Узел сети Fast Ethernet

Узел сети Fast Ethernet состоит из физической сетевой платы - аппаратное обеспечение и программного обеспечения, а именно: драйвера ОС (для Windows NDIS), модулей сетевых и транспортных протоколов, модулей высших уровней OSI: сеансовый, представления, прикладной. Сетевая интерфейсная плата (NIC), в свою очередь содержит: микросхемы MAC уровня, MII-интерфейс и микросхему трансивера: подуровень согласования, устройство физического уровня PHY (PCS- подуровень физического кодирования, PMA- подуровень подсоединения к физической среде, PMD- подуровней физического присоединения и зависимости от физической среды).

Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно

Все три спецификации стандарта Fast Ethernet (4-17_2) различаются только на физический уровне PHY

• Спецификация 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся в стандарте:

• для логического кодирования используется 4B/5B

• для физического кодирования используется код NRZI. (Взят принцип кодирования FDDI). Рассмотрим

Структуру физического уровня 100Base-FX.

• Подуровень согласования (Reconciliation) и МII (Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface) как уже упоминалось выше нужен для того, чтобы согласовать уровень MAC с физическим уровнем PHY.

• PCS - Physical Coding Sublayer, подуровень предварительного кодирования. Выполняет кодирование и декодирование 4-х бит-х символов MAC в 5-ти битные, т.е. преобразовывает байты от уровня MAC в символы избыточного кода 4В/5В.

• PMA- (Physical Medium Attachment), подуровень подсоединения к физической среде. Преобразует данные в битовый поток последовательных электрических сигналов, и обратно.

• PMD- Physical Medium Dependent, осуществляет линейное кодирование, используя код NRZI, а также усиливает, формирует сигнал и преобразует его в оптический. Далее сигнал поступает на оптический интерфейс MDI (разъём- коннектор) и далее в оптический многомодовый кабель.

• Применение избыточного кода 4B/5B в сочетании с потенциальным кодом NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted) с двумя состояниями, оптимально для оптического кабеля. NRZI также обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля.

Метод кодирования 4b/5b

Так как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100Мб/c, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мб/c, то есть межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет не 10нсек, а 8 наносекунд.

Из 32 возможных комбинаций 5-битовых символов для исходных данных нужно только 16, а остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях. Так, например: для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), который постоянно циркулирует между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах между передачами информации, а также позволяя контролировать физическое состояние линии .

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (J (11000) и К (10001) кода 4В/5В), а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ T. Символы, не вошедшие для кодирования данных и служебных, считаются ошибочными и отбраковываются, что повышает устойчивость работы сетей

Среда 100BASE-F

Стандарт 100Base-FX содержит подстандарты реализации сети Fast Ethernet в зависимости от типа кабеля и оптических устройств - приемо-передающих узлов (светодиоды, лазеры, разъёмов и т.п.).

Многомодовый кабель

• В волоконно-оптическом кабеле (ВОК) этого типа используется волокно с сердцевиной диаметром 50, либо 62,5 микрометра и внешней оболочкой толщиной 125 микрометров. Типы ВОК 50/125, (62,5/125). Для передачи светового сигнала по многомодовому кабелю применяется светодиодный приемопередатчик с длиной волны 850 (820) нанометров. Если многомодовый кабель соединяет два порта узлов сети, работающих в полнодуплексном режиме, то он может иметь длину до 2000 метров.

Одномодовый кабель

• Одномодовый волоконно-оптический кабель имеет меньший, чем у многомодового, диаметр сердцевины ~ 10 микрометра, и для передачи по одномодовому кабелю используется лазерный приемопередатчик, что в совокупности обеспечивает эффективную передачу на большие дистанции. Длина волны передаваемого светового сигнала соизмерима с диаметром сердцевины, и равна 1300 нанометрам. Это число известно как длина волны нулевой дисперсии. В одномодовом кабеле дисперсия и потери сигнала очень незначительны, что позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния, нежели в случае применения многомодового волокна.

• 100Base-FX – Основной стандарт, определяет, что в кабеле имеются две жилы многомодового волокна — одна для передачи, а другая для приема данных. Длина сегмента сети может составлять 412 метров. Если NIC рабочей станции функционирует в полнодуплексном режиме, то длина кабеля может достигать 2000 метров. Вариант 100Base-FX не совместим с 10Base-FL, 10 Мбит/с. вариантом по волокну.

• 100Base-BX — вариант Fast Ethernet по одножильному волокну. Используется одномодовое волокно, наряду со специальным мультиплексором, который разбивает сигнал на передающие и принимающие волны.

