Лекція 9. Fast Ethernet
.docx
Тема 9. Технологія Fast Ethernet.Gigabit Ethernet.
Тип заняття: лекційне.
Цілі заняття:
Вивчити основні характеристики стандартів ІЕЕЕ 802.3и, ІЕЕЕ 802.3z.
Матеріали по заняттю: Література [Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологи, протоколы: Учебник для вузов. 4-е узд. – СПб.: Питер, 2011.- ].
План заняття:
І. Привітання.
ІІ. Повторення матеріалу попередньої лекції.
ІІІ. Викладення матеріалу лекції.
ІV. Узагальнення результатів заняття.
ІІ. Питання для повторення:
Назвіть основні характеристики стандарту ІЕЕЕ 802.3.
Правила мережі 10BASE-2.
Правила мережі 10BASE-5.
Правила мережі 10BASE-Т.
ІІІ. Викладення нового матеріалу.
Мережі Fast Ethernet
З початку 90-х років минулого століття став відчуватися недолік пропускної здатності мережі Ethernet. При розробці нової Ethernet фахівці розділилися на 2 табори, що привело до появи двох нових стандартів: Fast Ethernet і 100 VG-Any LAN. Мережа Fast Ethernet виявилася максимально наближена до класичного Ethernet, друга - мережа 100 VG-Any LAN, сумісна з Token Ring.
Всі відмінності Fast Ethernet (специфікація IEEE 802.3u) від класичної Ethernet зосереджені на фізичному рівні. Верхні рівні залишилися колишніми. Для технології Fast Ethernet розроблені різні варіанти фізичного рівня, що відрізняються не тільки типом кабелю й електричних параметрів імпульсів, але й способом кодування сигналів, а також кількістю використовуваних у кабелі провідників. У попередніх підрозділах відзначалося, що в класичної Ethernet для передачі лінійних сигналів застосовується манчестерское кодування. Однак використання його для більше високошвидкісних мереж (100 або 1000 Мбит/с) є неприйнятним, тому що електричні кабелі не розраховані на роботу при настільки високих частотах. Тому в мережах Fast Ethernet застосовуються інші лінійні коди (NRZI і MLT-3), а для поліпшення їхніх синхронізуючих властивостей вхідні дані піддаються додатковому кодуванню. Така додаткова обробка складається в логічному блоковому кодуванні, при якому одна група біт по певному алгоритмі заміняється іншою групою. Найпоширенішими типами подібного кодування є надлишкові коди 4У/5У, 8У/6Т и 8У/10Т. Із цієї причини фізичний рівень Fast Ethernet має більше складну структуру, чим класичний Ethernet.
Стандартом передбачено кілька варіантів мережі Fast Ethernet: 100BASE-T4, 100BASE-TX і 100BASE-FX.
100BASE-TX призначена для передачі даних по двох кручених парах кабелю 5-й категорії, причому одна пара використається для передачі даних, а друга - для їхнього прийому. Максимально припустима довжина кабелю 100 метрів. Кабель зв'язку може бути екранованим, або неекранованим. Використається алгоритм перетворення кодів даних 4У/5У и спосіб лінійного кодування MLT-3.
100BASE-FX - як сегменти застосовується два световода оптоволоконного кабелі (один для передачі іншої для прийому), зокрема мультимодовое волокно діаметром 62,5/125 мкм, що працює в інфрачервоному діапазоні 1350 нм. Максимальна довжина сегмента становить 412 метрів при напівдуплексному режимі й до 2-х км при повному дуплексі. Використається алгоритм перетворення кодів даних 4В/5В и спосіб лінійного кодування NRZI. Специфікації 100BASE-TX і 100BASE-FX розроблені американським національним інститутом стандартів ANSI, їх іноді в загальному виді позначають як 100BASE-X.
100BASE-T4 - це особлива специфікація, запропонована комітетом IEEE 802.3u, відповідно до якої передача даних здійснюється по чотирьох кручених парах неекранованого телефонного кабелю UTP категорії 3 довжиною до 100 метрів. Рекомендовано алгоритм перетворення кодів даних 8У/6Т и спосіб лінійного кодування NRZI.
