Правила построения сегментов Fast Ethernet при наличии повторителей

Ограничения длины сегментов между устройствами — источниками новых кадров

Рассматриваемое ограничение касается случаев, когда сетевой адаптер непосредственно соединяется с портом моста/коммутатора или маршрутизатора, а также когда порты мостов, коммутаторов и маршрутизаторов соединяются между собой. IEEE 802.3

Ограничения сетей Fast Ethernet на повторителях.

Повторители Fast Ethernet делят на два класса.

Повторители класса I поддерживают оба типа кодирования данных: как 4В/5В, так и 8В/6Т. Они способны выполнять трансляцию логических кодов с битовой скоростью 100 Мбит/с. Поэтому повторители класса I могут иметь порты всех трех типов физического уровня: 100Base-TX, 100Base-FX и 100Base-T4.

Повторители класса II поддерживают только какой-либо один тип кодирования — либо 4В/5В, либо 8В/6Т. Поэтому они имеют либо все порты l00Base-T4, либо порты 100Base-TX и 100Base-FX, так как последние используют один логический код 4В/5В.

В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку — 70 битовых интервалов — из-за необходимости трансляции различных систем кодирования.

Повторители класса II вносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46 битовых интервалов для портов TX/FX и 33,5 битовых интервала для портов Т4. Поэтому максимальное число повторителей класса II в домене коллизий — 2.

Ограничения сетей Fast Ethernet на повторителях.

Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении больших сетей, так как применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых может строиться на одном или двух повторителях. В этом случае никаких ограничений на общую длину сети нет.

Таким образом, правило 4-х хабов превратилось для технологии Fast Ethernet в правило одного или двух хабов, в зависимости от класса хаба.

При определении корректности конфигурации сети можно не руководствоваться правилами одного или двух хабов, а рассчитывать время оборота сети, как это было показано для сети Ethernet 10 Мбит/с. Как и для технологии Ethernet 10 Мбит/с, стандарт 802.3 дает исходные данные для расчета времени оборота сигнала.

Технология Gigabit Ethernet

Технология Gigabit Ethernet -1000Base-x

Осенью 1995 года комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, но не стал этим ограничиваться и пошел далее. . Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, в максимальной степени подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом. Основной причиной энтузиазма была перспектива плавного перевода сетевых магистралей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet- расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся. В территориальных сетях такую скорость обеспечивала технология SDH, а в локальных — технология Fibre Channel.

Fibre Channel технология использовалась для подключения высокоскоростной периферии к крупным компьютерам и передаче данных по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной ~800Mb/s. (Именно метод кодирования 8В/10В, используемый в технологии Fiber Channel, был принят в качестве первого варианта физического уровня Gigabit Ethernet.).

Стандарт 802.3z был окончательно принят в 1998 году. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы проблемной группе 802.3ab ввиду сложности обеспечения гигабитной скорости на этом типе кабеля, который был создан для поддержки скоростей 100 Мбит/с. Проблемная группа 802.3аb успешно справилась со своей задачей, и версия Gigabit Ethernet для витой пары категории 5 была также принята.

Проблемы

• Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состояла в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

• Стандарт Gigabit Ethernet, на уровне протокола не поддерживает функции, которые необходимо было бы включить при разработке нового стандарта:

• качество обслуживания;

• избыточные связи;

• тестирование работоспособности узлов и оборудования (за исключением тестирования связи порт-порт, как это делается в Ethernet 10Base-T, l0Base-F и Fast Ethernet).

• Ответ состоит в том, что этими полезными свойствами в локальных сетях сегодня обладают коммутаторы, в которых работают дуплексные версии протоколов семейства Ethernet. Поэтому разработчики технологии решили, что базовый протокол просто должен быстро передавать данные, а более сложные и не всегда востребованные функции (например, поддержка параметров QoS) должны быть переданы протоколам верхних уровней, которые работают в коммутаторах.

• Что же общего имеется в технологии Gigabit Ethernet по сравнению с технологиями Ethernet и Fast Ethernet?

• Сохраняются все форматы кадров Ethernet.

• По-прежнему существует полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD.

