Гигабитный fast. Гигабитный Ethernet. Рис.5. Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя

Ethernet (читается эзернет , от лат. aether - эфир) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных
.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История создания

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
кабель.

Причинами перехода на были:

• возможность работы в дуплексном режиме;
• низкая стоимость кабеля «витой пары»;
• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
• большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
• отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet
10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт
Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Ранние модификации Ethernet

• Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
• 10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
  в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
• 1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

• 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
• 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
  карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
  конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
• StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

• 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
• FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
• 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
• 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
• 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
• 10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

• 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
  километров
• 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
  видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
  буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
  на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
• 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
  Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня
  дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6
  (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
  Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
  раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
  приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
  цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
  и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
  стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
  может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
  продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
  использовать более простую электронику.
• 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 5 километров.
• 
  
  используется.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
  с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
  используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 100 километров.

10-гигабитный Ethernet

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
стандарта IEEE 802.3.

• 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
• 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
  зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
  метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
  волокна.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
  соответственно.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
  по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
  10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
• 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
  экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

Сегодня практически невозможно обнаружить в продаже ноутбук или материнскую плату без интегрированной сетевой карты, а то и двух. Разъём у всех из них один - RJ45 (точнее, 8P8C), но скорость контроллера может отличаться на порядок. В дешёвых моделях - это 100 мегабит в секунду (Fast Ethernet), в более дорогих - 1000 (Gigabit Ethernet).

Если же в вашем компьютере встроенный LAN-контроллер отсутствует, то он, скорее всего, уже «старичок» на базе процессора типа Intel Pentium 4 или AMD Athlon XP, а также их «предков». Таких «динозавров» можно «подружить» с проводной сетью только путём установки дискретной сетевой карты с PCI-разъёмом, так как шины PCI Express во времена их появления на свет ещё не существовало. Но и для PCI-шины (33 МГц) выпускаются «сетевухи», поддерживающие наиболее актуальный стандарт Gigabit Ethernet, хотя её пропускной способности может быть недостаточно для полного раскрытия скоростного потенциала гигабитного контроллера.

Но даже в случае наличия 100-мегабитной интегрированной сетевой карты дискретный адаптер придётся приобрести тем, кто собирается «проапгрейдиться» до 1000 мегабит. Лучшим вариантом станет покупка PCI Express-контроллера, который обеспечит максимальную скорость работы сети, если, конечно, соответствующий разъём в компьютере присутствует. Правда, многие отдадут предпочтение PCI-карточке, так как они значительно дешевле (стоимость начинается буквально от 200 рублей).

Какие же преимущества даст на практике переход с Fast Ethernet на Gigabit Ethernet? Насколько отличается реальная скорость передачи данных PCI-версий сетевых карт и PCI Express? Хватит ли скорости обычного жёсткого диска для полной загрузки гигабитного канала? Ответы на эти вопросы вы найдёте в данном материале.

Участники тестирования

Для тестирования были выбраны три наиболее дешёвые дискретные сетевые карты (PCI - Fast Ethernet, PCI - Gigabit Ethernet, PCI Express - Gigabit Ethernet), так как они пользуются наибольшим спросом.

100-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-100S (цена начинается от 110 рублей), в которой используется наиболее популярный для дешёвых карточек чипсет Realtek RTL8139D.

1000-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-1000S (цена начинается от 210 рублей), которая основана на чипе Realtek RTL8169SC. Это единственная карта с радиатором на чипсете - остальным участникам тестирования дополнительное охлаждение не требуется.

1000-мегабитная сетевая PCI Express-карта представлена моделью TP-LINK TG-3468 (цена начинается от 340 рублей). И она не стала исключением - в её основе лежит чипсет RTL8168B, который тоже произведён компанией Realtek.

Внешний вид сетевой карты TP-LINK TG-3468

Чипсеты из этих семейств (RTL8139, RTL816X) можно увидеть не только на дискретных сетевых картах, но и интегрированными на многие материнские платы.

