Спецификации физического уровня Ethernet В начале 90 -х

Спецификации физического уровня Ethernet В начале 90 -х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet, что привело к появлению высокоскоростных версий q Fast Ethernet q Gigabit Ethernet q 10 G Ethernet q 40 G Ethernet q 100 G Ethernet

Волоконно-оптический кабель Внешняя защитная оболочка Светопровод (стекло/полимер) Стеклянная (полимерная) оболочка Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5 – 60 микронов) гибких стекляных (или полимерных) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля, обеспечивающий передачу данных с очень большой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (световые сигналы легко экранировать). Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины), представляющей собой стекляное волокно, и стекляной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Показатель преломления вещества — отношение фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде. В зависимости от способа распространения света в светопроводе различают многомодовое и одномодовое волокно (кабель).

Волоконно-оптический кабель Многомодовое волокно (Ǿ 100 - 62. 5 мкм) – для передачи данных на скоростях около 1 Гбит/с на расстояние до 2000 м. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала. В качестве источника света применяются светодиодные излучатели. Одномодовое волокно (Ǿ 5 - 10 мкм) – передача данных на скоростях до нескольких десятков Гигабитов в секунду. Передача на большие расстояния (до 100 км). Отличная помехозащищенность. Не создает помех. Используется для передачи данных, видео и голоса. Отличная защита от несанкционированного доступа (при отводе резко возрастает затухание сигнала). Используется большинством сетевых стандартов. В качестве источника света применяются только лазерные диоды. Дорог сам по себе, высокая стоимость соединения кабеля с разъемом.

Fast Ethernet (Стандарт IEEE 802. 3 u. 1995 г. ) Сохранен метод доступа CSMA/CD

Стандарты физического уровня Fast Ethernet Ø 100 Base-FX - многомодовый оптоволоконный кабель, волна 850 нм, используется два волокна, код 4 B/5 B. Длина сегмента до 2000 м. Ø 100 Base-T 4 - четырехпарный кабель на неэкранированной витой паре UTP категории 3, код 8 B/6 T (каждые 8 бит информации уровня МАС кодируются 6 -ю троичными цифрами). Группа из 6 -ти троичных цифр передается на одну из трех витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33, 3 Мбит/с. Стандарт не нашел широкого применения, т. к. освоен кабель категори 5 с пропускной способностью 100 Мбит/с. Ø 100 Base-TX - двухпарный кабель на неэкранированной витой паре UTP категории 5 ( или экранированной витой паре STP). Используется код 4 B/5 B, обладающий более узким спектром чем манчестерский, и позволяющий передавать данные с более высокой скоростью.

Избыточный потенциальный код 4 В/5 В В коде отобрано 16 комбинаций с минимальным количеством нулей. При любом сочетании символов кода на линии не встретятся более трех нулей подряд. Для передачи кодированный сигнал преобразуется в трехуровневый (MLT-3 Multi. Level Transmit 3) для 100 BASE TX и в NRZI (двухуровневый) для FX. 4 бита исходного кода 5 бит результирующего кода 0000 11110 0001 01001 0010 10100 0011 10101 0100 01011 0110 01111 1000 : 10010 :

Формат кадра Fast Ethernet 111… Преамбула Idle – символ простоя источника (отсутствие данных для передачи JK - ограничитель начала потока значащих символов Преамбула – семь синхронизирующих байтов - 1010 SFD – Start-of-Frame-Delimiter (10101011) – указывает, что следующий байт – это первый байт заголовка кадра. T- ограничитель конца потока значащих символов

Gigabit Ethernet (Стандарт IEEE 802. 3 z. 1998 г. ) • Скорость обмена информацией в сети 1 Гбит/с • Формат кадра – прежний • Существуют полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD и полнодуплексные версии • Минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт (4094 бит), что увеличило время оборота до 4095 битовых интервала и допускать диаметр сети до 200 м. • Введен режим пульсаций (Burst Mode) – несколько кадров можно передавать подряд, без межкадрового интервала – до 8192 байта (длина пульсации), кадры могут быть меньше 512 байт.