• Сохранение недорогого решения на основе разделяемой среды позволяет применять Gigabit Ethernet в небольших рабочих группах, имеющих быстрые серверы и рабочие станции.

• Поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet волоконно-оптический, витая пара категории 5, экранированная витая пара.( витая пара категории 3 неподдерживается).

Проблемы-задачи, поставленные для 1000Base-X

• Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на оптическом кабеле. Технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с.

• Использование в качестве кабеля витой пары. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой — ведь даже для 100-мегабитных протоколов требуются достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля.

Решения - задач, поставленных для 1000Base-X

• Для решения этих задач разработчикам технологии Gigabit Ethernet пришлось внести изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.

Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде

• Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet до 200 м в полудуплексном режиме разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры. Они основаны на известном соотношении времени передачи кадра минимальной длины и времени оборота (PDV).

• Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 бит. Время оборота, соответственно, также можно было увеличить до 4095 битовых интервалов, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при исФормально минимальный размер кадра не изменился, он по-прежнему равен 64 байт или 512 бит, но поле расширения помещается после поля контрольной суммы кадра FCS и не учитывается.

• Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует.

• пользовании одного повторителя.

• Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название «расширение носителя».

• Для увеличения длины кадра до требуемой величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт.

• Формально минимальный размер кадра не изменился, он по-прежнему равен 64 байт или 512 бит, но поле расширения помещается после поля контрольной суммы кадра FCS и не учитывается.

• Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует.

• Поле расширения позволяет корректно обнаруживать коллизий, но увеличивает накладные расходы.

Для сокращения накладных расходов используется Режим пульсаций или Пакетная перегруженность (Packet Bursting)

• При использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название режима пульсаций. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65536 бит или 8192 байт.

Средства для диаметра сети в 200 м на разделяемой среде.

Режим пульсаций.

• Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять первый кадр до размера в 512 байт за счет поля расширения, а передавать несколько кадров подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется длиной пульсации. Если станция начала передавать кадр и предел длины пульсации достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца. Увеличение «совмещенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

• Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий, поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого своего оригинального кадра, включая расширение носителя, что безусловно увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках.

Спецификации физической среды стандарта 802.3z

• В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

• одномодовый волоконно-оптический кабель;

• многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;

• многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

• экранированный сбалансированный медный кабель.

Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей, работающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм.

Затухание многомодового оптоволокна на волне 850 нм более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм, но светодиоды с длиной волны 850 нм дешевле, чем на1300 нм.

• Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определяет спецификации 1000Base-SX и l000Base-LX. В первом случае используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength), а во втором — 1300 нм (L — Long Wavelength). Спецификация l000Base-SX может использовать только многомодовый кабель, при этом его максимальная длина составляет около 500 м.

• Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазерный диод с длиной волны 1300 нм. Спецификация 1000Base-LX может работать как с многомодовым (максимальное расстояние до 500 м), так и с одномодовым кабелем (максимальное расстояние зависит от мощности передатчика и качества кабеля и может доходить до нескольких десятков километров).

• Комитет 802.3z разработал и спецификацию по меди.

• В качестве среды передачи данных в спецификации 1000-СХ определен экранированный сбалансированный медный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Максимальная длина сегмента составляет всего 25 м, поэтому это решение подходит для соединения оборудования, расположенного в одной комнате.

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

• На рис.18.1 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/CX используется кодирование 8B/10B, а с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса GMII.

GMII интерфейс

• Независимый от среды интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем. GMII интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные шины для приемника и передатчика, и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию (clock signal), и два сигнала состояния линии - первый (в состоянии ON) указывает наличие несущей, а второй (в состоянии ON) говорит об отсутствии коллизий - и еще несколько других сигнальных каналов и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средазависимых интерфейсов, может подключать например к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса или входить в состав сетевой карты.

Подуровень физического кодирования PCS.

