Che cos’è Ethernet (IEEE 802.3)?

Ethernet si riferisce a una tecnologia per reti dati cablate che interconnette software e/o hardware. Di solito avviene tramite cavi LAN, motivo per cui Ethernet viene spesso citata come tecnologia LAN. Ethernet consente quindi lo scambio di dati tra terminali che possono essere computer, stampanti, server ecc. Combinati in una rete locale, questi dispositivi stabiliscono connessioni tramite il protocollo Ethernet e possono scambiarsi pacchetti di dati l’uno con l’altro. Il protocollo attuale e più ampiamente utilizzato per questo è IEEE 802.3.

L’Ethernet è stata sviluppata nei primi anni 70, tuttavia questo sistema di rete è stato inizialmente utilizzato internamente presso Xerox. Solo agli inizi degli anni 80 Ethernet divenne un prodotto standardizzato. Tuttavia, Ethernet non si diffuse prima della metà del decennio, quando un certo numero di aziende hanno iniziato a lavorare con Ethernet e prodotti correlati. Così, la tecnologia ha contribuito in modo significativo al personal computer rivoluzionando il mondo del lavoro. Lo standard IEEE 802.3, oggi ampiamente utilizzato, viene utilizzato ad esempio in uffici, abitazioni private, container e vettori.

Sebbene la prima versione della tecnologia fosse veloce solo 3 megabit al secondo, oggi i protocolli Ethernet consentono velocità fino a 1.000 megabit al secondo. I primi Ethernet erano limitati a un edificio, mentre oggi Ethernet può coprire fino a 10 chilometri tramite fibra. Ethernet ha assunto un ruolo dominante nello sviluppo della LAN e ha superato numerosi concorrenti. Inoltre la cosiddetta Ethernet in tempo reale è oggi lo standard nel settore per le applicazioni della comunicazione.

Definizione

Ethernet si riferisce a una tecnologia che consente ai dispositivi all’interno di reti cablate di comunicare tra loro. I dispositivi collegati in Ethernet possono quindi formare una rete e scambiare pacchetti di dati. Ciò crea una rete locale (LAN) su connessioni Ethernet.

Come funziona Ethernet? Dall’inizio ai giorni nostri

Ogni dispositivo in una rete Ethernet riceve il proprio indirizzo chiamato indirizzo MAC (48 bit). I membri di questa rete condivisa possono trasmettere messaggi per radiofrequenza. Ethernet utilizza i metodi baseband e multiplex per farlo. L’algoritmo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acces/Collision Detection) viene utilizzato per comunicare tra loro. La topologia della rete Ethernet è logica, quindi la struttura può essere realizzata ad esempio come un bus o una stella.

La comunicazione con questo algoritmo è simile a un giro di conversazione in cui ogni partecipante lascia parlare l’altro. Se due messaggi si scontrano, i partecipanti provano a ritrasmettere a intervalli casuali. Poiché una comunicazione di successo deve essere sia inviata che ricevuta, non devono esserci congestioni, cosa che accade quando ad esempio un messaggio inviato è troppo forte per una performance di ricezione piuttosto debole. Altrimenti si rischia di perdere dati. La velocità del segnale e la velocità di trasmissione gestiscono la comunicazione impostando le regole per i frame di dati.

Al fine di prevenire una collisione di dati, deve arrivare al ricevitore un segnale di interferenza corrispondente prima del pacchetto di dati. Poiché la maggior parte delle reti ora funziona in modalità full-duplex, questo problema si verifica raramente. Tuttavia era essenziale per lo sviluppo iniziale della tecnologia Ethernet.

Inizialmente ogni messaggio inviato all’interno di una rete andava essenzialmente a tutti i dispositivi, i quali dovevano quindi filtrare i dati ricevuti e decidere se fossero per loro rilevanti. Questo bus (acronimo di Binary Unit System) condiviso abilitava i messaggi broadcast, ma registrava anche tutto il traffico per ciascun membro, il che rappresentava chiaramente una falla di sicurezza della prima Ethernet. Sebbene i dati potessero essere crittografati, il traffico stesso non poteva essere controllato individualmente. Persino gli hub non possono proteggere da questa vulnerabilità. Nelle reti moderne sono di aiuto Bridges e Switches, che si possono utilizzare per segmentare una Ethernet.

Tuttavia queste tecniche non risolvono tutti i problemi: l’abuso, ad esempio attraverso il flooding MAC o lo spoofing MAC continuano a rappresentare una minaccia per la sicurezza dei pacchetti di dati comunicati. Il funzionamento sicuro in una rete Ethernet richiede pertanto l’uso serio di tutti i sistemi connessi e un’analisi regolare dei dati (ad esempio l’analisi LAN) al fine di rilevare casi teorici di abuso e malfunzionamenti.

Finché la quantità di dati non sovraccarica l’Ethernet, funziona tutto bene. Tuttavia l’utilizzo della capacità di oltre il 50 percento può portare a un congestionamento dei dati. Con l’evoluzione della tecnologia dei personal computer e il volume sempre crescente di dati, anche le reti Ethernet hanno dovuto evolversi per rimanere al passo con i progressi tecnologici. Gli switch, ad esempio, garantiscono una distribuzione più efficiente dei pacchetti di dati e riducono il rischio di collisione. Le moderne tecnologie via cavo come il twisted pair e la fibra hanno velocità di trasmissione più elevate che soddisfano le moderne esigenze della rete.

