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

При совместном использовании кодирования сигналов MLT-3 и данных 4В5В четвертая передача работает фактически как третья – 3 бита информации на 1 герц несущей частоты сигнала. Такая схема используется в протоколе TP-PMD.

 8В/10В кодирование данных

При кодировании 8В/10В битовая скорость в оптической линии составляет 1250 Бит/с. Это означает, что полоса пропускания участка кабеля допустимой длины должна превышать 625 МГц.

Характеристики:

• введена избыточность (256 состояний кодируются в 1024);
• избыточность позволяет восстанавливать неправильно переданный сигнал без повторной передачи;
• возможность самосинхронизации за счет часто встречающихся фронтов импульсов;
• убран дисбаланс между количеством "0" и "1" по сравнению с 4b/5b (нет зависимости нагрева лазеров от передаваемых данных, повышается стабильность, а также нет накопления потенциала для электропроводных линий);
• кодирование позволяет отличать данные  от управляющих сигналов.

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 ретрансляции - используются узкоспектральные DFB-лазеры, работающие на длине волны 1550 нм.

Технология Gigabit Ethernet для передачи по неэкранированной витой паре категории 5 на расстояния до 100 метров использует все четыре пары медного кабеля. Скорость передачи по одной паре 250 Мбит/с. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних витых пар на данную пару в четырех парном кабеле требует разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме.

Пятая передача – код PAM 5

Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании  каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.

Идея  заключается в следующем. Для кодирования данных код РАМ-5 использует 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. При этом если передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. 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. Это дает дополнительный резерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ-5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц. 

3.Логическое  кодирование 

Логическое  кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода - избыточные коды и скрэмблирование.

Избыточные  коды

Избыточные  коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Так как результирующие символы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В результирующие символы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как исходные символы - только 16. Поэтому в результирующем коде можно отобрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей, а остальные считать запрещенными кодами (code violation). Кроме устранения постоянной составляющей и придания коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распознавать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Соответствие  исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже.

Код 4В/5В  затем передается по линии с помощью  физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования, чувствительному только к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4В/5В длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретиться более трех нулей подряд.

Буква В в названии кода означает, что  элементарный сигнал имеет 2 состояния - от английского binary - двоичный. Имеются также коды и с тремя состояниями сигнала, например, в коде 8В/6Т для кодирования 8 бит исходной информации используется код из 6 сигналов, каждый из которых имеет три состояния. Избыточность кода 8В/6Т выше, чем кода 4В/5В, так как на 256 исходных кодов приходится 3⁶=729 результирующих символов.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому  этот подход не усложняет сетевые  адаптеры и интерфейсные блоки коммутаторов и маршрутизаторов.

Для обеспечения  заданной пропускной способности линии  передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В  со скоростью 100 Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125 МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.

Скрэмблирование

Перемешивание данных скрэмблером перед передачей  их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического  кодирования.

Методы  скрэмблирования заключаются в  побитном вычислении результирующего  кода на основании бит исходного  кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать  следующее соотношение:

где Bi - двоичная цифра результирующего  кода, полученная на i-м такте работы скрэмблера, Ai - двоичная цифра исходного  кода, поступающая на i-м такте  на вход скрэмблера, Bi-з и Bi-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 5 тактов ранее текущего такта,   - операция исключающего ИЛИ (сложение по модулю 2). Например, для исходной последовательности 110110000001 скрэмблер даст следующий результирующий код: B1 = А1 = 1 (первые три цифры результирующего кода будут совпадать с исходным, так как еще нет нужных предыдущих цифр)

Таким образом, на выходе скрэмблера появится последовательность 110001101111, в которой  нет последовательности из шести  нулей, присутствовавшей в исходном коде.

После получения результирующей последовательности приемник передает ее дескрэмблеру, который восстанавливает исходную последовательность на основании обратного соотношения:

Различные алгоритмы скрэмблирования отличаются количеством слагаемых, дающих цифру  результирующего кода, и сдвигом  между слагаемыми. Так, в сетях ISDN при передаче данных от сети к абоненту используется преобразование со сдвигами в 5 и 23 позиции, а при передаче данных от абонента в сеть - со сдвигами 18 и 23 позиции.

4.Уровень МАС. Формат кадра.

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:

1. сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала (и следовательно увеличить минимальную длину кадра), или
2. сохранить время канала, (сохранить прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента.

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.2 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя.

Для чего минимальный размер кадра в Gigabit Ethernet увеличен до 512 байт?

• для ускорения передачи информации;
• для уменьшения количества коллизий;
• для увеличения допустимой области коллизий;
• для отказа от метода доступа CSMA/CD;
• для увеличения эффективности полнодуплексного режима.

Рис 2. Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя 

 

5. Спецификация физической среды стандарта 802.3z

       В стандарте 802.3z 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 сопративлением 75 Ом.

 

Одномодовый кабель

       Для спецификации 1000 Base - LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер – диод с длиной волны 1300 нм. Спецификация 1000 Base - LX может работать как с одномодовым так и с многомодовым кабелем.

Рис 3.  Предельные значения сегментов для  кабелей разного типа для стандарта 1000 Base - LX