• При подключении интерфейсов группы 1000Base-X (оптика), подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8B10B, заимствованное из стандарта Fibre Channel. Аналогичного стандарту FDDI, каждые 8 входных битов, предназначенных для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10 битные символы (code groups). Кроме этого в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10 битные символы. Примером контрольных символов могут служить символы, используемые для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимально размера 512 байт). При подключении интерфейса 1000Base-T, подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование, для обеспечения передачи по витой паре UTP Cat.5 на расстояние до 100 метров -линейный код TX/T2, разработанный компанией Level One Communications – PAM-5.

Интерфейс 1000Base-X

• Интерфейс 1000Base-X основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel. Fibre Channel - это технология взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-х 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 сильно сократило время на разработку оригинального стандарта Gigabit Ethernet.

• Блочный код 8B/10B аналогичен коду 4B/5B, принятому в стандарте FDDI. Однако код 4B/5B был отвергнут в Fibre Channel, потому что этот код не обеспечивает баланса по постоянному току . Код 8B/10B позволяет избежать более 4 идентичных бит подряд, и ни в одном коде не должно быть более 6 нулей или 6 единиц.

• Отсутствие баланса, особенно при повторяющихся «единичных» битах «111111», потенциально может привести к зависящему от передаваемых данных нагреванию лазерных диодов. Чрезмерный нагрев лазерного диода, может быть причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях передачи, а также привести к выходу его из строя.

• 1000Base-X подразделяется на три физических интерфейса, основные характеристики которых приведены ниже:

• Интерфейс 1000Base-SX определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770-860 нм, 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;

• Интерфейс 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 до 25м;

Для справки в табл.1 приведены основные характеристики оптических приемо-передающих модулей, выпускаемых фирмой Hewlett Packard для стандартных интерфейсов 1000Base-SX (модель HFBR-5305, =850 нм) и 1000Base-LX (модель HFCT-5305, =1300 нм).

• При кодировании 8B/10B битовая скорость в оптической линии составляет 1250 бит/c. Это означает, что полоса пропускания участка кабеля допустимой длины должна превышать 625 МГц. Из табл. 2 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 ретрансляций (используются узкоспектральные DFB лазеры, работающие на длине волны 1550 нм).

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

• Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля.

• Это сразу снизило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Например, применение кода 4В/5В не может решить поставленную задачу, так как основной вклад в спектр сигнала на такой скорости у него вносит частота 155 МГц. Кроме того, не нужно забывать, что каждая новая технология должна поддерживать не только классический полудуплексный режим, но и дуплексный режим.

• Для кодирования данных был применен код РАМ5, в котором 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации (Iog₂5). Следовательно, для достижения скорости 250 Мбит/с тактовую частоту 250 МГц можно уменьшить в 2,322 раза. Разработчики стандарта решили использовать несколько более высокую частоту, а именно 125 МГц. При этой тактовой частоте код РАМ5 имеет спектр уже чем 100 МГц, то есть он может быть передан без искажений по кабелю категории_5. В каждом такте передается не 2,322 х 4 = 9,288 бит информации, а 8. Это и дает искомую суммарную скорость 1000 Мбит/с. Передача ровно 8 бит в каждом такте достигается за счет того, что при кодировании информации используются не все 625 (5⁴ = 625) комбинаций кода РАМ5, а только 256 (2⁸ = 256). Оставшиеся комбинации приемник использует для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума.

• Почему 5-уровневое кодирование. Распространенное четырехуровневое кодирование обрабатывает входящие биты парами. Всего существует 4 различных комбинации - 00, 01, 10, 11. Передатчик может каждой паре бит установить свой уровень напряжения передаваемого сигнал, что уменьшает в 2 раза частоту модуляции четырехуровневого сигнала, 125 МГц вместо 250 МГц, (рис.4), и следовательно частоту излучения. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. В результате чего становится возможной коррекция ошибок на приеме. Это дает дополнительный резерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум.

• Для организации дуплексного режима разработчики спецификации 802.3ab применили технику выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот (рис. 4-18.4). Н-образная схема гибридной развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема, и для передачи (так же, как и в трансиверах Ethernet на коаксиале).

• Для отделения принимаемого сигнала от собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные процессоры цифрового сигнала (Digital Signal Processor, DSP).