Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Волоконно-оптические сети - Убайдуллаев Р.Р..pdf
Скачиваний:
612
Добавлен:
24.05.2014
Размер:
17.59 Mб
Скачать

совместимость при работе друг с другом. Стандартизация дуплексного Ethernet произошла позже, в 1997 году, формально, как часть спецификаций стандарта IEEE 802.Зх - контроль потока, основанный на кадрах [23]. Главное преимущество дуплексного канала - отсутствие коллизий. Дальнейшие преимущества, вытекающие из этого показателя:

1.При дуплексном режиме работы станция (коммутатор) не ждет прекращения принимаемого сигнала, а только выдерживает IFG, равный 96 ВТ, между последовательными передачами кадров, таким образом сокращаются задержки при передаче.

2.Эффективная полоса пропускания удваивается и составляет 20 Мбит/с для

Ethernet.

3.Из-за отсутствия коллизий остается очень высокой производительность сети при большой загрузке (до 98%) по каждому из каналов.

4.Снимаются ограничения на длину сегментов между узлами сети, например, оптический сегмент на одномодовом волокне между двумя коммутаторами может иметь длину до 100 км, хотя при наличии оптических усилителей расстояния могут иметь глобальный масштаб,

5.Дуплексная связь обеспечивает лучшую работу приложений, критичных к задержкам (среди которых: мультимедийная связь, видеоконференции, и т.д.).

Рис. 7.21. Структурная схема дуплексного алгоритма передачи (уровень

MAC)

Большинство современных коммутаторов и сетевых карт Ethernet/Fast Ethernet с дуплексными интерфейсами 10Base-T и 10Base-FL, а также 100Base-TX

и 100Base-FX поддерживают дуплексный режим связи. Интерфейсы AUI и МII сетевых устройств (коммутаторов, сетевых карт) дуплексные по природе, но реально дуплексная передача по ним возможна, только если имеется поддержка на уровне MAC. Это следует учитывать при построении протяженных волоконнооптических сегментов с использованием трансиверов Ethernet/Fast Ethernet,

7.7.Сети Gigabit Ethernet (стандарты IEEE 802.3z и 802.3ab)

Вмарте 1996 года комитет IEEE 802.3 одобрил проект стандартизации

Gigabit Ethernet 802.3z. В мае 1996 года 11 компаний (3Com, Bay Networks, Cisco,

Compaq, Granite, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks и VLSI Technology) организовали альянс Gigabit Ethernet Alliance - GEA [24].

Альянс, объединяя усилия большого числа ведущих производителей сетевого оборудования для выработки единого стандарта и выпуска взаимосовместимых продуктов Gigabit Ethernet, преследует следующие цели:

поддержка расширения технологий Ethernet и Fast Ethernet в ответ на потребность большей полосы пропускания;

разработка технических предложений с целью включения в стандарт;

выработка процедур и методов тестирования продуктов различных поставщиков.

Внастоящее время в альянс GEA входят более 100 компаний. Он обеспечивает связь между техническим комитетом по стандартизации IEEE 802.3 и производителями сетевого оборудования. Альянс увеличивает эффективность работы комитета и способствует более быстрому одобрению спецификаций стандарта 802.3z [25].

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

На рис. 7.22 показана структура уровней Gigabit Ethernet. Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/СХ используется кодирование 8В/10В [26], а, с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код ТХ/T2 [27]. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого интерфейса GMII (gigabit media independent interface).

GMII интерфейс обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем, является расширением интерфейса МII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8-разрядные приемник и передатчик и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию, и два сигнала состояния линии - первый указывает наличие несущей, а второй - отсутствие коллизий, и еще несколько других сигнальных линий и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средозависимых интерфейсов, может подключаться, например, к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса.

Подуровень физического кодирования PCS. При подключении интерфейсов группы "1000Base-Х подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8В/10В, заимствованное из стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel. Аналогично рассмотренному стандарту FDDI, только на основе более сложной кодовой таблицы, каждые 8 входных битов, предназначенных для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10-битные символы. Кроме этого, в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10битные символы, например, используемые для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимально размера 512 байт).

При подключении интерфейса 1000Вазе-Т подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование для обеспечения передачи по витой паре DTP Cat.5 на расстояние до 100 м - линейный код ТХ/Т2, разработанный компанией Level One Communications [28, 29].

Два сигнала состояния линии - наличие несущей и отсутствие коллизий -

генерируются этим подуровнем.

Рис. 7.22. Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet, GMII интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet

Рис. 7.23. физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet

Подуровни РМА и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокна.

Подуровень РМА преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, а также выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD.

Подуровень PMD определяет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определяются 4 различных типа физических интерфейсов среды, которые отражены в спецификациях стандарта

802.3Z (1000Base-X) и 802.Заb (1000Вазе-Т), (рис. 7.23),

1000Base-X. 1000Base-X основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel - технологии взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-уровневую

архитектуру. Два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet. Поскольку Fibre Channel является одобренной технологией, то такое перенесение значительно сократило время на разработку оригинального стандарта Gigabit Ethernet.

