6.6. Уровень PHY

Стандарт PHY (physical layer protocol – протокол физического уровня) верхнего подуровня физического уровня (рис. 6.3) определяет те функции физического уровня, которые не привязаны к типу среды передачи. Это позволяет модифицировать среду передачи, например использовать витую пару вместо оптического волокна, но при этом не изменять параметры уровня PHY.

Следующие компоненты, функции и характеристики определяются уровнем PHY:

•таймер и схема синхронизации – настройка временных параметров на основе временного анализа движения маркера и кадров данных по кольцу;

•процесс кодирования и декодирования – преобразование полученных от уровня MAC данных в формат, принятый для передачи между сетевыми устройствами FDDI;

•управляющие символы – минимальные сигнальные кванты, используемые для установления связи между станциями;

•эластичный буфер, используемый для компенсации допустимого отклонения часов соседних станций;

•функция сглаживания, позволяющая избежать потери кадров, имеющих короткие преамбулы;

•фильтр повторений, предотвращающий распространение ошибочных кодов и кодов сбойного состояния линии.

Синхронизация часов

Стандарт FDDI PHY определяет использование распределенных по станциям часов. Каждая станция имеет двое часов – часы для передачи и часы для приема данных [1, 11].

Часы для передачи данных не перестраивают частоту. На частоте этих часов станция передает или повторяет информацию в кольцо.

Часы для приема, напротив, имеют возможность подстраивать частоту. Получая данные, станция синхронизирует приемные часы по приходящей последовательности символов преамбулы, которая следует перед кадром. Далее станция декодирует данные кадра по этим ча- сам. Частота приходящих битов определяется частотой передающих часов станцииотправителя этих битов. Следовательно, приемные часы синхронизируются по частоте передачи предыдущей станции. Однако, если нужно передавать эти данные обратно в кольцо, т.е. повторить, станция будет использовать свои собственные часы.

Кодирование и декодирование данных

Данные, прежде чем передаваться по сети, подвергаются кодированию с целью их более надежной передачи. Эту функцию выполняет уровень PHY, который кодирует полученные от уровня MAC данные и затем направляет их на уровень PMD. Уровень PHY также обрабатывает и обратный поток от PMD к MAC, рис. 6.14.

FDDI использует две последовательные системы кодирования: 4B/5B и NRZI – невозвращение к нулю с последующей инверсией на единицах [12].

Система кодирования данных 4B/5B. Если бы FDDI использовал ту же схему кодирования битов, что и применяемая в Token Ring или Ethernet, на каждый полезный бит информации приходилось бы два передаваемых сигнальных бита (манчестерское кодирование), рис. 6.15. Таким образом, потребовалось бы посылать 200 миллионов сигналов в секунду, чтобы передавать со скоростью 100 Мбит/с. Вместо этого в FDDI принята схема кодирования 4В/5В с меньшей избыточностью кода, которая преобразовывает каждые 4 бита данных в 5-битовые коды – символы, табл. 6.7. В результате, при скорости передачи данных 100 Мбит/с схема 4В/5B отправляет 125 миллионов сигналов в секунду (125 Мбод).

Заметим, что кодер 4B/5B обрабатывает группы битов (4 бита), соответственно декодер обрабатывает символы (5 битов). Следовательно, декодер должен выделять символы из непрерывного битового потока. Для этой цели, в частности, приемник синхронизируется с передатчиком на этапе приема.

Манчестерский код

Таймер

Ðèñ. 6.15. Манчестерское кодирование, принятое в сетях Ethernet и Token Ring

Система кодирования NRZI. После выполнения кодирования данных 4B/5B происходит дальнейшее, теперь уже побитовое, кодирование NRZI. В этой схеме нулю входящей последовательности соответствует повторение уровня предыдущего элемента (сохранение состояния), а единице – энергетический переход в альтернативное состояние, рис. 6.16. Таким образом, чем больше единиц во входной последовательности, тем больше будет перепадов сигнала на выходе (выше эффективная частота в линии) и наоборот.

