1 Tytuł: Gigabit Ethernet Autor: Paweł Gawliński Data opracowania

Tytuł: Gigabit Ethernet
Autor: Paweł Gawliński
Data opracowania: 08.03.2008
Standard Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) powstał na bazie wcześniejszych technologii.
Aby dokładnie zrozumieć tą technologię naleŜy dobrze zapoznać się z wcześniejszymi
wersjami Ethernetu.
Pierwsze standardy okablowania oparte były o kable koncentryczne grube i cieńsze.
W latach 90 wprowadzono nieekranowaną skrętkę. Skrętka zbudowana jest ze skręconych ze
sobą par przewodów miedzianych. Skręcenie par przewodów obniŜa zakłócenia wzajemne
sygnału (przesłuch). Przesłuch to zjawisko pojawienia się sygnału wysyłanego jednym torem
przesyłowym w innym torze. Jeśli przewody byłyby równoległe to przy przesyłaniu sygnału
elektrycznego jego pole magnetyczne będzie zakłócało sygnał płynący w drugim przewodzie i
na odwrót. Skręcenie pary przewodów razem równowaŜy wytwarzane pole magnetyczne,
minimalizując przesłuchy sygnałów. W szerokim zastosowaniu występują dwa rodzaje skrętki
– skrętka ekranowana i nieekranowana. Skrętka ekranowana owinięta jest dodatkową warstwą
metalowego przewodu. Warstwa ta ochrania przed wszelkimi zakłóceniami z zewnątrz
(zakłócenia elektromagnetyczne). Wadą tego kabla jest zatrzymywanie własnego
promieniowania indukowanego, które moŜe wpływać na uszkodzenie sygnału. Skrętka
nieekranowana jest bardziej podatna na duŜe zakłócenia elektromagnetyczne (brak
dodatkowej warstwy ochronnej). Dlatego przy duŜych zakłóceniach elektromagnetycznych
uŜywa się tylko i wyłącznie skrętki ekranowanej, przy znikomych moŜna uŜyć skrętki
nieekranowanej. WyróŜniamy następujące kategorie skrętki: 3 (10 Mb/s), 5 (100 Mb/s), 5e (1
Gb/s), 6 (1 Gb/s). Koniec lat 90 to przede wszystkim rozwój okablowania światłowodowego.
Ze względu na sposób propagacji fali świetlnej wyróŜniamy: światłowód wielomodowy, oraz
jednomodowy. W światłowodzie wielomodowym fale nośne wytwarzane są za pomocą diody
LED, w jednomodowym za pomocą iniekcyjnej diody laserowej ILD (ang. Injection Laser
Diode). Główną róŜnicą pomiędzy światłowodem jednomodowym, a wielomodowym jest
budowa rdzenia. W światłowodzie jednomodowym średnica rdzenia jest tak mała, Ŝe światło
przez nią przechodzące prowadzone jest bez Ŝadnych odbić (światło wędruje po osi kabla).
Rdzeń światłowodu wielomodowego jest większy, fale świetlne wchodzą pod róŜnym kątem
(nie wędrują osiowo) i dlatego ulegają odbiciu.
Sieci Ethernetowe mają kilka wspólnych cech. Przesyłają w sieci ramki o róŜnej
długości, korzystają ze wspólnego dostępu do medium, oraz pracują w trybie półdupleksu i
pełnego dupleksu.
Ramka w sieci Ethernet określa strukturę pakietu danych.
Nagłówek/SFD
Adres docelowy
Adres źródłowy
LEN
Dane CRC
źródło: opracowanie własne
Nagłówek – początek ramki.
SFD (ang. Start Frame Delimiter) – znacznik początku ramki.
Adres docelowy – miejsce przeznaczenia ramki (adres MAC odbiorcy).
Adres źródłowy – miejsce nadania ramki (adres MAC nadawcy).
LEN – długość pola danych (długość segmentu danych w ramce).
CRC (ang. Cyclic Redundancy Checksum) – suma kontrolna. Urządzenie nadawcze i
odbiorcze za pomocą algorytmu oblicza sumę kontrolną. Jeśli sumy się róŜnią ramka uznana
jest za uszkodzoną lub niekompletną. Uszkodzona lub niekompletna ramka jest odrzucona i
podlega powtórnej transmisji.
1
Drugą wspólną cechą sieci Ethernet jest metoda dostępu do medium transmisyjnego.
Dostęp do medium odbywa się za pomocą metody CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection) – śledzenie stanu dostępności medium transmisyjnego i
wykrywanie kolizji. Wykrywanie dostępności medium transmisyjnego polega na
nasłuchiwaniu łącza. Jeśli łącze jest wolne to urządzenia lub węzeł sieci mogą przesyłać dane.