• 100Base-SX — удешевленная альтернатива 100Base-FX с использованием многомодового волокна, так как использует недорогую коротковолновую оптику. 100Base-SX может работать на расстояниях до 300 метров (980 футов). 100Base-SX использует ту же самую длину волны как и 10Base-FL. В отличие от 100Base -FX, 100Base-SX может быть обратно- совместимым с 10Base-FL. Благодаря использованию более коротких волн (850нм) и небольшой дистанции, на которой он может работать, 100 Base-SX использует менее дорогие оптические компоненты (светодиоды (LED) вместо лазеров). Все это делает данный стандарт привлекательным для тех, кто модернизирует сеть 10Base-FL и тех, а также, если не нужна работа на больших расстояниях.

• 100Base-LX — 100 Мбит/с Fast Ethernet работает по паре одномодовых оптических волокон. Максимальная длина сегмента 15 километров в полнодуплексном режиме.

• 100Base-LX WDM — 100 Мбит/с Fast Ethernet работает в полнодуплексном режиме по одному одномодовому оптическому волокну на длине волны 1310 нм и 1550 нм. Максимальная длина сегмента 15 км.. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны), либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой — на 1550 нм.

Разъем MDI

• Для подключения волоконно-оптического кабеля может быть использован один из трех специальных разъемов. Популярный разъем MIC (Media Interface Connector — разъем интерфейса со средой) используется в сетях FDDI. Для того чтобы обеспечить правильное подключение кабелей FDDI, разъемы помечаются буквами А, В, М и S. Буква обозначает, куда подключать штекер: к узлу или к определенному порту концентратора FDDI.

• Если в качестве разъема MDI 100Base-FX используется MIC FDDI, то спецификация IEEE требует, чтобы этот разъем был маркирован буквой М. Штекер MIC FDDI вставляется в гнездо и автоматически обеспечивает соединение. Разъем ST также применяется для подключения волоконно-оптического кабеля. Чтобы обеспечить соединение, необходимо расположить штекер разъема горизонтально и втолкнуть его в пружинный механизм, пока он не войдет в гнездо, а затем повернуть внешнюю оболочку для закрепления штекера на месте.

• Третьим типом разъема для волоконно-оптического кабеля является дуплексный разъем SC, и только он официально рекомендован комитетом IEEE для употребления в сети 100Base-FX Fast Ethernet.

Физический уровень 100Base-TХ - двухпарная витая пара UTP 5 кат.

Спецификация физического уровня Fast Ethernet для двухпарной витой пары UTP 5 кат PHY-TX во многом совпадают со спецификацией PHY-FX для оптоволокна. Подуровни «Согласования», физического кодирования PCS, подсоединения к физической среде PMA, совпадают полностью с аналогичными для 100Base-FX и выполняют теже функции:

• Подуровень PCS кодирует (логически) 4-х битные символы в 5-ти битные.

• Подуровень PMA добавляет служебные импульсы типа Idle, соединяет 5-ти битные символы в один 10-битный, т.е. подготавливает сигнал к передаче в физическую среду.

• Подуровень «зависимости от физической среды» - PMD обеспечивает передачу закодированных сигналов от PCS и PMA по витой паре медного кабеля UTP-5cat., при этом сигнал «4B/5B» прежде чем поступить в физическую среду, кодируется трех уровневым методом MLT-3.

• Структура физического уровня спецификации PHY TX представлена на рисунке 4-17.13.

• Метод MLT-3 для представления 5-битовых порций информации использует потенциальные сигналы трех уровней кодирования «-1», «0», «+1» .

MLT-3 (Multi Level Transmission-3)

• MLT-3 (многоуровневая передача) — метод кодирования, использующий три уровня сигнала. Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U. Изменение уровня сигнала происходит последовательно, с учетом предыдущего перехода;

• при передаче информационных нулей MLT-сигнал не меняется;

Таким образом, при использовании двойного кодирования:

• на уровне «логического» кодирования 4B/5B (PCS) (до передачи в физическую среду) избавляемся от длинных чередующихся сигналов «0» в информационном сигналов- на выходе имеем не более трех повторяющихся сигналов «0».

• На уровне физической передачи сигнал 4B/5B подвергается линейному кодированию методом MLT-3 и в физическую среду поступают трех уровневые сигналы. Метод MLT-3 за счет кодирования 3-мя уровнями позволяет снизить максимальную частоту основной гармоники сигнала в физической линии.

Автопереговорный процесс

Спецификации PHY-TX и PHY-T4 поддерживают функцию Auto- negotiation, с помощью которой два взаимодействующих устройства PHY могут автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства PHY TX или PHY T4 на витых парах:

• 10Base-T - 2 пары категории 3;

• 10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;

• 100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);

• 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);

• 100Base-T4 - 4 пары категории 3.

Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет, а режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а или инициирован и модулем управления.

Узлы, поддерживающие функцию Auto- negotiation, посылают пачки импульсов, инкапсулирующие информацию переговорного процесса Auto- negotiation. Такие пачки носят название Fast Link Pulse burst (FLP).

Если узел не поддерживает FLP, то используются служебные сигналы проверки целостности линии технологии 10Base-T - link test pulses.

