Ethernet операторского класса

Рекомендовано Ученым советом ордена Трудового Красного Знамени 
федерального государственного бюджетного образовательного 
учреждением высшего образования Московский технический 
университет связи и информатики (МТУСИ) в качестве учебного 
пособия для студентов вузов, обучающихся 
по направлениям подготовки:
11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
(бакалавриат); 
11.04.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
(магистратура)
Москва
Горячая линия – Телеком
2023

 

 
Тиражирование книги начато в 2023 г. 
 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя. 
 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
             © В. А. Нетес 

ВВЕДЕНИЕ
Технология Ethernet появилась в 1973 году, так что в 2023
году она отметит полувековой юбилей. Это весьма солидный
возраст для коммуникационной технологии, многие возникшее позже технологии уже вышли из употребления. Однако технология Ethernet оказалась весьма успешной и, претерпев существенное развитие, активно используется в современных сетях, причем не только в локальных, как это было
вначале, но и в широкомасштабных сетях общего пользования. Такой вариант её использования, естественно, имеет свои
особенности и носит название Ethernet операторского класса
(Carrier Ethernet). Знания в этой области нужны специалистам различных организаций и предприятий отрасли связи:
проектировщикам, разработчикам аппаратных и программных средств, эксплуатационному персоналу.
Кроме того, изучение эволюции технологии Ethernet может дать немало характерных поучительных примеров, весьма полезных при изучении общих принципов и тенденций развития современных телекоммуникаций. Это касается, в частности, вопросов обеспечения качества обслуживания и надёжности, преемственности и совместимости между собой различных коммуникационных технологий и др.
Различные аспекты применения Ethernet в локальных сетях достаточно хорошо рассмотрены во многих публикациях,
в частности в учебных пособиях [1–3]. Что же касается применения Ethernet в сетях общего пользования, то тут ситуация
с учебной литературой гораздо хуже. Этот материал имеется в [1, 2], однако соответствующие разделы там достаточно
краткие и неполные, они не отражают современную картину

Введение
в этой области. Настоящее пособие призвано восполнить этот
пробел. Оно написано на основе материалов лекций, в течение многих лет читавшихся автором для студентов МТУСИ
и слушателей учебных центров повышения квалификации, а
также предшествующих публикаций автора по этой тематике
[8–11, 14].
При изложении материала внимание уделяется не только техническим подробностям, но и концептуальным положениям, общим принципам и тенденциям, развитию идей. По
мнению автора, такой подход будет полезен для учащихся,
которым предстоит жить и работать в постоянно и быстро меняющемся мире. Конкретные технические детали могут меняться, в то время как общие принципы и тенденции более
стабильны, их знание облегчает прогнозирование, понимание
и принятие новшеств.
Большое значение для профессионалов в сфере информационных и коммуникационных технологий имеет знание стандартов и умение пользоваться ими в своей работе.
Поэтому по ходу изложения всех тем указываются соответствующие стандарты и характеризуются международные организации (МСЭ-Т, ИСО, МЭК, IEEE, MEF, IETF), которые их
разрабатывают. Указываются также и отечественные нормативные документы. Любознательным читателям, желающим
углубить свои знания и узнать подробности, не приведённые
в учебных пособиях, можно порекомендовать обращаться не
только к литературе, указанной в конце данного пособия, но
и к первоисточникам, т.е. к этим стандартам и документам.
Для удобства читателей с целью минимизации необходимости обращения к другим публикациям в пособии описаны
базовые принципы технологии Ethernet, а также приведена
другая информация, необходимая для правильного и полного
понимания излагаемого материала.
В разделе 1 описана эволюция технологии Ethernet и её
основные принципы, указаны базовые стандарты, действующие в этой области.
Этот раздел закладывает основу для
изложения всего дальнейшего материала.
Раздел 2 посвящен применению Ethernet в сетях доступа. Это так называемый Ethernet на первой миле. Описаны