Физическая среда Gigabit Ethernet Ш 1000 Base-LX (Long Wavelength, лазерный диод 1300 нм): многомодовое волокно – максимальная длина 550 м, одномодовое – максимальная длина до 5000 м Ш 1000 Base-SX (Short Wavelength, светодиод 850 нм): только многомодовое волокно - макс длина – около 500 м Ш 1000 Base-Т допускает работу на витой паре категории 5 и 6. Используются все 4 пары. Максимальная длина – 100 м. (Стандарт 1999 года) Ш 1000 -СХ: Экранированный медный кабель (Твинаксиал – пара проводников в одном направлении, пара в другом) макс длина 25 м.

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 • Параллельная передача по 4 витым парам -> 250 Мбит/c по одной паре, но полоса пропускания категории 5 – 100 МГц, для поддержания скорости передачи 250 Мбит/с разработан спец. код РАМ 5 с пятью уровнями. • Код PAM 5: -2, -1, 0, +1, +2 • 5 состояний, 2, 322 бита за такт -> тактовую частоту снизили до 125 МГц (250/2, 32=108) • Код PAM 5 на тактовой частоте 125 МГц имеет спектр уже, чем 100 МГц ( кабель категории 5 е может надежно передавать трафик до 125 Мбит/с) • Полнодуплексный режим достигается за счет одновременной встречной передачи – принимаемый сигнал определяется спецпроцессором цифрового сигнала (DSP) как разность между суммарным сигналом и собственным • Поддерживается процедура автопереговоров

Код РАМ-5 информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00, 01, 10, 11). Т. е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5)

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 Двунаправленная передача по четырем парам UTP категории 5

10 G Ethernet (IEEE 802/3 ae; 2002 г. ) Ш Это первый стандарт Ethernet, который работает не на разделяемой среде (дуплексный режим передачи). Ш Используется тот же размер и формат фрейма (кадра), что обеспечивает совместимость всех технологий Ethernet без преобразований протоколов и фреймов. Ш Время передачи одного бита составляет 0, 1 мкс. Ш В качестве среды передачи используется в основном оптический кабель, стало возможным построение сквозных крупномасштабных сетей Ethernet. Ш Для кодирования данных на физическом уровне выбран метод 64 В/66 В вместо 8 В/10 В, что способствовало повысить эффективность использования полосы пропускания. Ш Обеспечивается совместимость с синхронными оптическими сетями (SONET) и синхронными цифровыми сетями (SDN).

10 G Ethernet Стандарт включает в себя семь стандартов физических интерфейсов Ø 10 GBase-CX 4 – технология для расстояний до 15 м. , использует кабель СХ; Ø 10 GBase-SR - технология для расстояний от 26 до 300 м. , в зависимости от типа многомодового оптического кабеля; Ø 10 GBase-LX 4 – технология использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому кабелю и до 10 километров при одномодовом оптическом кабеле; Ø 10 GBase- LR , и 10 GBase- ЕR – поддерживают расстояние до 10 и 40 км. при использовании одномодового кабеля; Ø 10 GBase-SW, 10 GBase-LW, 10 GBase-EW – используют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с интерфейсом SONET/SDN. подобны стандартам 10 GBase- LR , и 10 GBase- ЕR, т. к. использует те же кабели и расстояния.

10 G Ethernet Ø 10 GBase-T – (принят в 2006 году), экранированная или неэкранированная витая пара длиной до 100 метров.

40 G Ethernet Включает в себя четыре стандарта физических интерфейсов: Ø 40 GBase-КR 4 – технология для коротких расстояний (до 1 метра по проводникам печатной платы); Ø 40 GBase-CR 4 - технология для коротких расстояний (до 10 метров), использует медный кабель СХ 4; Ø 40 GBase-SR 4 – технология для передачи информации на расстояние не менеее 100 метров по многомодовому оптическому кабелю; Ø 40 GBase-LR 4 - технология для передачи информации на расстояние не менеее 10 километров по одномодовому оптическому кабелю.