Характеристики всех трёх контроллеров приведены в следующей таблице:

Показать таблицу

Пропускной способности PCI-шины (1066 Мбит/с) теоретически должно быть достаточно для «раскачки» гигабитных сетевых карт до полной скорости, но на практике её может всё-таки не хватить. Дело в том, что этот «канал» между собой делят все PCI-устройства; кроме того, по нему передаётся служебная информация по обслуживанию самой шины. Посмотрим, подтвердится ли это предположение при реальном измерении скорости.

Ещё один нюанс: подавляющее большинство современных жёстких дисков имеют среднюю скорость чтения не более 100 мегабайт в секунду, а часто и ещё меньше. Соответственно, они не смогут обеспечить полную загрузку гигабитного канала сетевой карты, скорость которого составляет 125 мегабайт в секунду (1000: 8 = 125). Обойти это ограничение можно двумя способами. Первый - это объёдинить пару таких жёстких дисков в RAID-массив (RAID 0, striping), при этом скорость может увеличиться практически в два раза. Второй - использовать SSD-накопители, скоростные параметры которых заметно превышают таковые у жёстких дисков.

Тестирование

В качестве сервера использовался компьютер со следующей конфигурацией:

• процессор: AMD Phenom II X4 955 3200 МГц (четырёхъядерный);
• материнская плата: ASRock A770DE AM2+ (чипсет AMD 770 + AMD SB700);
• оперативная память: Hynix DDR2 4 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
• видеокарта: AMD Radeon HD 4890 1024 Мб DDR5 PCI Express 2.0;
• сетевая карта: Realtek RTL8111DL 1000 Мбит/с (интегрирована на материнскую плату);
• операционная система: Microsoft Windows 7 Home Premium SP1 (64-битная версия).

В качестве клиента, в который устанавливались тестируемые сетевые карты, использовался компьютер со следующей конфигурацией:

• процессор: AMD Athlon 7850 2800 МГц (двухъядерный);
• материнская плата: MSI K9A2GM V2 (MS-7302, чипсет AMD RS780 + AMD SB700);
• оперативная память: Hynix DDR2 2 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
• видеокарта: AMD Radeon HD 3100 256 Мб (интегрирована в чипсет);
• жёсткий диск: Seagate 7200.10 160 Гб SATA2;
• операционная система: Microsoft Windows XP Home SP3 (32-битная версия).

Тестирование производилось в двух режимах: чтение и запись через сетевое подключение с жёстких дисков (это должно показать, что они могут являться «бутылочным горлышком»), а также с RAM-дисков в оперативной памяти компьютеров, имитирующих быстрые SSD-накопители. Сетевые карты соединялись напрямую при помощи трёхметрового патч-корда (восьмижильная витая пара, категория 5e).

Скорость передачи данных (жёсткий диск - жёсткий диск, Мбит/с)

Реальная скорость передачи данных через 100-мегабитную сетевую карту Acorp L-100S совсем немного не дотянула до теоретического максимума. А вот обе гигабитные карты хоть и обогнали первую примерно в шесть раз, но максимально возможную скорость показать не сумели. Прекрасно видно, что скорость «упёрлась» в производительность жёстких дисков Seagate 7200.10, которая при непосредственном тестировании на компьютере в среднем составляет 79 мегабайт в секунду (632 Мбит/с).

Принципиальной разницы в скорости между сетевыми картами для шины PCI (Acorp L-1000S) и PCI Express (TP-LINK TG-3468) в данном случае не наблюдается, незначительное преимущество последней вполне можно объяснить погрешностью измерений. Оба контроллера работали примерно на шестьдесят процентов от своих возможностей.

Скорость передачи данных (RAM-диск - RAM-диск, Мбит/с)

Acorp L-100S ожидаемо показала такую же низкую скорость и при копировании данных из высокоскоростных RAM-дисков. Оно и понятно - стандарт Fast Ethernet уже давно не соответствует современным реалиям. По сравнению с режимом тестирования «жёсткий диск - жёсткий диск» гигабитная PCI-карта Acorp L-1000S заметно прибавила в производительности - преимущество составило примерно 36 процентов. Ещё более впечатляющий отрыв продемонстрировала сетевая карта TP-LINK TG-3468 - прирост составил около 55 процентов.

