Ethernet è una tecnologia per reti locali progettata inizialmente da Bob Metcalfe presso il centro di ricerche PARC (Palo Alto Research Center) della Xerox. Quest'ultima liberalizzò poi il marchio Ethernet, che divenne di pubblico dominio. Successivamente, l'interesse delle imprese del settore aumentò al punto che l'IEEE pubblicò, nel 1985, la prima versione dello standard IEEE 802.3, basato sull'originale specifica Ethernet, ma non completamente identificabile con essa. In seguito, lo standard Ethernet come tale non è più stato mantenuto, ma il termine continua ad essere usato quasi come fosse un sinonimo di IEEE 802.3.
Le reti Ethernet 802.3 sono nate su topologia a bus basata su cavo coassiale e coinvolgono il livello 1 della pila OSI ed il sottolivello MAC del livello 2.
Il meccanismo CSMA/CD
Il metodo usato per arbitrare l'utilizzo del canale trasmissivo tra le stazioni della rete è il CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Esso è stato progettato in origine per l'utilizzo del cavo coassiale come mezzo trasmissivo, ma è stato mantenuto inalterato anche in seguito all'introduzione di altri mezzi trasmissivi quali la fibra ottica ed il doppino.
Poiché mediante il collegamento a bus i trasmettitori delle stazioni si trovano ad essere "in parallelo", è necessario evitare che più stazioni trasmettano contemporaneamente. I dispositivi hanno quindi bisogno di un metodo per determinare in quale momento iniziare una trasmissione di dati. Quando un’interfaccia deve trasmettere, rimane prima in ascolto sul mezzo di comunicazione. Se non viene rilevata una trasmissione in corso, l'interfaccia inizia la sua trasmissione.
Tutte le volte che una stazione rileva la presenza di traffico sulla rete, la trasmissione frame viene ritardata. Se però due o più interfacce, non sentendo la presenza di traffico dati, iniziano la trasmissione nello stesso tempo, si verifica una collisione, dovuta al fatto che nelle comunicazioni in banda base solo una trasmissione alla volta può essere avviata nel mezzo trasmissivo
Dal termine di banda base deriva il nome "Base" nella sigla delle connessioni, come la più diffusa 100BaseTX basata su cavo UTP di categoria 5e per trasmissioni fino a 100 Mbps. In una trasmissione in banda base (baseband signaling), viene utilizzata l'intera larghezza di banda dei mezzi di comunicazione per un singolo canale. Il segnale viene trasmesso direttamente senza ricorrere a una modulazione per mezzo di una frequenza portante e la trasmissione è permessa ad un solo nodo per volta. Il protocollo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) deve prevedere quindi l’esistenza delle collisioni, adottando un meccanismo di riconoscimento di tale evento da parte delle stazioni coinvolte, in modo che possano ritentare la trasmissione in un tempo successivo. Il meccanismo viene chiamato Collision Detection e corrisponde all’idea di ascoltare mentre si parla. Il protocollo opera in tre diverse fasi:
- carrier sense (rilevazione della trasmissione): ogni stazione che deve trasmettere ascolta il bus e decide di trasmettere solo se questo è libero (listen before talking);
- multiple access: nonostante il carrier sense, è possibile che due stazioni, trovando il mezzo trasmissivo libero, decidano contemporaneamente di trasmettere. La probabilità di questo evento è aumentata dal fatto che il tempo di propagazione dei segnali sul cavo non è nullo, e quindi una stazione può credere che il mezzo sia ancora libero anche quando un'altra ha già iniziato la trasmissione;
- collision detection: se si verifica la sovrapposizione di due trasmissioni si ha una "collisione"; per rilevarla, ogni stazione, mentre trasmette un pacchetto, ascolta i segnali sul mezzo trasmissivo, confrontandoli con quelli da lei generati (listen while talking).
Le stazioni che hanno causato una collisione interrompono immediatamente la trasmissione, ponendosi di nuovo in attesa per un intervallo di tempo pseudo-casuale, chiamato intervallo di back-off, prima di ritentare sino a un massimo di 16 volte. Inoltre la stazione trasmittente, non appena sospesa la trasmissione, inoltra sulla rete una sequenza di jamming (interferenza trasmissiva); questa sequenza permette a tutte le stazioni di rilevare l'avvenuta collisione. Le stazioni in ascolto, riconoscendo il frammento di collisione costituito dalla parte di pacchetto trasmessa più la sequenza di jamming, scartano i bit ricevuti.
Tutti i nodi che possono rilevare la collisione fanno parte dello stesso dominio di collisione. Nodi su uno stesso segmento di cavo o collegati ad hub sono sempre nello stesso dominio di collisione. Infatti dispositivi come repeater e hub si limitano a inoltrare ogni trasmissione ricevuta a tutti i nodi cui sono collegati. Quanto più è ampio un dominio di collisione, tanto più probabili sono le collisioni, e quindi anche il decadimento della velocità di trasmissione all'interno del dominio.
