Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей

1. Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей

Раздел 4 Уровень передачи
данных (Канальный уровень)
Тема 13
Технология Gigabit Ethernet
Спецификации 1000 Base-X

2. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-X

Осенью 1995г. Был принят стандарт 802.3u спецификации
Fast Ethernet, но летом 1996 года была создана группа 802.3z
для разработки Ethernet-1000 Мбит/с, что позволило плавно
перевести сетевые магистрали на Gigabit Ethernet. К тому же
опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся:
в территориальных сетях технология SDH, а в локальных —
технология
Fibre
Channel.
Стандарт
802.3z
был
окончательно принят в 1998 году. Работы по реализации
Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы
проблемной группе 802.3ab ввиду сложности обеспечения
гигабитной скорости на этом типе кабеля, который был
создан для поддержки скоростей 1000 Мбит/с. Проблемная
группа 802.3аb успешно справилась со своей задачей, и
версия Gigabit Ethernet для витой пары категории 5 была
также принята. Таким образом существует две группы
стандартов 1) стандарты IEEE 802.3z и 2) IEEE 802.ab.

3. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-x

Стандарт
Год
выхода
стандарта
Тип
Скорость
передачи
(Мbps)
1000Base-CX 1000
IEEE 802.3z
IEEE
802.3ab
1998
1999
1000Base-LX 1000
Макс-я длина
сегмента в
метрах
25 м
UTP/STP
cat 5,5e,6
Одномод -5 км
Многомод -550 м оптоволоко
нный
1000Base-SX 1000
550 м
1000Base-T
100 м
1000
Тип
кабеля
UTP/STP
cat 5,5е,6,7

4. Стандарты Технологии Gigabit Ethernet -1000Base-X и 1000Base-T

Стандарты Технологии Gigabit Ethernet 1000Base-X и 1000Base-T
Рис 13-1 три типа интерфейсов физической среды
спецификации стандарта 802.3z (1000Base-X) и один тип
спецификации 802.3ab (1000Base-T)

5. Технология Gigabit Ethernet - Проблемы

Разработчики стремились максимально сохранить в
Gigabit Ethernet идеи классической технологии Ethernet.
Но стандарт Gigabit Ethernet (GE), не поддерживает функции:
качество обслуживания;
избыточные связи;
тестирование работоспособности узлов и оборудования
(за исключением тестирования связи порт-порт, как это
делается в Ethernet 10Base-T, l0Base-F и Fast Ethernet).
Но этими полезными свойствами в локальных сетях обладают
коммутаторы, в которых работают дуплексные версии протоколов
семейства Ethernet, осуществлена поддержка параметров QoS и пр.
В технологии Gigabit Ethernet как и в Fast Ethernet:
Сохраняются все форматы кадров Ethernet;
По-прежнему существует полудуплексная версия
протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD;
Поддерживаются все основные виды кабелей,
используемых в Ethernet и Fast Ethernet волоконнооптический, витая пара категории 5, экранированная витая
пара.( витая пара категории 3-4 не поддерживается).

6. Технология Gigabit Ethernet - Проблемы-задачи

Ограничение диаметра сети GE для работы на
разделяемой среде, с использованием метода CSMA/CD.
В стандартном 10Base-X Ethernet диаметр сети
ограничивается 2500м, в связи с увеличением скорости до
1000 Mbit/s - Gigabit Ethernet длина сегмента составила бы
всего в 25 м при сохранении размера кадров и всех
параметров
метода
CSMA/CD
неизменными.
Было
поставлена задача достичь диаметра сети хотя бы 200 м.
Для расширения максим-го диаметра сети Gigabit Ethernet
до 200 м в полудуплексном режиме было предложено:
Минимальный размер кадра был увеличен (без учета
преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 бит. Время
оборота, соответственно, также можно было увеличить до
4095 битовых интервалов, что делает допустимым диаметр
сети около 200 м при использовании одного повторителя. К
стандартному кадру было добавлено дополнительное поле,
получившее название «расширение носителя».

