanie. Używana w patch cordach.
Drut ma lepsze parametry elektryczne [przy kablach sieciowych] i łatwiej się go zarabia. Kładziony w (na) ścianach i kanałach kablowych.

Poza parami miedzianymi we wspólnej izolacji znajduje się też ripcord – (zwykle nylonowa) linka pozwalająca na przecięcie izolacji.

Kategoria kabla określa jakie parametry (elektryczne, wytrzymałościowe etc.) musi spełniać. Spotykane w sieciach kategorie to:

• 5e – pozwala na użycie do 2.5Gbps, na odległości do 100m (2.5GBASE-T)¹⁾
• 6 – powstała dla 1Gbps, na krótszych odległościach (30-50m, oficjalnie 55m) powinna działać dla 10Gbps
• 6A – istnieje tylko w wersji ekranowanej, pozwala na przesłanie 10Gbps na 100m (10GBASE-T)
• 7, 7A, 8.1 i 8.2 – wymagają spełnienia coraz lepszych parametrów, powstały standardy pozwalające używać 40Gbps i 100Gbps na kablu kat. 8.1 [1], ale nie są używane – światłowody okazały się praktyczniejsze dla dużych prędkości.

100m to oficjalnie 90m w ścianie i łącznie 10m od paneli/gniazd do urządzeń
Kategorie dotyczą zarówno kabli jak i gniazd i wtyczek!

Zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne mogą zakłócić transmisję danych po kablu sieciowym. Dlatego w instalacjach narażonych na zakłócenia lub przy wykorzystaniu prędkości 10Gbps lub wyższych stosuje się ekranowanie – otoczenie ich metalową folią lub siatką.

Nieekranowany kabel kategorii 5e (UTP 5e) jest jeszcze często używany do niskobudżetowego poziomego okablowania (do urządzeń końcowych).
Do połączeń między switchami (i routerami) zwykle wykorzystuje się wyższe kategorie (np. 6A) lub światłowód.

Poprawna nazwa wtyczki (i odpowiadającego gniazda) używanej w Ethernecie to 8P8C. W praktyce wtyczki są nazywane RJ45 od standardu telekomunikacyjnego używającego złącz 8P8C, który poza określeniem złącz specyfikuje też użycie linii i rodzaj kabla.

Standard dla zarabiania wtyczek dla Ethernetu to TIA/EIA-568-B
Definiuje on dwa zakończenia – T568B oraz T568A.
Kabel prosty zarabia się mając na obu końcach ten sam standard (zwykle "B").
Kabel skrosowany zarabia się mając na jednym końcu "A", na drugim "B".

Zakończenie T568B to:

Zaciskając gniazdo trzeba się upewnić czy przewody są we właściwej kolejności i czy wszystkie dochodzą do końca gniazda (a przynajmniej do blaszki styku).
Zewnętrzna izolacja kabla powinna wchodzi we wtyczkę tak, by była chwycona przez wtyczkę w trakcie zaciskania.

Zarabianie nieekranowanego wtyku modularnego kategorii 5/5e/6:

Zarabianie gniazd używających łączówek LSA plus:

Zarabianie wtyków przelotowych, wtyków wyższych kategorii

TIA/EIA-568-B to aktualna norma amerykańska dotycząca okablowania strukturalnego, której jeden z fragmentów definiuje też gniazda. Nie obowiązuje w Polsce; tu zastosowanie znajduje bliźniacza międzynarodowa norma opisująca tworzenie okablowania strukturalnego ISO/IEC 11801 oraz zestaw polskich i europejskich norm, m. inn. PN-EN 50173 i PN-EN 50174.

Narzędzie do zarabiania wtyczek to zaciskarka / crimp(ing) tool.
Narzędzie do zarabianie gniazd i patch paneli to wciskacz LSA / nóż krone / narzędzie uderzeniowe / nóż krosowniczy / punch down tool [1] [2]

Wszystko poniżej jest uzupełnieniem tematu dla zainteresowanych

Przypomnienie z fizyki: decybel (dB, czyli 1/10 bela) to liczba - decybel nie oznacza żadnej wielkości fizycznej. W decybelach wyraża się stosunek między dwoma wartościami. Dokładniej jest to logarytm dziesiętny stosunku dwóch wartości. Zwyczajowo używana do porównywania mocy.
Przykład: spadek o -30dB oznacza, że moc spadła o -3B, czyli 10^-3, czyli wynosi 0.001 pierwotnej.

Każdym testerem można sprawdzić poprawność zarobienia – tzn. czy przewody są we właściwej kolejności.

Zaawansowane mierniki pozwalają dodatkowo sprawdzić:

