9.2. Фізичний рівень
Фізичний рівень складається з середовища передачі (оптичний кабель або вита пара) і методів кодування інформації для кожної швидкості передачі. На рис. 9.1 представлена структура канального і фізичного рівня Ethernet100BASE-Т відповідно до стандарту IЕЕЕ 802.3. Тут Мdi (Medium Dependent Interfase) — інтерфейс, залежний від середовища передачі даних; РМА (Physical Medium Attachment — доповнення фізичного середовища передачі; PCS (Physical Coding Sublayer — підрівень фізичного кодування; MII (Media Independent Interface) — інтерфейс між підрівнями, не залежний від типу лінії передачі.
MDI на рис. 9.1 — це пристрій для з'єднання лінії зв'язку з трансивером. Підрівень РМА включає трансивер, а також схему синхронізації даних, що приймаються. Підрівень PCS забезпечує схему кодування, мультиплексування і синхронізації потоку символів, а також вирівнювання спектру кодового сигналу, демультиплексування і декодування. Підрівень узгодження забезпечує узгодження інтерфейсу Мii з МАС-рівнем. Інтерфейс Мii не залежний від типу середовища передачі, забезпечує зв'язок між рівнем МАС і підрівнем PHY.
Рис. 9.1. Структура фізичного і канального рівня Ethernet
Описана структура 100ВАSE-Т за допомогою Мii може бути підключена до фізичних рівнів типу 100ВАSЕ-Т4 (використовує чотири неекрановані виті пари категорії не нижче 3), 100ВАSE-ТХ (використовує дві неекрановані або екрановані виті пари категорії не нижче 5), 100ВАSE-FХ (використовує два багатомодові оптичні кабелі) і 100ВАSЕ-Т2 (використовує дві неекрановані виті пари категорії не нижче 3).
У структурі на рис. 9.1 може бути ще присутнім необов'язковий блок автоматичного вибору швидкості передачі. Термін «100BASE-Х» використовується для загального позначення 100ВАSE-ТХ і 100ВАSE-FХ.
Методи кодування. Найбільш поширені в промисловій автоматизації стандарти 10ВАSE-Т і 100ВАSE-ТХ використовують манчестерський код для швидкості передачі 10 Мбіт/с і 4В/5В-кодування у поєднанні з NRZI (NRZ Inverted — інвертований NRZ, рис. 9.2) для швидкості 100 Мбіт/с.
Рис. 9.2. Порівняння різних способів кодування двійкових цифр електричними сигналами
При низькій швидкості обміну (10 Мбіт/с) використовується манчестерський код, при якому логічна одиниця кодується переходом сигналу з низького рівня на високий (рис. 9.2), а логічний нуль — переходом з високого рівня на низький. Недоліком манчестерського коду є широка смуга частотного спектру, пов'язана з необхідністю перемикання рівнів сигналу під час вступу кожної двійкової цифри (порівняєте його з NRZ-кодом на рис. 9.2).
У спектрі манчестерського коду присутні дві яскраво виражені гармоніки, які при швидкості передачі 10 Мбіт/с складають 10 Мгц при передачі всіх одиниць і 5 Мгц, — для сигналу, що складається з нулів, що чергуються, і одиниць.
Для зменшення перешкод, що випромінюються лінією при швидкості передачі 100 Мбіт/с (100BASE-ТХ), використовується NRZI-кодування, при якому двійковій одиниці відповідає зміна рівня NRZI-сигналу, а нулю — її відсутність (рис. 9.2). Високий або низький рівень NRZI-сигналу встановлюється залежно від того, який рівень був до нього. Логічній одиниці відповідає зміна сигналу незалежно від того, який рівень був присутній на шині раніше. Рівень не змінюється, якщо потрібно закодувати логічний нуль. Інакше кажучи, логічна одиниця при NRZI-кодуванні інвертує попередній логічний стан, тому в назві коди присутнє слово Inverted.
NRZI-кодування, як і NRZ, дозволяє передати в два рази більше інформації в порівнянні з манчестерським кодуванням при тій же частоті зміні рівнів сигналу і, відповідно, в два рази знизити максимальну частоту випромінюваних перешкод при тій же швидкості передачі інформації. Максимальна частота зміни рівнів при NRZI кодуванні знижується до 62,5 Мгц в порівнянні з максимальною частотою зміни рівнів сигналу 125 Мгц для швидкості передачі 100 Мбіт/с (пояснення див. нижче, при описі 4В/5В-кодування).