Вот тут и проявилась более высокая пропускная способность шины PCI Express - TP-LINK TG-3468 обошла Acorp L-1000S на 14 процентов, что уже не спишешь на погрешность. Победитель немного не дотянул до теоретического максимума, но и скорость в 916 мегабит в секунду (114,5 Мб/с) всё равно выглядит впечатляюще - это означает, что ожидать окончания копирования придётся практически на порядок меньше (по сравнению с Fast Ethernet). К примеру, время копирования файла размером 25 Гб (типичный HD-рип с хорошим качеством) с компьютера на компьютер составит менее четырёх минут, а с адаптером предыдущего поколения - более получаса.

Тестирование показало, что сетевые карты стандарта Gigabit Ethernet имеют просто огромное преимущество (вплоть до десятикратного) над контроллерами Fast Ethernet. Если в ваших компьютерах установлены только жёсткие диски, не объединённые в striping-массив (RAID 0), то принципиальной разницы по скорости между PCI- и PCI Express-картами не будет. В противном случае, а также при использовании производительных SSD-накопителей предпочтение следует отдать картам с интерфейсом PCI Express, которые обеспечат максимально возможную скорость передачи данных.

Естественно, следует учитывать, что и остальные устройства в сетевом «тракте» (свитч, роутер...) должны поддерживать стандарт Gigabit Ethernet, а категория витой пары (патч-корда) должна быть не ниже 5e. Иначе реальная скорость так и останется на уровне 100 мегабит в секунду. К слову, обратная совместимость со стандартом Fast Ethernet сохраняется: к гигабитной сети можно подключить, например, ноутбук со 100-мегабитной сетевой картой, на скорости прочих компьютеров в сети это никак не скажется.

Сильные стороны сетей Ethernet очевидны - детальная проработанность и выверенность технологии, огромный опыт практической эксплуатации основанных на ней сетей во всем мире, дешевизна оборудования. Общеизвестны и слабые - разделяемый доступ к среде передачи, сильно ограничивающий масштабируемость.

Этот «неисправимый дефект» вспоминается сразу же, как только предпринимается очередная попытка радикально поднять пропускную способность сетей Ethernet. Еще в 1993 году, когда появился стандарт Fast Ethernet, казалось, что предел скорости передачи достигнут. Поэтому последовавшие вскоре разговоры о гигабитном варианте все той же технологии не вызывали ничего, кроме скепсиса. Тем не менее, прошло четыре года, и на рынке появились первые устройства Gigabit Ethernet, а еще немного спустя, в 1998 году, институт IEEE принял соответствующий стандарт (802.3z).

Конечно, было бы наивно полагать, что принципы, заложенные создателями Ethernet еще в 1972 году, ко второй половине 90-х не претерпели никаких изменений. Протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий (CSMA/CD) удалось «разогнать» до гигабитной скорости благодаря нескольким техническим находкам, прежде всего расширению несущей и пакетной передаче. Метод расширения несущей устранил зависимость минимальной длины передаваемых кадров от величины временного кванта. Появление в сетях Gigabit Ethernet режима пакетной передачи дало возможность организовывать в сетевом узле конвейерную пересылку групп кадров, сохранив старый служебный интерфейс MAC-уровня. Более того, пакетная передача повысила эффективность обработки нескольких кадров одним сетевым узлом и тем самым уменьшила негативную роль эффекта захвата физической среды.

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных.

Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире.

Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. При переходе от Ethernet к Fast Ethernet сохранение минимального размера кадра привело к уменьшению диаметра сети с 2 км для 10BaseT до 200 м для 100BaseT. Однако перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Очевидно, что в этом случае станции в разделяемой сети оказались бы в буквальном смысле "на коротком поводке", поэтому рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.

Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).

Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). Это самый худший вариант, но даже с учетом того, что средняя длина кадра составляет на практике 200-500 байт, пропускная способность возрастет всего лишь до 300-400 Мбит/с.

С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров (к сожалению, термин "пакетная передача", как обычно переводится на русский язык английское понятие "bursting", может привести к путанице, так как он подразумевает пакет как передачу сразу серии кадров, а не пакет как блок данных. В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию.