Устройство, начавшее процесс auto- negotiation, посылает своему партнеру пачку импульсов FLP, в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Если узел-партнер поддерживает функцию Auto- negotiation и также может поддерживать предложенный режим, то он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

Узлы, поддерживающие спецификации PHY-FX и PHY-TX, могут работать в полнодуплексном режиме (full-duplex mode). В этом режиме не используется метод доступа к среде CSMA/CD и отсутствует понятие коллизий - каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных по каналам Tx и Rx.

Полнодуплексная работа возможна только при соединения сетевого адаптера с коммутатором или же при непосредственном соединении коммутаторов.

Полнодуплексный режим работы для сетей 100Base-T пока не принят комитетом IEEE в качестве стандарта. Тем не менее, многие производители выпускают как сетевые адаптеры, так и коммутаторы для этого режима. Из-за отсутствия стандарта эти продукты не всегда корректно работают друг с другом.

В полнодуплексном режиме необходимо определить процедуры управления потоком кадров, так как при переполнении буфера коммутатора, он начнет терять кадры. Восстановление информации будет осуществляться более медленными протоколами транспортного или прикладного уровней.

Ввиду отсутствия стандартов на полнодуплексные варианты Ethernet каждый производитель сам определяет способы управления потоком кадров в коммутаторах и сетевых адаптерах. Обычно, при заполнении буфера устройства до определенного предела, это устройство посылает передающему устройству сообщение о временном прекращении передачи (XOFF). При освобождении буфера посылается сообщение о возможности возобновить передачу (XON).

Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара

Спецификация PHY-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать Fast Ethernet по проложенному ранее кабелю UTP-3cat сети 10Mb/s 10Base-T Ethernet, т.е. перехода с 10Mb/s на 100Mb/s сеть с наименьшими затратами. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам.

• PCS - Physical Coding Sub layer

• PCS 100Base-T4 связывает МII (Media Independent Interface — интерфейс, не зависящий от среды) с подуровнем РМА (Physical Medium Attachment). PCS принимает полубайты данных от МII, декодирует их с использованием схемы кодирования 8В/6Т и передает полученные тернарные символы РМА. В обратном направлении РМА пересылает тернарные символы подуровню PCS, где они декодируются в октеты. Эти октеты затем передаются интерфейсу МII по одному полубайту за раз.

Схема кодирования 8В/6Т

Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T. Алгоритм кодирования 8В6Т эффективно преобразует каждый восьмибитовый октет данных в шести битовый тернарный символ (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния., который называется кодовой группой 6Т (отсюда и произошло название алгоритма — 8В/6Т). Каждая троичная цифра имеет длительность 40 наносекунд. Кодовые группы 6Т передаются параллельно по трем витым парам кабеля, поэтому эффективная скорость передачи данных по каждой витой паре составляет одну треть от 100 Мбит/с, т.е. 33,33 Мбит/с.

Скорость передачи тернарных символов по каждой витой паре составляет 6/8 от 33,3 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 25 МГц. В отличие от бинарных сигналов, которые имеют два уровня, тернарные сигналы, передаваемые по каждой паре, могут иметь три уровня. Его идея состоит в том, что 8 бит, которые надо передать, преобразуются в 6 тернарных (трехуровневых с уровнями -3,5 В, +3,5 В и 0 В) сигналов, которые затем передаются за два такта по трем витым парам.

При шестиразрядном трехзначном коде общее число возможных состояний равно 3⁶ = 729, что больше, чем 2⁸ = 256, то есть никаких проблем из-за уменьшения количества разрядов не возникает.

Именно с такой частотой работает таймер интерфейса МII. В результате по каждой витой паре передается информация со скоростью 25 Мбит/с, то есть требуется полоса пропускания всего 12,5 МГц Дополнительно сигналы, передаваемые в кабель, кодируются по методу MLT-3.

При шестиразрядном трехзначном коде общее число возможных состояний равно 3⁶ = 729, что больше, чем 2⁸ = 256, то есть никаких проблем из-за уменьшения количества разрядов не возникает.

Именно с такой частотой работает таймер интерфейса МII. В результате по каждой витой паре передается информация со скоростью 25 Мбит/с, то есть требуется полоса пропускания всего 12,5 МГц, т.е укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3.

Дополнительно сигналы, передаваемые в кабель, кодируются по методу MLT-3.

Каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами, то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40нс. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизий.

На рис. 4-17.16 показано соединение порта MDI (Media Dependant Interface) сетевого адаптера l00Base-T4 с портом MDI-X концентратора (приставка X говорит о том, что у этого разъема присоединения приемника и передатчика меняются парами кабели по сравнению с разъемом сетевого адаптера, что позволяет проще соединять пары проводов в кабеле — без перекрещивания). Пара 1-2 всегда требуется для передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, пара 3-6 — для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.