При переході до швидкості передачі 100 Мбіт/с проблема зниження потужності випромінюваних перешкод стає особливо гостро, тому для подальшого зниження ширини спектру сигналу в 100ВАSE-ТХ замість дворівневого сигналу використовується трирівневий МLT-3 (MultiLevel Threshold-З — багаторівневий 3-пороговий, див. рис. 9.2). Завдяки тому, що для кодування інформації використовуються три рівні (а не два), збільшується кількість інформації, яка може бути закодована в сигналі при тій же ширині спектру і тривалості сигналу. Максимальна частота зміни рівнів сигналу при швидкості передачі 100 Мбіт/с знижується з 62,5 Мгц при NRZI-кодуванні до 31,25 Мгц при поєднанні NRZI кодів з MLT-3.
Оскільки при використанні NRZI-кодування послідовність нулів кодується нульовим рівнем сигналу, в передаваному сигналі з'являються послідовності з декількох нулів, що повторюються, які породжують проблему синхронізації на стороні приймача. Для її усунення використовують кодування 4В/5В. Суть його полягає в наступному. До кожної тетради (4 біти) передаваних даних додається 5-й біт. Слово, що вийшло, завдовжки 5 біт дозволяє записати 25=32 кодових комбінації, з якої виключають комбінації, що мають три і більше нулі. Комбінації, що залишилися, ставлять у відповідність шістнадцятирозрядним числам від 0 до F, отримуючи, таким чином, таблицю кодування. Цей підхід дозволяє забезпечити, принаймні, два фронти сигналу на одну тетраду, що спрощує синхронізацію даних в приймачі. Додавання п'ятого біта (25 % від довжини тетради) тягне за собою необхідність збільшення частоти передачі зі 100 до 125 Мгц для збереження ефективної пропускної спроможності каналу 100 Мбіт/с.
Діапазон частот, в якому потужність випромінюваних перешкод максимальний, залежить від розподілу нулів і одиниць в передаваних даних. При 4В/5В кодуванні максимальна потужність перешкод виникає на частоті, з якою повторюються 5-бітові послідовності. Для зменшення перешкод можна вибрати таке шифрування (скремблювання) передаваних даних, при якому потужність перешкод буде розподілена по всьому діапазону частот рівномірно. Це виконується за допомогою блоку скремблювання і дозволяє на 20 дБ (у 10 разів) знизити потужність основної гармоніки, розподіливши її рівномірно по всьому діапазону випромінюваних частот.
Перераховані методи зменшують ширину спектру до 31,25 Мгц при швидкості передачі 100 Мбіт/с.
Структурна схема блоку РHY показана на рис. 9.3. Блок складається з приймаючого (внизу) і передаючого (вгорі) каналу, які через ізолюючі трансформатори підключаються до лінії передачі (дві виті пари) через роз'єм RJ-45. Трансформатори використовується для ізоляції трансівера від високої синфазної напруги, яка може з'являтися на лінії унаслідок електромагнітних і електростатичних наведень.
Рис. 9.3. Структурна схема блоку РHY Ethernet
Цоколівка роз'єму RJ-45 показана на рис. 9.4.
Рис. 9.4. Цоколівка роз'ємів Ethernet-кабеля: нормального (а) і такого, що перехрещується (б)
При з'єднаннях двох комп'ютерів (і інших кінцевих станцій, які мають ідентичні роз'єми) необхідний кабель (рис. 9.4, б), що перехрещується, оскільки приймач повинен бути сполучений з передавачем, і навпаки. При з'єднанні комп'ютера з мережевими пристроями (комутаторами, повторювачами і так далі) використовується прямий кабель (рис. 9.4, а), оскільки необхідні з'єднання контактів з друкованою платою виконані на самій платі. Багато сучасних комутаторів Ethernet автоматично визначають полярність жил кабелю, тому для них можна використовувати обидва варіанти. Невикористовувані виводи на рис. 9.4 іноді застосовуються для передачі напруги живлення між пристроями.
Доступ до лінії передачі. Блок CSMA/СD на рис. 9.3 виконує прослуховування лінії передачі (Сs — Сarrier Sense, щоб визначити її зайнятість; забезпечує доступ багатьом учасникам мережі до загальної лінії передачі (МА — Multiple Access) і виявляє колізії в лінії (Сd — Соllision Dtection). Якщо при прослуховуванні лінії виявлено, що вона вільна, може починатися передача даних. Якщо в той же час передачу починають і інші пристрої в мережі, це вважається нормальною подією (нагадаємо, що в RS-485 інтерфейсі одночасна передача декількох пристроїв є забороненим режимом і приводить до перегріву вихідних каскадів передавачів).
Якщо при прослуховуванні лінії пристрій виявляє, що під час роботи його передавача в лінії є дані від інших пристроїв (цей стан лінії називається колізією), то передача припиняється і поновлюється після закінчення випадкового проміжку часу. Колізії виникають не тільки при одночасному початку передачі декількома пристроями, але і у разі, коли в мережі є велика затримка (наприклад, через велику довжину кабелю або велику кількість повторювачів). За наявності затримки можлива ситуація, коли одна станція почала передачу, але дані ще не дійшли до іншої станції, яка прослуховує лінію з метою почати передачу.
