Ethernet-совместимые технологии

5.2. Технология Gigabit Ethernet

Внедрение услуг передачи голоса, данных и видеоинформации по единой мультисервисной сети ( Triple Play ) привело к необходимости повышения пропускной способности линий связи. Поэтому была разработана технология Gigabit Ethernet, предусматривающая передачу данных со скоростью 1 Гбит/с. В данной технологии, так же как в Fast Ethernet, была сохранена преемственность с технологией Ethernet: практически не изменились форматы кадров, сохранился метод доступа CSMA/CD в полудуплексном режиме. На логическом уровне используется кодирование 8B/10B.

Поскольку скорость передачи увеличилась в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet, то было необходимо либо уменьшить диаметр сети до 20 – 25 м, либо увеличить минимальную длину кадра. В технологии Gigabit Ethernet пошли по второму пути, увеличив минимальную длину кадра до 512 байт, вместо 64 байт в технологии Ethernet и Fast Ethernet. Диаметр сети остался равным 200 м, так же как в Fast Ethernet. Поскольку на практике часто передаются короткие кадры, для снижения непроизводительной загрузки сети разрешается передавать несколько коротких кадров подряд с общей длиной до 8192 байт.

Современные сети Gigabit Ethernet, как правило, строятся на основе коммутаторов и работают в полнодуплексном режиме. В этом случае говорят не о диаметре сети, а о длине сегмента, которая определяется физической средой передачи данных. Gigabit Ethernet предусматривает использование:

• одномодового оптоволоконного кабеля ( 802.3z );
• многомодового оптоволоконного кабеля ( 802.3z );
• симметричного кабеля UTP категории 5 ( 802.3ab );
• коаксиального кабеля.

При передаче данных по оптоволоконному кабелю в качестве излучателей применяются либо светодиоды, работающие на длине волны 830 нм, либо лазеры на длине волны 1300 нм. В соответствии с этим стандарт 802.3z определил две спецификации – 1000Base-SX и 1000Base- LX. Максимальная длина сегмента, реализованного на многомодовом кабеле 62,5/125 спецификации 1000Base-SX, составляет 220 м, а на кабеле 50/125 – не более 500 м. Максимальная длина сегмента, реализованного на одномодовом волокне спецификации 1000Base-LX, составляет 5000 м. Длина сегмента на коаксиальном кабеле не превышает 25 м.

Для использования уже имеющихся симметричных кабелей UTP категории 5 был разработан стандарт 802.3ab. Поскольку в технологии Gigabit Ethernet данные должны передаваться со скоростью 1000 Мбит/с, а витая пара 5-й категории имеет полосу пропускания 100 МГц, было решено передавать данные параллельно по 4 витым парам и задействовать UTP категории 5 или 5е с шириной полосы более 125 МГц. Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 250 Мбит/с, что в 2 раза превышает возможности UTP категории 5е. Для устранения этого противоречия используется код 4D-PAM5 с пятью уровнями потенциала (-2, -1, 0, +1, +2). По каждой паре проводов одновременно производится передача и прием данных со скоростью 125 Мбит/с в каждую сторону. При этом происходит постоянная коллизия, при которой формируются сигналы сложной формы пяти уровней. Разделение входного и выходного потоков производится за счет использования схем гибридной развязки H ( рис. 5.3). В качестве таких схем применяются сигнальные процессоры. Для выделения принимаемого сигнала приемник вычитает из суммарного (передаваемого и принимаемого) сигнала собственный передаваемый сигнал.

Таким образом, технология Gigabit Ethernet обеспечивает высокоскоростной обмен данными и применяется главным образом для передачи данных между подсетями, а также для обмена мультимедийной информацией. Стандарт IEEE 802.3 рекомендует, что технология Gigabit Ethernet с передачей данных по волокну должна быть магистральной (backbone).

Рис. 5.3. Передача данных по 4 парам UTP категории 5

Временные интервалы, формат кадра и передача являются общими для всех версий 1000 Мбит/с. Физический уровень определяют две схемы кодирования сигнала ( рис. 5.4). Схема 8B/10B используется для оптического волокна и медных экранированных кабелей. Для симметричных кабелей UTP применяется модуляция амплитуды импульсов (код PAM5).

В волоконно-оптических линиях используют логическое кодирование 8B/10B и линейное кодирование (NRZ).

Рис. 5.4. Спецификации технологии Gigabit Ethernet

Сигналы NRZ передаются по волокну, задействуя 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 применяется 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) задействованы раздельные волокна, поэтому реализуется полнодуплексная связь. Технология Gigabit Ethernet позволяет устанавливать только единственный ретранслятор между двумя станциями. Ниже приведены параметры технологий 1000BASE (таблица 5.3).