Семейство Ethernet Метод доступа CDMA/CD или Full Duplex Ф и з и ч ес к и й у р о в е н ь - Ethernet 10 Base-5 10 Base-2 10 Base-T Fast 100 Base-TX 1000 Base-SX 10 Base-FB Ethernet 100 Base-FX 100 Base-T 4 Gigabit 10 Base-FL Ethernet 1000 Base-LX 1000 Base-TX 10 GB; 40 GB – область применения – локальные сети и магистрали глобальных сетей Конкурент SDH

Перспективы технологии Ethernet является доминирующей технологией для подавляющего большинства новых сетей. Институт IEEE и Альянс 10 -GB-Ethernet предложили стандарты для скоростей передачи 40, 100 и 160 Гбит/с. Благодаря использованию UTP-кабелей и оптического волокна, в которых имеются отдельные пути для передаваемых и принимаемых данных, а также снижению цен на коммутируемые соединения, полудуплексные соединения и технологии с общей шиной отошли в прошлое. В перспективе будут использоваться три разновидности сред передачи: Ø медный провод (со скоростью передачи ≥ 1000 Мбит/с); Ø беспроводные технологии (со скоростью передачи ≥ 1000 Мбит/с); Ø оптическое волокно (со скоростью передачи ≥ 10 000 Мбит/с). Возможность гарантировать сквозное качество услуг , является основной целью, к которой стремится технология Ethernet, сменяя АТМ. В связи с высокой надежностью передачи данных по оптическим каналам, вполне вероятно использование больших фреймов (Jumboфреймов размером до 9000 байтов).

Перспективы технологии Ethernet Оптическое волокно наиболее подходящая среда для передачи информации на скоростях более 10 Гбит/с. однако при этом необходимо решить ряд проблем: 1. Невозможно достичь скорости передачи в 100 Гбит/с используя один лазерный источник. Используется передача нескольких длин волн в одном кабеле (частотное уплотнение). При этом необходима система оптического сведения лучей десятков лазеров в один кабель на передающей стороне. На приемной стороне сигналы должны быть разделены и отправлены получателю. При этом можно использовать два метода выделения сигнала: Ø узкополосный – сигнал направляется всем приемникам, а приемник воспринимает сигнал только определенной длины волны. Такие узкополосные приемники стоят очень дорого. Ø Наиболее часто используются широкополосные приемники – селекция волн по их длине выполняется оптическим способом, например на основе брегговской решетки.

Перспективы технологии Ethernet 2. Для передачи световых волн на большие расстояния их необходимо усиливать (регенерировать). Возможны два способа регенерации: по схеме оптика-электроника-оптика, очищение от шума и усиление производится электрического сигнала. использование оптических усилителей. Такие усилители позволяют снизить потребность в дополнительном оборудовании и не добавляют заметной задержки в проходящий сигнал, однако вместе с полезным сигналом усиливают шум в оптическом сигнале, что на больших расстояниях может привести к серьезным искажениям. 3. Для оптических сетей с такой скоростью передачи целесообразно использовать оптические коммутаторы. Разработанные оптические коммутаторы пока очень дороги.

Особенности локальных сетей • Техника виртуальных локальных сетей, которая появилась одновременно с коммутаторами, позволяет гибко и эффективно структурировать локальную сеть, разделяя ее на независимые сегменты, что является идеальным решением для создания крупных локальных сетей, в которых отдельные виртуальные сегменты объединяются в общую сеть маршрутизаторами. • Новая технология Carrier Ethernet позволяет технологии Ethernet использоваться в глобальных сетях операторов связи, что повышает однородность сетей. Для этого технологию пришлось усовершенствовать, добавив функции: мониторинг соединений, отделение адресов операторов от адресов пользователей, поддержка отказоустойчивости и др.

