Ethernet Protokolü: Tarihçesi, Standartları ve Teknik Detayları

Ethernet, günlük hayatımızda sıklıkla kullandığımız haberleşme protokollerinden biridir. Ofislerimizde hemen hemen hepimiz bilgisayarlarımızı Ethernet aracılığı ile switchler üzerinden modemlerimize bağlıyoruz ve interneti kullanıyoruz.

Peki nedir bu Ethernet protokolü?

Ethernet, kablolu veya kablosuz ağlarda bilgisayar, router ve switchler dahil olmak üzere cihazlara bağlanmaya yarayan bir iletişim protokolüdür. Ethernet, hem daha ucuz hem de işletim sistemi açısından daha güvenilir olması nedeniyle günümüzde en yaygın kullanılan LAN (Local Area Network) bağlantı türüdür. Peki LAN bağlantı türü nedir? Yerel ağ alanı (LAN), iki veya daha fazla bilgisayarın, yazıcı ve fax makinesi gibi cihazların birbirleriyle çok uzak olmayan bir alanda oluşturdukları ağdır. Bu ağ alanının kullanımının asıl amacı, bilgisayarlar arası hızlı veri akışı ve periferik cihazları aynı anda kullanabilmektir.

Ethernet hızı ve güvenliği kanıtlanmış bir haberleşme protokolüdür. Ethernet üzerinden güç aktarımı yapılabilir. Aynı zamanda video, depolama, IP üzerinden ses iletimi (VoIP), veri merkezi konsolidasyonu gibi bant genişliği yoğun olan uygulamaları destekler.

ETHERNET STANDARTLARI

Classic Ethernet

1976 yılında Bob Metcalfe ve arkadaşı David Boggs tarafından üretilen Ethernet Classic-Ethernet (Klasik-Ethernet) adını almıştır. Üretilen bu Klasik-Ethernet’in standartlaştırılmış farklı çeşitleri vardır. Bunlardan bazıları 10BASE-5, 10BASE-2 ve 10BASE-T’dir.

10Base-5

10BASE-5 aynı zamanda Thick-Ethernet (Kalın Ethernet) olarak da adlandırılır. Bunun nedeni veri iletiminde kullanılan koaxial kablonun kalın olmasıdır. 10BASE-5 standardını tanımlayacak olursak “10” rakamı transfer hızını, “BASE” kullanılan bandın çeşidini ve “5” rakamı max. segment uzunluğunu belirtir. Thick-Ethernet’in max. segment uzunluğu yaklaşık 500 metredir.

10BASE-2

10BASE-2 aynı zamanda Thin-Ethernet (İnce Ethernet) olarak da anılır. Bunun nedeni kullanılan koaxial kablonun Thick-Ethernet’te kullanılan kabloya göre kat kat daha ince olmasıdır. 10BASE-2 standardını tanımlayacak olursak “10” rakamı transfer hızını, “BASE” kullanılan bandın çeşidini ve “2” rakamı max. segment uzunluğunu belirtir. Thin-Ethernet’in max. segment uzunluğu yaklaşık 185m’dir.

10BASE-T

Veri göndermek için CAT 3 Twisted-Pair (çift bükümlü) bakır kablo kullanılır. Kullanılan bu kablo telefon kablosunun biraz daha iyi versiyonudur ve toplam sekiz damarı (dört çift damar) vardır. Fakat bu dört çift damarın sadece ikisi kullanılmaktadır. Bunlardan birisi veri göndermek için, diğeri ise veri almak içindir. Gönderilen veri Manchester Kodlama yöntemi ile kodlanarak gönderilir.

Switched-Ethernet

Teknolojinin gelişmesiyle beraber piyasada bulunan Ethernet standartlarının veri aktarım hızları yetersiz kalmaya başlamıştı. Bundan dolayı standartlar geliştirildi ve yeni geliştirilen bu standartlar Switched-Ethernet adı altında birleştirildi. Switched-Ethernet’in standartları Fast-Ethernet, Gigabit-Ethernet, 10Gbit-Ethernet’tir.

