Gigabit Ethernet (1000BaseT) на витой паре категории 5

В стандарте Gigabit Ethernet определены следующие типы физической среды:

· одномодовый волоконно-оптический кабель;

· многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;

· многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

· двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом.

· витая пара категории 5.

Последний тип физической среды на данный момент является самым распространенным.

Каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля.

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использование четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможность распознавать коллизии.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разработчики спецификации Gigabit Ethernet применили технику, используемую при организации дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (см. рис. ниже). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи (так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet).

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor).

При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.

Использование одновременного приема и передачи данных по всем парам в кабеле UTP приводит к возникновению дополнительных источников помех, которыми в данном случае являются:

· Отраженный от несогласованного окончания передаваемый сигнал (ECHO);

· Сигналы, которые передаются по параллельным каналам (NEXT).

Для обеспечения возможности восстановления кода, который был искажен в процессе передачи, в технологии 1000BaseT используются методы конволюционного кодирования и декодирования (Trellis Code, Viterbi Decoder). При использовании таких методов кодирования значение формируемого кода зависит не только от предаваемого символа, но и от одного, или нескольких символов, которые были сформированы и переданы перед ним. Таким образом, после получения неверной кодировки, приемник может не только распознать наличие ошибки, но и попытаться восстановить правильный код, используя для этого значения уже принятых кодировок.

Для того, чтобы все компенсирующие процедуры и компоненты работали нормально, особенно важно наличие взаимной синхронизации между тактовыми генераторами взаимодействующих компонентов сети 1000BaseT. Причем в данном случае синхронизация должна быть абсолютной и односторонней – источником синхронизирующих импульсов является только один компонент, который использует свои импульсы для синхронизации передаваемого и принимаемого потоков (в терминологии 1000BaseT этот компонент называется MASTER). Второй компонент, который называется SLAVE, использует внешние импульсы, которые он восстанавливает из принимаемого сигнала для синхронизации своего передаваемого сигнала.

Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения:

· полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом;

· величина перекрестных наводок в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц;

· затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц);

· активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м;

· емкость кабеля не должна превышать 5,6 нФ на 100 м.

Кроме кабельной системы, к минимуму оборудования, с помощью которого можно создать сеть стандарта Gigabit Ethernet относятся концентраторы и сетевые адаптеры. Такая сеть будет представлять собой общую разделяемую среду.

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети — компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра.

Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов.

· Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня. Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода/вывода операционной системы.

· Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC. Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.

· Выдача сигналов в кабель в соответствии с манчестерским кодом.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия.

· Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.

· Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию выполняют сигнальные процессоры DSP. В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.

· Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Практически во всех современных технологиях локальных сетей определено устройство, которое имеет несколько равноправных названий — концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель (repeator). В зависимости от области применения этого устройства в значительной степени изменяются его функции и конструктивное исполнение. Неизменной остается только основная функция — это повторение кадра на всех портах.

Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети — компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду.

Для синхронизации приемника одного концентратора с передатчиком другого

Концентраторы разных производителей могут отличаться такими деталями, как количество портов, поддержка нескольких типов кабелей и т. п.

Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количество дополнительных функций, которые либо в стандарте вообще не определены, либо являются факультативными. Например, концентратор может выполнять функцию отключения некорректно работающих портов. Концентратор оказался удобным устройством для выполнения дополнительных функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети.

Задание 2.

Сделать электронное пособие, в котором описывается назначение, возможности, преимущества и недостатки протокола TCP, описывается процесс передачи данных при использовании протокола.

Дата добавления: 2015-06-04