Все эти меры позволяют достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузки сети. Тем не менее, подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD себя практически изжил.

Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплексной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.

Одним из способов обойти ограничения, связанные с расширением несущей, является использование так называемых буферных распределителей. Этот новый класс устройств (иногда их еще называют полнодуплексными повторителями) представляет собой нечто среднее между повторителем и коммутатором.

Все порты гигабитного буферного распределителя работают в полнодуплексном режиме и задействуют механизмы контроля потоков, определенные стандартом IEEE 802.3х. Как обычный повторитель Ethernet, он передает поступивший кадр на все свои порты; как и коммутатор Ethernet, способен принимать кадры на нескольких портах одновременно, при этом поступившие кадры помещаются в буферы. При заполнении буферов распределитель задействует механизмы управления потоками для информирования передающего узла о необходимости приостановить передачу. Такой подход позволяет достичь близкой к номинальной пропускной способности в разделяемом сегменте Gigabit Ethernet.

Если принимающая станция (узел) на одном конце прямого соединения оказывается, перегружена, то она отправляет передающей станции так называемый "кадр приостановки передачи" (pause frame) с просьбой отказаться от передачи кадров на определенный промежуток времени. В результате передающая станция останавливает передачу данных на указанный промежуток времени. Однако принимающая станция может отправить кадр с нулевым временем ожидания с тем, что отправитель возобновил передачу.

Все эти расширения старого, разработанного ещё в 80-е годы Ethernet, вместо разработки с нуля новой технологии, свободной от старых ограничений, сделаны из соображений совместимости. Гигабитный Ethernet можно свободно встраивать в работающие сети, не заменяя их и не останавливая работу.

Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет резко поднять пропускную способность магистрали локальной сети и поддерживать в результате большее число как коммутируемых, так и разделяемых сегментов Fast Ethernet. Установка сетевой платы Gigabit Ethernet на сервер дает возможность расширить канал с сервером и таким образом увеличить производительность рабочих станций. Остальные части сети продолжают работать на имеющемся оборудовании без какой-либо перенастройки.

При модернизации серверов и рабочих станций для перехода на гигабитные скорости от пользователей потребуется тщательный выбор сетевого адаптера. При скорости 1 Гбит/с ЦП не сможет поддерживать пропускную способность сети, если NIC не обладает интеллектуальными функциями взаимодействия с хост-машиной. Это относится также и к GE-интерфейсам маршрутизаторов и коммутаторов меньшей мощности.

Традиционно производительность рабочей станции зависит от архитектуры ее шины и памяти, а также от рабочей частоты ЦП. Компьютеры с 32-разрядной шиной PCI могут передавать пакетный трафик со скоростью 1 Гбит/с, тогда как 64-разрядная шина PCI обеспечивает вдвое большую пропускную способность (2 Гбит/с).

Таким образом, повышение скорости работы шины является основным фактором готовности к переходу на гигабитные скорости. Однако при такой скорости ЦП системы может легко израсходовать все 100% ресурсов на организацию передачи данных между приложениями и сетью, а на выполнение самих приложений или других задач операционной системы вычислительной мощности не останется.

В этих случаях применяются интеллектуальные сетевые адаптеры (аналогично интеллектуальным контроллерам жёстких), имеющие собственный процессор для обработки сетевых пакетов. Такие сетевые адаптеры могут вызывать единственное прерывание ЦП для многих пакетов данных, записывая данные сразу в оперативную память. Тем самым радикально изменяется отношение числа пакетов к числу прерываний, и решаются проблемы, масштабируемости, присущие более старым конструкциям. Это позволяет повысить не только пропускную способность, но и эффективность работы приложений за счет высвобождения ресурсов ЦП. Кроме того, для таких адаптеров отношение числа пакетов к числу прерываний может быть задано пользователем или установлено автоматически. Это позволяет реализовать “адаптивные” прерывания, частота которых может меняться в зависимости от загрузки сети.