Коаксіальний кабель у переліку використовуваних ліній зв'язку не значиться. Це пояснюється тим, що на невеликих відстанях кручена пари може передавати дані з тією же швидкістю, що й коаксіальний кабель, однак мережа виходить більше дешевої й зручної в експлуатації. На більших відстанях оптоволоконные лінії має більше широку смугу пропущення, чим коаксіальні кабелі, а вартість мережі на оптичній лінії не набагато вище. Відмова від коаксіального кабелю привів до того, що мережа Fast Ethernet завжди має ієрархічну деревоподібну структуру, побудовану на концентраторах-повторювачах, аналогічну мережі Ethernet 10BASE-T (малюнок 9.1).
Для ідентифікації варіанта мережі розроблений спеціальний протокол розпізнавання, що дозволяє будувати мережі, що містять устаткування й кабельні сегменти, що відповідають різним вимогам. Для всіх трьох варіантів Fast Ethernet характерні наступні риси:
формати кадрів не збігаються з форматом класичної Ethernet;
межкадровый інтервал дорівнює 0,96 мкс (у класичній мережі Ethernet -9,6 мкс), а тривалість одиничного елемента (бітовий інтервал) становить 10 не.
метод лінійного кодування відрізняється від кодування в мережі Ethernet, зокрема, застосовується логічне кодування типу 4У/5У або 8У/6Т и лінійне кодування MLT-3 або NRZI (в 10BASE-T використається манчестерское кодування);
для індикації не зайнятого стану середовища передається спеціальний символ "Idle" (порожній, незайнятий), у якості якого застосовується одна з невикористовуваних комбінацій лінійного коду (у класичної Ethernet при вільній лінії сигнал у ній відсутній повністю).
Малюнок 9.1 - Структура мережі Fast Ethernet
Службовий символ Idle (11111), постійно передається трансмітером концентратора для контролю фізичного стану з'єднань і підтримки прийомних пристроїв мережних адаптерів у синхронному й синфазному стані. Для відділення кадру Ethernet від символів Idle у потоці сигналів манчестерского коду використається пара службових кодових слів 11000 і 10001, а після завершення кадру перед першим символом Idle вставляється керуюче слово 01101 (символ Т).
Фізичний рівень містить три компоненти: незалежний від середовища інтерфейс Mil (Media Independent Interface); пристрій фізичного рівня PHY (Physical layer device) і подуровень узгодження (reconciliation sublayer). Подуровень узгодження ввели для того, щоб Мас-уровень, розрахований на інтерфейс AUI, міг працювати з фізичним рівнем через інтерфейс МП.
Універсальна схема підключення комп'ютера або будь-якого іншого встаткування (наприклад, мережного принтера) до 100-мегагерцовой Ethernet показана на малюнку 9.2.
Фізичне середовище служить для передачі сигналів Ethernet від однієї станції до іншої. Для перерахованих видів фізичного середовища, використовуваних Fast Ethernet (T4, ТХ і FX) застосовується залежний від середовища інтерфейс MDI (Medium Dependent Interface), зокрема 8-контактне рознімання RJ-45 для неекранованих кручених пар. Для екранованих кручених пар як рознімання MDI необхідно використати рознімання STP IBM типу 1, що є різновидом екранованого рознімання DB-9. Підключення оптичних сегментів рекомендується виконувати за допомогою з'єднувачів типу MIC (Media Interface Connector), використовуваних також у мережах FDDI, або дуплексним з'єднувачем типу SC, що є єдиним рекомендованим комітетом IEEE для вживання в мережі 100BASE-FX Fast Ethernet.
/
Малюнок 9.2 - Структурна схема підключення встаткування в Fast Ethernet
Пристрій фізичного рівня PHY виконує ту ж функцію, що й трансивер у класичної Ethernet. Оскільки Fast Ethernet може використати різний тип кабелю, то для кожного середовища потрібно унікальне попереднє перетворення сигналу, що забезпечує зниження перекручувань сигналів даних і підвищення завадостійкості їхнього прийому, а також поліпшення умов синхронізації тактових генераторів на передавальній і приймальні сторонах. Пристрій фізичного рівня у свою чергу ділиться на чотири подуровня (малюнки 3.23). У подуровне кодування виконується кодування й декодування даних з використанням алгоритмів логічного кодування 4У/5У або 8У/6Т.
У подуровнях фізичного приєднання й залежності від фізичного середовища здійснюється зв'язок між подуровнем кодування й залежної від середовища інтерфейсом MDI. При цьому виконується перетворення сигналів по алгоритму NRZI або MLT-3 (див. підрозділи 2.2.2 і 2.2.3).
У подуровне автопереговоров реалізується взаємодія двох взаємозалежних портів, у результаті якого автоматично вибирається найбільш ефективний режим роботи: дуплексний або напівдуплексний зі швидкістю обміну 10 або 100 Мбит/с.