Введение
5
основные технические решения в этой области, в которых используются медные пары и оптическое волокно. Рассмотрены
возможные при этом архитектуры «волокно до... » (FTTx).
Особое внимание уделено пассивным оптическим сетям на основе Ethernet.
В разделе 3 раскрыта суть понятия Carrier Ethernet.Определяются услуги и виртуальные соединения в соответствующих сетях, параметры профиля полосы пропускания, рассмотрены вопросы взаимодействия с другими транспортными
сетями (SDH и OTN).
Последующие разделы посвящены нескольким важным
аспектам сетей Carrier Ethernet. В разделе 4 рассмотрены вопросы обеспечения качества обслуживания (QoS) в них. Описаны такие механизмы, как маркировка кадров и регулирование трафика, использование приоритетов для организации
очередей и диспетчеризации трафика. Также определяются
основные параметры, используемые для оценки QoS в сетях
Ethernet.
В разделе 5 рассмотрены методы обеспечения отказоустойчивости сетей Ethernet. Описаны как протоколы покрывающих деревьев (STP, RSTP, MSTP), так и методы зашиты,
обеспечивающие быстрое переключение на резерв и восстановление пропуска трафика при отказах.
Раздел 6 рассматривает реализацию различных аспектов
управления в сетях Ethernet. При этом описаны не только
функции эксплуатации, администрирования и технического
обслуживания (ОАМ), но и более новые разработки Форума
MEF по управлению жизненным циклом услуг.
Раздел 7 посвящен сетевой синхронизации. Охвачены все
три вида синхронизации: частотная, фазовая и временная.
Объясняется необходимость этих видов синхронизации и их
взаимосвязи. Основное внимание уделяется применению синхронного Ethernet и протокола точного времени PTP (по стандарту IEEE 1588).
В конце каждого раздела приведены контрольные вопросы, позволяющие проверить, насколько понят и усвоен материал.

Введение
Список литературы разделён на четыре части. В первой
указаны основные учебные пособия для вузов, которые можно
использовать для более подробного изучения некоторых деталей технологии Ethernet (метода CSMA/CD, принципов работы коммутаторов, протоколов покрывающих деревьев и др.).
Дополнительные учебные пособия во второй части списка позволяют получить более полную информацию об управлении
сетями, в частности концепции TMN, и о сетевой синхронизации. В третьей части приводятся книги, которые не предназначены специально для студентов, однако их также можно
рекомендовать любознательным читателям. Они позволяют
получить более общую картину тенденций, характерных для
современных телекоммуникаций. Наконец, в последней части
даны журнальные статьи, посвященные более узким и частным вопросам.
Приложения посвящены стандартам.
В приложении 1
объясняется система обозначений действующих в Российской
Федерации стандартов, что полезно для их правильного понимания. В приложении 2 приведён список нормативных документов Форума MEF по Carrier Ethernet. В приложении 3 —
список Рекомендаций МСЭ-Т в этой области.

ЭВОЛЮЦИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ
И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
ETHERNET
1.1. Краткая история Ethernet
Начнём с краткого обзора истории развития технологии
Ethernet. В ходе дальнейшего изложения все ключевые моменты будут рассмотрены более подробно.
Днём рождения Ethernet считается 22 мая 1973 года.
В этот день сотрудник научно-исследовательского центра корпорации Xerox Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) подал своему руководству докладную записку, в которой на 12 страницах
описал предлагаемую им технологию для локальной компьютерной сети (Local Area Network, LAN). При этом решалась
задача подключения нескольких компьютеров к одному лазерному принтеру. В 1976 году появилась первая публикация
об этом решении, озаглавленная «Ethernet: Distributed PacketSwitching for Local Computer Networks» («Ethernet: распределённая пакетная коммутация для локальных компьютерных
сетей»).
Её авторами были Роберт Меткалф и его помощник Дэвид Боггс (David Boggs), впоследствии прозванные «отцами» Ethernet (особенно часто так называют Р. Меткалфа).
Схема сети, сделанная в те годы Р. Меткалфом, приведена на
рис. 1.1. Скорость передачи в экспериментальной сети Ethernet, созданной в Xerox, составляла 2,94 Мбит/с.
Название Ethernet дословно можно перевести как «эфирная сеть» (от англ. ether — эфир, net — сеть). Такое название для сети, средой передачи в которой был коаксиальный
кабель, может вызвать удивление, поскольку слово «эфир»
обычно используется применительно к беспроводным решениям (радиосвязи). Дело в том, что Р. Меткалф и Д. Боггс использовали в своей разработке метод случайного множествен