• tłumienność (ang. attenuation) – każdy kabel wprowadza straty [1] – tłumi sygnał. Miernik mierzy jak bardzo. (http://en.wikipedia.org/wiki/Attenuation)
• przesłuchy (ang. crosstalk) – w wyniku indukcji [1] jeśli jedynym przewodem nadajemy sygnał, na przewodzie leżącym obok pojawi się ten sam sygnał. Skręcenie par różnicowych w gigantycznym (ale nie całkowitym) stopniu redukuje przesłuchy. (http://en.wikipedia.org/wiki/Crosstalk)
  • NEXT – przesłuch zbliżny – określa ile sygnału wysyłanego na jednej parze wraca do nadajnika na drugiej parze.
  • FEXT – przesłuch zdalny – określa ile sygnału odbieranego na jednej parze pojawia się też na drugiej parze. Silnie zależne od długości kabla, dlatego standaryzuje się go uwzględniając tłumienność do miary ELFEXT (ACR-F).
  • PS-NEXT i PS-FEXT to parametry dla kabli Ethernetowych, które określają jak duży jest przesłuch na jednej parze, kiedy pozostałymi trzema nadawany jest ten sam sygnał.
• ACR – różnica między tłumiennością a przesłuchami, określa zapas mocy
  Tłumienność w decybelach określa ile z pierwotnego sygnału zostało.
  Przesłuch w decybelach określa ile z zakłóceń z linii obok pojawia się na kablu.
  Jeśli stłumiony sygnał jest słabszy niż przesłuchy, nie da się przesłać danych.
  Dlatego powstała miara ACR – attenuation-crosstalk ratio, określająca stosunek stłumionego sygnału do zakłóceń z innych par. Uwaga, dB są logarytmiczne - stąd stosunek mocy to różnica logarytmów! (http://en.wikipedia.org/wiki/Attenuation-to-crosstalk_ratio)
• różnica czasu propagacji – ile szybciej sygnał przepłynie jedną parą niż drugą. Powstaje jeśli pary są różnej długości, np. przez złe wykonanie kabla. Za duża uniemożliwa transmisję.
• długość par / żył – wiele mierników sprawdza długość kabla, by dało się ocenić gdzie nastąpiła awaria (wykorzystując odbicia impulsu elektrycznego, [1], [2]).
• (nie) zmierzymy zakłóceń zewnętrznych (jeśli akurat ktoś wyłączył ich źródło) – a takie mogą być i skutecznie uniemożliwiać działanie sieci.

Parametry kabla (tłumienność, przesłuchy) ściśle zależą od częstotliwości sygnału(!). Stąd mierniki sprawdzają te parametry dla różnych częstotliwości. Każda kategoria kabla ma określoną częstotliwość do której musi spełnić odpowiednie normy.

Bardziej szczegółowy opis znajduje się np. tutaj: http://www.bardex.com.pl/siectech.htm

Do połączeń innych niż z wykorzystaniem złącz 8P8C (aka "RJ45") wykorzystuje się zwykle różnego rodzaju gniazda SFP (Small Form-factor Pluggable).

Przykłady takich gniazd/modułów to SFP, SFP+, SFP28 i SFP56 (odpowiednio 1G, 10G, 25G i 50G) i ich szersze wersje mieszczące po cztery linie (quad) odpowiadającego standardu – QSFP+, QSFP28, QSFP56 (40G, 100G i 200G). Wsteczną kompatybilność mają też zachować (Q)SFP-DD(800), pozwalające na prędkości do 800G.
Podobne złącza OSFP-XD, projektowane do 1.6T, mają już inne wymiary.

Moduły SFP pozwalają na podłączenie różnych kabli – zwykle światłowodowych, ale są też dostępne moduły ze złączami 8P8C.

Do połączenia 2 portów SFP można wykorzystać gotowy kabel zakończony dwoma modułami SFP, zwany DAC (Direct-Attach Copper).

Zwykle sprzęt sieciowy nie ma gniazd światłowodowych, tylko gniazda w których instaluje się moduł SFP. Pozwala to wybierać sprzęt niezależnie od używanego rozwiązania optycznego.

Spotyka się wiele standardów złącza światłowodowych [1] [2].
Większość modułów SFP używa złącz LC, często spotyka się też złącza SC (np. w patch panelach).

Przełącznica światłowodowa / patch panel światłowodowy to najczęściej stalowa płyta z otworami na adaptery światłowodowe, czyli dwa połączone ze sobą gniazda.

Do połączeń krosowych (wewnątrz pomieszczenia) zwykle kupuje się gotowe światłowodowe kable krosownicze (patch cordy).
Do dłuższych połączeń kładzie się kabel światłowodowy bez złącz, następnie z każdej strony spawa do niego pig taile – krótkie kable światłowodowe ze złączem z jednej strony.

Połączenie np. switcha poza budynek może być wykonane używając elementów:

switch — moduł SFP — patch cord – adapter światłowodowy — pig tail – światłowód — …

W kablu światłowodowym używa się różnych długości fal https://www.thefoa.org/tech/ref/basic/SMbands.html. Oczywiście sprzęt po obu stronach kabla musi używać tych samych długości fal.

Światłowody mogą być wykorzystywane do transmisji w jedną stronę, wtedy do zapewnienia dwukierunkowej transmisji używa się dwóch włókien (duplex). Można też używać jednego włókna (simplex) do transmisji w obie strony, w każdą używając innej długości fali (typowo 1310nm i 1550nm) – takie rozwiązanie nazywane jest WDM.

WDM to ogólna nazwa na multipleksację – tzn. wysyłanie wielu strumieni danych – na różnych długościach fal. CWDM pozwala na kilkanaście, a DWDM np. na 80 kanałów.

Do transmisji można wykorzystywać włókna wielomodowe i jednomodowe. Konkretne urządzenie (np. moduł SFP) jest przystosowany do jednego z tych rodzajów.
Światłowody wielomodowe nie nadają się do transmisji na duże odległości.

Podobnie do kategorii skrętki, kable światłowodowe są produkowane tak by spełniały konkretne ustandaryzowane parametry.
Odpowiedni standard ISO określa klasy OM3, OM4 i OM5 i wymagane przez nie parametry włókien wielomodowych.
Dla światłowodów jednomodowych powszechnie używa się innych standardów (określających parametry włókien) - rekomendacji wydanych przez organizację ITU-T, np. G.652.D, G.655, G.657.A1.

Światłowody różnią się między innymi tolerancją wymiarów, tłumiennością określaną osobno dla różnych długości fal (istotne szczególnie na długościach tłumionych przez wodę), dyspersją chromatyczną, polaryzacyjną (i dla wielomodowych modalną), maksymalnym promieniem gięcia.