Для нормального розпізнавання колізії вона повинна бути виявлена під час передачі кадру (а не після). Для цього затримка сигналу в мережі не повинна бути дуже великою. Так, при швидкості передачі 100 Мбіт/с довжина кабелю не повинна перевищувати 100 м і між будь-якими двома станціями повинні бути не більше чотирьох концентраторів.
Під час передачі даних по лінії всі пристрої мережі знаходяться в режимі прийому, але тільки один з них, який ідентифікує в передаваному кадрі свою адресу, приймає дані в буфер і посилає кадр-відповідь. Після завершення одного акту обміну даними всі станції повинні витримати паузу завдовжки в 9,6 мкс при швидкості передачі 10 Мбіт/с і 0,96 мкс при 100 Мбіт/с.
Колізії і повторні спроби передачі кадру є причиною того, що час доставки повідомлення в мережі Ethernet не є детермінованим і його величина різко зростає із зростанням завантаженості мережі. Причина полягає в тому, що при виникненні колізій завантаженість мережі зростає унаслідок спроб повторної передачі одних і тих же кадрів при виникненні колізій. Тому теоретично можлива ситуація, при якій пристрій ніколи не отримає доступ до мережі.
Таке положення з'явилося основною причиною, по якій мережа Ethernet довгий час не знаходила застосування в промисловій автоматизації. Цю проблему вдалося вирішити за допомогою комутаторів.
Комутатори
Комутатор є інтелектуальним багатопортовим пристроєм, який встановлює фізичний зв'язок між двома Ethernet пристроями. При цьому інші пристрої мережі виявляються не підключеними до створеного каналу передачі. Таким чином, замість спільного каналу передачі комутатор дозволяє отримати декілька незалежних один від одного каналів між парами пристроїв. Мережа виявляється, розділена на незалежні сегменти, в кожному з яких може відбуватися обмін інформацією незалежно від інших. Це приводить до збільшення пропускної спроможності мережі, зниження коефіцієнту завантаженості, а також до усунення колізій.
Колізії повністю усуваються тільки при повнодуплексній передачі, оскільки завдяки комутатору в один і той же час в будь-якому сегменті мережі можуть одночасно передавати дані тільки два пристрої, і вони можуть це робити, не заважаючи один одному завдяки дуплексному каналу, що використовує дві виті пари проводів. При напівдуплексному зв'язку обидва пристрої можуть почати передачу одночасно, і, оскільки вони підключені до однієї і тієї ж пари проводів, може виникнути колізія, хоча і з дуже малою вірогідністю. Відмітимо, що повнодуплексний режим можливий тільки при з'єднанні «точка-точка», яке реалізується за допомогою комутаторів.
Для виконання завдання сегментації мережі комутатор містить таблицю МАС-адрес мережевих пристроїв (до декількох тисяч). Таблиця адрес може бути занесена в комутатор при його настройці або згенерована комутатором автоматично. У останньому випадку якийсь час після інсталяції комутатор пасивно спостерігає за діяльністю мережі, збираючи МАС адреси пристроїв, від яких приходять дані і заносячи їх в таблицю. Після завершення акту «навчання» комутатор користується створеною таблицею для розподілу постуваючих до нього кадрів.
МАС адреса (Ethernet-адреса) — це апаратна, або фізична адреса пристрою (або мережевої карти) в мережі. Складається з 48 біт (6 байтів, наприклад 00-08-74-4С-7F-1D, три з яких встановлюються організацією IЕЕЕ кожному виробникові індивідуально, а другі три встановлює виробник. МАС адреса записана в ПЗП мережевого пристрою і не може бути змінена. МАС адресу треба відрізняти від IР адреси (наприклад, 192.168.0.1), яка є логічною (протокольним, віртуальним) адресою і призначається адміністратором мережі (молодші цифри), Інтернет-провайдером і регіональним Інтернет реєстратором.
Якщо 2N пристроїв з'єднуються через комутатор попарно, пропускна спроможність мережі зростає в N разів. Проте в загальному випадку збільшення пропускної спроможності може бути менше, якщо декілька пристроїв намагаються з'єднатися через комутатор з одним і тим же мережевим пристроєм.
Оскільки пропускна спроможність вихідного порту комутатора обмежена, вхідний трафік виявляється у декілька разів більше вихідного, а буферна пам'ять комутатора обмежена. Це може призвести до втрати даних, якщо не вжити заходів для придушення вхідного трафіку. Придушення виконується за допомогою спеціальної технології Advansed Flow Control, коли мережевий адаптер, що підтримує цей стандарт, після отримання команди від комутатора «Припинити передачу», припиняє передачу кадрів, а після команди «Відновити передачу» відновлює її.