Fast-Ethernet

Fast-Ethernet geliştirilen ilk Switched-Ethernet standardıdır. Fast-Ethernet’in üretilmesindeki ana amaç veri hızını 10 katına çıkartmaktı. Veri aktarım hızını bu denli yükseltebilmek için daha verimli kodlama sistemi geliştirildi ve sinyal kalitesi daha yüksek kablolar (CAT-3, CAT-5) kullanıldı. CAT-3 kablo kullanan standartlardan bazıları; 100BASE-T4, 100BASE-T ve CAT-5 kullananlardan bazıları ise 100BASE-TX, 100BASE-FX’tir.

Klasik-Ethernet’te olduğu gibi seçilen bu isimler veri aktarım hızı, kullanılan bant ve kullanılan kablonun özelliğini belirtir. Örneklendirecek olursak 100BASE-T4′ ün açıklaması 100Mbps veri hızı, Base Bandı ve 4 çift damarlı Twisted Pair kablodur.

CAT-5 kablolarının sinyal kalitesi CAT-3 kablolara göre daha yüksek olduğu için CAT-5 kablolar ile
daha uzun mesafeler kat edilebilir ancak CAT-5 kabloya geçiş fazla maliyetlidir.

Gigabit-Ethernet

Gigabit-Ethernet, Fast-Ethernet’in geliştirilmiş halidir. Geliştirilme amacı veri hızını 10 kat arttırmaktır. Gigabit-Ethernet’te veri gönderimi için iki farklı kablo tipi kullanılmaktadır. Bunlar Fiber Optik ve Twisted Pair kablolardır. Fiber Optik kablo kullanan Gigabit standartlarına örnek 1000BASE-SX ve 1000BASE-LX verilebilir, Twisted-Pair için ise 1000BASE-CX.

Bütün Gigabit-Ethernet standartları 1000Mbps veri hızına sahip ve base bandını kullanmaktadır. SX uzantısının açılımı Short Wavelength (Kısa Dalga boyutlu-LAN), LX uzantısının anlamı Long Wavelength (Uzun Dalga boyutlu-LAN) ve CX ise Copper (Bakır-LAN) anlamına gelmektedir.

10GBit-Ethernet

Veri aktarım hızı saniyede 10GBit’tir. İlk olarak Fiber Optik kablolar için üretilmiş ardından bakır kablolar için geliştirilmiştir. Fiber Optik kablo kullanan 10GBit-Ethernet standartları 10GBASE-SR, 10GBASE-LR ve 10GBASE-ER’dir. Bakır kablo için üretilen standartlardan birisi ise 10GBASE-T’dir.
10GBASE-SR standardı kısa mesafeler (Short Range) için üretilmiştir. Bu standart diğer standartlara göre ucuzdur ancak max. katedilebilecek mesafe sadece 82 metredir.

10GBASE-LR standardı uzun mesafeler (Long Range) için üretilmiştir. SR standardına göre biraz daha pahalıdır ancak ulaşılabilecek mesafe 10km’ye kadar çıkartılabilir.

10GBASE-ER standardı ise çok uzak mesafeler (Extrem Long Range) için tasarlanmıştır. Diğer standartlara karşılık 10GBASE-ER standardı ile 40km’lik bir mesafe arası veri alışverişi sağlanabilir.

10GBit-Ethernet’in bakır kablo standardında ise erişilebilecek mesafe kullanılan kablo tipine göre değişmektedir. CAT-5 Kablo ile 22 metreye, CAT-6 ile 55 metreye kadar ve CAT-7 kablo ile 100 metrelik mesafeler katedilebilir.