Конструктивно фізичний рівень може являти собою набір інтегральних схем у мережному порту або виконаний у вигляді невеликого автономного блоку, закріпленого на сполучному кабелі, довжина якого не повинна перевищувати 0,5 м.
Сполучення з комп'ютером виробляється за допомогою незалежного від середовища інтерфейсу Mil (Media Independent Interface). Рознімання Mil відрізняється від з'єднувача типу AUI і має 40 контактів. Інтерфейс Mil є опціонним, він може підтримувати роботу з 10- і 100-мегабитной Ethernet. Завданням Mil є перетворення сигналів, що надходять від PHY, у форму, прийнятну для стандартного набору мікросхем Ethernet. PHY і MII інтерфейси можуть бути об'єднані на одній мережній карті, що вставляє в комп'ютер.
Існує два варіанти реалізації інтерфейсу MIL внутрішній і зовнішній. При внутрішньому варіанті мікросхема, що реалізує подуровни MAC і узгодження, за допомогою інтерфейсу МП з'єднується з мікросхемою трансивера усередині плати мережного адаптера системного блоку комп'ютера або модуля маршрутизатора. Мікросхема трансивера реалізує всі функції пристрою PHY. Зовнішній варіант відповідає випадку, коли трансивер винесений в окремий пристрій і з'єднаний кабелем Mil через рознімання Mil з мікросхемою МАС-подуровня.
У специфікації 100BASE-T4 виконується попереднє перетворення переданих даних по способі 8У/6Т, відповідно до якого восьмибитовые послідовності перетворяться в шестиэлементные трехуровневые (тернарные) посилки: "-", "ПРО" і "+". Спосіб кодування аналогічний розглянутому в підрозділі 2.2.3 способу 4У/ЗТ. Кодування здійснюється відповідно до таблиці перетворення, що містить всі 256 можливих 8-бітових комбінацій. З 729 можливих значень результуючого коду вибираються ті значення, які відповідають наступним критеріям:
результуючий рівень постійної напруги кодового символу дорівнює 0;
у межах символу відбувається як мінімум дві зміни рівня вихідної напруги.
У таблиці 3.2, як приклад, наведена частина комбінацій коду 8У/6Т.
Особливістю реалізації 100BASE-T4 при використанні кручений пари 3-й категорії є передача даних по трьох парах кабелю одночасно зі швидкістю передачі інформації 33,3 Мбит/з по кожнійій з пар, що дає в підсумку швидкість 100 Мбит/с. Четверта пара кабелю застосовується для контролю колізій. Завдяки трипозиційній модуляції швидкість передачі тернарных сигналів по кожнійій кручений парі становить 6/8 від 33,3 Мбит/з, що відповідає тактовій частоті 25 Мгц. Саме з такою частотою працює генератор, що задає, інтерфейсу МП.
В мережі Fast Ethernet підтримується функція автовыбора взаємодії - Auto-negotiation, за допомогою якої два взаємодіючих пристрої фізичного рівня PHY можуть автоматично вибрати найбільш ефективний режим роботи.
Усього в цей час визначено 5 різних режимів, що підтримують пристрої на кручених парах:
10BASE-T (2 пари категорії 3);
10BASE-T full-duplex (2 пари категорії 3);
. 100ВASE-TX (2 пари категорії 5);
100BASE-TX full-duplex (2 пари категорії 5);
100BASE-T4 (4 пари категорії 3).
Режим 10BASE-T має найнижчий пріоритет при переговірному процесі, а режим 100BASE-T4 - найвищий. Переговірний процес відбувається після включення харчування пристрою, а також може бути ініційований у будь-який момент часу модулем керування. Для організації переговірного процесу використаються службові сигнали перевірки цілісності лінії технології 10BASE-T - link test pulses, якщо вузол-партнер підтримує тільки стандарт 10BASE-T. Вузли, що підтримують функцію автовыбора, також використають існуючу технологію сигналів перевірки цілісності лінії, при цьому вони посилають пакети службових сигналів, у які инкапсулирована інформація переговірного процесу Auto-negotiation. Такі пакети звуться FLP (Fast Link Pulse burst).