W przypadku gdy łącze jest zajęte muszą poczekać. Druga część tej metody odpowiada za
wykrywanie kolizji. W przypadku gdy nadają dwie stacje zachodzi kolizja, która
neutralizowana jest przez mechanizm CSMA/CD. Nakazuje obydwu stacjom wyłączyć się na
pewien czas (czas dla kaŜdej stacji jest inny) i pozwala na powtórną próbę transmisji.
Sieci Ethernet mogą pracować w trybie półdupleksu i pełnego dupleksu. W trybie
półdupleksu (ang. half duplex) stacja nadaje, lub odbiera dane. Protokół CSMA/CD
umoŜliwia w danym czasie pracę tylko pojedynczej stacji. Przed wysłaniem danych, stacja
sprawdza, czy w sieci nie są wysyłane inne dane. Jeśli sieć jest zajęta (inna stacja wysyła
dane), transmisja zostaje odroczona. Pomimo tego, Ŝe transmisja jest odroczona moŜe dojść
do wysyłania danych przez kilka stacji jednocześnie, co spowoduje kolizję. Kolizje następują,
gdy dwóch lub więcej nadawców rozpocznie równoczesne nadawanie. JeŜeli nadają w tym
samym czasie to kaŜdy z nadawców przekonany jest, Ŝe łącze nie jest przez nikogo zajęte.
DuŜa ilość stacji w sieci przyczynia się do powstawania kolizji, poniewaŜ istnieje większe
prawdopodobieństwo wysłania danych przez dwie lub kilka stacji w tym samym czasie. Jeśli
nastąpi kolizja to dane z powrotem wracają do nadawcy, aby mogły zostać wysłane
powtórnie. W trybie pełnego dupleksu (ang. full duplex) stacja jednocześnie nadaje i odbiera
dane.
Wstępem do technologii Gigabit Ethernet była technologia Fast Ethernet, która
zatwierdzona została w roku 1995. Trzy lata później powstała technologia IEE802.3z,
umoŜliwiająca transfer do 1 Gb/s.
Główną róŜnicą, która zaszła w sieci Gigabit Ethernet była zmiana minimalnej
długości ramki dla trybu półdupleksu. W sieciach Ethernet i Fast Ethernet minimalna długość
ramki wynosi 64 bajty, w przypadku Gigabit Ethernetu to 512 bajtów.
Do zrozumienia dlaczego zmieniono minimalny rozmiar ramki posłuŜą poniŜsze
obliczenia. Wyliczę w nich maksymalną średnicę sieci dla trybu półdupleksu (inaczej mówiąc
maksymalną średnicę sieci, w której wykryje się kolizje). Przechodząc do obliczeń naleŜy
zapoznać się z dwoma terminami.
Domena kolizyjna – obszar sieci, w którym jedna stacja moŜe korzystać z medium
transmisyjnego (półdupleks). W rzeczywistości tak nie jest, poniewaŜ kilka stacji moŜe
wysyłać dane w tym samym czasie, co spowoduję kolizję.
Średnica sieci – maksymalny rozmiar domeny kolizyjnej.
Obliczenia nie uwzględniają opóźnień wprowadzonych przez wtórniki (słuŜą do
regeneracji sygnału), oraz karty sieciowe.
Krok 1: Wyliczanie minimalnego czasu transmisji
„Czas transmisji to czas trwania transmisji od pierwszego bitu do ostatniego. Jest on takŜe
równy czasowi, w którym sygnał kolizji wraca do stacji nadającej”1.
minimalny czas transmisji = minimalny rozmiar ramki * czas 1 bitu (109 bit/s to 1 bit = 10-9s
to 1 bit = 1 ns)
1
R. Breyer, S.Rileyi, „Switched, Fast i Gigabit Ethernet”, Helion, Gliwice, 2000, str. 117
2
Ramka
64 bajty (512 bitów)
512 bajtów (4096 bitów)
512 bitów * 1 ns = 512 ns = 0,512 µs
4096 bitów * 1 ns = 4096 ns = 4,096 µs
Domena kolizyjna jak sama nazwa wskazuje jest obszarem sieci, gdzie występują kolizje.
Jeśli występują kolizję to muszą być one wykrywane. W przypadku wystąpienia kolizji ramka
jest nadawana dalej, a sygnał kolizji powraca z miejsca kolizji do urządzenia nadawczego.
