10.4. Сетевая технология Gigabit Ethernet

Технология Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1 Гбит/с (1000 Мбит/с) – это естественный, эволюционный путь развития концепции, заложенной в стандартной сети Ethernet. Она наследует все недостатки своих прямых предшественников, например, негарантированное время доступа к сети. Однако огромная пропускная способность приводит к тому, что загрузить сеть до тех уровней, когда этот фактор становится определяющим, довольно трудно. Зато сохранение преемственности позволяет легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть, и, самое главное, переходить к новым скоростям постепенно, вводя гигабитные сегменты только на самых напряженных участках сети.

Семейство стандартов 802.3z описывает несколько вариантов волоконно-оптических стандартов, использующих различные типы светодиодных и лазерных передатчиков и обеспечивающих разные соотношения стоимости порта и дальности передачи. Кроме этого, в стандартах представлены спецификации физического уровня 1000Base-CX (обеспечивает передачу по витой паре не ниже 6 категории и специальному двуосному кабелю на расстояние до 25 м) и 1000Base-T (обеспечивает полнодуплексную передачу по четырехпарным кабелям категории 5 на расстояния до 100 м).

Новый стандарт использует и новые правила кодирования сигналов, передающих­ся по оптоволокну. «Манчестерский» код при скорости передачи данных 1 Гбит/с потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это за­нимает слишком большую долю пропускной способности. Поэтому вместо «манчестерского кодирования» применяется схема, называемая 8В/10В, в которой каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи по волоконно-оптическому кабелю десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодо­вых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:

– ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;

– ни в одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести единиц.

Такие правила, во-первых, обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком, а во-вторых, примерно выравнивают количе­ство нулей и единиц. К тому же многие вхо­дящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, ве­роятнее всего, выберет из них то, которое уравняет число нулей и единиц.

Сбалансированному количеству нулей и единиц придается важное значение, потому что необходимо держать постоянную составляющую сигнала как можно на более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи без изменений.

Гигабитный Ethernet спецификации 1000Base-T использует иную схему кодирования, поскольку для медного кабеля изменить состояние сигнала в течение 1 нс затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется од­ним из пяти уровней напряжения. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01, 10 или 11. Есть еще одно служебное значение напряжения, применяемое для специальных целей кадрирования и управления. Таким образом, на од­ну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна 125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разработчики спецификации 1000Base-T применили технологию, в которой вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Двунаправленная передача по четырем витым парам UTP

категории 5: T – передатчик, R – приемник, H – гибридная развязка

Схема гибридной развязки H позволяет приемнику R и передатчику T одного и того же узла одновременно использовать витую пару как для приема, так и для передачи. Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Эту операцию выполняют специальные цифровые сигнальные процессоры DSP (Digital Signal Processor). Отметим, что при полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается коллизией, а для полнодуплексного режима работы – нормальной ситуацией.