Разница между коммутаторами Gigabit Ethernet может быть весьма значительной. Пользователям придется выбирать, оснастить ли каждый узел сети возможностью интеллектуальной обработки трафика и процессором высокой производительности или спроектировать эту сеть так, чтобы решить большую часть проблем только за счет увеличения пропускной способности.

Gigabit Ethernet имеет относительно примитивные функции QoS, в частности, по сравнению с аналогичными функциями ATM.

Рабочая группа Gigabit Ethernet 802.3z предложила изменить спецификацию Gigabit Ethernet с целью смягчить проблему дифференцированной задержки. Эта редакция позволит организовывать соединения Gigabit Ethernet протяженностью до 260, 440 или 550 м, в зависимости от диаметра оптического волокна и типа используемого лазера. Несмотря на опасения в связи с ограничениями на протяженность многомодового оптического кабеля модернизация оптической магистрали до гигабитных скоростей не вызывает особых проблем. Размер кадра - весьма неоднозначный вопрос ввиду его потенциального влияния на производительность сети. Gigabit Ethernet использует тот же формат и размер кадра (от 64 до 1500 байт), что и стандартные Ethernet и Fast Ethernet, но может использовать и специальные кадры увеличенного размера до 9000 байт (jumbo-frames). Такие кадры позволяют сократить число обрабатываемых сетевой платой кадров и снизить служебный трафик.

Ethernet ([ˈiːθərˌnɛt] от англ. ether [ˈiːθər] «эфир») - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDIи Token ring.

Наиболее распространенный формат кадра Ethernet II

10 Мбит/с Ethernet

§ 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEEиспользует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.

§ 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.

§ StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в отличие от работы с коаксиальным кабелем. Поэтому все сети на витой паре используют топологию «звезда», в то время как сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

§ 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.

§ FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.

§ 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.

§ 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.

§ 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.

§ 10BASE-FP (Fiber Passive) - Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогда не применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

§ 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.

§ 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.

§ 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.

§ 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.

§ 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.

§ 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10 километров.

§ 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)

§ 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров

§ 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6 (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbit/s (1000BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может использовать более простую электронику.

§ 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.

§ 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.

§ 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя зависит только от типа используемых приемопередатчиков и, как правило, составляет от 5 до 50 километров.

§ 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.

§ 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров .

Token Ring.

Token Ring - технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркёрным доступом» - протокол локальной сети, который находится на канальном уровне (DLL) модели OSI. Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркёром, который перемещается вокруг кольца. Владение маркёром предоставляет право обладателю передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркёрным доступом перемещаются в цикле.

Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token ring логически организованы в кольцевую топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Этот механизм передачи маркёра совместно использован ARCNET, маркёрной шиной, и FDDI, и имеет теоретические преимущества перед стохастическим CSMA/CD Ethernet.

Token Ring и IEEE 802.5 являются главными примерами сетей с передачей маркёра. Сети с передачей маркёра перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркёром. Владение этим маркёром гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркёр, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркёр к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркёр в течение определенного максимального времени (по умолчанию - 10 мс).

Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet, такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных.

Если у станции, владеющей маркёром, имеется информация для передачи, она захватывает маркёр, изменяет у него один бит (в результате чего маркёр превращается в последовательность «начало блока данных»), дополняет информацией, которую он хочет передать и отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркёр в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает «раннего освобождения маркёра» - early token release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если обеспечивается раннее высвобождение маркёра, то новый маркёр может быть выпущен после завершения передачи блока данных.

Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.

FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface - Волоконно-оптический интерфейс передачи данных) - стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200километров. Стандарт основан на протоколе Token Ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

В качестве среды передачи данных в FDDI рекомендуется использовать волоконно-оптический кабель, однако можно использовать и медный кабель, в таком случае используется сокращение CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца, при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным, по нему передаётся информация в обычном состоянии; второе - вспомогательным, по нему данные передаются в случае обрыва на первом кольце. Для контроля за состоянием кольца используется сетевой маркер, как и в технологии Token Ring.

Поскольку такое дублирование повышает надёжность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.

32. Meханизмы CSMA/CD

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) - технология(802.3) множественного доступа к общей передающей среде в локальной компьютерной сети с контролем коллизий. CSMA/CD относится к децентрализованным случайным (точнее, квазислучайным) методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet).

