Физический уровень

Когда речь заходит о технологии Ethernet то предполагается, что говорится о первом и втором уровне модели OSI.

Физический уровень состоит из среды передачи (оптический кабель или витая пара) и методов кодирования информации для каждой скорости передачи. На рис. 6 представлена структура канального и физического уровня Ethernet 100Base-T в соответствии со стандартом IEEE802.3. Здесь MDI — «Medium Dependent Interface» — интерфейс, зависящий от среды передачи данных; PMA — «Physical Medium Attachment» — дополнение физической среды передачи; PCS — «Physical Coding Sublayer» — подуровень физического кодирования; MII — «Media Independent Interface» — интерфейс между подуровнями, не зависящий от типа линии передачи.

MDI на рис. 6 — это устройство для соединения линии связи с трансивером. Подуровень PMA включает в себя трансивер, а также схему синхронизации принимаемых данных. Подуровень PCS обеспечивает схему кодирования, мультиплексирования и синхронизации потока символов, а также выравнивание спектра кодового сигнала, демультиплексирование и декодирование. Подуровень согласования обеспечивает согласование интерфейса MII с MAC-уровнем. Интерфейс MII, не зависящий от типа среды передачи, обеспечивает связь между уровнем MAC и подуровнем PHY (Physical layer — физический уровень).

Рис. 6. Структура физического и канального уровня Ethernet

Описанная структура 100Base-T с помощью MII может быть подключена к физическим уровням типа 100Base-T4 (использует 4 неэкранированные витые пары категории не ниже 3), 100Base-TX (использует 2 неэкранированные или экранированные витые пары категории не ниже 5), 100Base-FX (использует два многомодовых оптических кабеля) и 100Base-T2 (использует две неэкранированные витые пары категории не ниже 3).

В структуре на рис. 6 может еще присутствовать необязательный блок автоматического выбора скорости передачи. Термин «100 Base-X» используется для общего обозначения 100Base-TX и 100Base-FX.

Методы кодирования

Т акие стандарты как 10Base-T и 100Base-TX используют манчестерский код для скорости передачи 10 Мбит/с и 4B/5B кодирование в сочетании с NRZI (NRZ Inverted — инвертированный NRZ, см. рис. 7) для скорости 100 Мбит/с.

Рис. 7. Сравнение разных способов кодирования двоичных цифр электрическими сигналами

При низкой скорости обмена (10 Мбит/с) используется манчестерский код, при котором логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий (рис. 7), а логический ноль — переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры (сравните его с NRZ-кодом на рис. 7). В спектре манчестерского кода присутствует две ярко выраженные гармоники, которые при скорости передачи 10 Мбит/с составляют 10 МГц при передаче всех единиц и 5 МГц — для сигнала, состоящего из чередующихся нулей и единиц.

Для уменьшения помех, излучаемых линией передачи при скорости 100 Мбит/с (100Base-TX), используется NRZI-кодирование, при котором двоичной единице соответствует смена уровня NRZI-сигнала, а нулю — ее отсутствие (рис. 7). Высокий или низкий уровень NRZI-сигнала устанавливается в зависимости от того, какой уровень был до него. Логической единице соответствует изменение сигнала независимо от того, какой уровень присутствовал на шине ранее. Уровень не изменяется, если нужно закодировать логический ноль. Иначе говоря, логическая единица при NRZI-кодировании инвертирует предыдущее логическое состояние, поэтому в названии кода присутствует слово «Inverted».

NRZI-кодирование, как и NRZ, позволяет передать в два раза больше информации по сравнению с манчестерским кодированием при той же частоте смене уровней сигнала и, соответственно, в два раза понизить максимальную частоту излучаемых помех при той же скорости передачи информации. Максимальная частота смены уровней при NRZI кодировании понижается до 62,5 МГц по сравнению с максимальной частотой смены уровней сигнала 125 МГц для скорости передачи 100 Мбит/с (пояснения см. ниже, при описании 4В/5В кодирования).

При переходе к скорости передачи 100 Мбит/с проблема снижения мощности излучаемых помех становится особенно остро, поэтому для дальнейшего снижения ширины спектра сигнала в 100Base-TX вместо двухуровневого сигнала используется трехуровневый MLT-3 («MultiLevel Threshold-3»- «многоуровневый 3-пороговый»), см. рис. 7. Благодаря тому, что для кодирования информации используются три уровня (а не два), увеличивается количество информации, которое может быть закодировано в сигнале при той же ширине спектра и длительности сигнала. Максимальная частота смены уровней сигнала при скорости передачи 100 Мбит/с снижается с 62,5 МГц при NRZI-кодировании до 31,25 МГц при сочетании NRZI кода с MLT-3.