7. Технология Gigabit Ethernet – Диаметр сети

• Поле расширения помещается после поля контрольной
суммы кадра FCS и ею не учитывается. А минимальный
размер кадра по-прежнему равен 64 байт или 512 бит. Контрольная
сумма вычисляется только для оригинального кадра и не
распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле
расширения отбрасывается. Если размер кадра равен или
превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует.
Поле расширения позволяет корректно обнаруживать коллизий,
но увеличивает накладные расходы. (Рис 16.1).
• Для сокращения накладных расходов используется Режим
пульсаций или Пакетная перегруженность (Packet Bursting)
Для передачи коротких квитанций было разрешено
конечным узлам передавать несколько кадров подряд без
освобождения 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.

8. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-x

Технология Gigabit Ethernet 1000Base-x
Рис.16.1Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя

9. Технология Gigabit Ethernet – Диаметр сети Режим пульсаций.

Средства для диаметра сети в 200 м на разделяемой среде.
• Режим пульсаций.
• Если станции нужно передать несколько небольших кадров,
то она может 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 станция начала
передавать кадр и предел длины пульсации достигнут 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.
• TNmax= 65536*1,0*10-9 =65,5мксек.

10. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-x

Технология Gigabit Ethernet 1000Base-x
• Проблемы-задачи, поставленные для 1000Base-X
• Для достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на
оптическом кабеле за основу был взят физический
уровень технологии Fibre Channel, которой обеспечивает
скорость передачи данных 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, а для 1000 Mbit/s, задача
становится архи сложной.
• Рассмотрим стандартные типы спецификации более
подробно.

11. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-X

Спецификации физической среды стандарта 802.3z
В стандарте 802.3z 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.
Для передачи данных по традиционному для компьютерных
сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю
стандарт определяет применение излучателей, работающих
на двух длинах волн: 1300 и 850 нм.
Затухание многомодового оптоволокна на волне 850 нм
более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм, но
светодиоды с длиной волны 850 нм дешевле, чем на1300 нм.

12. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-x

Технология Gigabit Ethernet 1000Base-x
• Спецификации физической среды стандарта 802.3z
• Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определяет
спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX. В первом случае
используется длина волны 850 нм (S означает Short
Wavelength), а во втором — 1300 нм (L — Long Wavelength).
Спецификация l000Base-SX может использовать только
многомодовый кабель, при этом его максимальная длина
составляет около 500 м.
• Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника
излучения всегда применяется полупроводниковый лазерный
диод с длиной волны 1300 нм. Спецификация 1000Base-LX
может работать как с многомодовым (максимальное расстояние
до 500 м), так и с одномодовым кабелем (максимальное
расстояние зависит от мощности передатчика и качества
кабеля и может доходить до нескольких десятков километров).

13. Технология Gigabit Ethernet -1000Base-x

Технология Gigabit Ethernet 1000Base-x
• Спецификации физической среды стандарта 802.3z
• Комитет 802.3z разработал и спецификацию по меди.
• В качестве среды передачи данных в спецификации 1000СХ определен экранированный сбалансированный медный
кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Максимальная
длина сегмента составляет всего 25 м, поэтому это
решение подходит для соединения оборудования,
расположенного в одной комнате.
• Для справки в табл.1 приведены основные характеристики
оптических приемо-передающих модулей, выпускаемых
фирмой Hewlett Packard для стандартных интерфейсов
1000Base-SX (модель HFBR-5305, =850 нм) и 1000Base-LX
(модель HFCT-5305, =1300 нм

14. Таблица 1. Технические характеристики оптических приемо-передатчиков Gigabit Ethernet

Таблица 1. Технические характеристики оптических
приемо-передатчиков Gigabit Ethernet
Параметры
Температура окружающей среды, °C
100Base-SX
=850 нм
min
max
100Base-LX
=1300 нм
min
max
0
70
0
60
Напряжение питания, V
4,75
5,25
4,75
5,25
Выходная оптическая мощность,
дБм
-10
-4
-13
-3
Чувствительность приемника, дБм
0
-17
-3
-20
Соотношение сигнал/нет сигнала,
дБ
9
-
9
-
Спектральное уширение, нм
-
0,85
-
4
Время нарастания/спада
оптического сигнала, нс
-
0,26
-
0,45

15. Таблица 2. Технические характеристики оптических приемо-передатчиков Gigabit Ethernet