Преобразование NRZI, если его рассматривать отдельно, не очень эффективно. Например, если передаются только 0, то приемник на удаленном узле все это время не будет обнаруживать перепадов сигнала, что ухудшает синхронизацию приемника. Поскольку практически было бы невозможно предотвратить эту ситуацию (нельзя гарантировать, что в потоке данных от пользователя не будут появляться длинные последовательности нулей), дополнительное кодирование предшествует NRZI. Это кодирование должно гарантировать, что после него не будут встречаться большие последовательности нулей, независимо от того, какие данные передаются от пользователя. И именно эту функцию обеспечивает кодирование 4B/5B, которое, таким образом, помогает не только повысить помехоустойчивость передаваемой информации, но и решить проблему синхронизации. Природа кодирования 4B/5B такова, что в выходном битовом потоке никогда не встретится больше трех нулей.

Заметим, что первый бит выходной последовательности не определен. Эта неопределенность, однако, не опасна, поскольку приемник срабатывает по перепаду входного сигнала (отсутствие перепада означает 0, перепад – 1). Таким образом, в случае использования опти- ческой среды связи, последовательность нулей на входе кодировщика NRZI, которых может быть максимум три, преобразуется либо в непрерывный световой сигнал, либо в полное его отсутствие. Процесс декодирования происходит в обратном порядке.

Контрольные

символы

Ðèñ. 6.16. Система кодирования 4B/5B, NRZ и NRZI

Символы кодирования. В табл. 6.7 представлен список 5-битовых символов, используемых в стандарте FDDI. Допустимо всего 32 возможных комбинации из 5 бит, из которых реально задействованы только 25 символов. По назначению они разбиваются на 4 группы [12]:

•Символы статуса линии (3) – Q, I, H. Эти символы сигнализируют о состоянии линии и распознаются оборудованием физического уровня (PHY). Группы этих символов используются на этапе установления связи между уровнями PHY соседних устройств. Символ I (Idle) передается в промежутках между передаваемыми кадрами с целью поддержки синхронизации приемных часов станций.

•Ограничители (4): начальные – J, K, L, конечный – T. Начальный ограничитель L не используется в базовом стандарте FDDI и предназначается для FDDI-II.

•Контрольные индикаторы (2) – R, S.

•Символы данных (16). Эти символы не являются служебными и используются для кодирования данных.

Оставшиеся семь символов из 32 (см. табл. 4.1) не передаются – передача их нарушила бы рабочую длину кода и требования по балансу постоянной составляющей. Символы обычно объединяются в пары, так что общее число символов в кадре всегда четно и не превышает 9000.

Баланс постоянной составляющей. В FDDI, в силу особенностей кодирования, может наблюдаться эффект смещения постоянной составляющей от среднего значения. Отклонение постоянной составляющей (baseline wander) возникает, когда усредненное по какому-то промежутку времени значение переменного сигнала ненулевое. При манчестерском кодировании каждый входной бит представляется парой сигналов +1 и –1, таким образом сохраняется нулевой баланс по постоянному току. В стандарте FDDI совокупность кодирований 4B/5B и NRZ/NRZI не гарантирует нулевой баланс в выходной последовательности, но дает достаточ- но близкое значение к 0. В наихудшем случае допускается отклонение ±10%. Это важное свойство выходной последовательности должно учитываться при конструировании приемников.

Состояния линии. Во время процедуры установления соединения соседние станции обмениваются не отдельными символами, а достаточно длинными последовательностями символов, что повышает надежность взаимодействия. Эти последовательности называются состояниями линии (line states).

Состояния линии (обозначения и описания) приведены в табл. 6.8. Отметим, что кодирование NRZI символов состояний линии приводит к меандру – регулярным волнам с квадратными фронтами различной частоты. Максимальная частота имеет место при состоянии линии ILS – 62,5 МГц. Всего используется 4 состояния линии: QLS, MLS, HLS и ILS. Оставшиеся два – ALS и NLS – обозначают соответственно нормальный рабочий режим канала, сопровождающийся передачей данных, и плохую линию с большим уровнем помех.

Таблица 6.7. Кодирование символов в FDDI

* Символы VIOLATION (нарушение) при правильной работе сети не передаются, следовательно, прием такого символа может означать либо низкое качество линии (большой уровень ошибок, помех), либо неисправность соседней передающей станции.

