 |
Лекция 5. ETHERNET - совместимые технологии
|
|
|
|
Краткая аннотация лекции: приведено краткое описание технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet; даны основные технические характеристики и особенности функционирования указанных сетевых технологий.
Цель лекции: провести сравнительный анализ технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet.
5.1. Технология Fast Ethernet
Создание технологии Fast Ethernet было обусловлено необходимостью увеличения скорости передачи данных до 100 Мбит/с. Технология Fast Ethernet выиграла в конкурентной борьбе с другими новыми высокоскоростными технологиями, поскольку обеспечила преемственность и согласованность с широко распространенными сетями Ethernet. То есть, в существующей сети Ethernet можно было постепенно отдельные сегменты переводить на технологию Fast Ethernet. При этом вся сеть оставалась работоспособной, в старых сегментах сети Ethernet скорость передачи данных была 10 Мбит/с, в новых (Fast Ethernet) – скорость 100 Мбит/с, между старыми и новыми сегментами – 10 Мбит/с.
Преемственность и согласованность с сетями Ethernet обусловили ряд принципов построения новых сетей Fast Ethernet (стандарт 802.3u). Так в технологии Fast Ethernet сохранился принцип использования общей разделяемой среды. Поскольку скорость передачи по сравнению с Ethernet увеличилась на порядок, то на порядок уменьшилась удвоенная задержка распространения сигнала PDV. Поэтому, чтобы не потерять кадры при возникновении коллизий, диаметр сети уменьшился также на порядок – до 200 м. Однако при использовании коммутаторов в полнодуплексном режиме возникновение коллизий исключено, поэтому существуют ограничения только на длину физических сегментов, которые соединяют два соседних устройства: сетевой адаптер с коммутатором или два соседних коммутатора.
|
|
|
В сетях передачи данных передатчик и приемник могут иметь несколько отличающиеся тактовые частоты. Это обусловлено различными причинами. Например, в технологии PDH узлы сети имеют разные тактовые генераторы. В сетях SDH тактовый генератор единый, однако каналы передачи информации могут иметь различную задержку. Поэтому передаваемые по линии связи данные должны отвечать принципусамосинхронизации, т.е. тактовый генератор приемника должен подстраивать свою частоту и фазу под частоту и фазу передатчика, используя принимаемые биты данных. Для этого кодированный сигнал должен иметь достаточно частые изменения состояния: 0 и 1.
Спектр сигналов при использовании манчестерского кодирования значительно шире спектра потенциальных избыточных кодов. Поэтому, несмотря на то, что применяемый в Ethernet манчестерский код обладает очень хорошими свойствами самосинхронизации, разработчики технологии Fast Ethernet и других новых технологий отказались от него. На уровне логического кодирования в Fast Ethernet используются избыточные коды 4B/5B или 8B/6T, а на физическом уровне коды NRZI или MLT-3.
На Рисунок5.1 приведены временные диаграммы информационных сигналов с использованием различных кодов.
Рисунок5.1. Коды передачи данных
Потенциальный код без возврата к нулю (NRZ – Non-Return to Zero) является наиболее простым, нулю соответствует низкий уровень сигнала, единице – высокий (Рисунок5.1а). Однако при длинных последовательностях нулей или единиц его свойства самосинхронизации очень плохие, поскольку нет переходов сигнала из одного состояния в другое. Поэтому данный код в чистом виде в сетях телекоммуникаций применяется редко.
Модифицированный потенциальный код (NRZI – Non-Return to Zero Inverted) изменяет свое состояние на противоположное при передаче нуля и не меняет состояние – при передаче единицы (Рисунок5.1b). Его свойства самосинхронизации несколько лучше, чем кода NRZ, поэтому он применяется в технологии Fast Ethernet спецификации 100 Base-FX.
|
|
|
Существенно лучшими свойствами самосинхронизации обладают биполярные коды: AMI – Alternate Mark Inversion (Рисунок5.1c) и MLT-3 – Multi Level Transmission (Рисунок5.1d). Нулевые биты кода AMI представлены нулевым уровнем сигнала, а единичные биты – чередующимися значениями +V, -V. При передаче нулевого бита кода MLT-3 значение сигнала не изменяется, оставаясь таким, каким оно было к этому моменту. При передаче единичных бит данных значение сигнала изменяется в следующей последовательности: +V, 0, -V, 0, +V и т.д. Сигналы кода MLT-3 характеризуются более узкой полосой частот по сравнению с кодом NRZI, модификацией которого он является. Код MLT-3 используется в технологии Fast Ethernet спецификации 100 Base-ТX.
