Розробка інтегрованої мережі доступу на базі технологій Ethernet та Wi-Fi. Формати кадрів Ethernet Пропускна спроможність мережі Ethernet

Шаблон технології Ethernet, написаний у доку IEEE 802,3. Це єдиний опис кадру формату рівня MAC. У мережі Ethernet реалізований лише один тип кадру канального рівня, заголовок якого є безліч заголовків підрівнів MAC і LLC, що є деякою .

• Ethernet DIX/Ethernet II, з'явився в 1980 році в результаті спільної роботи трьох фірм Xerox, Intel і Digital які представив версію 802,3 як міжнародний стандарт;
• Комітет прийняв 802,3 і трохи переробив його. Так з'явились 802,3/LLC, 802,3/802,2або Novell 802,2;
• Raw 802,3або Novell 802,3- Створені для прискорення роботи свого стека протоколів в мережах Ethernet;
• Ethernet SNAPє підсумком комітету 802,2 який приведений до загального стандарту і став гнучким до майбутнього можливого додавання полів;

Сьогодні мережне апаратне та програмне забезпеченнявміють працювати з усіма форматами кадрів, і розпізнавання кадрів працює автоматично, що зменшує і одним з . Формати кадрів показано на рис.1.

Малюнок 1

Кадр 802.3/LLC

Заголовок цього кадру поєднує поля заголовком кадрів IEEE 802,3 та 802,2. Стандарт 802,3 складається з:

• Поле преамбули- називається полем синхронізуючих байтів - 10101010. У манчестерському кодуванні цей код модифікується у фізичному середовищі сигнал із частотою 5 МГц.
• Початковий обмежувач кадру- є одним байтом 10101011. Це поле вказує на те, що наступний байт це перший байт заголовка кадру.
• Адреса призначення- Це поле може бути довжиною 6 або 2 байти. Зазвичай це поле використовують для MAC-адреси 6 байт.
• Адреса джерела— це поле, яке містить 6 або 2 байти MAC-адреси вузла відправника. Перший біт завжди є 0.
• Довжина— поле, яке має розмір 2 байти, і містить довжину поля даних у кадрі.
• Поле даних- Поле може мати від 0 до 1500 байт. Але якщо раптом дані займають менше 46 байт, то використовується поле заповнювачащо доповнює поле до 46 байт.
• Поле заповнювача— Забезпечує заповнення поля даних, якщо там вага менша за 46 байт. Потрібен для коректної роботи механізму виявлення колізій.
• Поле контрольної послідовності кадру— у цьому полі записується контрольна сума розміром 4 байти. Використовується алгоритм CRC-32/

Цей кадр є кадром підрівня MAC, в його полі даних влаштовується кадр підрівня LLC з віддаленими прапорами в кінці і початку кадру який передається через .

Кадр Raw 802.3/Novell 802,3

Раніше цей кадр був протоколом мережевого рівня в ОС MetWare. Але тепер, коли потреба в ідентифікації протоколу верхнього рівня відпала, кадр був інкапсульований в кадр MAC кадру LLC.

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Цей кадр має структуру, яка нагадує структуру Ras 802,3. Але 2-байтове поле довжини має призначення поля типу протоколу. Вказує тип протоколу верхнього рівня, яка вклала свій пакет у поле даних цього кадру. Розрізняють ці кадри по довжині поля, якщо значення менше 1500 то це поле довжини, якщо більше - то типу.

Кадр Ethernet SNAP

Кадр з'явився внаслідок усунення різнобою в кодуваннях типів протоколів. Протокол використовується також у протоколі IP при інкапсуляції таких мереж: Token Ring, FDDI, 100VC-AnyLan. Але під час передачі IP пакетів через Ethernet протокол використовує кадри Ethernet DIX.

Протокол IPX

Цей протокол може використовувати всі чотири типи кадру Ethernet. Він визначає тип перевірки відсутності або наявності поля LLC. Також за полями DSAP/SSAP. Якщо значення полів дорівнюють 0хАА, це кадр SNAP інакше це 802,3/LLC.

Виділимо три головні елементи стандарту: формат кадру, систему сигналізації між робочими станціями при здійсненні передачі даних за протоколом CSMA/CD та набір фізичних середовищ: коаксіальний кабель, кручена пара, волоконно-оптичний кабель.