Оборудование физического и канального уровней локальных сетей

Активное оборудование физического и канального уровней локальных сетей Ø Сетевые адаптеры - обеспечивают сопряжение узлов сети (компьютеров) с линиями связи. Вместе с драйвером выполняют функции физического и МАС-уровней. LLC-уровень реализуется модулем операционной системы. Ø Повторители (repeaters) - работают на физическом уровне, улучшают физические характеристики сигналов, удлиняют связи в сети. Ø Концентраторы (hubs) - центральные узлы обмена информацией между несколькими конечными станциями сети сегмента сети. Выполняют функции повторителя. Ø Мосты (bridges) - локализуют трафик внутри сегментов сетей. Передают пакет с порта на порт только тогда, когда МАС-адрес принадлежит этому порту. Ø Коммутаторы (switching) - осуществляют одновременную передачу пакетов между всеми парами портов по алгоритму моста

Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIС) Основные функции: В сетевой операционной системе пара сетевой адаптер - драйвер реализует только функции физического уровня и уровня МАС модели OSI в конечном узле сети – компьютере. Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: Ø передачу кадра Ø прием кадра Адаптер имеет уникальный код, называемый адресом управления доступом к среде (Media Access Control – MAC)

Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIС) Передача кадра из компьютера в кабель: Ø Прием кадра данных LLС через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня. Ø Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулирован кадр LLС (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы. Ø Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4 В/5 В. Ø Скрэмблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Ø Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом — манчестерским, NRZI, МLТ-3 и т. п.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия: Ø Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток. Ø Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию могут выполнять специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSР. Ø Если данные перед отправкой в кабель подвергались скрэмблированию, то они пропускаются через дескрэмблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком. Ø Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLС передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра извлекается кадр LLС и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLС. Кадр LLС помещается в буфер оперативной памяти.

Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIС) Классификация Ø Для клиентских компьютеров – значительная часть работы перекладывается на драйвер. Высокая степень загрузки центрального процессора. Ø Для серверов – снабжаются собственным процессором Ø В зависимости от реализуемого протокола – Ethernet-адаптеры, FDDI – адаптеры и т. д. Ø С поддержкой режима автопереговоров (в названии имеют приставку - 10/100) Ø Современные адаптеры – функции МАС-уровня выполняются аппаратно (наличие мощного процессора); приоритезация кадров; поддержка удаленного мониторинга; функции дистанционного управления компьютером

Сетевой адаптер (карта) Boot. Rom – удаленная загрузка станции по сети.

Концентраторы (hubs)/ Повторители (repeaters) Устройства, которые на физическом уровне повторяют сигналы, пришедшие на вход одного из портов на всех остальных портах (и, как правило, улучшает их электрические характеристики - форму, мощность). Дополнительные функции - отключение некорректно работающих портов и переход на резервную линию связи / кольцо. К другому концентратору 10 Base T . . . Концентратор: повторитель + дополнительные функции

Соединение устройств в стандартах 10 BASE-T и 100 BASE-TХ В сетевых картах персональных компьютеров, маршрутизаторах, беспроводных точках доступа контакты 1 и 2 Ethernet-портов используются для передачи данных. В концентраторах и коммутаторах для передачи данных используются контакты 3 и 6 Ethernet-портов. Устройства, которые передают по паре 1, 2 и принимают по паре 3, 6 Устройства, которые передают по паре 3, 6 и принимают по паре 1, 2 Сетевые карты персональных компьютеров Концентраторы Маршрутизаторы Коммутаторы Беспроводные точки доступа . . . Сетевые принтеры непосредственно подключенные к сети Ethernet При соединении устройств из первой колонки с устройствами второй – используется прямой тип кабеля. Если соединяемые устройства относятся к одной колонке, требуется перекрещенный кабель (crossover).

Адаптер ПК Концентратор, коммутатор

Дополнительные функции концентраторов q Автосегментация (partitioning) - отключение порта при повреждении кабеля данного сегмента(отсутствие ответа на импульсы теста связности) или других ошибочных ситуациях (неверная контрольная сумма; неверная длина кадра; множественная коллизия; затянувшаяся передача) q Поддержка резервных связей: Резервные связи между концентраторами Основные связи между концентраторами . . .

Защита от несанкционированного доступа (передача кадров только от станций с фиксированными адресами)

Многосегментные концентраторы Ethernet 1 Ethernet 2 Ethernet 3

Структура системы управления концентратором на основе протокола SNМР (Simple Network Management Protocol) *MIB (Management Information Base) – база данных управляющей информации

Конструктивы коммуникационных устройств Стек устройств Шасси С фиксированным набором портов (Standalone)

Стековые концентраторы

END 7