Лекция 5. Ethernet-совместимые технологии

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 постепенно отдельные сегменты переводить на технологию Fast Ethernet. При этом вся сеть остается работоспособной, в старых сегментах сети Ethernet скорость передачи данных будет 10 Мбит/с, в новых (Fast Ethernet) – скорость будет 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 уменьшилось время двойного оборота 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 принципу самосинхронизации, т.е. тактовый генератор приемника должен подстраивать свою частоту под частоту 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 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 рис.5.1 приведены временные диаграммы информационных сигналов с использованием различных кодов.

Рис.5.1. Коды передачи данных

Потенциальный код без возврата к нулю (NRZ – Non-Return to Zero) является наиболее простым, нулю соответствует низкий уровень сигнала, единице – высокий (рис.5.1а). 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 сетях телекоммуникаций применяется редко.

Модифицированный потенциальный код (NRZI – Non-Return to Zero Inverted) изменяет свое состояние на противоположное при передаче нуля и не меняет – при передаче единицы (рис.5.1b). Его свойства самосинхронизации несколько лучше, чем кода NRZ, поэтому он применяется в технологии Fast Ethernet спецификации 100 Base-FX.

Существенно лучшими свойствами самосинхронизации характеризуются биполярные коды: AMI – Alternate Mark Inversion (рис.5.1c) и MLT-3 – Multi Level Transmission (рис.5.1d). 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 (рис.5.1е) обладает наилучшими свойствами самосинхронизации. Однако у него более широкая полоса частот по сравнению с потенциальным кодом NRZI и, особенно, по сравнению с биполярными кодами AMI, MLT-3.

Недостатком кодов AMI, MLT-3 является плохая самосинхронизация при передаче длинной последовательности нулей. Для устранения этого недостатка используется либо избыточный код 4В/5В, либо специальное устройство – скремблер. В случае применения избыточного кода 4В/5В (табл.5.1) из 32 кодовых комбинаций для кодирования символа используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц. В последовательности передаваемых бит число нулей не может быть больше трех. Остальные кодовые комбинации считаются запрещенными.

Таблица 5.1

Код 4B/5B

4В	5В	4В	5В	4В	5В	4В	5В
0000	11110	0100	01010	1000	10010	1100	11010
0001	01001	0101	01011	1001	10011	1101	11011
0010	10100	0110	01110	1010	10110	1110	11100
0011	10101	0111	01111	1011	10111	1111	11101

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

B_i = A_i  B_i-3  B_i-5,

где  - символ сложения по модулю 2,

B_i – значение двоичного кода на выходе скремблера на i –ом такте,

A_i – значение двоичного кода на входе скремблера на i –ом такте,

B_i-3 – значение двоичного кода на выходе скремблера на 3 такта ранее текущего i –ого такта,

B_i-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 5 категории 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 3 категории. Полоса пропускания витой пары UTP 3 категории составляет 16 МГц. Для того чтобы пропустить трафик со скоростью 100Мбит/с, в данной спецификации используется три витых пары (рис.5.2). Четвертая витая пара используется при прослушивании несущей для определения занятости среды.

Рис.5.2. Четыре витых пары спецификации 100Base-Т4

Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 33,3 Мбит/с, что также превышает возможности UTP 3 категории. Поэтому в этой спецификации используется метод кодирования 8В/6Т, обладающий более узким спектром сигналов по сравнению с 4В/5В. Каждые 8 бит информации кодируются шестью троичными цифрами (триадами). Указанные меры позволили передавать данные со скоростью 100 Мбит/с по трем витым парам UTP 3 категории.

Витые пары являются самой распространенной средой передачи данных в локальных сетях. Поэтому для них определено 5 режимов обмена данными, которые могут быть реализованы устройствами совместимых технологий Ethernet и Fast Ethernet:

• 10Base-T – 2 пары UTP 3 категории;

• 10Base-T full duplex – 2 пары UTP 3 категории;

• 100Base-TX – 2 пары UTP 5 категории;

• 100Base-T4 – 4 пары UTP 3 категории;

• 100Base-TX full duplex – 2 пары UTP 5 категории.

Fast Ethernet спецификации 100Base-FX предусматривает работу по двум волокнам оптического многомодового кабеля 62,5/125 мкм в полудуплексном или полнодуплексном режиме. Максимальная длина сегмента в полудуплексном режиме составляет 412 м, а в полнодуплексном – 2000 м. Метод логического кодирования – 4В/5В, физического кодирования – NRZI.

