Ethernet: 40 Гбит/с и 100 Гбит/с

Технологии Ethernet: версии, среды передачи, маркировки сегментов

При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину связи между узлами, в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами. Например, технология Ethernet позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров.

Ethernet — пакетная технология передачи данных. Разработана преимущественно для локальных компьютерных сетей.

Стандартами Ethernet определяются проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, а на канальном уровне модели OSI определяются формат кадров и протоколами управления доступом. В основном, Ethernet описывают стандарты IEEE группы 802.3. Это самая распространенная технология ЛВС.

Технология. Стандарт первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) говорит о том, что в качестве передающей среды в нем используется коаксиальный кабель. Впоследствии стали использовать витую пару и оптический кабель.

Преимущества использования витой пары перед использованием коаксиального кабеля:

· возможность работы в дуплексном режиме;

· низкая стоимость кабеля;

· высокая надежность сети в случае неисправности кабеля (при соединении типа «точка-точка» в случае обрыва кабеля связи лишаются два узла). В коаксиальном соединении используется топология «шина», поэтому в случае обрыва кабеля связи лишится сразу весь сегмент;

· В витой паре минимально допустимый радиус изгиба меньше, чем в коаксиале;

· В витой паре большая помехозащищенность, ввиду использования дифференциального сигнала;

· Имеется возможность питания по кабелю маломощных узлов, к примеру, IP-телефонов (стандарт POE);

· Гальваническая развязка трансформаторного типа. Используя коаксиальный кабель в российских условиях, где обычно отсутствует заземление компьютеров, эксплуатация часто сопровождается пробоями сетевых карт, а иногда даже и полным сгоранием системного блока.

В качестве веской причины перехода на оптический кабель стала необходимость в увеличении длины сегмента без повторителей. Управление доступом в случае с сетью на коаксиальном кабеле представляет собой множественный доступ с обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных достигает 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт.

Полудуплексный режим работы (узел не может передавать и принимать информацию одновременно) сопряжен с ограничением по количеству узлов в одном сегменте сети. Оно ограничено предельным значением (1024 рабочих станции). На физическом уровне можно устанавливать более жесткие ограничения, к примеру, к сегменту тонкого коаксиала можно подключить не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100. Впрочем, сеть, которая построена на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов. Это происходит из-за полудуплексного режима работы.

В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet, его скорость составляла 100 Мбит/с, появилась возможность работы в режиме полный дуплекс.

В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet, его скорость составляла 1000 Мбит/с, передача осуществлялась по оптическому волокну. А через два года после его выхода, передача осуществлялась уже посредством витой пары - инженеры доработали стандарт.

Формат Ethernet-кадра:

· Version I (в настоящее время не применяется);

· Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II (также его называют DIX - аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox). Является наиболее распространенной. Зачастую применяется непосредственно протоколом Интернет;

· Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control);

· Кадр IEEE 802.2 LLC;

· Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP;

· Часть сетевых карт Ethernet, выпускаемых компанией Hewlett-Packard, используют при работе кадр формата IEEE 802.12, он соответствует стандарту 100VG-AnyLAN.

Разновидности Ethernet

Скорость передачи данных и передающая среда определяют несколько видов технологии Ethernet. Вне зависимости от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково почти во всех вариантах.

Большая часть Ethernet-карт имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных (применяется автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами). Если автоопределение не работает, скорость подстраивается под партнера, активируется режим полудуплексной передачи. К примеру, присутствие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 имеет поддержку стандартов 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Ранние версии Ethernet

· Xerox Ethernet — технология с максимальной скоростью в 3 Мбит/с. Существовала в двух вариантах: Version 1 и Version 2.

· 1BROAD36 — один из первых стандартов, который позволяет работать на больших расстояниях. Использовалась технология широкополосной модуляции (как в кабельных модемах). В качестве среды передачи данных применялся коаксиальный кабель.

· 1BASE5 — технология, также известная, как StarLAN. Стала первой модификацией Ethernet-технологии, в которой использовалась витая пара. Работала на скорости 1 Мбит/с.

10 Мбит/с Ethernet

· 10BASE5, IEEE 802.3 (также имеет название «Толстый Ethernet»). Является первоначальной разработкой, обладающей скоростью передачи данных в 10 Мбит/с. По раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.

· 10BASE2, IEEE 802.3a (также имеет название «Тонкий Ethernet»). В данном стандарте применяется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров. ПК присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте требуется T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также необходимо наличие терминаторов на каждом конце. Долгие годы данный стандарт являлся основным в технологии Ethernet.

· StarLAN 10 - первая разработка, использующая витую пару для передачи данных. Скорость 10 Мбит/с. В дальнейшем данная технология эволюционировала в стандарт 10BASE-T.

Схема, при которой к одному кабелю витой пары подключается более двух устройств, работающих в симплексном режиме, никогда не применялась в Ethernet, однако, в теории это вполне возможно реализовать. Но такой принцип применялся в работе с коаксиальным кабелем. Вот почему все сети на витой паре применяют топологию «звезда», тогда как сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, поэтому применять дополнительные внешние терминаторы в линии нет необходимости.

· 10BASE-T, IEEE 802.3i — стандарт, при котором для передачи данных применяется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента составляет 100 метров.