Вустройство, що почало процес автовыбора, посилає своєму партнерові пачку сигналів FLP, у якій утримується 8-бітове слово, що відображає пропонований режим взаємодії, починаючи із самого пріоритетного, підтримуваним даним вузлом. Якщо у вилученому комп'ютері підтримується функція Auto-negotiation і його пристрій зв'язку може реалізувати запропонований режим, то він відповідає пачкою імпульсів FLP, що підтверджує даний режим і на цьому переговори закінчуються. Якщо ж викликуваний комп'ютер підтримує менш пріоритетний режим, то він указує його у відповіді й цьому режимі вибирається як робітник. Таким чином, завжди вибирається найбільш пріоритетний загальний режим функціонування робочих станцій.
Комп'ютер, здатний підтримувати тільки технологію 10BASE-T, кожні 16 миллисекунд посилає імпульси для перевірки цілісності лінії, що зв'язує його із сусідньою станцією. Такий комп'ютер не реагує на запит FLP, що посилає йому комп'ютером з функцією Auto-negotiation, і продовжує посилати свої імпульси. Станція, що одержала у відповідь на запит FLP тільки імпульси перевірки цілісності лінії, фіксує, що його партнер може працювати тільки по стандарті 10BASE-T і встановлює цей режим роботи й для себе.
Станції, виконані по специфікації FX і ТХ, можуть працювати в дуплексному режимі. При такому способі обміну не використається метод доступу до середовища CSMA/CD, і відсутні колізії, тому що кожний вузол одночасно передає й приймає кадри даних по окремих лініях передачі Тх і прийому Rx. Полнодуплексная робота можлива тільки при з'єднання мережного адаптера з комутатором або ж при безпосереднім з'єднанні комутаторів між собою.
Гігабітові технології Ethernet.
З гігабітових технологій першою була затверджена в 1998 році мережа Ethernet IEEE 802.3z, що одержала позначення 1000BASE-FX. Ці мережі орієнтовані на застосування 4-х кручених пар категорії 5 або вище (довжиною до 100 м, з розніманням RJ-45) і оптоволокняних кабелів. У мережі застосовується логічне кодування типу 8У/10У, тобто кожний байт кодується в процесі передачі десятьма бітами. При цьому з 210 можливих 10-розрядних кодових комбінацій вибираються такі, у яких не втримується більше 4 однакових битов підряд, і в жодній кодовій комбінації немає більше 6 нулів або 6 одиниць. Цим прийомом забезпечуються задовільні умови тактової синхронізації й висока стабільність постійної складової переданих сигналів. Крім цього, застосування такого коду виключає перегрів лазерних діодів передавача при надходженні від джерела інформації довгих послідовностей одиниць.
В гигабитовой Ethernet-технології є багато загальних ознак зі своїми попередниками 10BASE і 100BASE. Насамперед - це метод доступу до середовища передачі даних CSMA/CD, напівдуплексний і полнодуплексный режими роботи, а також формати кадрів Ethernet. Топологія мережі має вигляд ієрархічної зірки. У той же час використання кручений пари кабелю 5-й категорії зажадало внести серйозні зміни в реалізацію фізичного рівня адаптера. Якщо відмінності між Ethernet і Fast Ethernet мінімальні й не зачіпають МАС-уровня, то при розробці стандарту Gigabit Ethernet 1000BASE-T розроблювачам довелося внести корективи у фізичний рівень, а також змінити й МАС-уровень.
Щоб забезпечити максимальний діаметр мережі розміром 200 м (два кабелі по 100 м і комутатор), мінімальна довжина кадру в стандарті Gigabit Ethernet була збільшена до 512 байт. Із цієї причини при недостатньому обсязі інформації мережний адаптер доповнює поле даних до довжини 448 байт забороненими комбінаціями (так званим розширенням). У той же час збільшення мінімальної довжини кадру негативно позначається при передачі коротких службових повідомлень, наприклад квитанцій, тому що корисна інформація в кадрі стає істотно менше загальної кількості переданих битов. З метою скорочення надмірності при використанні довгих кадрів для передачі коротких квитанцій стандартом Gigabit Ethernet дозволена видача в лінію декількох кадрів підряд у режимі монопольного захоплення середовища, тобто без передачі лінії іншим станціям. Такий монопольний режим захоплення називається Burst Mode. У цьому режимі станція може передавати підряд кілька кадрів із загальною довжиною не більше 8192 байт (BurstLength).
У технології 1000BASE-T застосовується помехозащищенное восьмипозиционное сверточное кодування (на вісім різних станів). Символи передаються по всім чотирьох крученим парамам кабелю одночасно.