С развитием технологий локальных сетей набора Ethernet скорость передачи возрастала с 10 до 100, затем до 1000 и, наконец, до 10000 Mбит/с. При этом требования преемственности и совместимости были одними из основных. Решение этой проблемы было найдено за счет реализации процесса автопереговоров (Auto-Negotiation) о скорости обмена данными. Этот процесс определяет, как два узла связи автоматически договориваются о режиме и скорости обмена данными.

Спецификация 10BASE-T требовала, чтобы каждая станция передавала импульс связи (link pulse) каждые 16 миллисекунд, если станция не занята в передаче сообщения. Процесс автопереговоров адаптировал этот сигнал и переименовал его в Normal Link Pulse (NLP). Когда посылают ряд групп NLP для целей автопереговоров, группу называют Fast Link Pulse (FLP) burst. Каждый FLP burst посылают в том же самом интервале времени, что и NLP, что позволяет устаревшим устройствам спецификации 10BASE-T работать нормально, если они будут получить FLP burst.

Автопереговоры выполняются путем передачи сигнала burst of 10BASE-T Link Pulses от каждого из двух партнеров связи. Сигнал burst сообщает о способности станции передавать данные ее партнеру связи с максимальной скоростью. После обмена информацией о допустимой скорости и режиме работы, оба коммутатора согласовывают и устанавливают связь с максимальной скоростью и режимом, общими для обоих коммутаторов. Если что-либо прерывает коммуникацию, т.е. связь потеряна, партнеры сначала пытаются связаться снова с последней договорной скоростью. Если связь на этой скорости не возможна или соединение было потеряно, вновь запускается процесс автопереговоров.

Таким образом, до начала обмена данными два устройства должны в процессе автопереговоров установить, в каком режиме они будут работать. Устройство, которое инициирует начало обмена данными, посылает адресату сведения о своем наиболее приоритетном режиме. Низшим приоритетом обладает спецификация 10Base-T. Если адресат поддерживает предложенную технологию, то он подтверждает данный режим, и автопереговоры на этом завершаются. Если адресат не поддерживает предложенную технологию, то он указывает свой режим, в котором и будет производиться обмен данными. Узлы спецификации 10Base-T не воспринимают запросы узлов с высокоприоритетными спецификациями. Поэтому, не получив ответ на свой запрос, узел технологии Fast Ethernet устанавливает для себя низкоприоритетный режим 10Base-T.

Администратор сети может форсировать скорости выбранных портов и устанавливать дуплексный режим, без отключения автопереговоров.

Автопереговоры являются дополнительными для большинства Ethernet реализаций. Технология Gigabit Ethernet требует выполнения автопереговоров, хотя пользователь может игнорировать это. Автопереговоры были первоначально определены для UTP реализаций Ethernet, но были расширены, чтобы работать с волоконно-оптическими линиями.

Когда станция впервые пытается провести автопереговоры, она предполагает, что разрешена спецификация 100BASE-TX и пытается немедленно установить связь. Если партнер поддерживает 100BASE-TX, станция будет пытаться устанавливать связь без ведения переговоров. Если же получен сигнал FLP bursts, станция будет функционировать с предложенной технологией. Если партнер связи вместо FLP bursts предлагает NLPs, то автоматически считается, что устройство является 10BASE-T станцией.

Существует два способа достигнуть полнодуплексной связи. Первый способ - через законченный цикл автопереговоров, второй - административно путем введения полнодуплексного режима для обоих партнеров связи. Следовательно, если один узел переведен в полнодуплексный режим, другой также должен быть введен в такой режим. Поскольку технология 10-Gigabit Ethernet не поддерживает полудуплексный режим, то там подобных проблем не существует.

Для обеспечения совместимости и преемственности формат кадра Fast Ethernet спецификаций 100Base-FX, 100Base-TX в основном совпадает с форматом Ethernet (рис.5.3).

Рис.5.3. Формат кадра Fast Ethernet

Основное отличие заключается в том, что в технологии Ethernet признаком свободного состояния среды служило отсутствие несущей, а в технологии Fast Ethernet признаком свободного состояния служит передача по физической среде специального символа Idle. Начало кадра протокола Fast Ethernet отделяется от символов Idle парой символов J и K (11000 и 10001) кода 4В/5В, а конец – символом Т.

Таким образом, технология Fast Ethernet обладает достаточно высокой скоростью 100 Мбит/с, она является совместимой с существующей широко распространенной технологией Ethernet. Ограничения диаметра сети до 200 м снимаются при использовании коммутаторов. Технология характеризуется разнообразием используемой физической среды (оптоволокно, UTP категории 5, UTP категории 3). Перечисленные свойства предопределили широкое распространение технологии Fast Ethernet, которая практически вытеснила технологию Ethernet.