Ethernetin Çalışma Şekli

Tüm bilgisayar ağları, ağ üzerinden aktarılacak veriyi sabit boyuttaki küçük paketler halinde iletmektedirler. Bu yöntemin faydası, büyük bir dosya transferi yapan bir bilgisayar tarafından ağın uzun süre meşgul durumda tutulmamış olmasıdır. Bir sistemde veri paketler halinde yollanırken, her paket gönderilmeden önce kablonun kullanımda olup olmadığı kontrol edilmektedir. Kablo kullanımda değilse paket gönderilmekte, kullanımdaysa bir süre beklenmekte ve tekrar denenmektedir. Belli bir denemenin üzerinde hat hala meşgulse paket iptal edilmektedir. Paket karşıya ulaştığında kablo tekrar ağdaki bilgisayarlar için boş duruma gelmektedir. Paketler küçük yapıda olduğu için saniyeler içinde yüzlercesi değişik bilgisayarlar tarafından yollanıp alınabilmektedir. Böylece ağı kullanan kullanıcılar için bir süreklilik sağlanmaktadır. Verileri paketler halinde göndermenin avantajı hatasız veri transferini gerçekleştirmektir. Ethernet veri paketinin yapısı sabittir. Her paket aşağıdaki dört bilgiyi içermektedir:

• Alıcının MAC adresi
• Gönderenin MAC adresi
• Veri
• CRC kodu

MAC Adresi

İnternete bağlı her cihazın sağlıklı veri alışveriş yapabilmesi için kendine özgü adreslerinin olması gereklidir. Bu adrese de MAC adresi denir. Herhangi bir cihazda kullanılan adres başka bir cihazda kullanılamaz. MAC adresi, cihazın üreticileri tarafından atanan adreslerdir. Örnek olarak; “68-7F-74-12-34-56” bu dizin bir MAC adresi örneğidir. Adresin ilk altı hanesi üreticiyi temsil eder, son altı hane ise özgün bir tanıtıcı numaradır.

CRC Kodu

Veriler iletim ortamında gönderilirken, bazı etkenlerden dolayı bozulmalara uğrayabilmektedir. Cyclic Redundancy Check (CRC) veri paketlerinin bozulmaları durumunda bu bozulmanın tespitini sağlamaktadır. Ethernet verisi paketler halinde parçalara ayrılarak gönderilmektedir. Verilerin gönderilme sırası soldan sağa, bayttaki bitlerin gönderilme sırası ise en az anlamlı bitten en anlamlı bite doğrudur. MAC, veri büyüklüğünün 1500 bayttan fazla olduğu jumbo paketler de gönderebilmektedir. Paket yapısı bileşenleri aşağıdaki gibidir;

Başlangıç: MAC tarafından otomatik olarak eklenmektedir. Senkronizasyon için kullanılmakta ve yedi adet 0x55 sayısından oluşmaktadır. Alıcı tarafında bu kısım otomatik olarak çıkarılmaktadır.

Başlangıç Sonu: Paket başlangıcını belirtmekte ve 0xD5 değerini içermektedir. Gönderme sırasında MAC tarafından otomatik olarak eklenmektedir ve alma sırasında otomatik olarak çıkarılmaktadır.

Alıcı Adresi: Alıcının MAC adresini belirtmektedir.Gönderen Adres􀀁: Gönderenin MAC adresini belirtmektedir.

Uzunluk/Tip: Değerine göre uzunluk veya tip olarak değerlendirilir. 1536
ve üstü değerler için tip, 1536 altı

değerler için ise uzunluk olarak değerlendirilmektedir. Uzunluk olarak değerlendirildiğinde, bu bölümü
takip eden verinin uzunluğunu belirtmektedir. Bu uzunluğun içinde dolgu kısmının uzunluğu yoktur. Tip olarak değerlendirildiğinde ise paketin tipini belirtmektedir. Mesela 0x0800 internet protokolünü, 0x0806 ise adres çözümleme protokolünü belirtmektedir.

Veri: Gönderilecek veriyi içermektedir ve 0-1500 bayt uzunluğunda olabilmektedir.

Dolgu: Bu bölümün uzunluğu 0 ile 46 bayt arasında değişmektedir. Amacı ise paket uzunluğunun en az 64 bayt olmasını sağlamaktır. Eğer veri uzunluğu 0 bayt ise dolgu kısmının uzunluğu 46 bayt, veri uzunluğu 46 bayt veya üstü ise dolgu kısmının uzunluğu 0 olacaktır.

