Ethernet

1. Технология Ethernet

Лекции

2. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Технология Ethernet является сегодня монополистом — сначала она вытеснила все остальные технологии
канального уровня из локальных сетей, а затем сделала то же самое и в области глобальных сетей. Трудно
сказать, почему именно это произошло — то ли по причине простоты технологии, а значит, и низкой
стоимости оборудования и его эксплуатации, то ли из-за удачного названия, то ли вследствие
необыкновенного везения, полагает изобретатель Ethernet Роберт Меткалф (Robert Metcalfe), состоявшего
в том, что «каждый раз, когда появлялось что-то на замену Ethernet, люди, ответственные за продвижение
новой технологии, снова выбирали для нее название Ethernet». Но факт остается фактом — как в
локальных, так и в глобальных сетях под уровнем IP работает технология Ethernet.
Технология Ethernet прошла большой путь. Долгое время, примерно до середины 2000-х годов, она
применялась исключительно в локальных сетях. Практически во всех технологиях 80-х, включая Ethernet,
использовалась разделяемая среда — как удобное и экономичное средство объединения компьютеров на
физическом уровне. С середины 90-х в локальных сетях стали применяться коммутируемые версии
технологий. Отказ от разделяемой среды позволил повысить производительность (на сегодня — до 400
Гбит/с, но похоже, что это не предел) и масштабируемость локальных сетей. Преимуществом
коммутируемых локальных сетей является также возможность логической структуризации сети с
разделением ее на отдельные сегменты, называемые виртуальными локальными сетями (VLAN).

3. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Первый этап — разделяемая среда
Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик любой технологии
LAN на разделяемой среде, в значительно большей степени определяя ее облик, чем метод кодирования
сигналов или формат кадра. В технологии Ethernet в качестве алгоритма разделения среды применяется
метод случайного доступа. И хотя его трудно назвать совершенным — при росте нагрузки полезная
пропускная способность сети резко падает, — он, благодаря своей простоте, стал основой успеха
технологии Ethernet в 1980-е годы.
Уровни Ethernet
Изначально в фирменной версии Ethernet, принятой компаниями DEC, Intel и Xerox (и получившей
название DIX Ethernet), ее функции не разделялись на уровни, то есть это была монолитная технология.
В институте IEEE в 1980 году был организован комитет 802, результатом работы которого стало принятие
семейства стандартов IEEE 802.x, которые обобщили фирменный опыт создателей протоколов локальных
сетей и выделили в них три функциональных уровня:
физический уровень;
уровень доступа к среде (Media Access Control, MAC);
уровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC).

4. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Определение физического уровня IEEE 802 полностью соответствует определению физического уровня
модели OSI, в нем описаны характеристики технологии: возможные типы физической среды, методы
кодирования, типы соединительных разъемов и т. п.
Уровень MAC выполняет две основные функции: предоставление узлу доступа к среде и последующая
доставка кадра от узла источника к узлу назначения в соответствии с его адресом. Уровень MAC дал
название адресам локальных сетей всех технологий локальных сетей, в том числе адресам Ethernet, так
что оба названия (МАС-адрес и адрес Ethernet) используются как равноправные. Хотя уровень MAC и
отвечает за доставку кадра узлу назначения, он не обеспечивает его надежную доставку. Эту функцию
реализует уровень LLC, назначение которого сравнимо с назначением транспортного уровня модели OS1
или протоколов TCP и UDP.

5. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
На уровне LLC было определено три типа услуг:
Услуга LLC1 — услуга без установления соединения и без подтверждения получения данных.
Услуга LLC2 — услуга, позволяющая пользователю установить логическое соединение перед
началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры
восстановления после ошибок и упорядочивание потока блоков в рамках установленного
соединения.
Услуга LLC3 — услуга без установления соединения, но с подтверждением получения данных.
На практике идея обобщения функций обеспечения надежной передачи кадров в общем уровне LLC
не оправдала себя. Технология Ethernet в версии DIX изначально функционировала в наиболее
простом дейтаграммном режиме — в результате оборудование Ethernet и после опубликования
стандарта IEEE 802.2 продолжало поддерживать только этот режим работы, который формально
является режимом LLC1.

6. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
МАС-адреса
На уровне MAC используются регламентированные стандартом IEEE 802.3 уникальные 6-байтовые
адреса. Обычно МАС-адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных
дефисами или двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01. Каждый сетевой адаптер имеет, по
крайней мере, один МАС-адрес.
Помимо отдельных интерфейсов, МАС-адрес может определять группу интерфейсов и даже все
интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения — это признак того,
является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является
индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если 1, то групповым.
Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурированными (вручную или
автоматически по запросу вышележащего уровня) как члены группы, номер которой указан в
групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то, наряду с уникальным МАСадресом, с ним ассоциируется еще один адрес — групповой. В частном случае, если групповой
адрес состоит из всех единиц (имеет шестнадцатеричное представление OxFFFFFFFFFFFF), то он
идентифицирует все узлы сети и называется широковещательным.

7. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса — централизованный
или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet),
то это говорит о том, что адрес назначен централизованно по правилам IEEE 802.
Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования так называемые
организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI). Каждый
производитель помещает выделенный ему идентификатор в три старших байта адреса (например,
идентификатор 0x0020AF определяет компанию 3COM, а 0х00000С — Cisco).
За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудования. 24 бита,
отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить
примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации.
Сетевые адаптеры Ethernet могут работать и в так называемом «неразборчивом» режиме
(promiscuous mode), захватывая все кадры, поступающие на интерфейс, независимо от их МАСадресов назначения. Обычно такой режим используется для мониторинга трафика, когда
захваченные кадры изучаются затем для нахождения причины некорректного поведения некоторого
узла или отладки нового протокола.

8. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Форматы кадров технологии Ethernet
Существует несколько стандартов формата кадра Ethernet. На практике в оборудовании Ethernet
используется только один формат кадра, а именно — кадр Ethernet DIX, называемый иногда кадром
Ethernet II по номеру последнего стандарта DIX
6 байт
6 байт
2 байта
46-1500 байт
4 байта
DA
SA
Т
Данные
FCS
Первые два поля заголовка отведены под адреса:
DA (Destination Address) — МАС-адрес узла назначения;
SA (Source Address) — МАС-адрес узла отправителя.
Для доставки кадра достаточно одного адреса — адреса назначения; адрес источника помещается в кадр
для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить.
Принятие решения об ответе не входит в компетенцию протокола Ethernet — это дело протоколов верхних
уровней, a Ethernet выполнит такое действие, если с сетевого уровня поступит соответствующее указание.

9. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Поле Т (Type, EtherType) содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого
находятся в поле данных кадра, например, шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует
протоколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и
демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.
Поле данных может содержать от 46 до 1500 байт. Если длина пользовательских данных меньше
46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения. Эта операция
требуется для корректной работы метода доступа Ethernet.
Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт
контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

10. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Доступ к среде и передача данных
Метод доступа, используемый в сетях Ethernet на разделяемой проводной среде, носит название
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — прослушивание несущей частоты
с множественным доступом и распознаванием коллизий). Название метода достаточно хорошо
отражает его особенности. Все компьютеры в сети на разделяемой среде имеют возможность
немедленно (с учетом задержки распространения сигнала в физической среде) получить данные,
передаваемые любым из компьютеров в общую среду. Говорят, что среда, к которой подключены все
станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, МА). Чтобы получить
возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда
свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая еще называется
несущей частотой (Carrier Sense, CS).
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Кадр данных всегда
сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение
10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Последний байт носит название ограничителя начала
кадра. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с
передатчиком. Наличие двух последовательных единиц говорит приемнику о том, что преамбула
закончилась и следующий бит является началом кадра.

11. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Кадр данных всегда
сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение
10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Последний байт носит название ограничителя начала
кадра. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с
передатчиком. Наличие двух последовательных единиц говорит приемнику о том, что преамбула
закончилась и следующий бит является началом кадра.

12. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои
внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает
собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний
буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает
полученные данные и передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес
назначения, но и адрес источника данных, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать
ответ.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную
межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения
сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды
одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего
кадра, так как среда свободна.

13. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Возникновение и распознавание коллизии
Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения ситуации,
когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои
кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается
в общем кабеле и происходит искажение информации. Коллизия — это нормальная ситуация в
работе сетей Ethernet на разделяемой среде. В примере на рисунке коллизию породила
одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы
несколько станций начали передачу абсолютно одновременно — напротив, более вероятна
ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел,
проверив среду и не обнаружив несущую (сигналы первого узла еще не успели до него дойти),
начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии — следствие
распределения узлов сети в пространстве.
Для корректной обработки коллизии все станции одновременно наблюдают за возникающими на
кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт
обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для повышения вероятности скорейшего
обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, обнаружившая коллизию, прерывает
передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта), усугубляя
коллизию посылкой в сеть последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

14. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Затем обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу, сделать паузу в
течение короткого случайного интервала времени, после чего снова предпринять попытку захвата
среды и передачи кадра. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то
передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.
Администраторы сетей Ethernet на разделяемой среде руководствовались простым эмпирическим
правилом — коэффициент использования среды не должен превышать 30 %.
Для поддержки чувствительного к задержкам трафика сети Ethernet (и другие сети на разделяемой
среде) могут применять только один метод поддержания характеристик QoS — недогруженный
режим работы. Надежное распознавание коллизий всеми станциями сети — необходимое условие
корректной работы сети Ethernet. Для надежного распознавания коллизий должно выполняться
соотношение:
Tmin>RTT,
где Tmin — время передачи кадра минимальной длины, a RTT — время оборота, то есть время, за
которое сигнал, посланный некоторой станцией сети, доходит то точки коллизии и возвращается к
станции-отправителю в уже искаженной коллизией форме.
Все параметры протокола Ethernet, в том числе минимальный размер кадра, подобраны таким
образом, чтобы при нормальной работе сети коллизии четко распознавались. Так, стандарт Ethernet
определяет минимальную длину поля данных кадра в 46 байт (что вместе со служебными полями
дает минимальную длину кадра 64 байта, а вместе с преамбулой — 72 байта, или 576 бит).

15. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Отсюда может быть вычислено ограничение на расстояние между станциями. В стандарте Ethernet
10 Мбит/с время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовым интервалам,
следовательно, время оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может
пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13
280 м. Учитывая, что за время 57,5 мкс сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние
между двумя узлами не должно быть больше 6635 м. В стандарте величина этого расстояния
выбрана равной 2500 м, что существенно меньше. Это объясняется тем, что в сети могут
использоваться повторители, которые нужны для соединения отдельных сегментов кабеля, внося
задержки в распространение сигнала.
Требование Ттт > RTT имеет одно интересное следствие: чем выше скорость протокола, тем меньше
должна быть максимальная длина сети. Поэтому для Ethernet на разделяемой среде при скорости в
100 Мбит/с максимальная длина сети пропорционально уменьшается до 250 м, а при скорости в 1
Гбит/с — до 25 м. Эта зависимость, наряду с резким ростом задержек при повышении загрузки
сети, говорит о коренном недостатке как метода доступа CSMA/CD в частности, так и принципа
разделяемой среды в целом.
Дальнейший прогресс Ethernet требовал принципиально иного решения, которое нашлось в виде
коммутируемого Ethernet.

16. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Коммутируемый Ethernet
Мост как предшественник и функциональный аналог коммутатора
Мост локальной сети (LAN bridge), или просто мост, появился как средство построения крупных
локальных сетей на разделяемой среде. Мост объединяет две или более разделяемые среды в
единую сеть, при этом передача кадров между узлами каждой из объединяемых сред происходит по
стандартным правилам изолированной разделяемой среды. Мост отвечает только за передачу кадров
между объединенными средами, которые называются сегментами локальной сети.

17. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Логическая структуризация локальной сети позволяет решить несколько задач, основные из которых
— повышение производительности и безопасности.
Повышение производительности сети, разделенной мостом на сегменты, происходит из-за того,
что среда каждого сегмента разделяется теперь между меньшим числом конечных узлов.
Устанавливая различные логические фильтры на мостах/коммутаторах, можно контролировать
доступ пользователей к ресурсам других сегментов, чего не позволяют делать повторители. Так
достигается повышение безопасности данных.
Мост строит свою таблицу продвижения (адресную таблицу) на основании пассивного наблюдения
за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах, учитывая адреса
источников кадров данных, поступающих на его порты. По адресу источника кадра мост делает
вывод о принадлежности узла-источника тому или иному сегменту сети.
Процесс обучения моста никогда не заканчивается и происходит одновременно с продвижением и
фильтрацией кадров. Мост постоянно следит за адресами источника буферизуемых кадров, чтобы
автоматически приспосабливаться к изменениям, происходящим в сети, — перемещениям
компьютеров из одного сегмента сети в другой, отключению и появлению новых компьютеров.

18. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Использование мостов может приводить к образованию петель. Последствия наличия петли в сети:
«Размножение» кадра, то есть появление нескольких его копий.
Бесконечная циркуляция копий кадра по петле в противоположных направлениях, а значит,
засорение сети ненужным трафиком.
Постоянная перестройка мостами своих адресных таблиц, так как кадр с адресом источника будет
появляться то на одном порту, то на другом.
В небольших сетях сравнительно легко гарантировать наличие одного и только одного пути между
двумя сегментами. Но когда количество соединений возрастает, вероятность непреднамеренного
образования петли оказывается высокой.
В больших сетях со сложными связями используются алгоритмы, которые позволяют решать задачу
обнаружения петель автоматически. Наиболее известным из них является стандартный алгоритм
покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA).

19. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Коммутаторы
Со временем коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты.
Основная причина этого — существенно более высокая производительность, с которой
коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу
сети, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, способными передавать кадры с
той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Добавление к этому возможности
параллельной передачи кадров между портами предопределило судьбу и мостов, и коммутаторов.
Основной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является
параллельная обработка нескольких кадров.
Этот эффект иллюстрирует рисунок, на котором показана идеальная в отношении
производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для
протокола Ethernet скоростью в 100 Мбит/с. Причем они передают эти данные на остальные четыре
порта коммутатора, не конфликтуя: потоки данных между узлами сети распределились так, что для
каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт.

20. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик при максимальной интенсивности
поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном
примере составит 4 х 100 = 400 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов — (N/2) х 100
Мбит/с. В таком случае говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту,
подключенному к его портам, выделенную пропускную способность протокола.

21. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Дуплексный режим работы
Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношения к методу доступа к
среде, который используется портами коммутатора. При подключении к порту коммутатора
сегмента, представляющего собой разделяемую среду, данный порт, как и все остальные узлы
такого сегмента, должен поддерживать полудуплексный режим. Однако когда к каждому порту
коммутатора подключен не сегмент, а только один компьютер, причем по двум физически
раздельным каналам, как это происходит почти во всех стандартах Ethernet, кроме коаксиальных
версий Ethernet, ситуация становится не такой однозначной. Порт может работать как в обычном
полудуплексном режиме, так и в дуплексном.
В полудуплексном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает коллизии. Доменом
коллизий в этом случае является участок сети, включающий передатчик и приемник коммутатора,
передатчик и приемник сетевого адаптера компьютера, а также две витые пары, соединяющие
передатчики с приемниками. Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого
адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров.

22. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
В дуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора и
сетевого адаптера коллизией не считается — этот режим работы может рассматриваться в качестве
штатного для отдельных дуплексных каналов передачи данных, ранее использовавшегося в
протоколах глобальных сетей. При дуплексной связи порты Ethernet стандарта 100 Мбит/с могут
передавать данные со скоростью 200 Мбит/с — по 100 Мбит/с в каждом направлении.
Долгое время коммутаторы Ethernet сосуществовали в локальных сетях с концентраторами Ethernet:
на концентраторах строились нижние уровни сети здания (в частности, сети рабочих групп и
отделов), а коммутаторы служили для объединения этих сегментов в общую сеть. Но постепенно
коммутаторы стали применяться и на нижних этажах, вытесняя концентраторы, так как цены
коммутаторов постоянно снижались, а их производительность росла за счет поддержки более
скоростных версий технологии Ethernet, то есть Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, Gigabit
Ethernet со скоростью 1 Гбит/с, 10G Ethernet со скоростью 10 Гбит/с и 100G Ethernet со скоростью
100 Гбит/с. Этот процесс завершился вытеснением концентраторов Ethernet и переходом к
полностью коммутируемым сетям.
В полностью коммутируемой сети Ethernet все порты работают в дуплексном режиме, а
продвижение кадров осуществляется на основе МАС-адресов.

23. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
При разработке технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet дуплексный режим стал одним из двух полноправных
стандартных режимов работы узлов сети. Однако практика применения первых коммутаторов с портами Gigabit Ethernet
показала, что они практически всегда применяются в дуплексном режиме для взаимодействия с другими коммутаторами
или высокоскоростными сетевыми адаптерами. Поэтому при разработке версий стандартов 10G и 100G Ethernet его
разработчики не стали создавать версию для работы в полудуплексном режиме, окончательно закрепив уход разделяемой
среды из технологии Ethernet.
Неблокирующие коммутаторы
Высокая производительность — одно из главных достоинств коммутаторов. С понятием производительности тесно
связано понятие неблокирующего коммутатора.
Коммутатор называют неблокирующим, если он может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с
которой они на них поступают.
Под коммутатором, способным поддерживать устойчивый неблокирующий режим работы, подразумевается
коммутатор, передающий кадры со скоростью их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для
поддержания подобного режима нужно распределить потоки кадров по выходным портам таким образом, чтобы, вопервых, порты справлялись с нагрузкой и, во-вторых, коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы столько
кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем
будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем портам), то кадры будут накапливаться в
буферной памяти коммутатора и при переполнении — просто отбрасываться.

24. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Для поддержания устойчивого неблокирующего режима работы коммутатора необходимо, чтобы его
производительность удовлетворяла условию Ск = (∑Срi)/2, где Ск — производительность
коммутатора, Срi — максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом
коммутатора.
В этом соотношении под производительностью коммутатора в целом понимается его способность
продвигать на передатчики всех своих портов определенное количество кадров, принимаемых от
приемников всех своих портов. В суммарной производительности портов каждый проходящий кадр
учитывается дважды (как входящий и как выходящий), а так как в устойчивом режиме входной
трафик равен выходному, то минимально достаточная производительность коммутатора для
поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной производительности портов. Так,
если порт стандарта Ethernet со скоростью 100 Мбит/с работает в полудуплексном режиме, то
производительность порта Срi равна 100 Мбит/с, а если в дуплексном — то 200 Мбит/с. Иногда
говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный неблокирующий режим. Это означает, что он
может принимать и обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протокола
независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и
выходным трафиком. Но обработка некоторых кадров при этом может быть неполной — при
занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора.

25. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Для ускорения операций коммутации сегодня во всех коммутаторах используются заказные
специализированные БИС — ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), которые оптимизированы
для выполнения основных операций коммутации. Часто в одном коммутаторе имеется несколько
специализированных БИС, каждая из которых выполняет функционально законченную часть
операций.
Важную роль в построении коммутаторов играют и программируемые микросхемы FPGA (FieldProgrammable Gate Array — программируемый в условиях эксплуатации массив вентилей). Эти
микросхемы могут выполнять все функции, которые выполняют микросхемы ASIC, но, в отличие от
последних, могут программироваться и перепрограммироваться производителями коммутаторов (и
даже пользователями). Это свойство позволило резко удешевить процессоры портов коммутаторов,
выполняющих сложные операции, например, профилирование трафика, так как производитель
FPGA выпускает свои микросхемы массово, а не по заказу того или иного производителя
оборудования. Кроме того, применение микросхем FPGA позволяет производителям коммутаторов
оперативно вносить изменения в логику работы порта при появлении новых стандартов или
изменении действующих.
В коммутаторах также применяются сетевые процессоры (NPU, Network Processor Unit). Этот тип
процессоров имеет набор команд, ориентированных на обработку пакетов, обеспечивая еще
большую гибкость, чем микросхемы FPGA.

26. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Помимо процессорных микросхем для успешной неблокирующей работы коммутатору нужно иметь
быстродействующий узел обмена, предназначенный для передачи кадров между процессорными
микросхемами портов. В настоящее время в коммутаторах узел обмена строится на основе одной из
трех схем:
Коммутационная матрица. Такая матрица состоит из двоичных переключателей, которые
выполняют коммутацию канала между парой портов на время передачи данных пакета. Это
наиболее простое решение, но работает оно только в случае фиксированного количества портов
коммутатора: добавление портов требует изменения организации матрицы.
Общая шина. Это наиболее традиционный и гибкий метод объединения модулей вычислительного
устройства, широко применяемый в компьютерах (шина PCI настольных компьютеров является
наиболее известным примером).
Разделяемая многовходовая память. В памяти для каждого порта организуется отдельная очередь
пакетов. Любой порт может поместить пришедший пакет в эту очередь, а порт, для которого
очередь предназначена, выбирает из нее пакеты и передает в сеть. Для поддержания нужной
скорости работы коммутатора разделяемая память должна обладать высоким быстродействием.

27. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Скоростные версии Ethernet
Скорость 10 Мбит/с первой стандартной версии Ethernet долгое время удовлетворяла потребности
пользователей локальных сетей. Однако в начале 90-х стала ощущаться недостаточная пропускная
способность Ethernet, так как скорость обмена с сетью стала существенно меньше скорости
внутренней шины компьютера. Кроме того, начали появляться новые мультимедийные приложения,
гораздо более требовательные к скорости сети, чем их текстовые предшественники. В поисках
решения проблемы ведущие производители сетевого оборудования начали интенсивные работы по
повышению скорости Ethernet при сохранении главного достоинства этой технологии — простоты и
невысокой стоимости оборудования. Результатом стало появление новых скоростных стандартов
Ethernet: Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, или 1 Гбит/с), 10G
Ethernet (10 Гбит/с), 100G Ethernet, 200G Ethernet (200 Гбит/с) и 400G Ethernet.
Разработчикам новых скоростных стандартов Ethernet удалось сохранить основные черты
классической технологии Ethernet и прежде всего простой способ обмена кадрами без встраивания в
технологию сложных контрольных процедур. Этот фактор оказался решающим в соревновании
технологий локальных сетей.

28. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Повышение скорости работы Ethernet было достигнуто за счет нескольких факторов:
улучшение качества кабелей, применяемых в компьютерных сетях;
совершенствование методов кодирования данных;
использование параллельных потоков данных.
Все отличия скоростных версий Ethernet от классической версии 10М Ethernet проявляются на
физическом уровне. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же.

29. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Организация физического уровня скоростных версий Ethernet является модульной. Модульность
обеспечивает гибкость физического уровня Ethernet, когда путем замены некоторого модуля можно
обеспечить поддержку различных методов кодирования данных или различных сред распространения
сигнала. Физический уровень Fast Ethernet состоит из следующих модулей:
Независимый от среды интерфейс (х Media Independent Interface, xMII). Этот интерфейс поддерживает
независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнями MAC и PHY.
Обозначение «х» отражает тот факт, что для различных скоростей передачи данных этот интерфейс
имеет свою специфику, например, для скорости 1 Гбит/с применяется интерфейс GMII, а для скорости
10 Гбит/с — интерфейс XGMII.
Модуль согласования (Reconciliation) нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный ранее на
интерфейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс xMII.
Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких
подуровней:
подуровень кодирования данных (Physical Coding Sublayer, PCS), преобразующего поступающие от
уровня MAC байты в символы логического кода, например 4В/5В или 64В/66В;
подуровень физического присоединения (Physical Media Attachment, РМА) и зависимости от
физической среды (Physical Media Dependent, PMD), которые обеспечивают формирование сигналов
в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI, РАМ5 или РАМ4.

30. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Одной из функций подуровня кодирования данных PCS является функция автопереговоров.
Функция автопереговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, поддерживающим
несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью, согласовать наиболее
выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого
адаптера компьютера к порту коммутатора или маршрутизатора в том случае, когда оба устройства могут
работать на нескольких скоростях — например, на скоростях 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и 10 Гбит/с. Режим
с более высокой скоростью имеет более высокий приоритет. Если некоторый режим может работать как в
полудуплексном, так и в полнодуплексном вариантах (это относится к скоростям менее 10 Гбит/с), то
полнодуплексный режим имеет более высокий приоритет по сравнению с полудуплексным.
Устройство, начавшее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов
FLP (Fast Link Pulse), содержащих 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия,
начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Импульсы FLP имеют длительность
100 нc, как и импульсы LIT, используемые для тестирования целостности физического соединения в
стандарте 10Base-T, но вместо передачи одного импульса LIT через каждые 16 мс здесь через тот же
интервал передается пачка импульсов FLP. Если узел-партнер имеет функцию автопереговоров и также
способен поддерживать предложенный режим, то отвечает пачкой импульсов FLP, подтверждающей этот
режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если узел-партнер не может поддерживать запрошенный
режим, то указывает в своем ответе имеющийся в его распоряжении следующий по степени
приоритетности режим, и этот режим выбирается в качестве рабочего.

31. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Fast Ethernet
Спецификация Fast Ethernet была первой из серии спецификации скоростных версий Ethernet,
поэтому она удостоилась названия «быстрой» (Fast). Разработчикам технологии Fast Ethernet
удалось обеспечить ее преемственность с классической технологией Ethernet 10 Мбит/с. Fast
Ethernet поддерживает три варианта физической среды:
волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);
витая пара категории 5 (две пары);
витая пара категории 3 (четыре пары).
Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для физического уровня Fast
Ethernet и дал им следующие названия:
100Base-TX — для двухпарного кабеля неэкранированной витой пары UTP категории 5;
100Base-T4 — для четырехпарного кабеля неэкранированной витой пары UTP категории 3, 4, 5;
100Base-FX — для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами.

32. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Gigabit Ethernet
Уже вскоре после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и
администраторы при построении корпоративных сетей почувствовали определенные ограничения.
Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали
сетей, также работающие на скорости 100 Мбит/с — магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась
потребность в следующем уровне иерархии скоростей. Стандарт Ethernet с битовой скоростью 1000
Мбит/с, получивший название Gigabit Ethernet, был принят в 1998 году.
Несмотря на то что в Gigabit Ethernet не стали встраивать новые функции, поддержание даже
достаточно простых функций классического стандарта Ethernet на скорости 1 Гбит/с потребовало
решения нескольких сложных задач.
Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы на разделяемой среде. В связи с
ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для
разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 м при сохранении размера кадров и
всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Так как существует большое количество
применений, требующих диаметра сети 100 м, необходимо было каким-то образом решить эту
задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet.

33. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на оптическом кабеле. Технология Fibre Channel,
физический уровень которой был взят за основу оптоволоконной версии Gigabit Ethernet,
обеспечивала скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с.
Использование в качестве кабеля витой пары. Такая задача на первый взгляд кажется
неразрешимой — ведь даже для 100-мегабитных протоколов требуются достаточно сложные
методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля.
Для решения этих задач разработчикам технологии Gigabit Ethernet пришлось внести изменения не
только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.
Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде
Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet до 200 м в полудуплексном режиме
разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, в основе которых лежало
известное соотношение времени передачи кадра минимальной длины и времени оборота (PDV).
Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт, или до 4096 бит.
Соответственно время оборота увеличилось до 4095 битовых интервалов, что при использовании
одного повторителя сделало допустимым диаметр сети около 200 м.

34. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Для увеличения длины кадра до величины, требуемой в новой технологии, сетевой адаптер должен
дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением, представляющим собой
поле, заполненное нулями. Формально минимальный размер кадра не изменился (64 байт или 512
бит), и объясняется это тем, что поле расширения помещается после поля контрольной суммы кадра
(FCS). Соответственно значение этого поля не включается в контрольную сумму и не учитывается
при указании длины поля данных в поле длины. Поле расширения является просто расширением
сигнала несущей частоты, необходимым для корректного обнаружения коллизий.
Для сокращения накладных расходов в случае использования слишком длинных кадров при
передаче коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать
несколько кадров подряд без возвращения среды другим станциям. Такой режим получил название
режима пульсаций. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более
65536 бит, или 8192 байт. При передаче нескольких небольших кадров станции можно не дополнять
первый кадр до размера в 512 байт за счет поля расширения, а передавать несколько кадров подряд
до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула,
заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется длиной пульсации. Если
предел длины пульсации достигается в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.
Увеличение «совмещенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде
других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

35. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
В стандарте Gigabit Ethernet определены следующие типы физической среды:
одномодовый волоконно-оптический кабель;
многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;
многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;
экранированный сбалансированный медный кабель.
Спецификация 1000Base-LX (L означает Long Wavelength — длинная волна) работает с оптическим
сигналом в окне 1300 нм: при использовании одномодового волокна длина кабеля может достигать 5
км, а многомодового — 550 м. Спецификации 1000Base-SX (S означает Short Wavelength — короткая
длина волны) использует сигнал в окне 850 нм и работает только на многомодовом волокне длиной
до 220-550 м в зависимости от толщины сердечника волокна.
В спецификациях 1000Base-SX и 1000Base-LX подуровень кодирования преобразует байты уровня
MAC в коды 8В/10В (а не 4В/5В, как в стандарте Fast Ethernet).

36. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Gigabit Ethernet на витой паре категории 5
Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц.
Организовать передачу по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с очень трудно, так как
применяемые в локальных сетях методы кодирования имеют на такой тактовой частоте спектр с шириной,
намного превышающей 100 МГц. В качестве решения было предложено организовать параллельную
передачу данных одновременно по всем четырем парам кабеля. Это сразу снизило скорость передачи
данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод
кодирования со спектром, не превышающим 100 МГц.
Для физического кодирования данных был применен код РАМ5 с пятью уровнями потенциала: -2, -1, 0,
+1, +2. В этом случае за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации (log25).
Следовательно, для достижения скорости 250 Мбит/с тактовую частоту 250 МГц можно уменьшить в
2,322 раза. Разработчики стандарта решили использовать несколько более высокую частоту, а именно 125
МГц. При этой тактовой частоте код РАМ5 имеет спектр уже, чем 100 МГц, то есть он может быть передан
без искажений по кабелю категории 5. В каждом такте передается не 2,322 х 4 = 9,288 бит информации, а
8. Это и дает искомую суммарную скорость 1000 Мбит/с. Передача ровно восьми битов в каждом такте
достигается за счет того, что подуровень кодирования PCS преобразует байты, получаемые от уровня
MAC через интерфейс GMII, в логический код 4D-PAM5, который состоит из 4 символов, каждый их
которых имеет 5 состояний (5 состояний символа соответствует 5 состояниям физического кода РАМ5).
Отметим, что при кодировании информации используются не все 625 (54 = 625) комбинаций кода РАМ5, а
только 256 (28 = 256) — оставшиеся приемник задействует для контроля принимаемой информации и
выделения правильных комбинаций на фоне шума.

37. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Для организации дуплексного режима разработчики спецификации 802.ЗаЬ применили технику
выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают навстречу друг другу
по каждой из четырех пар в одном и том же диапазоне частот. Для отделения принимаемого сигнала
от собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал.
Естественно, это непростая операция - для ее выполнения используются специальные процессоры
цифровой обработки сигнала (Digital Signal Processor, DSP).

38. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
10G Ethernet
Стандарт 10G Ethernet определяет только дуплексный режим работы, поэтому он используется
исключительно в коммутируемых локальных сетях.
Стандарт 10G Ethernet определяет три группы физических интерфейсов:
10GBase-X;
10GBase-R4;
10GBase-W.
Они отличаются способом логического кодирования данных: в варианте 10Base-X применяется код
8В/10В, в остальных двух — код 64В/66В. Для передачи данных все они используют оптическую среду.
Группа 10GBase-X в настоящее время состоит из одного интерфейса подуровня PMD — 10GBase-LX4.
Буква L говорит о том, что информация передается с помощью волн второго диапазона прозрачности, то
есть 1310 нм. Информация в каждом направлении передается одновременно с помощью четырех волн (что
отражает цифра 4 в названии интерфейса), мультиплексируемых на основе техники CWDM. Каждый из
четырех потоков интерфейса XGMII передается в оптическом волокне со скоростью 2,5 Гбит/с.
Максимальное расстояние между передатчиком и приемником стандарта 10GBase-LX4 на многомодовом
волокне равно 200-300 м (в зависимости от полосы пропускания волокна), на одномодовом — 10 км.

39. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
В каждой из групп 10GBase-R и 10GBase-W может быть три варианта подуровня PMD: S, L и Е в
зависимости от используемого для передачи информации диапазона волн — 850, 1310 или 1550 нм
соответственно. Таким образом, существуют интерфейсы 10GBase-SR, 10GBase-LR и 10GBase-ER, а
также 10GBase-SW, 10GBase-LW, 10GBase-EW. Каждый из них передает информацию с помощью одной
волны соответствующего диапазона. Спецификации 10GBase-R обеспечивают эффективную скорость
передачи данных в 10 Гбит/с — для этого битовая скорость оборудования равна 10,3125 Гбит/с
(увеличение битовой скорости необходимо для компенсации избыточности кода 64В/66В).
В отличие от 10GBase-R физические интерфейсы группы 10GBase-W обеспечивают скорость передачи и
формат данных, совместимые с интерфейсом OTN ODU2. Пропускная способность интерфейсов группы
W равна 9,95328 Гбит/с, а эффективная скорость передачи данных — 9,58464 Гбит/с (часть пропускной
способности тратится на заголовки кадров OTN). Из-за того, что скорость передачи информации у этой
группы интерфейсов ниже, чем 10 Гбит/с, они могут взаимодействовать только между собой, то есть
соединение, например, интерфейсов 10GBase-LR и 10Base-LW невозможно. В 2006 году была принята
спецификация 10GBase-T, позволяющая использовать знакомые администраторам локальных сетей
кабели на витой паре. Правда, обязательным требованием является применение кабелей категории 6 или
6а: в первом случае максимальная длина кабеля не должна превышать 55 м, во втором — 100 м. Стандарт
10G Ethernet развивается за счет пополнения его семейства физических интерфейсов новыми
спецификациями, например, спецификацией 10GBase-KX4, предназначенной для работы по четырем
проводникам шасси сетевых устройств.

40. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
100G и 40G Ethernet
Скорость в 10 Гбит/с является довольно высокой скоростью передачи данных, достаточной для
многих приложений, например, для телевидения высокого разрешения, но и она по прошествии
нескольких лет перестала удовлетворять потребности постоянно растущего трафика Интернета и
новых приложений. В 2006 году рабочая группа IEEE 802.3 образовала группу по изучению
высокоскоростного варианта Ethernet (High Speed Study Group, HSSG). В результате в 2008 году
была создана целевая группа 802.3bа, которая и предложила соответствующий вариант стандарта
Ethernet, впервые описывающего скорости Ethernet — 40 и 100 Гбит/с.
В стандарте 802.3bа распараллеливание применяется на двух этапах передачи данных от уровня
MAC к уровню физического интерфейса (Physical Media Dependence, PMD). Сначала уровень
согласования распараллеливает общий последовательный поток данных, поступающий от уровня
MAC, на 8 потоков, параллельно поступающих на подуровень физического кодирования PCS через
интерфейс XLGMII (для скорости 40 Гбит/с, буквы XL означают римское число 40) или интерфейс
CGMII (для скорости 100 Гбит/с, от С — римское число 100). Подуровень PCS выполняет
кодирование данных, поступающих по 8 потокам, в соответствии с кодировкой 64В/66В (общая для
всех вариантов физического интерфейса), направляя их четырьмя (для скорости 40 Гбит/с) или
двадцатью (для скорости 100 Гбит/с) потоками на подуровни РМА и PMD, реализуемые, как
правило, отдельным модулем — приемопередатчиком (трансивером).

41. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
В подуровнях PMA/PMD потоки могут группироваться в один или несколько каналов, передаваемых
отдельными волнами (если применяется мультиплексирование WDM) или отдельными медными
проводниками. Выбор двадцати потоков не случаен — он обеспечивает высокую гибкость для
спецификаций физической среды, так как дает возможность сформировать 1, 2, 4, 5, 10 или 20
независимых физических каналов.
Шестидесятишестибитные слова кода 64В/66В циклически распределяются между потоками
данных. После каждых 16 384 слов в поток помещается специальный код маркера потока, который
помогает подуровню PCS приемника правильно демультиплексировать потоки в общий поток. Для
сохранения синхронности потока для вставки кода маркера из потока периодически удаляются коды
межкадрового интервала (IPG).

42. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Для 100 Gigabit Ethernet рабочей группой IEEE 802.3 разработаны различные стандарты
физического уровня.
По назначению они делятся на стандарты, предназначенные для работы в пределах шасси одного
устройства (стандарты KR), для соединения устройств в пределах одной или нескольких стоек (CR
и Т), одного здания (SR и FR) или же для создания глобальных соединений между различными
центрами данных (LR и ER). Почти все варианты физического уровня 100GE обеспечивают
необходимую суммарную битовую скорость за счет использования нескольких параллельных
потоков данных — как видно из таблицы, четырех или десяти. Эти параллельные потоки
образуются либо отдельными проводниками (печатными проводниками для вариантов KR, витыми
парами для варианта Т, парами твинаксиального кабеля для вариантов CR или же парами
оптических волокон для варианта SR), либо отдельными волнами технологии CWDM в вариантах
LR и ER.
Во всех вариантах физического уровня 100G Ethernet использует модуляцию NRZ с двумя
состояниями сигнала и скремблирование для устранения эффекта длинной последовательности
нулей в коде 64В/66В. При применении 10 потоков скорость отдельного потока составляет 10
Гбит/с, а при применении четырех — 25 Гбит/с.

43. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Гарантированное расстояние
и тип среды
40 Gigabit Ethernet
> 1 м шасси
40GBase-KR4
> 7 м твинаксиальный
медный кабель
40GBase-CR4
100GBase-CR10
> 100м ОМ3 MMF
40GBase-SR4
100GBase-SR10
> 150м OM4 MMF
40GBase-SR4
100GBase-SR4
> 10 км SMF
40GBase-LR4
100GBase-LR4
> 40 км SMF
100 Gigabit Ethernet
100GBase-ER4
> 2 км SMF
40GBase-FR
> 30 м витой пары категории
8 (4 пары)
40GBase-T

44. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
400G, 200G и 50G Ethernet
Стоимость сетевых адаптеров 100G Ethernet для серверов также постоянно снижалась, делая
дисбаланс скоростей между клиентами и магистралями Интернета все более очевидным, а
потребность в стандартизации очередной более высокой скорости Ethernet более настоятельной.
Рабочая группа IEEE по изучению потребностей в новой скоростной версии Ethernet была
образована в 2011 году, а по результатам ее работы было решено начать разрабатывать стандарты
Ethernet для двух скоростей — 200 и 400 Гбит/с в рамках рабочей группы IEEE 802.3bs. Стандарт
IEEE 802.bs был ратифицирован в конце 2017 года, определив спецификации нескольких вариантов
физического уровня для скоростей 200 и 400 Гбит/с.
Стандарты 200G и 400G Ethernet базируются на подходе, примененном в стандарте 100G Ethernet —
распараллеливании данных на несколько потоков, передаваемых по отдельным физическим
проводникам: электрическим или оптическим. Отличие — в том, что теперь скорость каждого
потока повышена до 50 Гбит/с. Для повышения битовой скорости потока применено два приема:
кодирование РАМ4 с четырьмя состояниями электрического (оптического) сигнала либо добавление
кодов FEC к потоку битов данных. Отметим, кодирование РАМ4 дает выигрыш в скорости по
сравнению с кодированием NRZ в два раза, так как за один так г передается два бита информации.

45. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Подуровень физического кодирования PCS усложнился по сравнению с предыдущими версиями
Ethernet, так как именно он добавляет коды FEC к потоку данных, получаемому от уровня MAC
через подуровень согласования RS через интерфейс CDMII (CD — 400 в римской нотации). В
качестве кодов FEC рекомендуется использовать коды Рида — Соломона RS (544, 514, 10), это
означает, что к каждым 514 словам исходного кода добавляется 30 контрольных слов, так что
результирующий блок данных имеет длину 544 слова.
Последний параметр в обозначении кода говорит о том, что слово имеет длину в 10 бит. При
генерировании кодов FEC данные, получаемые от уровня MAC, рассматриваются как поток битов,
разбиение их на поля кадра Ethernet игнорируется. В этом отношении реализация механизма FEC в
Ethernet 400G похожа на его реализацию в технологии OTN, в которой коды FEC также
периодически вставляются в поток битов для каждого блока битов определенной длины. Как видно
из названия кода FEC, выбранного для Ethernet 400G, при их вычислении даже не принимается во
внимание традиционное разбиение данных на байты, так как длина слова не кратна 8. Уровень PCS
узла-приемника использует коды FEC для контроля и исправления битовых ошибок, а поле этого
узла-приемника удаляет их из потока битов, так что уровень MAC узла-приемника получает кадр в
стандартной форме. Коды FEC работают на участке между непосредственно соединенными узлами.
После вычисления и добавления кодов FEC подуровень скремблирует данные и распределяет их на
16 потоков, передаваемых подуровню физического присоединения РМА.

46. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ

47. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Подуровень РМА обычно разбивается на две части одна из которых принадлежит порту Ethernet
400G коммутатора (маршрутизатора), а вторая — оптическому модулю 400G, устанавливаемому в
порт (называемому также трансивером). Обмен данными между этими частями происходит по
электрическому интерфейсу 400G AUI-16, который состоит из 16 электрических контактов, по
которым передаются 16 потоков в коде NRZ. Скорость передачи данных в каждом потоке составляет
25,56 Гбит/с, что в сумме дает 425 Гбит/с -- эта скорость превышает требуемые 400 Гбит/с из-за
необходимости передавать коды FEC. Скорость изменения сигнала в потоке равна 25,56 Гбод, так
как она всегда совпадает со скоростью передачи данных при кодировании NRZ с двумя состояниями
сигнала. Подуровень РМА оптического модуля принимает 16 потоков NRZ и объединяет их в 8
потоков, перекодируя данные в код РАМ4. При этом скорость изменения сигнала в каждом потоке не
изменяется — она остается равной 25,56 Гбод (что хорошо для электронных компонент оптического
модуля), но скорость передачи данных увеличивается вдвое и теперь равна 53,12 Гбит/с.
Физический стандарт 400G Ethernet, использующий передачу на двух одномодовых волокнах
оптического кабеля определенной длины, носит название 400GBase-FR8, 400GBase-SR8 или
400GBase-ER8 в зависимости от максимальной длины кабеля (2 км, 10 км или 40 км
соответственно). В случае многомодового оптического кабеля применяется параллелизм волокон
кабеля, а не волн. Так, стандарт 400GBase-SR8 работает на кабеле, состоящем из 8 волокон для
каждого направления.

48. Ethernet в локальных сетях

ETHERNET В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ
Поток данных скорости 53,12 Гбит/с с кодировкой РАМ4 стал основным элементом не только
стандарта 400G, но и стандартов 200G и 50G. Отличие стандартов 200GBase-FR4, 200GBase-SR4 и
200GBase-ER4 от своих более скоростных собратьев состоит только в том, что в них применяются
не восемь, а четыре потока 50 Гбит/с, передаваемых четырьмя волнами в каждом направлении.
Соответственно в стандартах 50GBase-SR/LR применяются один поток 50 Гбит/с и одна длина
волны в каждом направлении.