Технология Gigabit Ethernet IEEE 802. 3z и IEEE 802. 3ab

Если отличия между Ethernet и Fast Ethernet минимальны и не затрагивают MAC-уровень, то при разработке стандарта Gigabit Ethernet пришлось внести изменения не только в физический, но и в MAC уровень. Действительно, повышение скорости передачи данных до 1000 Мбит/с при сохранении всех соотношений, принятых в Ethernet и Fast Ethernet привело бы к сокращению окна коллизий до неприемлемого размера. Действительно, значение = 0,26 мкс при скорости 1000 Мбит/с соответствует, примерно, времени распространения сигнала в 50-метровом отрезке кабеля, а к этому следует добавить задержку, вносимую концентратором. Т.е. диаметр сети пришлось бы уменьшить до 25 метров, что практического смысла не имело. По этой причине минимальный размер кадра был увеличен до 512 байт (в Ethernet и Fast Ethernet - 64 байта). С учетом всех аппаратных задержек и ограничения мкс диаметр домена коллизий достиг 200 метров, т.е. стандартного для Fast Ethernet значения.

Чтобы обеспечить совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, вынужденное увеличение минимального размера кадра было реализовано посредством включения в его заголовок опционального поля, получившее название "Расширение" (рис. 4.31). Правила формирования остальных полей были сохранены, в том числе, и ограничение в 64 байта на минимальный размер кадра без поля «Расширение».

Если станция передает короткий (меньше 512 байт) кадр, то в его заголовок включается поле «Расширение», дополняющее кадр до 512 байт. При этом, контрольная сумма вычисляется для кадра без учета поля расширения. При приеме кадра поле «Расширение» отбрасывается еще до передачи его в MAC-модуль, алгоритм работы которого не отличается от алгоритмов обработки кадров Ethernet и FastEthernrt. При трансляции кадра из Ethernet 10/100 в Gigabit Ethernet также производится описанная процедура, что и обеспечивает их совместимость на канальном уровне.

Наличие поля расширения приводит к снижению коэффициента полезного использования пропускной способности среды передачи (). Для сокращения накладных расходов протокола, связанных с использованием длинных кадров при передаче коротких сообщений, МАС-протокол Gigabit Ethernet допускает возможность передачи нескольких кадров подряд в режиме монопольного владения средой. Такой режим владения каналом называется Burst Mode (режим пакетной передача). В этом режиме станция может передавать подряд (в пакете) несколько кадров с общей длиной пакета не более 8192 байт (рис.4.32).

Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения до 512 байт, и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед без поля расширения и с минимальным межкадровым интервалом (МКИ) в 96 BT (т.е. 96 нСек). При этом, межкадровый интервал заполняется символами расширения, благодаря чему и между посылками коротких оригинальных кадров остальными станциями сети среда индицируется как занятая, а для физического уровня приемника, вся посылка выглядит как один кадр. Начавшаяся передача последнего в пакете кадра всегда завершается. Ясно, что в режиме пакетной передачи уменьшается и вероятность коллизий, поскольку они могут возникать только на этапе передачи первого кадра пакета, что также увеличивает производительность сети.

В 1999 году компанией Alteon Networks, Inc было внесено предложение об увеличении максимального размера кадра Gigabit Ethernet с 1500 до 9000 Байт (Jumbo Frames). Применение «гигантских» кадров ограничивалось только полнодуплексным режимом и сопровождалось введением специальной процедуры согласования возможностей станций обрабатывать такие кадры. Очевидно, что реализация этого предложения привела бы к определенному росту производительности сегментов Gigabit Ethernet, но одновременно породила бы и серьезную проблему совместимости с сегментами Fast Ethernet. Рабочая группа IEEE 802.3z не приняла это предложение, но некоторые из производителей сетевого оборудования его поддержали и выпускают соответствующее оборудование.

Все ограничения, связанные с методом множественного доступа (МДКН/ОК) к среде, актуальны лишь для сетей, построенных на концентраторах. Практически, сети Gigabit Ethernet строятся на коммутаторах, где коллизионный домен сокращается до 1 станции, а ограничение диаметра сети определяется лишь допустимым уровнем затухания сигнала в среде передачи.

Технология Gigabit Ethernet описывается спецификациями IEEE 802.3z (1000BaseSX, 1000BaseLX и 1000BaseСX) и IEEE 802.3ab (1000BaseT), которые были одобрены в 1998-99 годах. В стандартах IEEE 802.3z предусмотрено логическое кодирование по схеме 8В/10В, а тактовая частота составляет 1,25 ГГц.

Сигнальное кодирование для IEEE 802.3ab (1000BaseT) производится по методу РАМ-5. Это пятиуровневый биполярный код, в котором пара информационных бит, в зависимости от предыстории, представляется одним из пяти уровней потенциала. Очевидно, что передача данных дибитами позволяет в два раза уменьшить бодовую скорость. Полоса пропускания кабеля 5-й категории позволяет передавать данные с бодовой скоростью до 150 МБод/с., т.е. информационная скорость по одной витой паре может достигать 300 Мбит/с. Параллельная передача данных по четырем парам кабеля позволяет повысить скорость передачи до 1200 Мбит/с.

Дуплексный режим связи, являющийся основным для стандарта 1000BaseT, предполагает, что прием и передача сигналов ведутся одновременно в двух направлениях по четырем парам проводов кабеля. Оконечные цепи выделяют сигналы противоположного передатчика. Решение такой задачи на гигагерцевых частотах стало возможным благодаря применению сигнальных процессоров. Техническая реализация дуплексной передачи по витой паре UTP cat.5 оказалась довольно сложной, значительно сложней, чем в стандарте 100Base-TX. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних линий на каждую пару в четырехпарном кабеле потребовало разработки специальной схемы скремблирования и применения специфического избыточного сигнального кодирования.

Спецификации физического уровня предусматривают использование многомодового (550 метров) и одномодового (5 км) оптических кабелей, а также четырехпарного кабеля «витая пара» категории 5 и выше (100 метров). В таблице 4.5 приведены основные параметры сетей Gigabit Ethernet.

Таблица 4.5.

*) Скрутка проводников (26 единиц/метр) обеспечивает волновое сопротивление линии 100 Ом, симметрию характеристик по длине кабеля, уменьшение взаимного электромагнитного влияния пар