Метод физического и логического кодирования сигналов, используемые в современных сетях Gigabit Ethernet

МИНИСТЕРСТВО  НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. К.И.САТПАЕВА

Институт  Информационных Технологий

Кафедра «Вычислительная техника» 
 
 

СРС №1

дисциплина: Компьютерные сети.

Тема: Метод физического и логического кодирования сигналов, используемые в современных сетях Gigabit Ethernet . 

 
 
 
 

Проверил:

Турым А. Ш.

Выполнила:

Ходжаева  Ж.

гр. СИБ – 08 – 1р  
 
 
 
 
 

Алматы 2011 г.

Содержание. 

1. Введение.
2. Физическое кодирование.
3. Логическое кодирование.
4. Уровень МАС. Формат кадра.
5. Спецификация физической среды стандарта 802.3z
6. Применение GEthernet
7. Вывод.
8. Список литературы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

В 1985 году на основе этой разработки был создан первый стандарт IEEE 802.3. Первоначальный стандарт предусматривал в качестве среды передачи коаксиальный кабель, ныне практически не используемый. В дальнейшем в стандарт были внесены изменения и дополнения, связанные с появлением на сцене сетевых технологий кабеля на неэкранированной витой паре. Сам кабель на витой паре прошел собственную эволюцию от категории 1, доставшейся в наследство от телефонных линий, до находящихся сейчас на стадии разработки категорий 6 (ширина полосы пропускания 200 МГц) и 7 (600 МГц). В марте 1996 года, примерно через год после принятия стандарта 802.3u (Fast Ethernet), положившего начало масштабируемое Ethernet, принимается решение о разработке стандарта 802.3 (Gigabit Ethernet). В мае того же года 11 ведущих компаний, наиболее заинтересованных в разработке и внедрении этой технологии, основали Альянс Gigabit Ethernet.

         Имевшиеся на момент начала разработки стандарта 802.3z технологии передачи по кабелю с металлической токоведущей жилой не позволяли реализовать требуемую ширину полосы, поэтому было принято решение об использовании оптоволоконного кабеля в качестве среды передачи. Для ускорения процесса разработки в качестве стандарта физического уровня была использована уже существующая и опробованная спецификация ANSI X3TI 1. применявшаяся к тому времени для реализации интерфейса Fibre Channel. Одновременно было принято решение выделить реализацию Gigabit Ethernet на витой паре в отдельный стандарт 802. За.

Основная  идея разработчиков стандарта 802.3z Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не поддерживает:

• качество обслуживания;
• избыточные связи;
• тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем случае - за исключением тестирования связи порт - порт, как это делается для Ethernet l0Base-T и l0Base-F и Fast Ethernet).

 

 

Кодирование сигналов – это способ преобразования тактовой частоты в скорость передачи данных. С какой целью выполняют преобразование? Для того, чтобы увеличить скорость без изменения частотного диапазона канала связи. Минусом кодирования является использования более сложной приемо-передающей аппаратуры, но при этом положительная сторона при переходе к более скоростным протоколам можно использовать те же кабели.

Например, Gigabit Ethernet 1000 Base – T реализован таким образом, чтобы на базе каналов категории 5 (100 Мгц), имеющий некоторый резерв, передавать 1000 Мбит/с. 

2. Физическое кодирование

Первая передача – коды RZ и манчестер-II

Код RZ

RZ –  это трехуровневый код, обеспечивающий  возврат к нулевому уровню  после передачи каждого бита  информации. Его так и называют  кодирование с возвратом к  нулю (Return to Zero). Логическому нулю соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный.

Информационный  переход осуществляется в начале бита, возврат к нулевому уровню – в середине бита. Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный). Следовательно, каждый бит обозначен. Приемник может выделить синхроимпульс (строб), имеющий частоту следования импульсов, из самого сигнала. Привязка производится к каждому биту, что обеспечивает синхронизацию приемника с передатчиком. Такие коды, несущие в себе строб, называются самосинхронизирующимися.

Недостаток  кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных. Для передачи со скоростью10 Мбит/с требуется частота несущей 10 МГц. Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.

Наиболее  часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов.

Код Манчестер-II

Код Манчестер-II или манчестерский код получил  наибольшее распространение в локальных  сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

Логическому нулю соответствует переход на верхний  уровень в центре битового интервала, логической единице – переход на нижний уровень. Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей. При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза.

Информационные  переходы в средине бита остаются, а граничные (на границе битовых интервалов) – при чередовании единиц и нулей отсутствуют. Это выполняется с помощью последовательности запрещающих импульсов. Эти импульсы синхронизируются с информационными и обеспечивают запрет нежелательных граничных переходов. Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информацию без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

Большое достоинство манчестерского кода –  отсутствие постоянной составляющей при  передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому  гальваническая развязка сигналов выполняется  простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов.

Частотный спектр сигнала при манчестерском  кодировании включает только две  несущие частоты. Для десятимегабитного  протокола – это 10 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей  или одних единиц, и 5 МГц – для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.

Код Манчестер-II нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Самый  распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот код.

Вторая передача – код NRZ

Код NRZ (Non Return to Zero) – без возврата к нулю – это простейший двухуровневый  код. Нулю соответствует нижний уровень, единице – верхний. Информационные переходы происходят на границе битов. Вариант кода NRZI (Non Return to Zero Inverted) – соответствует обратной полярности. Несомненное достоинство кода – простота. Сигнал не надо кодировать и декодировать. Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 Гц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю. Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.

Для синхронизации  начала приема пакета используется стартовый  служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI –  стандарт ATM155. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.

Четвертая передача – код MLT-3

Код трехуровневой  передачи MLT-3 (Multi Level Transmission – 3) имеет много общего с кодом NRZ. Важнейшее отличие – три уровня сигнала.

Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение  уровня сигнала происходит последовательно  с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита. Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ – отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации. 

Редуктор – кодирование данных 4B5B

Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, которое использует тактовую частоту и обеспечивает переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.

В коде 4B5B используется пяти-битовая основа для передачи четырех-битовых информационных сигналов. Пяти-битовая схема дает 32 (два в пятой степени) двухразрядных  буквенно-цифровых символа, имеющих  значение в десятичном коде от 00 до 31. Для данных отводится четыре бита или 16 (два в четвертой степени) символов.

Четырех-битовый  информационный сигнал перекодируется в пяти-битовый сигнал в кодере передатчика. Преобразованный сигнал имеет 16 значений для передачи информации и 16 избыточных значений. В декодере приемника пять битов расшифровываются как информационные и служебные сигналы. Для служебных сигналов отведены девять символов, семь символов – исключены. Исключены комбинации, имеющие более трех нулей (01 – 00001, 02 – 00010, 03 – 00011, 08 – 01000, 16 – 10000). Такие сигналы интерпретируются символом V и командой приемника VIOLATION – сбой. Команда означает наличие ошибки из-за высокого уровня помех или сбоя передатчика. Единственная комбинация из пяти нулей (00 – 00000) относится к служебным сигналам, означает символ Q и имеет статус QUIET – отсутствие сигнала в линии. Кодирование данных решает две задачи – синхронизации и улучшения помехоустойчивости. Синхронизация происходит за счет исключения последовательности более трех нулей. Высокая помехоустойчивость достигается контролем принимаемых данных на пяти-битовом интервале. Цена кодирования данных – снижение скорости передачи полезной информации. В результате добавления одного избыточного бита на четыре информационных, эффективность использования полосы частот в протоколах с кодом MLT-3 и кодированием данных 4B5B уменьшается соответственно на 25%.