Dlatego minimalny czas transmisji naleŜy podzielić przez 2, aby uwzględnić drogę powrotną
sygnału kolizji. NaleŜy się tutaj kilka zdań wyjaśnienia. Host, który nadaje ramkę w sieci
musi być w stanie wykryć kolizję. MoŜe to zrobić tylko wtedy, gdy informacja o kolizji
dotrze do niego zanim skończy wysyłać ramkę. Czas nadawania minimalnej ramki dla Gigabit
Ethernetu wynosi 4096 ns. Zakładam, Ŝe host zaczyna nadawać ramkę w sieci. Wysłał 2048
bitów i nastąpiła kolizja na pierwszym wysłanym bicie. Wtedy sygnał o kolizji zaczyna biec z
powrotem do hosta (nadawcy). Po 2048 ns wróci do nadawcy, a poniewaŜ host był w połowie
wysyłania minimalnej ramki kiedy wystąpiła kolizja, zdąŜy on do niego wrócić zanim
skończy nadawanie ramki. Gdybym przy obliczaniu średnicy sieci przyjął wartość większą
niŜ minimalny czas transmisji / 2, sygnał o kolizji wróciłby do hosta po skończeniu
nadawania ramki i nie wykryłby kolizji. Przykładowo jeśli kolizja nastąpiłaby po wysłaniu
3000 bitów (3000 ns) to sygnał o kolizji musi przebiec z powrotem 3000 ns do nadawcy, a
hostowi zostało 1096 bitów do nadania (czyli będzie nadawał 1096 ns). Więc nadawanie
ramki skończy się przed odebraniem sygnału o kolizji, dlatego nie zostanie ona wykryta.
0,512 µs / 2 = 0,256 µs
4,096 µs / 2 = 2,048 µs
Krok 2: Wyliczanie opóźnienia kabla
Prędkość światła: 3 * 105 km/s = 3 * 105 * 103m/10-6µs = 3 * 100m/µs
1/3 µs = 100m – światło pokonuje 100 metrów w czasie 1/3 µs
2*1/3 µs = 100m – światło pokonuje 100 metrów w dwie strony w czasie 2/3 µs
Stąd opóźnienie kabla w przybliŜeniu: 0,6 µs/100m
Krok 3: Wyliczanie maksymalnej średnicy sieci
maksymalna średnica sieci = minimalny czas transmisji / opóźnienie kabla
Ramka
64 bajty (512 bitów)
0,256 µs / (0,6 µs/100m) = 43 metry
512 bajtów (4096 bitów)
2,048 µs / (0,6 µs/100m) = 341 metrów
Jak juŜ wcześniej wspomniałem obliczenia nie uwzględniają opóźnień urządzeń
sieciowych. Jest to juŜ bardziej złoŜone zadanie obliczeniowe, wymaga równieŜ wiedzy na
temat opóźnień poszczególnych urządzeń róŜnych producentów. Dlatego teŜ standard IEEE
przyjmuje, Ŝe maksymalna średnica sieci wliczając wszystkie opóźnienia moŜe mieć do 200
metrów dla minimalnej ramki 512 bajtowej. Z powyŜszych obliczeń moŜna stwierdzić, Ŝe
większa długość ramki pozwala na stworzenie większej sieci.
Producenci sprzętu tworzą urządzenia wyłącznie do pracy w pełnym dupleksie,
dlatego niezbędne było nowe rozwiązanie dla ramki, aby mogła obsługiwać tryb half duplex.
Tryb półdupleksu jest praktycznie nie uŜywany, jednak musiał zostać opracowany, aby
Gigabit mógł naleŜeć do „rodziny” Ethernet.
3
Standardy transmisji 1 Gb/s Ethernet:
a) 1000BASE-SX - Obsługuje krótsze połączenia szkieletowe i okablowanie poziome. Oparty
na światłowodach wielomodowych o średnicy 50 i 62,5 mikronów (mikron = jedna
milionowa metra). Odległość połączenia dla kabla o średnicy 50 mikronów wynosi 500
metrów, dla średnicy 62,5 mikrona około 200 metrów.
b) 1000BASE-LX - Obsługuje magistrale kampusowe (kilka budynków) i okablowanie
pionowe. Oparty na światłowodach jednomodowych i wielomodowych. Odległość połączenia
do 5000m dla światłowodu jednomodowego o średnicy kabla 8,3 mikrona. W przypadku
światłowodu wielomodowego do 500m w kablu o średnicy 50 mikronów i do 440m w kablu
o średnicy 62,5 mikrona.
c) 1000BASE-CX - Oparty o kabel miedziany Twinax. SłuŜy do krótkich połączeń pomiędzy
przełącznikami, routerami w punkcie centralnym sieci. Długość kabla nie przekracza 25m.
d) 1000BASE-T (802.3ab) - UŜywa 4 pary kabla UTP kategorii 5. Pracuje w trybie dualduplexu. KaŜda z par nadaje i odbiera sygnał.
Podsumowując, technologia Gigabit Ethernet jeszcze długo nie będzie dostępna dla
małych, średnich, a nawet duŜych firm. Ceny sprzętu sieciowego działającego w tej
technologii, są bardzo wysokie i tylko nieliczne, duŜe firmy mogą sobie pozwolić na
wdroŜenie takiej sieci.
4