Если во время передачи кадра рабочая станция обнаруживает другой сигнал, занимающий передающую среду, она останавливает передачу, посылает jam signal и ждёт в течение случайного промежутка времени (известного как «backoff delay» и находимого с помощью алгоритма truncated binary exponential backoff), перед тем как снова отправить кадр.

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи.

Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.

Ethernet является классическим примером протокола CSMA/CD.

Похожая информация.

Сейчас идет много разговоров о том, что пора бы уж массово переходить на гигабитные скорости при подключении конечных пользователей локальных сетей, а также опять поднимается вопрос об оправданности и прогрессивности решений «волокно до рабочего места», «волокно до дома» и т.п. В связи с этим данная статья, описывающая стандарты не только на медные, но и, главным образом, на оптоволоконные интерфейсы GigE, будет вполне уместна и своевременна.

архитектура стандарта Gigabit Ethernet

На рис.1 показана структура уровней Gigabit Ethernet. Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8B/10B, а с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса GMII.

Рис. 1. Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet, GII интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet

GMII интерфейс . Среданезависимый 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 приемник и передатчик, 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.

Подуровень физического кодирования PCS. При подключении интерфейсов группы 1000Base-X, подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8B10B, заимствованное из стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel. Аналогичного рассмотренному стандарту FDDI, только на основе более сложной кодовой таблицы 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.

Два сигнала состояния линии - сигнал наличие несущей и сигнал отсутствие коллизий - генерируются этим подуровнем.

Подуровни PMA и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокно. 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. Всего определяются 4 различный типа физических интерфейса среды, которые отражены в спецификация стандарта 802.3z (1000Base-X) и 802.3ab (1000Base-T), (рис.2).

Рис. 2. Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet

интерфейс 1000Base-X

Интерфейс 1000Base-X основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel. Fibre Channel - это технология взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-х уровневую архитектуру. Два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet. Поскольку Fibre Channel является одобренной технологией, то такое перенесение сильно сократило время на разработку оригинального стандарта Gigabit Ethernet.

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. Отсутствие баланса потенциально может привести к зависящему от передаваемых данных нагреванию лазерных диодов, поскольку передатчик может передавать больше битов "1" (излучение есть), чем "0" (излучения нет), что может быть причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях передачи.

1000Base-X подразделяется на три физических интерфейса, основные характеристики которых приведены ниже:

Интерфейс 1000Base-SX определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770-860 нм, мощность излучения передатчика в пределах от -10 до 0 дБм, при отношении ON/OFF (сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника -17 дБм, насыщение приемника 0 дБм;

Интерфейс 1000Base-LX определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 1270-1355 нм, мощность излучения передатчика в пределах от -13,5 до -3 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника -19 дБм, насыщение приемника -3 дБм;

1000Base-CX экранированная витая пара (STP "twinax") на короткие расстояния.

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).

Таблица 1. Технические характеристики оптических приемо-передатчиков Gigabit Ethernet

Поддерживаемые расстояния для стандартов 1000Base-X приведены в табл.2.

Таблица 2. Технические характеристики оптических приемо-передатчиков Gigabit Ethernet

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. Из-за большой скорости передачи Gigabit Ethernet, следует быть внимательным при построении протяженных сегментов. Безусловно предпочтение отдается одномодовому волокну. При этом характеристики оптических приемопередатчиков могут быть значительно выше. Например компания NBase выпускает коммутаторы с портами Gigabit Ethernet, обеспечивающими расстояния до 40 км по одномодовому волокну без ретрансляций (используются узкоспектральные DFB лазеры, работающие на длине волны 1550 нм).

особенности использования многомодового волокна

В мире существует огромное количество корпоративных сетей на основе многомодового волоконно-оптического кабеля, с волокнами 62,5/125 и 50/125. По этому естественно, что еще на этапе формирования стандарта Gigabit Ethernet возникла задача адаптации этой технологии для использования в существующих многомодовых кабельных системах. В ходе исследований по разработке спецификаций 1000Base-SX и 1000Base-LX была выявлена одна очень интересная аномалия, связанная с использованием лазерных передатчиков совместно с многомодовым волокном.