Блочный код 8В/10В аналогичен коду 4В/5В, принятому в стандарте FDDI. Однако код 4В/5В был отвергнут в Fibre Channel, потому что этот код не обеспечивает баланса по постоянному току. Отсутствие баланса потенциально может привести к зависящему от передаваемых данных нагреванию лазерных диодов, поскольку передатчик может передавать больше битов 1 (излучение есть), чем 0 (излучения нет), что может быть причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях передачи.

1000Вазе-Х подразделяется на три физических интерфейса, основные характеристики которых приведены ниже [30]:

1000Base-SX - определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770-860 им, мощность излучения передатчика в пределах от -10 до 0 дБм, при отношении ON/OFF (сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника -17 дБм, насыщение приемника 0 дБм;

1000Base-LX - определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 1270-1355 нм, мощность излучения передатчика в пределах от -13,5 до -3 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника -19 дБм, насыщение приемника -3 дБм;

1000Base-CX - экранированная витая пара (STP "twinax") на короткие расстояния.

Для справки в табл. 7.9 приведены основные характеристики оптических

приемопередающих модулей, выпускаемых фирмой Hewlett Packard для стандартных интерфейсов 1000Base-SX (модель HFBR-5305, λ = 850) и 1000BaseLX (модель HFCT-5305, λ = 1300).

Таблица 7.9. Характеристики оптических приемопередатчиков Gigabit Ethernet [31]

 

1000Base-SX

1000Base-LX

Параметры

λ=850

λ= 1300

 

min

max

min

max

Температура окружающей среды, °С

0

70

0

70

Напряжение питания, В

4,75

5,25

4,75

5,25

Выходная оптическая мощность, дБм

-10

-4

-13

-3

Чувствительность приемника, дБм

0

-17

-3

-20

Соотношение сигнал/нет сигнала, дБ

9

-

9

-

Спектральное уширение, нм

-

0,85

-

4

Время нарастания/спада оптического сигнала, нс

-

0,26

-

0,45

Поддерживаемые расстояния для стандартов 1000Base-X приведены в табл.

7.10.

Таблица 7.10. Типы кабелей и расстояния

Стандарт

Тип волокна/медного кабеля

Полоса пропускания

Максимальное

 

 

 

(не хуже), МГц км

расстояние *, м

1000Base-LX

Одномодовое волокно (9 мкм)

-

5000**

(лазерный ди-

 

500

 

Многомодовое волокно (50 мкм)***

550

од 1300 нм)

 

 

 

 

Многомодовое волокно (62,5

мкм)***

320

400

 

1000Base-SX

Многомодовое волокно (50 мкм)

400

500

(лазерный ди-

Многомодовое волокно (62,5

мкм)

200

275

од 850 нм)

 

 

 

 

Многомодовое волокно (62,5

мкм)

160

220

 

1000Base-СХ

Экранированная витая пара; STP 150 Ом

-

25

*Все расстояния, за исключением последнего (25 м), предполагают использование дуплексного режима

**Большее расстояние может обеспечивать оборудование некоторых производителей, оптические сегменты без промежуточных ретрансляторов/усилителей могут достигать 100 км.

***Может требоваться специальный переходной шнур (см. ниже - Особенности использования многомодовых ВОК)

При кодировании 8В/10В битовая скорость в оптической линии составляет 1250 бит/с. Это означает, что полоса пропускания участка кабеля допустимой длины должна превышать 625 МГц. Из табл. 7.10 видно, что этот критерий для строчек 2-6 выполняется. Из-за большой скорости передачи Gigabit Ethernet следует быть внимательным при построении протяженных сегментов. Безусловно, предпочтение отдается одномодовому волокну. При этом характеристики оптических приемопередатчиков могут быть значительно выше. Например, компания NBase выпускает коммутаторы с портами Gigabit Ethernet, обеспечивающими расстояния до 40 км по одномодовому волокну без ретрансляции - используются узкоспектральные DFB-ла-зеры, работающие на длине волны 1550 нм [32].

Особенности использования многомодовых ВОК

В мире существует огромное количество корпоративных сетей на основе многомодового ВОК с волокнами 62,5/125 и 50/125. Поэтому естественно, что еще на этапе формирования стандарта Gigabit Ethernet возникла задача адаптации этой технологии для использования в существующих многомодовых кабельных системах. В ходе исследований по разработке спецификаций 1000Base-SX и 1000Base-LX выявлена одна очень интересная аномалия, связанная с использованием лазерных передатчиков совместно с многомодовым волокном.

Многомодовое волокно конструировалось для совместного использования со светоизлучающими диодами (спектр излучения 30-50 нс). Некогерентное излучение от таких светодиодов попадает в волокно по всей площади светонесущей сердцевины. В результате в волокне возбуждается огромное число модовых групп. Распространяющийся сигнал хорошо поддается описанию на языке межмодовой дисперсии. Эффективность использования таких светодиодов в качестве передатчиков в стандарте Gigabit Ethernet низкая в силу очень высокой частоты модуляции - скорость битового потока в оптической линии равна 1250 Мбод, а длительность одного импульса - 0,8 нс. Максимальная скорость, когда еще используются светодиоды для передачи сигнала по многомодовому волокну,

составляет 622,08 Мбит/с (STM-4, с учетом избыточности кода 8В/10В, битовая скорость в оптической линии 777.6 Мбод).