Манчестерский код (Рисунок5.1е) обладает наилучшими свойствами самосинхронизации. Однако у него более широкая полоса частот по сравнению с потенциальными кодами NRZ, NRZI и, особенно, по сравнению с биполярными кодами AMI, MLT-3.
Для устранения плохой самосинхронизации кодов NRZ, AMI, MLT-3 используется либо избыточный блочный код 4В/5В, либо специальное устройство – скремблер. В случае применения избыточного блочного кода 4В/5В последовательность битов разбивается на блоки по 4 бита и к каждому блоку добавляется один избыточный бит. При этом из 32 кодовых комбинаций для кодирования данных используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц (табл.5.1). В последовательности передаваемых бит число нулей не может быть больше трех. Остальные кодовые комбинации считаются запрещенными.
Таблица 5.1
Спектр потенциального избыточного кода 4B/5B уже спектра манчестерского кода, поэтому избыточный код применяется в новых высокоскоростных технологиях, например, в Fast Ethernet.
Другим способом исключения в передаваемых данных длинных последовательностей нулей является скрэмблирование. Результирующий код вычисляется на основании исходного кода по определенному алгоритму. Например, в качестве такого алгоритма может быть использовано следующее соотношение
Bi = Ai Bi-3 Bi-5,
где - символ сложения по модулю 2,
Bi – значение двоичного кода на выходе скремблера на i –ом такте,
|
|
|
Ai – значение двоичного кода на входе скремблера на i –ом такте,
Bi-3 – значение двоичного кода на выходе скремблера на 3 такта ранее текущего i –ого такта,
Bi-5 – значение двоичного кода на выходе скремблера на 5 тактов ранее текущего i –ого такта.
Временные параметры Fast Ethernet, указанные в битовых интервалах, остались неизменными по сравнению с технологией Ethernet, но сам битовый интервал уменьшился на порядок и стал равен 0,01 мкс. Технология Fast Ethernet ориентирована на использование в качестве физической среды:
- витой пары 5 категории (спецификация 100Base-TX);
- витой пары 3 категории (100Base-T4);
- многомодового волоконно-оптического кабеля (100Base-FX).
Поскольку технология Fast Ethernet должна: во-первых – обеспечивать согласованность с сетями Ethernet, во-вторых – работать с разной физической средой, то физический уровень семиуровневой модели усложнен по сравнению с Ethernet и включает три подуровня:
- подуровень согласования (reconciliation sublayer);
- подуровень независимого от среды интерфейса (media independent interface, MII);
- устройство физического уровня (physical layer device, PHY).
Подуровень согласования необходим, чтобы МАС уровень, который был связан в Ethernet с физическим уровнем интерфейсом AUI, мог работать с новым интерфейсом MII. Кроме того, устройство физического уровня также разделено на три подуровня:
- подуровень логического кодирования данных, на котором используются избыточные коды 4B/5B или 8B/6T;
- подуровень физического присоединения в зависимости от физической среды формирует сигналы в соответствие с кодами NRZI или MLT-3;
- подуровень автопереговоров, позволяющий определить режим работы (полудуплексный или полнодуплексный), скорость передачи данных (10Мбит/с или 100Мбит/c) и тип среды передачи в зависимости от спецификации.