Un’altra innovazione è l’“Ethernet Flow Control”, meccanismo con il quale la trasmissione dei dati può essere temporaneamente interrotta completamente al fine di facilitare il flusso di dati altrove. In modalità full-duplex ciò è particolarmente utile quando una rete sta servendo un numero relativamente grande di terminali. Quindi il controllo del flusso taglia temporaneamente alcuni membri della rete per ottimizzare l’affidabilità complessiva della rete stessa. Tuttavia ciò può comportare dei rallentamenti, che a loro volta si possono contenere tramite altri meccanismi come il Transmission Control Protocol.

In passato Ethernet utilizzava principalmente cavi coassiali convenzionali. Tuttavia i cavi in rame twisted pair e i cavi in fibra ottica sono ormai lo standard nel settore, consentendo velocità di trasferimento più elevate e un maggiore raggio d’azione. Un ulteriore vantaggio è che i cavi di rame possono anche alimentare i dispositivi collegati con la corrente. Questo processo, noto anche come “Power over Ethernet” (PoE), rende le reti più efficienti dal punto di vista energetico ed è definito in IEEE 802.3af.

La storia di Ethernet

Ethernet si è evouta da ALOHAnet, una rete radio dell’Università delle Hawaii. Il visionario del centro di ricerca Xerox Palo Alto, Robert Metcalfe, ha lavorato a una versione anticipata del protocollo Ethernet cablato già agli inizi degli anni 70. Il progetto avrebbe dovuto innanzitutto facilitare il lavoro interno ed essere testato attivamente. La fase di test culminò nel 1976 in un lavoro scientifico che Metcalfe pubblicò insieme a David Boggs. Questo lavoro descriveva le reti locali di personal computer connessi.

Nel 1979 Metcalfe fondò la propria azienda, 3com, per guidare lo sviluppo di computer e LAN e stabilire Ethernet come standard. La svolta arrivò nel 1980 con l’adozione di Ethernet 1.0, che fu poi ulteriormente sviluppata dall’Istituto di Ingegneria Elettrica ed Elettronica (IEEE). Questo processo ha portato all’invenzione di altre tecniche, tra cui il protocollo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) più tardi noto come IEEE 802.3. Allo stesso modo sono stati creati i protocolli innovativi Token Bus (802.4) e Token Ring (802.5).

Tra il 1983 e il 1986 le innovazioni Cheapernet, Ethernet-on-Broadband e StarLAN sono arrivate prima che lo standard Ethernet ricevesse maggiore attenzione da molti produttori. Di conseguenza alcune piccole aziende hanno iniziato a utilizzare reti Ethernet al lavoro, tuttavia ancora tramite linee telefoniche a 4 fili. Occorre attendere fino agli inizi degli anni 90 perché le connessioni Ethernet vengano sviluppate su cavi twisted pair e a fibra ottica, culminando nel 1995 con l’introduzione dello standard 100 Mbps per Ethernet in conformità con IEEE 802.3u. Allo stesso tempo è stato adottato uno standard per LAN wireless (802.11). Il 1995 è quindi considerato l’anno di nascita della moderna Internet.

Panoramica su tecnologie e concetti Ethernet

Tecnologia/concetto Spiegazione
LAN (Local Area Network) Rete di computer che collega localmente diversi sistemi
Switching Lo Switching regola il percorso di un pacchetto di dati nella rete; l’entrata e l’uscita dei pacchetti sono determinati in base al mittente e al destinatario
Ethernet Flow Control Il trasferimento dei dati in Ethernet è temporaneamente interrotto; l’obiettivo è perdere meno dati guadagnando in efficienza
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Metodo di accesso ai media che determina quali sistemi in una rete siano autorizzati ad accedere a un mezzo di trasmissione; previene le collisioni
Ethernet-Frame/frame di dati Unità di registro contenente informazioni importanti per la trasmissione dei dati, tra cui l’indirizzo MAC
Indirizzo MAC/indirizzo del dispositivo Indirizzo univoco assegnato a un dispositivo nella rete di computer
PoE (Power over Ethernet) Il cavo Ethernet può alimentare il dispositivo di destinazione
Cavo coassiale Cavo bipolare, fino a Mbit/s (tecnologia obsoleta)
Cavo twisted pair Cavo twisted pair, consente PoE, fino a 10 Gbit/s
Cavo a fibra ottica Fibre ottiche, lungo raggio, con velocità di trasferimento elevatissime (teoricamente fino a circa 70 Terabit/s)
Modalità half-duplex La comunicazione è possibile solo alternativamente in una sola direzione (tecnologia obsoleta)
Modalità full-duplex È possibile la comunicazione contemporanea in entrambe le direzioni

Panoramica: gli standard Ethernet

Standard Ethernet Descrizione Data rate Tecnologia cavo Anno di rilascio
802.3 10Base5 10 Mbit/s Cavo coassiale 1983
802.3a 10Base2 10 Mbit/s Cavo coassiale 1988
802.3i 10Base-T 10 Mbit/s Cavo twisted pair 1990
802.3j 10Base-FL 10 Mbit/s Cavo a fibra ottica 1992
802.3u 100Base-TX, 100Base-FX, 100Base-SX 100 Mbit/s Cavo twisted pair, cavo a fibra ottica 1995
802.3z 1000Base-SX, 1000Base-LX 1 Gbit/s Cavo a fibra ottica 1998
802.3ab 1000Base-T 1 Gbit/s Cavo twisted pair 1999
802.3ae 10GBase-SR, 10GBase-SW, 10GBase-LR, 10GBase-LW, 10GBase-ER, 10GBase-EW, 10GBase-LX4 10 Gbit/s Cavo a fibra ottica 2002
802.an 10GBase-T 10 Gbit/s Cavo twisted pair 2006

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