Многомодовое волокно конструировалось для совместного использования со светоизлучающими диодами (спектр излучения 30-50 нс). Некогерентное излучение от таких светодиодов попадает в волокно по всей площади светонесущей сердцевины. В результате в волокне возбуждается огромное число модовых групп. Распространяющийся сигнал хорошо поддается описанию на языке межмодовой дисперсии. Эффективность использования таких светодиодов в качестве передатчиков в стандарте Gigabit Ethernet низкая, в силу очень высокой частоты модуляции - скорость битового потока в оптической линии равна 1250 Мбод, а длительность одно импульса - 0,8 нс. Максимальная скорость, когда еще используются светодиоды для передачи сигнала по многомодовому волокну, составляет 622,08 Мбит/c (STM-4, c учетом избыточности кода 8B/10B битовая скорость в оптической линии 777,6 Мбод). По этому Gigabit Ethernet стал первым стандартом, регламентирующим использование лазерных оптических передатчиков совместно с многомодовым волокном. Площадь ввода излучения в волокно от лазера значительно меньше, чем размер сердцевины многомодового волокна. Этот факт сам по себе еще не приводит к проблеме. В то же время, в технологическом процессе производства стандартных коммерческих многомодовых волокон допускается наличие некоторых некритичных при традиционном использовании волокна дефектов (отклонений в пределах допустимого), в наибольшей степени сосредоточенных вблизи оси сердцевины волокна. Хотя такое многомодовое волокно полностью удовлетворяет требованиям стандарта, когерентный свет от лазера, введенный по центру такого волокна, проходя через области неоднородности показателя преломления, способен расщепиться на небольшое число мод, которые затем распространяются по волокну разными оптическими путями и с разной скоростью. Это явление известно как дифференциальная модовая задержка DMD. В результате появляется фазовый сдвиг между модами, приводящий к нежелательной интерференции на приемной стороне и к значительному росту числа ошибок (рис.3а). Замети, что эффект проявляется только при одновременном стечении ряда обстоятельств: менее удачное волокно, менее удачный лазерный передатчик (разумеется удовлетворяющие стандарту) и менее удачный ввод излучения в волокно. С физической стороны, эффект DMD связан с тем, что энергия от когерентного источника распределяется внутри небольшого числа мод, в то время как некогерентный источник равномерно возбуждает огромное число мод. Исследования показывают, что эффект проявляется сильней при использовании длинноволновых лазеров (окно прозрачности 1300 нм).

Рис.3. Распространение когерентного излучения в многомодовом волокне: а) Проявление эффекта дифференциальной модовой задержки (DMD) при осевом вводе излучения; б) Неосевой ввод когерентного излучения в многомодовое волокно.

Указанная аномалия в худшем случае может вести к уменьшению максимальной длины сегмента на основе многомодового ВОК. Поскольку стандарт должен обеспечивать 100-процентную гарантию работы, максимальна длина должна сегмента регламентироваться с учетом возможного проявления эффекта DMD.

Интерфейс 1000Base-LX . Для того, чтобы сохранить большее расстояние и избежать непредсказуемости поведения канала Gigabit Ethernet из-за аномалии, предложено вводить излучение в нецентральную часть сердцевины многомодового волокна. Излучение из-за апертурного расхождения успевает равномерно распределиться по всей сердцевине волокна, сильно ослабляя проявление эффекта, хотя максимальная длина сегмента и после этого остается ограниченной, (табл.2). Специально разработаны переходные одномодовые оптические шнуры MCP (mode conditioning patch-cords), у которых один из соединителей (а именно тот, который планируется сопрягать с многомодовым волокном) имеет небольшое смещение от оси сердцевины волокна. Оптический шнур, у которого один соединитель - Duplex SC со смещенной сердцевиной, а другой - обычный Duplex SC, может называться так: MCP Duplex SC - Duplex SC. Разумеется такой шнур не подходит для использования в традиционных сетях, например в Fast Ethernet, из-за больших вносимых потерь на стыке с MCP Duplex SC. Переходной MCP может быть комбинированным на основе одномодового и многомодового волокна и содержать элемент смещения между волокнами внутри себя. Тогда одномодовым концом он подключается к лазерному передатчику. Что же касается приемника, то к нему может подключаться стандартный многомодовый соединительный шнур. Использование переходных MCP шнуров позволяет заводить излучение в многомодовое волокно через область, смещенную на 10-15 мкм от оси (рис.3б). Таким образом, сохраняется возможность использования интерфейсных портов 1000Base-LX и с одномодовыми ВОК, поскольку там ввод излучения будет осуществляться строго по центру сердцевины волокна.