В спецификации 100Base-ТX для соединения сетевого адаптера и коммутатора (или коммутаторов между собой) используются две витых пары UTP категории 5 или STP Type 1. Максимальная длина сегмента – 100 м. Логическое кодирование – 4В/5В, физическое кодирование – MLT-3. В данной спецификации используется функция автопереговоров для возможности соединения с сетью Ethernet или с устройствами спецификации 100Base-Т4.
|
|
|
Спецификация 100Base-Т4 была создана для того, чтобы использовать в новой технологии Fast Ethernet уже существующие во многих зданиях витые пары UTP категории 3. Полоса пропускания витой пары UTP категории 3 составляет 16 МГц. Для того чтобы пропустить трафик со скоростью 100Мбит/с, в данной спецификации используется три витых пары (Рисунок5.2). Четвертая витая пара используется при прослушивании несущей для определения занятости среды.
Рисунок5.2. Четыре витых пары спецификации 100Base-Т4
Рисунок 5.4. Передача данных по 4 парам UTP категории 5
Временные интервалы, формат кадра и передача являются общими для всех версий 1000 Мбит/с (Рисунок5.5). Физический уровень определяют две схемы кодирования сигнала. Схема 8B/10B используется для оптического волокна и медных экранированных кабелей. Для симметричных кабелей UTP используется модуляция амплитуды импульсов (код PAM5). В волоконно- оптических линиях используют логическое кодирование 8B/10B и линейное кодирование (NRZ).
Рисунок5.5. Спецификации технологии Gigabit Ethernet
Сигналы NRZ передаются по волокну, используя либо коротковолновые (short-wavelength), либо длинноволновые (long-wavelength) источники света. В качестве коротковолновых источников используются светодиоды с длиной волны 850 нм для передачи по многомодовому оптическому волокну (1000BASE-SX). Этот менее дорогостоящий вариант используется для передачи на короткие расстояния в 200 – 300 м. Длинноволновые лазерные источники (1310 нм) используют одномодовое или многомодовое оптическое волокно (спецификация 1000BASE-LX). Лазерные источники в совокупности с одномодовым волокном способны передавать информацию на расстояние до 5000 м.
В соединениях точка – точка (point-to-point) для передачи (Tx) и приема (Rx) используются раздельные волокна, поэтому реализуется полнодуплексная связь. Технология Gigabit Ethernet позволяет устанавливать только единственный ретранслятор между двумя станциями. Ниже приведены параметры технологий 1000BASE (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Сети технологии Gigabit Ethernet, как правило, строятся на основе коммутаторов, когда расстояние полнодуплексных соединений ограничено только средой, а не временем двойного оборота. При этом используются топология «звезда» или «расширенная звезда».
Стандарт 1000BASE-T предусматривает использование кабеля UTP. категории 5e, 6 или 7. Предельная длина кабеля аппаратуры 1000BASE-T не превышает 100 м.
5.3. Технология 10-Gigabit Ethernet
Технология 10-Gigabit Ethernet (10GbE) описывается стандартом IEEE 802.3ae, который определяет полнодуплексную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с по волоконно-оптическому кабелю. Максимальные расстояния передачи зависят от типа используемого волокна. Используя одномодовое волокно как среду передачи, максимальное расстояние передачи – 40 километров. В настоящее время разрабатываются стандарты и создается аппаратура для технологий Ethernet со скоростью передачи 40 Гбит/с, 80 Гбит/с, 160- Гбит/с.
|
|
|
Стандарт 10GbE на физическом уровне позволяет увеличить расстояние связи до 40 км по одномодовому волокну и обеспечить совместимость с сетями синхронной цифровой иерархии (SDH) и фотонными сетями, использующими плотное спектральное уплотнение по длине волны (Dense Wave-length Division Multiplexing – DWDM).
Функционирование на 40-километровом расстоянии, скорость передачи до 10 Gbps и совместимость с системами SDH делает технологию 10GbE не только технологией локальных, но и технологией глобальных сетей. Специфические требования глобальных сетей обеспечивает технология операторского класса Carrier Ethernet. Таким образом, стандарт совместимых с Ethernet технологий развивается не только для LAN, но также для MAN и WAN. Поскольку в технологии 10GbE используется только полнодуплексная связь, в режиме CSMA/CD нет необходимости. Следовательно, в сетях исключается использование концентраторов hub.