· FOIRL — (Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet. Он использует для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя составляет 1 км.

· 10BASE-F, IEEE 802.3j — главный термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, применяющих оптический кабель (расстояние до 2 км.): 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Однако из всех лишь 10BASE-FL получил широкое распространение.

· 10BASE-FL (Fiber Link) — модернизированная версия стандарта FOIRL. Улучшения коснулись увеличения длины сегмента до 2 км.

· 10BASE-FB (Fiber Backbone) — неиспользуемый в настоящее время стандарт предназначался для объединения повторителей в магистраль.

· 10BASE-FP (Fiber Passive) — стандарт, созданный по топологии «пассивная звезда». В ней не нужны повторители. Стандарт никогда не применялся.

Fast Ethernet (100 Мбит/с)

· 100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, которые используют витую пару в качестве среды передачи данных. Длина сегмента достигает 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.

· 100BASE-TX, IEEE 802.3u — усовершенствованный стандарт 10BASE-T, предназначенный для использования в сетях топологии «звезда». Применяется витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, имеется поддержка дуплексной передача данных. Расстояние до 100 м.

· 100BASE-T4 — стандарт, который использует витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных осуществляется в полудуплексе. Не используется на практике.

· 100BASE-T2 — стандарт, в котором применяется витая пара категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Мбит/с. Не используется на практике.

· 100BASE-SX — стандарт, в котором применяется многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента составляет 400 метров в полудуплексе или 2 километра в полном дуплексе.

· 100BASE-FX — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Составляет от 2-х до 10 километров.

· 100BASE-FX WDM — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена лишь величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы делятся на два вида, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами, либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать исключительно парные интерфейсы.

Gigabit Ethernet (1 Гбит/с)

· 1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, в котором используется витая пара категории 5e. В передаче данных задействовано 4 пары. Скорость передачи данных составляет 250 Мбит/с по одной паре. В данном стандарте применяется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники - 62,5 МГц. Расстояние - до 100 метров.

· 1000BASE-TX - В стандарте используется раздельная приемо-передача, ввиду чего конструкция приемопередающих устройств значительно упрощается. Также существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, из-за этого сложность, уровень энергопотребления и цена процессоров сокращается, в сравнении с процессорами стандарта 1000BASE-T. Однако, как следствие, для стабильной работы по такой технологии необходима кабельная система высокого качества. Вот почему 1000BASE-TX может использовать лишь кабель 6 категории. На рынке практически не создавались продукты, построенные на основе данного стандарта, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол (соответственно, более простую электронику), чем стандарт 1000BASE-T.

· 1000BASE-X —стандарты со сменными приемопередатчиками GBIC или SFP.

· 1000BASE-SX, IEEE 802.3z -используется многомодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) достигает 550м.

· 1000BASE-LX, IEEE 802.3z — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) зависит от типа используемых приемопередатчиков. Обычно она составляет от 5 до 50 километров.

· 1000BASE-CX — данный стандарт используется для коротких расстояний (до 25 метров). В нем применяется твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Он был заменен стандартом 1000BASE-T, в настоящее время не используется.

· 1000BASE-LH (Long Haul) — в данном стандарте, используется одномодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) достигает 100 километров.

Ethernet 10G (10 Гбит/с)

Новый 10 Гбит-ный стандарт Ethernet состоит из семи стандартов физической среды для LAN, MAN и WAN. Сегодня он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3.

· 10GBASE-CX4 — стандарт 10-гигабитного Ethernet, предназначенный для коротких расстояний (до 15 метров). Применяется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.

· 10GBASE-SR — стандарт 10-гигабитного Ethernet, предназначенный для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля). Применяется многомодовое волокно. Также имеется поддержка расстояния до 300 метров, с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).

· 10GBASE-LX4 — данный стандарт использует уплотнение по длине волны с целью поддержки расстояний от 240 до 300 метров, по многомодовому волокну. Также имеется поддержка расстояния до 10 километров при использовании одномодового волокна.

· 10GBASE-LR и 10GBASE-ER — данные стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно.

· 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW — данные стандарты применяют физический интерфейс, который совместим по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, поскольку в них применяются те же самые типы кабелей и расстояния.

· 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — стандарт принят в июне 2006 года, спустя 4 года разработки. В нем используется экранированная витая пара. Расстояние работы — до 100 метров.

Компания Harting объявила о выходе первого в мире 10-гигабитного соединителя RJ-45, который не требует инструментов для установки. Модель получила название HARTING RJ Industrial 10G.

Ethernet: 40 Гбит/с и 100 Гбит/с

По наблюдениям Группы 802.3ba, требования к пропускной полосе для приложений сетевого ядра и прочих вычислительных функций растут с разными скоростями. Это, в свою очередь, определяет необходимость двух соответствующих стандартов для следующих поколений Ethernet: 40GbE и 100GbE.

Максимальное количество сегментов при реализации всей сети только на толстом коаксиальном кабеле не должно превышать пяти (общая длина сети – 2,5 километра). Соответственно для соединения пяти сегментов потребуется четыре репитера. При этом должно применяться так называемое правило "5-4-3", то есть не более 5 сегментов, не более 4 репитеров и не более 3 сегментов, к которым могут быть присоединены компьютеры