Поскольку при использовании NRZI-кодирования последовательность нулей кодируется нулевым уровнем сигнала, в передаваемом сигнале появляются последовательности из нескольких повторяющихся нулей, которые порождает проблему синхронизации на стороне приемника. Для ее устранения используют кодирование 4B/5B. Суть его состоит в следующем. К каждой тетраде (4 бита) передаваемых данных добавляется 5-й бит. Получившееся слово длиной 5 бит позволяет записать 32 кодовых комбинаций, из которых исключают комбинации, имеющие три и более нулей. Оставшиеся комбинации ставят в соответствие шестнадцатеричным числам от 0 до F, получая, таким образом, таблицу кодирования (табл. 1). Этот подход позволяет обеспечить, по крайней мере, 2 фронта сигнала на одну тетраду, что упрощает синхронизацию данных в приемнике. Добавление пятого бита (25 % от длины тетрады) влечет за собой необходимость увеличения частоты передачи со 100 МГц до 125 МГц для сохранения эффективной пропускной способности канала 100 Мбит/с.

Диапазон частот, в котором мощность излучаемых помех максимальна, зависит от распределения нулей и единиц в передаваемых данных. При 4B/5B кодировании максимальная мощность помех приходится на частоту, с которой повторяются 5-битные последовательности. Для уменьшения помех можно выбрать такое шифрование (скремблирование) передаваемых данных, при котором мощность помех будет распределена по всему диапазону частот равномерно. Это выполняется с помощью блока скремблирования и позволяет на 20 дБ (в 10 раз) снизить мощность основной гармоники, распределив ее равномерно по всему диапазону излучаемых частот.

Таблица 1. Кодирование 4B/5B

Code type	4B Code	Name	5B Symbol
data	0000	0	11110
data	0001	1	01001
data	0010	2	10100
data	0011	3	10101
data	0100	4	01010
data	0101	5	01011
data	0110	6	01110
data	0111	7	01111
data	1000	8	10010
data	1001	9	10011
data	1010	A	10110
data	1011	В	10111
data	1100	С	11010
data	1101	D	11011
data	1110	E	11100
data	1111	F	11101
Idle	undefined	I	11111
Start of stream	0101	J	11000
Start of stream	0101	К	10001
End of stream	undefined	T	01101
End of stream	undefined	R	00111
Transmit eror	undefined	H	00111
Invalid code	undefined	V	00000
Invalid code	undefined	V	00001
Invalid code	undefined	V	00010
Invalid code	undefined	V	00011
Invalid code	undefined	V	00100
Invalid code	undefined	V	00101
Invalid code	undefined	V	00110
Invalid code	undefined	V	01000
Invalid code	undefined	V	10000
Invalid code	undefined	V	11001

Основная идея скремблирования заключается в побитном вычислении результирующего кода на основании битов исходного кода и полученных в предыдущих тактах битов результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:

.

Здесь — двоичная цифра результирующего кода, полученная на i-м такте работы скремблера, — двоичная цифра исходного кода, поступающая на i-м такте на вход скремблера, и — двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скремблера (соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта) и объединенные операцией исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2).

Например, для исходной последовательности 110110000001 скремблер даст следующий результирующий код (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным кодом, так как еще нет нужных предыдущих цифр):

Таким образом, на выходе скрэмблера появится код 110001101111, в котором нет последовательности из шести нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

.

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру результирующего кода, и сдвигом между слагаемыми [1].

Перечисленные методы уменьшают ширину спектра до 31,25 МГц при скорости передачи 100 Мбит/с.

Структурная схема блока PHY показана на рис. 8. Блок состоит из приемного (внизу) и передающего (вверху) канала, которые через изолирующие трансформаторы подключаются к линии передачи (две витые пары) через разъем RJ-45. Трансформаторы используется для изоляции трансивера от высоких синфазных напряжений, которые могут появляться на линии вследствие электромагнитных и электростатических наводок.

Рис. 8. Структурная схема блока PHY Ethernet

Как было сказано выше и кодирование 4В/5В и скремблирование необходимы для уменьшения длинных последовательностей нулей и единиц, состоящих в исходной битовой последовательности. Появление же таких последовательностей явление вероятностное, вносящее неопределенность в систему передачи данных. Мерой неопределенности в системе связи является понятие, введение Клодом Шенноном, информационная энтропия.