Высокоскоростные стандарты Ethernet
В 1995 комитет IEEE 802.3z принял спецификацию Fast Ethernet, позволяющий передавать данные со скоростью 1000 Мбит/с, в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3.
Отличие технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Организация физического уровня технологии Fast Ethernet предполагает использования три варианта кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара 5 категории (2 пары) и витая пара категории 3 (четыре пары). Эти варианты описаны в стандарте 802.3 в виде следующих спецификаций: 100Base-TX (кабель 5 категории), 100Base-T4 (для 4 парного кабеля) и 100Base-FX (волоконно-оптический кабель).
Стандарт 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и дуплексном режимах. В стандарте 100Base-FX определен метод кодирования 4В5В. При представлении информации в виде оптических сигналов в данном стандарте используется код NRZI.
В спецификации 100Base-TX для кодирования информации также используется код 4В/5В. Основным отличиями этой спецификации от стандарта 100Base-FX является использование метода кодирования MLT-3 и наличие функции автопереговоров для выбора режима работы порта (сетевой карты).
Функция переговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня согласовать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура переговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с к концентратору или коммутатору. Определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Base-TX/T4 на витых парах: 10Base-T; дуплексный режим 10Base-T; 100Base-TX; 100Base-T4; дуплексный режим 100Base-TX.
Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а дуплексный режим 100Base-TX – самый высокий.
В спецификации 100Base-T4 две из четырех пар настроены на полудуплексную передачу в любом направлении, но не в обоих сразу. Другие две пары настроены на симплексный режим передачи только в одном направлении.
В спецификации 100Base-T4 используется схема кодирования 8В6Т, в которой каждые 8-бит информации уровня МАС преобразуется в последовательность из шести троичных (трехуровневых: +1; 0; -1) символов. Каждая троичная группа имеет длительность 40 нс. Во время передачи кадров группа из 6-ти троичных символов передаются в циклической последовательности по трем передающим витым парам.
Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизий.
Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети до 200 метров, что объясняется сокращением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет десятикратного увеличения скорости передачи по сравнению с 10-мегабитными сетями Ethernet.
Дальнейшим развитием технологии Ethernet стало принятие в 1998 году стандарта 802.z для волоконно-оптических линий и затем стандарта 802.ab для витой пары.
Гигабитные сети Ethernet строятся по принципу «точка-точка» и могут работать в двух режимах: дуплексном и полудуплексном. Основным режимом является дуплексный режим.
Поскольку кадр минимального размера (64 байтный) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальный размер сегмента сети уменьшается в 100 раз и составляет 25 метров. Поэтому в стандарте 802.z было определено 2 дополнительных свойства, позволивших расширить радиус сегментов 200 метров. Первое называется расширением носителя. Заключается это свойство в том, что при передаче минимального кадра его длина увеличивается до 512 байт за счет вставки дополнительных разрядов. Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, это пакетная передача кадров. Это означает, что отправитель может отправлять не единичный кадр, а пакет, объединяющий в себе сразу несколько кадров.
Гигабитный Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели. Появились две новые спецификации: 1000Base-T (802.ab) для неэкранированной витой пары и 1000Base-X(802.z) для экранированной витой пары, а также для одно- и многомодового волоконно-оптического кабеля.
Стандарт 1000Base-X предполагает использование схемы кодирования 8В10В. При использовании такого кода каждый байт кодируется для передачи по волокну 10 битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодовых слова для каждого входящего байта, данный метод дает возможность выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:
ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;
ни в одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или единиц.
Это обеспечивает достаточное количество изменений состояния в потоке данных для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком. Кроме того, количество нулей и единиц стараются примерно выровнять. К тому же многие входящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, вероятно, выберет из них то, которое сравняет число нулей и единиц.
Сбалансированному числу нулей и единиц потому придается такое значение, чтобы держать постоянную составляющую сигнала на как можно более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователь без изменений. В данном стандарте используется код NRZ.
Стандарт 1000Base-T обеспечивает дуплексную передачу по четырехпарной витой паре категории 5 или выше. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с организуется параллельная передача одновременно по 4 парам категории 5. Для кодирования информации применен код РАМ5, в котором 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, +1, +2 (пятиуровневая амплитудно-импульсная модуляция). Каждый сигнал кодируется одним из 5 уровней напряжения. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01, 10 и 11, как и при использовании кода 2B1Q. Есть еще служебное значение напряжения. На одну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Пятый уровень напряжения добавлен для специальных целей – кадрирования и управления. Запрещенные комбинации обеспечивают синхронизацию и выделение правильных комбинаций на фоне помех.
Для организации дуплексного режима используется метод выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают навстречу друг другу по каждой из четырех пар в одном и том же диапазоне частот. Н-образная схема развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать пару одновременно и для приема и для передачи. Для отделения принимаемого сигнала от собственного приемника вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные процессор, которые называются сигнальными.
В 2002 году появился стандарт 802.3ае (10GBaseX), который описывает функционирование сетей Ethernet на скорости 10 Гбит/с с использованием оптоволокна. В 2006 году был принят стандарт 802.3аn (10GBase-T) для витой пары. Основные характеристики указанных стандартов приведены в табл.4.2.
Табл.4.2
|
|
100Base-TX |
1000Base-T |
10GBase-T |
|
Скорость |
100 Мбит/с |
1000 Мбит/с |
10 Гбит/с |
|
Количество пар |
2 |
4 |
4 |
|
Скорость модуляции |
125 МБод |
125 МБод |
800 МБод |
|
Блочное кодирование |
4В5В |
РАМ-5 |
РАМ-16 |
|
Линейное кодирование |
MLT-3 |
4D-8 state треллис кодирование (4D-PAM-5) |
Томлисон-Хирошима прекодирование (THP) 4D-PAM-8, LDPC (Low Density Parity Check) Код с малой плотностью проверки на четность)
|
|
Тип кабеля |
Категория 5 |
Категория 5 и выше |
Категория 6 и выше |
Для обеспечения скорости передачи 10 Гбит/с при скорости модуляции 800 Мбод используется многоуровная передача РАМ-16. Достоверность передачи при большой скорости обеспечивается применением помехоустойчивого кода LDPC. Для коррекции фазочастотной характеристики применяют эквалайзеры. Предварительное кодирование осуществляется по схеме Томлисона-Хирошимы, при которой эквалайзер устанавливается на передающей стороне, что дает возможность приемнику получать идеальные сигналы.