Таблица 2. Технические характеристики оптических приемо-передатчиков
Gigabit Ethernet
Стандарт
1000Base-LX
(лазерный диод
1300 нм)
1000Base-SX
(лазерный диод
850 нм)
1000Base-CX
Тип волокна/
медного кабеля
Одномодовое волокно
(9 мкм)
Многомодовое волокно
(50 мкм)***
Многомодовое волокно
(62,5 мкм)***
Многомодовое волокно
(50 мкм)
Многомодовое волокно
(62,5 мкм)
Многомодовое волокно
(62,5 мкм)
Экранированная витая
пара: STP 150 Ом
Полоса
пропускания
(не хуже),
МГц*км
Максимальное
расстояние*, м
-
5000**
500
550
320
400
400
500
200
275
160
220
-
25

16. Технология Gigabit Ethernet -

Технология Gigabit Ethernet • Интерфейс 1000Base-X
• При кодировании 8B/10B битовая скорость в оптической линии
составляет 1250 бит/c. Это означает, что полоса пропускания участка
кабеля допустимой длины должна превышать 625 МГц. Из табл. 2
видно, что этот критерий для строчек 2-6 выполняется.
• Архитектура стандарта Gigabit Ethernet
• На рис.13-2 показана структура уровней Gigabit Ethernet. В
Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы
кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех
физических интерфейсов. Для стандартов 1000BaseLX/SX/CX используется логическое кодирование 8B/10B и
линейное кодирование (NRZ). Для стандарта 1000Base-T
используется специальный расширенный линейный код
TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень
кодирования PCS, размещенный ниже среда независимого
интерфейса GMII.

17. Технология Gigabit Ethernet -Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

Технология Gigabit Ethernet Архитектура стандарта Gigabit Ethernet
Рис.12-2 структура уровней Gigabit Ethernet

18. Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

• GMII интерфейс.
•Независимый от среды интерфейс GMII (gigabit media
independent interface) обеспечивает взаимодействие между
уровнем MAC и физическим уровнем. GMII интерфейс является
расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10,
100 и 1000 Мбит/с. Он имеет отдельные 8 битные шины для
приемника и передатчика, и может поддерживать как
полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII
интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию
(clock signal), и два сигнала состояния линии - первый (в
состоянии ON) указывает наличие несущей, а второй (в
состоянии ON) говорит об отсутствии коллизий - и еще несколько
других сигнальных каналов и питание. Трансиверный модуль,
охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из
физических средазависимых интерфейсов, может подключать
например к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII
интерфейса или входить в состав сетевой карты.

19. Технология Gigabit Ethernet -

Технология Gigabit Ethernet • Подуровень физического кодирования PCS.
•При подключении интерфейсов группы 1000Base-X (оптика),
подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование
8B/10B, заимствованное из стандарта Fibre Channel.
Аналогичного стандарту FDDI, каждые 8 входных битов,
предназначенных для передачи на удаленный узел,
преобразовываются в 10 битные символы (code groups). Кроме
этого в выходном последовательном потоке присутствуют
специальные контрольные 10 битные символы. Примером
контрольных символов могут служить символы, используемые
для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до
его минимально размера 512 байт). При подключении
интерфейса 1000Base-T, подуровень PCS осуществляет
специальное помехоустойчивое кодирование, для обеспечения
передачи по витой паре UTP Cat.5 на расстояние до 100
метров -линейный код TX/T2, разработанный компанией Level
One Communications – PAM-5.

20. Технология Gigabit Ethernet -

Технология Gigabit Ethernet • Спецификации и Интерфейсы 1000Base-X
•Блочный код 8B/10B аналогичен коду 4B/5B, принятому в
стандарте FDDI. Однако код 4B/5B был отвергнут в
Fibre Channel, потому что этот код не обеспечивает баланса
по постоянному току . Код 8B/10B позволяет избежать более 4
идентичных бит подряд, и ни в одном коде не должно быть
более 6 нулей или 6 единиц.
•Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов
от PCS в последовательный поток, а также выполняет
обратное преобразование (распараллеливание) входящего
последовательного потока от PMD. Подуровень PMD
определяет
оптические/электрические
характеристики
физических сигналов для разных сред.

21. Технология Gigabit Ethernet -

Технология Gigabit Ethernet • Интерфейс 1000Base-X
•Отсутствие
баланса,
особенно
при
повторяющихся
«единичных» битах «111111», потенциально может привести
к зависящему от передаваемых данных нагреванию лазерных
диодов. Чрезмерный нагрев лазерного диода, может быть
причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях
передачи, а также привести к выходу его из строя.