Интерфейс 1000Base-SX . Так как интерфейс 1000Base-SX стандартизован только для использования с многомодовым волокном, то смещение области ввода излучения от центральной оси волокна можно реализовать внутри самого устройства, тем самым снять необходимость использования согласующего оптического шнура.

интерфейс 1000Base-T

1000Base-T - это стандартный интерфейс Gigabit Ethernet передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре 250 Мбит/c. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях - двойной дуплекс (dual duplex). 1000Base-T. Технически реализовать дуплексную передачу 1 Гбит/с по витой паре UTP cat.5 оказалось довольно сложно, значительно сложней чем в стандарте 100Base-TX. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних витых пар на данную пару в четырехпарном кабеле требует разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, и интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме. Несколько методов кодирования первоначально рассматривались в качестве кандидатов на утверждение в стандарте 1000Base-T, среди которых: 5- уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5; квадратурная амплитудная модуляция QAM-25, и др. Ниже приведены кратко идеи PAM-5, окончально утвержденного в качестве стандарта.

Почему 5-уровневое кодирование. Распространенное четырехуровневое кодирование обрабатывает входящие биты парами. Всего существует 4 различных комбинации - 00, 01, 10, 11. Передатчик может каждой паре бит установить свой уровень напряжения передаваемого сигнал, что уменьшает в 2 раза частоту модуляции четырехуровневого сигнала, 125 МГц вместо 250 МГц, (рис.4), и следовательно частоту излучения. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. В результате чего становится возможной коррекция ошибок на приеме. Это дает дополнительный резерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум.

Рис.4. Схема 4-х уровневого кодирования PAM-4

уровень MAC

Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD что и его предки Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.

В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байта. Именно значение минимального размера кадра определяет максимальное допустимое расстояние между станциями (диаметр коллизионного домена). Время, которого станция передает такой кадр - время канала - равно 512 BT или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно время, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно RDT не должно превышать 512 BT (без учета преамбулы).

При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длины 64 байта соответственно сокращается - оно равно 512 BT или 5,12 мкс (в Fast Ethernet 1 BT = 0,01 мкс). Для того, чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, как и раньше необходимо удовлетворить одному из условий:

В Fast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это сохранило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена.

Опять же в силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то соответственно уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров, что могло быть мало полезным. Поэтому, при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время канала. В Gigabit Ethernet оно составляет 4096 BT и в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название "расширение носителя".

расширение носителя (carrier extension)

Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал и увеличивают "коллизионное окно". В результате, коллизия будет регистрироваться всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если станция желает передать короткий (меньше 512 байт) кадр, до при передаче добавляется это поле - расширение носителя, дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. На рис.5 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя.

Рис.5. Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя.

пакетная перегруженность (Packet Bursting)

Расширение носителя - это наиболее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet, и такой же диаметр коллизионного домена. Но оно привело к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512-64) может расходоваться в холостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet компанией NBase Communications было внесено предложение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название пакетная перегруженность, позволяет эффективней использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт, и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением - межкадровый интервал заполняется символами расширения, (рис.6а). Таким образом среда не замолкает между посылками коротких оригинальных кадров, и ни какое другое устройство сети не может вклиниться в передачу. Такое пристраивание кадров может происходить до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий, поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого своего оригинального кадра, включая расширение носителя, что безусловно увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках (рис.6-б).

Рис.6. Пакетная перегруженность: а) передача кадров; б) поведение полосы пропускания.

По материалам компании «Телеком Транспорт»