Р а з д е л 1
Рис. 1.1. Схема сети Ethernet, сделанная Р. Меткалфом
ного доступа к общей среде передачи, несколькими годами
ранее применённый в сети радиосвязи ALOHA, развёрнутой
на Гавайских островах.
В 1980 году возник альянс трёх фирм: Digital Equipment
Corporation (DEC), Intel и Xerox. Они разработали совместную спецификацию Ethernet, получившую наименование DIX
по первым буквам названий фирм-участников. При этом основные принципы были сохранены, но скорость передачи увеличилась до 10 Мбит/с.
В дальнейшем ведущую роль в стандартизации Ethernet
стал играть Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE;
аббревиатура произносится «ай трипл и» — I triple E). В 1980
году в нём был создан комитет 802 по стандартизации LAN.
Его рабочая группа 802.3 стала заниматься стандартизацией
Ethernet. За основу при этом был взят стандарт DIX. Стандарт IEEE 802.3 был принят в 1983 году. Параллельно с этим
шла стандартизация и других технологий LAN. Рабочая группа 802.4 занималась технологией «маркерная шина» (Token
Bus), 802.5 — технологией «маркерное кольцо» (Token Ring).
В дальнейшем Ethernet удалось победить своих конкурентов,
и эти технологии вышли из употребления.
Важными вехами в развитии Ethernet стало появление
в начале 1990-х годов коммутаторов и дуплексного режима
передачи. Они позволили существенно повысить эффективность работы сетей и скорости передачи данных.
В 1995 году был принят стандарт на так называемый быстрый Ethernet (Fast Ethernet), имеющий скорость 100 Мбит/с,

Эволюция, стандартизация и основные принципы Ethernet
9
т.е. в 10 раз больше, чем в предыдущей версии.
Конечно,
на сегодняшний день название «быстрый» уже является устаревшим, поскольку в ходе последующих разработок скорости
росли и в 2017 году максимальная скорость Ethernet была доведена до 400 Гбит/с, ведутся работы над ещё более высокоскоростными решениями (терабитный Ethernet).
С началом ХХI века Ethernet вошёл в сферу интересов
Международного союза электросвязи (МСЭ; International Telecommunication Union, ITU) — ведущей международной отраслевой организации по стандартизации. В 2004 году Сектор
стандартизации электросвязи МСЭ (МСЭ-Т; ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-T) принял первые Рекомендации в этой области. На сегодняшний день насчитывается более двух десятков относящихся к Ethernet Рекомендаций
МСЭ-Т в сериях G и Y. Их список приведен в приложении 3.
В 2001 году были созданы две международные организации: Форум «Ethernet для городских сетей» (Metro Ethernet
Forum, MEF) и Альянс «Ethernet на первой миле» (Ethernet
in the First Mile Alliance, EFMA) для применения Ethernet в
сетях доступа. Решения для сетей доступа были стандартизированы IEEE в 2004 году, после чего EFMA вошёл в состав
MEF.
Успех Metro Ethernet привёл к концепции Ethernet операторского класса (Carrier Ethernet), развиваемой MEF для
сетей всех уровней.
В 2012 году появилось второе поколение Carrier Ethernet. При этом ставилась цель обеспечения
возможности сквозной поддержки нескольких классов услуг
и управления при взаимодействии сетей разных операторов.
В 2017 году было объявлено о создании третьего поколения
Carrier Ethernet, целями которого стали определение, предоставление и сертификация гибких, гарантируемых и оркеструемых услуг в автоматизированных сетях для нужд цифровой
экономики.
1.2. Первые сети Ethernet. Метод
CSMA/CD
Как же строились и функционировали первые сети Ethernet? Основные принципы, опробованные в экспериментальной сети Xerox и описанные в спецификации DIX, таковы:

Р а з д е л 1
Терминатор
Рис. 1.2. Топология «общая шина»
• передача данных осуществляется в виде отдельных блоков;
• в качестве среды передачи используется коаксиальный кабель;
• сеть имеет топологию общая шина, иными словами все рабочие станции подключены к общему кабелю, на концах
которого для предотвращения отражения сигнала находятся специальные резисторы, называемые терминаторами (рис. 1.2);
• для организации доступа рабочих станций к общей среде передачи используется метод множественного доступа
с контролем несущей и обнаружением столкновений (коллизий) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).
Характерно, что в ходе дальнейшего развития от всех этих
принципов кроме первого отказались. Эта эволюция и её причины будут рассмотрены ниже. Говоря о первом принципе,
укажем, что протокольный блок данных (Protocol Data Unit,
PDU) в технологии Ethernet носит название «кадр» (frame).
Рассмотрим кратко суть метода CSMA/CD. Рабочая станция, которая хочет передать кадр, должна сначала убедиться,
что общая среда передачи свободна, т.е. что никакая другая
станция в этот момент не ведёт передачу. Это осуществляется
путем прослушивания канала, т.е. контроля несущей частоты.
Если канал свободен, можно начать передачу. Однако это не
гарантирует, что столкновение (коллизия), т.е. одновременная передача двумя или более станциями, не произойдёт. Это
может случиться, если станции начнут передачу одновременно или почти одновременно.
Поэтому в процессе передачи