FCS: Paket sınaması, alıcı adresi, gönderici adresi, tip/uzunluk, veri ve dolgu kısımları kullanılarak 32-bit Cyclic Redundancy Check (CRC) metoduna göre hesaplanmaktadır. Alıcı kısım da gelen veriye aynı metodu uygulayarak gönderim sırasında bir hata olup olmadığını tespit etmektedir.

Ethernet bağlantı şeması

Yukarıdaki şemadan görüleceği üzere sorunsuz bir ethernet bağlantısı için öncelikle RJ45 konnektör gereklidir. Bu konnektörler dahili trafolu olabilmektedir. Bu sayede harici trafo entegresi kullanmaya gerek kalmayacaktır. Eğer dahili trafolu konnektör kullanılmaz ise sisteme trafo entegresi eklenmelidir. Şemada Magnetics olarak belirtilmiştir.

PHY (Physical layer), Ethernet’in fiziksel katmanını oluşturmaktadır. MAC katmanını bakır, fiber optik, RF gibi iletim ortamlarına bağlamakla görevlidir. Farklı hızları ve farklı ara yüzleri destekleyen modelleri bulunmaktadır. 10Mbps ve 100Mbps cihazlar için opsiyonel olmakla birlikte, 1Gbps cihazlar için zorunludur. PHY’lar ayrıca otomatik çaprazlama özelliği içerebilmektedir. Bu özellik ile aynı tip cihazlar birbirine bağlanmak istediğinde kabloyu çaprazlamaya gerek kalmamıştır. PHY olarak DP83867, IP101GRI, LAN8720A gibi çeşitli entegreler tercih edilebilir.

MAC ile PHY arasındaki haberleşme aşağıdaki ara yüz tipleri ile yapılabilmektedir.

• Media Independent Interface (MII):

Gönderim ve alım için 4-bit genişliğinde veri yolu içermektedir. MAC’e her iki saat işareti de PHY tarafından sağlanmaktadır. 10Mbps Ethernet için saat frekansı 2.5 MHz, 100Mbps Ethernet için saat frekansı 25MHz’dir. TX_EN ve RX_DV işaretleri hatta veri olduğunu, TX_ER ve RX_ER işaretleri hata oluştuğunu belirtir. CRS ve COL işaretleri half-duplex iletişim için kullanılır ve çakışma durumlarını belirtmeye yarar.

• Gigabit Media Independent Interface (GMII):

Gönderim ve alım için 8-bit genişliğinde veri yolu içermektedir. Gönderim saat işareti MAC tarafından sağlanırken, alım saat işareti PHY tarafından sağlanmaktadır. 1Gbps Ethernet için kullanılmaktadır ve saat frekansı 125MHz’dir. Diğer işaretler MII’dakilerle aynıdır.

• Reduced Media Independent Interface (RMII):

Gönderim ve alım için 2- bit genişliğinde veri yolu içermektedir. MAC’e hem gönderim hem alım için kullanılmak üzere tek saat işareti PHY tarafından sağlanmaktadır. 10Mbps Ethernet için saat frekansı 5 MHz, 100Mbps Ethernet için saat frekansı 50MHz’dir.

• Reduced Gigabit Media Independent Interface (RGMII):

Veri yolu 8 bit yerine 4 bit olarak değiştirilmiştir. Saat frekansı 125MHz olup, saat işaretinin hem yükselen hem düşen kenarı kullanılmaktadır.

MAC

MAC, Ethernet paketlerinin oluşturulmasından ve hata tespit işlemlerinden sorumludur. MAC bağlandığı fiziksel katmandan bağımsızdır ve herhangi bir fiziksel katmana bağlanabilmektedir. Nuvoton M487 serisi Ethernet MAC özelliğine sahiptir ve bu kapsamda Ethernet gerektiren birçok projede tercih edilmektedir.