Стандарт 802.3ae управляет семейством технологий 10GbE, которое включает:
- 10GBASE- SR –для коротких расстояний по уже установленному многомодовому волокну, поддерживает связь на расстоянии от 26 м до 82 м.
- 10GBASE- LX4 – использует технологию уплотнения по длины волне (WDM), поддерживает связь на расстоянии от 240 м до 300 м по уже установленному многомодовому волокну и до 10 км по одномодовому волокну.
- 10GBASE- LR и 10GBASE- ER – обеспечивает связь от 10 км до 40 км по одномодовому волокну.
- 10GBASE- SW, 10GBASE- LW и 10GBASE- EW – технологии с общим названием 10GBASE-W, предназначены, чтобы обеспечить работу оборудования глобальных сетей с модулями SONET/SDH.
Для 10-Gigabit Ethernet не предусмотрены повторители, поскольку полудуплексный режим не поддерживается.
Ниже приведены некоторые параметры спецификаций технологии 10GbE.
Таблица 5.3
В заключение следует отметить, что в настоящее время технологии Ethernet является стандартом для различных соединений: горизонтальных (внутри аудиторий, нескольких комнат на этаже), вертикальных (между этажами), соединений между зданиями. Новые версии Ethernet стирают различие между локальными и глобальными сетями. Трудно назвать сеть локальной, когда в сегменте, использующим технологию 10GbE, передаются данные на расстояние в 40 км.
Специально разработанной технологией Ethernet для глобальных сетей является технология операторского класса Carrier Ethernet. Технология Carrier Ethernet предоставляет услуги характерные для глобальных сетей: разделяет и изолирует адресные пространства локальной сети пользователя и глобальной сети провайдера, обеспечивая безопасность, гарантирует требуемое качество QoS, выделяя необходимую полосу пропускания, обеспечивает значения задержки и джиттера, не превышающие заданные. В сетях Ethernet передача информации производится по трем составляющим сетевой среды:
1. По медным кабелям со скоростью примерно до 1000 Мбит/с, и возможно больше.
2. По беспроводной среде (радиоканалы) – примерно 100 Мбит/с и больше.
3. По оптическим кабелям со скоростью примерно 10000 Мбит/с, новые разработки – до 100 Гбит/с и выше.
Медная и беспроводная среда имеют определенные физические и практические ограничения на высокочастотные сигналы. В волоконно-оптических системах ограничивающим фактором является электронная технология и параметры оптического волокна.
В ранних версиях технологии Ethernet, использующих концентраторы в полудуплексном режиме, с возможностью возникновения коллизий (CSMA/CD), не рассматривался вопрос качества обслуживания (QoS). Однако на современном этапе при передаче определенных видов трафика, например, IP телефония и видео этот вопрос стал очень важным. Полнодуплексные быстродействующие технологии (Gigabit Ethernet, 10GbE) обеспечивают достаточную поддержку разнообразных приложений. Это расширяет потенциальные приложения Ethernet-совместимых технологий.
Краткие итоги лекции 5
1. В существующей сети Ethernet отдельные сегменты можно постепенно переводить на технологию Fast Ethernet.
2. Спецификация100Base-T4 представляет переходную технологию от Ethernet к Fast Ethernet. В данной спецификации для передачи данных используется три витых пары кабеля UTP 3 категории.
3. Основными спецификациями технологии Fast Ethernet являются 100Base-TX и 100Base-FX.
4. В технологии Fast Ethernet сохранился принцип использования общей разделяемой среды. При этом диаметр сети уменьшился до 200 м.
5. Спектр сигналов при использовании манчестерского кодирования значительно шире спектра потенциальных избыточных кодов.
6. При применении избыточного блочного кода 4В/5В из 32 кодовых комбинаций для кодирования символа используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц.
7. Скрэмблирование является одним из способов исключения в передаваемых данных длинных последовательностей нулей.
8. В процессе автопереговоров два узла связи автоматически договариваются о режиме и скорости обмена данными.
9. Начало кадра протокола Fast Ethernet отделяется от символов свободной среды Idle парой символов J и K (11000 и 10001) кода 4В/5В, а конец – символом Т.
|
|
|