Формат кадру Ethernet

На рис. 7-2 показано формат кадру Ethernet. Поля мають такі призначення:
— Преамбула: 7 байт, кожен із яких представляє чергування одиниць і нулів 10101010. Преамбула дозволяє встановити бітову синхронізацію на приймальній стороні.
- Обмежувач початку кадру (SFD, start frame delimiter): 1 байт, послідовність 10101011. вказує, що далі будуть інформаційні поля кадру. Цей байт можна відносити до преамбули.
- Адреса призначення (DA, destination address): 6 байт, вказує МАС-адресу станції (МАС-адреса станцій), для якої (яких) призначений цей кадр. Це може бути єдина фізична адреса (unicast), групова адреса (multicast) або широкомовна адреса (broadcast).
- Адреса відправника (SA, source address): б байт, вказує МАС-адресу станції, яка посилає кадр.
— Поле типу чи довжини кадру (Т or L, type or length): 2 байти. Існують два базові формати кадру Ethernet (в англійській термінології raw formats -сирі формати) -EthernetII і IEEE 802.3 (рис. 7.2), причому різне призначення у них має саме поле, що розглядається. Для кадру EthernetII у цьому полі міститься інформація про тип кадру. Нижче наведено значення у шістнадцятковій системі цього поля для деяких поширених мережевих протоколів: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, та 0х8137 для IPX/SPX. Із зазначенням у цьому полі конкретного значення (одного з перерахованих) кадр набуває реального формату, і в такому форматі кадр може поширюватися по мережі.
- Для кадру IEEE 802,3 у цьому полі міститься виражений у байтах розмір наступного поля – поля даних (LLC Data). Якщо ця цифра призводить до загальної довжини кадру менше 64 байт, за полем LLC Data додається поле Pad. Для протоколу вищого рівня не виникає плутанини з визначенням типу кадру, так як для кадру IEEE 802.3 значення цього поля не може перевищувати 1500 (0x05DC). Тому в одній мережі можуть вільно співіснувати обидва формати кадрів, більше того, один мережевий адаптер може взаємодіяти з обома типами за допомогою стека протоколів.
- Дані (LLC Data): поле даних, яке обробляється підрівнем LLC. Сам собою кадр IEEE 802.3 ще остаточний. Залежно від значень перших кількох байт цього поля, можуть бути три остаточні формати цього кадру IEEE 802.3:
- Ethernet_802.3 (не стандартний, нині застаріваючий формат, що використовується Novell) - перші два байти LLC Data рівні 0xFFFF;
- EthernetSNAP (стандартний IEEE 802.2 SNAP формат, якому надається найбільша перевага в сучасних мережах, особливо для протоколу TCP/IP) - перший байт LLC Data дорівнює 0хАА;
- Ethernet_802.2 (стандартний IEEE 802.2 формат, використовується фірмою Novell в NetWare 4.0) - перший байт LLC Data не дорівнює ні 0xFF (11111111), ні 0хАА (10101010).

Додаткове поле (pad – наповнювач) – заповнюється тільки в тому випадку, коли поле даних невелике, з метою подовження довжини кадру до мінімального розміру 64 байти – преамбула не враховується. Обмеження знизу на мінімальну довжину кадру необхідне правильного дозволу колізій.

Контрольна послідовність кадру (FCS, frame check sequence): 4-байтове поле, в якому вказується контрольна сума, обчислена з використанням циклічного надлишкового коду поля кадру, за винятком преамбул SDF і FCS.

Мал. 7.2. Два базові MAC формати кадру Ethernet

Основні варіанти алгоритмів випадкового доступу до середовища

Протокол CSMA/CD визначає характер взаємодії робочих станцій у мережі з єдиною загальною всім пристроїв середовищем передачі. Усі станції мають рівноправні умови передачі даних. Немає певної послідовності, відповідно до якої станції можуть отримувати доступ до середовища здійснення передачі. Саме в цьому сенсі доступ до середовища здійснюється випадковим чином. Реалізація алгоритмів випадкового доступу є значно простішим завданням, ніж реалізація алгоритмів детермінованого доступу. Оскільки в останньому випадку потрібен або спеціальний протокол, який контролює роботу всіх пристроїв мережі (наприклад, протокол обігу маркера, властивий мережам Token Ring і FDDI), або спеціальний виділений пристрій-майстер концентратор, який у певній послідовності надавав би решті станцій можливість передавати (мережі Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однак мережа з випадковим доступом має один, мабуть головний недолік — це не зовсім стійка робота мережі при великій завантаженості, коли може проходити досить великий час, перш ніж цій станції вдається передати дані. Виною тому колізії, які виникають між станціями, що почали передачу одночасно або майже одночасно. При виникненні колізії дані, що передаються, не доходять до одержувачів, а передавальним станціям доводиться повторно відновлювати передачу.