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 применение практически такого же кабеля UTP, что и стандарты 100BASE-T и 10BASE-T. Кабель UTP технологии 1000BASE-T такой же, как кабель 10BASE-T и 100BASE-TX, за исключением того, что рекомендовано использовать кабель категории 5e. 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 применяемого волокна. Используя одномодовое волокно как среду передачи, максимальное расстояние передачи – 40 километров. В настоящее время разрабатываются стандарты для технологий Ethernet со скоростью передачи 40 Гбит/с, 80 Гбит/с и 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 уплотнение по длине волны 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. Таким образом, стандарт развивается не только для LAN, но также для MAN и WAN. Поскольку в технологии 10GbE задействована только полнодуплексная связь, в режиме CSMA/CD нет необходимости. Следовательно, в сетях исключается использование концентраторов hub.

Стандарт 802.3ae управляет семейством 10GbE, которое включает следующие новые технологии:

• 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.

В заключение следует отметить, что в настоящее время технология Ethernet является стандартом для различных соединений: горизонтальных, вертикальных и связи 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.

В сетях Ethernet передача информации производится по трем составляющим сетевой среды:

1. по медным кабелям со скоростью примерно 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 и в ближайшем будущем до 100 Гбит/с и больше.

Медная и беспроводная среда имеют определенные физические и практические ограничения на высокочастотные сигналы. В волоконнооптических системах ограничивающим фактором является электронная технология и производственные процессы 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-телефонии 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

1. В существующей сети Ethernet отдельные сегменты можно постепенно переводить на технологию Fast Ethernet.
2. В технологии Fast Ethernet сохранился принцип использования общей разделяемой среды. При этом диаметр сети уменьшился до 200 м.
3. Спектр сигналов при использовании манчестерского кодирования значительно шире спектра потенциальных избыточных кодов.
4. При применении избыточного кода 4В/5В из 32 кодовых комбинаций для кодирования символа используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц.
5. Скрэмблирование является одним из способов исключения в передаваемых данных длинных последовательностей нулей.
6. Основными спецификациями технологии Fast Ethernet являются 100Base-TX и 100Base-FX.
7. Спецификация100Base-T4 представляет переходную технологию от Ethernet к Fast Ethernet. В данной спецификации используется три витых пары кабеля UTP 3-й категории.
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.
10. В технологии Gigabit Ethernet минимальная длина кадра увеличена до 512 байт, вместо 64 байт в технологии Ethernet и Fast Ethernet. Разрешается передавать несколько коротких кадров подряд с общей длиной до 8192 байт.
11. Стандарт 802.3z технологии Gigabit Ethernet определил две спецификации – 1000Base-SX и 1000Base-LX. Для использования уже имеющихся симметричных кабелей UTP категории 5 был разработан стандарт 802.3ab.
12. Сети технологии Gigabit Ethernet, как правило, строятся на основе коммутаторов, когда расстояние полнодуплексных соединений ограничено только средой сегмента.
13. Технология 10-Gigabit Ethernet (10GbE) описывается стандартом IEEE 802.3ae, который определяет полнодуплексную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с по волоконно-оптическому кабелю.
14. 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 уплотнение по длине волны DWDM.

Вопросы

1. Чему равен диаметр сети Fast Ethernet при использовании концентраторов?
2. Чем определяется максимальное расстояние между узлами сети Fast Ethernet при использовании коммутаторов?
3. В чем достоинства и недостатки манчестерского кода?
4. Для чего используется скрэмблирование?
5. Какие коды используются на уровне логического кодирования в сетях технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet?
6. Для чего в сетях используются блочные избыточные коды 4B/5B или 8B/10В?
7. Для чего в сетях технологий Fast Ethernet введены автопереговоры?
8. Какой кабель используется в сетях Fast Ethernet спецификации 100Base-FX?
9. Какова максимальная длина сегмента спецификации 100Base-FX в полудуплексном и в полнодуплексном режиме?
10. Как отмечаются начало и конец кадра технологий Fast Ethernet?
11. Почему в технологии Gigabit Ethernet увеличили минимальную длину кадра до 512 байт?
12. Чему равна максимальная длина сегмента, реализованного на одномодовом волокне спецификации 1000Base-LX?
13. Можно ли использовать в технологии 10GbE режим CSMA/CD ?
14. Какие спецификации технологии 10GbE обеспечивают максимальную дальность связи?

Упражнения

1. Приведите временные диаграммы информационных сигналов с использованием различных кодов (NRZ, NRZI, AMI, манчестерский код).
2. Изобразите формат кадра технологии Fast Ethernet. Объясните, в чем его отличие от кадра Ethernet.
3. Изобразите схему кабеля спецификации 100Base-Т4.
4. Объясните, почему в технологии Gigabit Ethernet увеличена минимальная длина кадра до 512 байт.
5. Изобразите схему передачи данных по кабелю UTP 5-й категории в сетях технологии Gigabit Ethernet.