Поэтому Gigabit Ethernet стал первым стандартом, регламентирующим использование лазерных оптических передатчиков совместно с многомодовым волокном. Площадь ввода излучения в волокно от лазера значительно меньше, чем размер сердцевины многомодового волокна. Этот факт сам по себе еще не приводит к проблеме. В то же время в технологическом процессе производства стандартных коммерческих многомодовых волокон допускается наличие некоторых некритичных при традиционном использовании волокна дефектов (отклонений в пределах допустимого), в наибольшей степени сосредоточенных вблизи оси сердцевины волокна. Хотя такое Многомодовое волокно полностью удовлетворяет требованиям стандарта, когерентный свет от лазера, введенный по центру такого волокна, проходя через области неоднородности показателя преломления, способен расщепиться на небольшое число мод, которые затем распространяются по волокну разными оптическими путями и с разной скоростью. Это явление известно как дифференциальная модовая задержка

DMD. В результате появляется фазовый сдвиг между модами, приводящий к нежелательной интерференции на приемной стороне и к значительному росту числа ошибок (рис. 7.24 а). Этот эффект проявляется только при одновременном стечении ряда обстоятельств: менее удачное волокно, менее удачный лазерный передатчик (разумеется, удовлетворяющие стандарту) и менее удачный ввод излучения в волокно. С физической стороны эффект DMD связан с тем, что энергия от когерентного источника распределяется внутри небольшого числа мод, в то время как некогерентный источник равномерно возбуждает огромное число мод. Исследования показывают, что эффект проявляется сильней при использовании длинноволновых лазеров (окно прозрачности 1300 нм) [33, 34].

Указанная аномалия в худшем случае может вести к уменьшению максимальной длины сегмента на основе многомодового ВОК. Поскольку стандарт должен обеспечивать 100-процентную гарантию работы, максимальная длина сегмента должна регламентироваться с учетом возможного проявления эффекта DMD,

Интерфейс 1000Base-LX. Для того, чтобы сохранить большее расстояние и избежать непредсказуемости поведения канала Gigabit Ethernet из-за аномалии, предложено вводить излучение не в центральную часть сердцевины многомодового волокна. Излучение из-за апертурного расхождения успевает равномерно распределиться по всей сердцевине волокна, сильно ослабляя проявление эффекта, хотя максимальная длина сегмента и после этого остается ограниченной (табл. 7.10). Специально разработаны переходные одномодовые оптические шнуры МСР (mode conditioning patch-cords), у которых один из соединителей (а именно тот, который планируется сопрягать с многомодовым волокном) имеет небольшое смещение от оси сердцевины волокна. Оптический шнур, у которого один соединитель - Duplex SC со смещенной сердцевиной, а другой - обычный Duplex SC, может называться так: МСР Duplex SC-Duplex SC. Разумеется, такой шнур не подходит для использования в традиционных сетях, например в Fast Ethernet, из-за больших вносимых потерь на стыке с МСР Duplex SC, Переходной шнур МСР может быть комбинированным на основе

одномодового и многомодового волокон и содержать элемент смещения между волокнами внутри себя. Тогда одномодовым концом он подключается к лазерному передатчику. Что же касается приемника, то к нему может подключаться стандартный многомодовый соединительный шнур. Использование переходных МСР шнуров позволяет заводить излучение в многомодовое волокно через область, смещенную на 10-15 мкм от оси (рис. 7,24 б) [35, 36]. Таким образом, сохраняется возможность использования интерфейсных портов 1000Base-LX и с одномодовыми ВОК, поскольку там ввод излучения будет осуществляться строго по центру сердцевины волокна.

Рис. 7.24, Распространение когерентного излучения в многомодовом волокне:

а) проявление эффекта дифференциальной модовой задержки (DMD) при осевом вводе излучения; б) неосевой ввод когерентного излучения в многомодовое волокно

Интерфейс 1000Base-SX. Так как интерфейс 1000Base-SX стандартизован только для использования с многомодовым волокном то смещение области ввода излучения от центральной оси волокна можно реализовать внутри самого устройства, и тем самым снять необходимость использования согласующего оптического шнура.

1000Base-T - это стандарт Gigabit Ethernet передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре 250 Мбит/с. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях - двойной дуплекс (dual duplex) 1000Base-T. Технически реализовать дуплексную передачу 1 Гбит/с по витой паре UTP cat.5 оказалось довольно сложно, значительно сложней, чем в стандарте 1000Base-TX. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних витых пар на данную пару в четырехпарном кабеле требует разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме. Несколько методов кодирования рассматриваются в качестве кандидатов на утверждение в стандарте 1000Base-T,