Особенности кодирования при передаче по витой паре

Схему кодирования 4B/5B+NRZI нельзя применять к медной кабельной системе на основе неэкранированной витой пары UTP кат.5 из-за жестких требований по электромагнитному излучению и длине сегментов. В то же время, эта схема допустима при использования эк-

ранированной витой пары IBM тип 1 или 2 – SDDI. Поэтому спецификации уровня FDDI TPPMD, главным образом, ориентированы на создание помехоустойчивого кода в линии на основе UTP кат.5. Рассмотрение работы уровня TP-PMD интересно вдвойне, поскольку эти спецификации также были использованы позже в стандарте Fast Ethernet (100Base-TX) – весьма популярном современном сетевом стандарте.

Таблица 6.8. Состояния линии

Для передачи сигнала по UTP кат.5 с целью уменьшения высокочастотной составляющей электромагнитного излучения и достижения максимального расстояния передачи (100 м), наряду со схемой NRZ/NRZI, дополнительно используется схема MLT-3. Также особенностью передачи по неэкранированной витой паре является наличие скремблера на передающей стороне (дескремблера на приемной), и подстраиваемого эквалайзера, который устанавливается на приемной стороне и предшествует дескремблеру. Скремблер устанавливается после кодера MLT-3, и предназначен для уменьшения величины пиков сигналов в энергетическом спектре. Эквалайзер устанавливается на приемной стороне. Он, подстраиваясь под разную длину кабеля, принимает и преобразовывает сигнал к виду, приемлемому для дескремблера, рис. 6.17.

Ðèñ. 6.17. Схема основных узлов уровня TP-PMD

Схема кодирования MLT-3. Эта схема описана в спецификациях TP-PMD FDDI и реализует трехуровневый выходной сигнала (+1, 0, –1). Схема аналогична NRZI в том, что перепады уровня в выходном сигнале происходят только тогда, когда на вход поступает 1. Причем, направление перехода из нулевого состояния в положительное или отрицательное определяется предысторией: если последний переход в нулевое состояние был из положительного состояния, то по приходу 1 переход будет в отрицательное состояние, и наоборот, если последний переход в нулевое состояние был из отрицательного, то по приходу 1 переход будет произведен в положительное состояние.

Максимальное число перепадов на выходе кодера имеет место тогда, когда на вход подается последовательность из единиц. Но и в этом случае период волнового фронта будет 4 бита, что эффективно ведет к уменьшению частоты сигнала в линии в 4 раза, то есть 31,25 МГц (вместо 125 МГц), что позволяет приблизиться к требованиям передачи данных по неэкранированной витой паре.

входных битов

NRZI

MLT-3

Таймер

(125 МГц)

Ðèñ. 6.18. Пример кодирования MLT-3

Скремблер. Применение кодера MLT-3 само по себе еще не достаточно хорошее решение, чтобы удовлетворить требования радиочастотного электромагнитного излучения. Неэкранированная витая пара излучает значительно сильней экранированной витой пары, и, тем более, оптического волокна, особенно если передавать по ней сигнал с полосой 100 Мбит/c. Главное назначение скремблера – уменьшение значений энергетических пиков в спектре излучения витой пары.

Скремблер устанавливается между кодерами NRZI и MLT-3. Он модифицирует последовательность битов после кодера 4B/5B, подмешивая псевдослучайный компонент (использу-

ется полиномиальная функция x11 + x9 ), рис. 6.19. Этот компонент затем удаляется на приемной стороне при помощи дескремблера. Для того, чтобы можно было восстановить битовый поток на приемной стороне необходимо, чтобы скремблер и дескремблер были синхронизированы между собой. В стандарте FDDI синхронизация происходит при помощи последовательностей символов состояний линии (ILS, MLS, QLS, HLS), что создает определенный рисунок сигнала на приеме. По этому рисунку "запускается" дескремблер. Скремблер и дескремблер имеют совершенно одинаковый принцип действия и используют одно и тоже "затравочное" 11-битовое число. Таким образом, двойное применение скремблирования к биту потока восстанавливает прежнее значение.

Регистр сдвига

Ðèñ. 6.19. Работа скремблера с функцией