Oggi hub e repeater oggi non sono più utilizzati, sostituiti dagli switch (commutatori) che hanno progressivamente cambiato faccia a Ethernet, trasformando l’utilizzo del mezzo condiviso da bus, dove un solo nodo alla volta poteva trasmettere, a rete commutata, dove i pacchetti inviati dal mittente al destinatario godono di una connessione dedicata anziché essere distribuiti a tutti i nodi del segmento. Ogni connessione diventa dedicata, non ci sono più collisioni e la comunicazione può avvenire in full-duplex raddoppiando la banda passante totale. Gli switch sono quindi limitatori dei domini di collisione: due nodi che comunicano attraverso uno switch costituiscono un dominio di collisione limitato ai due nodi stessi, che possono trasmettere senza disturbare le trasmissioni degli altri nodi, né esserne disturbati.
Il MAC-Address
I dispositivi Ethernet per comunicare gli uni con gli altri a livello 2 della pila OSI, o più specificatamente nel sottolivello MAC del livello 2, utilizzano indirizzi formati da 48 bit, organizzati in 6 ottetti, normalmente specificati in formato esadecimale. L’indirizzo MAC sorgente e quello di destinazione sono specificati nell’header del frame Ethernet. I primi 24 bit dell’indirizzo Ethernet sono assegnato dal produttore dell’interfaccia fisica di rete. Ad esempio, se l'indirizzo Ethernet è 08:00:02:38:0 D:19, la prima metà (08:00:02) è stata assegnato al costruttore 3Com Corporation, che a sua volta assegna la parte restante di indirizzo. In questo esempio, 38:0D:19 è l'altra metà di indirizzo Ethernet assegnata ad una singola interfaccia da 3Com Corporation.
Frame Ethernet
Il cosiddetto frame Ethernet costituisce l'unità elementare di informazione per il sottolivello MAC del livello 2 OSI. Più in generale, le informazioni scambiate al livello 2 sono organizzate in strutture di bit, strutture che prendono appunto il nome di frame. La struttura di un frame è schematizzata nell'immagine sottostante, che riporta il nome di ciascun campo e la relativa lunghezza in otteti (byte):
Il formato di una trama Ethernet è simile ma non identico a quello specificato dallo standard IEEE 802.3.
Il frame Ethernet è normalmente preceduto da un preambolo (Preamble) di 64 bit contenente bit di 1 e 0 alternati e terminante con due consecutivi bit di 1. Esso viene utilizzato per sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore. Nella struttura IEEE 802.3 il preambolo è stato separato in due parti: la prima occupa i primi 7 byte costituiti da una sequenza alternata di 1 e 0, mentre la seconda parte, chiamata Start of Frame Delimiter (SFD), è costituita dalla sequenza 10101011 che segnala alla stazione ricevente la fine del preambolo e l'inizio della frame vera e propria.
Il campo indirizzo di destinazione (Destination Address)contiene l'indirizzo Ethernet a 48 bit (Mac-address) della stazione di destinazione. Le destinazioni per i messaggi possono essere unicast, multicast o broadcast. Se tutti i 48 bit dell'indirizzo di destinazione sono impostati a 1 bit (esadecimale FFFFFFFFFFFF), il messaggio è di tipo broadcast, e tutti i dispositivi appartenenti a quella sottorete esamineranno il contenuto della frame Ethernet. L’indirizzo Ethernet del nodo che ha originato il frame, quindi del mittente, è specificato nel campo Source Address.
Il campo Type di 16 bit (2 byte) è utilizzato come punto di accesso (SAP) per l’identificazione dei protocolli di livello superiore (es.: IP, ARP). Nel formato IEEE 802.3, il valore specificato in Type indica la lunghezza del campo Data; se si usa invece il formato Ethernet, questo campo indica il tipo di informazioni presenti nel campo Data. La lunghezza minima per questo campo è di 46 ottetti. Se ci sono meno di 46 ottetti di dati, il campo deve essere imbottito con caratteri extra per raggiungere la lunghezza minima di 1500 ottetti (byte). Questo valore è conosciuto come il Maximum Transmission Unit o MTU.
La stazione mittente effettua un controllo di ridondanza ciclico (CRC) sul frame Ethernet e colloca il risultato di 32 bit nel campo FCS. La destinazione (in ricezione) riesegue un calcolo CRC e confronta i suoi risultati con il valore del CRC ricevuto, per determinare se la frame è stata danneggiata durante la trasmissione. Se i valori coincidono, la frame viene accettata, diversamente viene scartata senza alcuna segnalazione.