Роботи над стандартом lOGigabit Ethernet почалися в 2002 році. Як середовище були визначені волоконно-оптические лінії зв'язку. Тоді ж комітетом IEEE 802.3 була сформована дослідницька група, завдання якої складалася у визначенні можливостей для передачі 10-гигабитного трафика з використанням технології Ethernet по кручений парі з довжиною лінії до ста метрів. Цей додаток одержав позначення 10GBASE-T -широкополосная передача даних зі швидкістю 10 Гбит/з по кручений парі. Слід зазначити, що скручені пари пропонуються як дешеве рішення, при більших відстанях між станціями оптичне волокно залишається поза конкуренцією.
Основу функціонування встаткування в 10GBASE-T становить полнодуплексная передача по всім чотирьох парах кабелю 7-й категорії. 10-гигабитный потік розщеплюється на чотири потоки зі швидкостями 2,5 Гбит/с.
При використанні оптичних ліній граничні довжини ВОЛС становлять 220 м або 500 м, залежно від виду кабелю (застосовується многомодовый кабель). На одномодовом кабелі гранична довжина збільшена до 5000 м.
Стандартизовано різновиди 10-гигабитовых мереж на основі волоконно-оптических ліній, зокрема наступні:
10GBASE-LR- передача на відстань до 10 км по одномодовому волокну; область використання - високопродуктивні магістральні й корпоративні канали;
10GBASE-ER - на дальності до 40 км по одномодовому волокну;
10GBASE-SR - передача на відстань до 28 м по мультимодовому волокну, передбачається використати для з'єднань комутаторів один з одним;
10GBASE-LX4, дальність зв'язку до 300 м по мультимодовому волокну стандарту FDDI - для мереж у межах одного будинку.
Перший символ, що коштує після 10GBASE, позначає довжину хвилі, на якій здійснюється передача по оптичному кабелі: S (Short Wawelength) -850 нм; L (Long Wawelength) -1310 нм; Е-1550 нм. Другий символ указує спосіб кодування вихідного потоку: W-потік, сформований у кадри, сумісні із глобальними мережами SDH (SONET); R-без орієнтації на глобальні мережі; Х-для локальних мереж.
У версії 10GBASE-X4 реалізоване кодування 8У/10У. У процесі передачі формується 4 потоки по 3,125 Гбит/з, які передаються по одному волокну (1310 нм) із залученням техніки мультиплексування довжин хвиль WWDM. У випадку 10GBASE-W на рівні MAC збільшена мінімальна довжина межкадровой паузи IPG.
В 10GBASE-LX для локальних мереж застосовується логічне кодування 64У/66У замість 8У/10У, використовуваного у звичайної гигабитной мережі Ethernet. Передача здійснюється паралельно четырмя потоками по волоконно-оптическому кабелі на різних довжинах хвиль. Сумарна технічна швидкість становить 12,5 Гбит/с.
Мережний адаптер 10-гигабитовой Ethernet ґрунтується на цифровій обробці сигналів і використанні цифрових сигнальних процесорів (малюнок 9.3). Обробка сигналів (кодування й декодування, модуляція й демодуляція, формування кадрів і аналіз полів заголовків і ін.) здійснюється цифровим сигнальним процесором. Перетворення вхідних аналогових сигналів у цифрові еквіваленти виконує аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Зворотне перетворення цифрових сиг налов в аналогові здійснює цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП).
Малюнок 9.3 - Структурна схема мережного адаптера 10G BASE-T
Посилення вхідних і вихідних сигналів і їхня фільтрація виконується відповідними підсилювачами й аналоговими фільтрами. Для поліпшення умов синхронізації по тактах застосовується процедура скремблирування (і відповідно, на прийомній стороні - дескремблирування), що збільшує кількість змін позицій сигналів при тривалих послідовностях нулів або одиниць, що надходять від джерела інформації. Поділ сигналів на два різнонаправлених потоки здійснюється в диференціальному пристрої, що містить як властиво диференціальну систему, так і схему ехокомпенсації. З'єднання мережного адаптера із середовищем реалізовано за допомогою інтерфейсу на основі з'єднувача RJ-45.
Основною областю застосування 10-гигабитовой Ethernet на даному етапі розвитку є побудова магістральних мереж. У цій області вони серйознішають конкурентом ATM-мереж і цифрових систем передачі даних SDH.
ІV. Узагальнення результатів заняття.
Питання для контролю:
Основні положення стандарту Fast Ethernet.
Основні положення стандарту Gigabit Ethernet.