Дамо визначення: безліч всіх станцій мережі, одночасна передача будь-якої пари з яких призводить до колізії, називається колізійним доменом (collision domain). Через колізію (конфлікт) можуть виникати непередбачувані затримки при поширенні кадрів по мережі, особливо при великій завантаженості мережі (багато станцій намагаються одночасно передавати всередині колізійного домену, > 20-25), і при великому діаметрі колізійного домену (> 2 км). Тому при побудові мереж бажано уникати таких екстремальних режимів роботи.

Проблема побудови протоколу, здатного найбільш раціонально вирішувати колізії, та оптимізує роботу мережі при великих завантаженнях, була однією з ключових на етапі формування стандарту Ethernet IEEE 802.3. Спочатку розглядалися три основні підходи як кандидати для реалізації стандарту випадкового доступу до середовища (рис. 7.3): непостійний, 1-постійний та р-постійний.

Мал. 7.3. Алгоритми множинного випадкового доступу (CSMA) та витримка часу у конфліктній ситуації (collision backoff)

Непостійний (nonpersistent) алгоритм. У цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. Прослуховує середовище, і, якщо середовище вільне (тобто якщо немає іншої передачі чи немає сигналу колізії), передає, інакше — середовище зайняте -переходить до кроку 2.
2. Якщо середовище зайняте, чекає випадковий (відповідно до певної кривої розподілу ймовірностей) час і повертається до кроку 1.

Використання випадкового значення очікування при зайнятому середовищі зменшує ймовірність утворення колізій. Справді, припустимо інакше, що дві станції практично одночасно зібралися передавати, тоді як третя вже здійснює передачу. Якщо перші дві не мали б випадкового часу очікування перед початком передачі (у разі, якщо середовище виявилося зайнятим), а тільки прослуховували середовище і чекали, коли воно звільниться, то після припинення передачі третьою станцією перші дві почали б передавати одночасно, що неминуче наводило б до колізій. Таким чином, випадкове очікування усуває можливість утворення таких колізій. Однак незручність цього методу проявляється у неефективному використанні смуги пропускання каналу. Оскільки може статися, що до того моменту, коли середовище звільниться, станція, яка бажає передавати, ще продовжуватиме очікувати деякий випадковий час, перш ніж наважиться прослуховувати середовище, оскільки перед цим уже прослуховувала середовище, яке виявилося зайнятим. У результаті канал простоюватиме якийсь час, навіть якщо тільки одна станція очікує передачі.

1-постійний (1-persistent) алгоритм. Для скорочення часу, коли середовище не зайняте, міг би використовуватися 1-постійний алгоритм. У цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. Прослуховує середовище, і, якщо середовище не зайняте, передає, інакше переходить до кроку 2;
2. Якщо середовище зайняте, продовжує прослуховувати середовище доти, доки середовище не звільниться, і, як тільки середовище звільняється, відразу починає передавати.

Порівнюючи непостійний і 1-постійний алгоритми, можна сказати, що в 1-постійному алгоритмі станція, яка бажає передавати, поводиться більш егоїстично. Тому, якщо дві або більше станцій очікують на передачу (чекають, поки не звільниться середовище), колізія, можна сказати, буде гарантована. Після колізії станції починають вирішувати, що робити далі.

Р-постійний (p-persistent) алгоритм. Правила цього алгоритму такі:
1. Якщо середовище вільне, станція з ймовірністю р відразу ж починає передачу або з ймовірністю (1-р) чекає протягом інтервалу часу Т. Інтервал Т зазвичай береться рівним максимальному часу поширення сигналу з кінця в кінець мережі;
2. Якщо середовище зайняте, станція продовжує прослуховування доти, доки середовище не звільниться, потім переходить до кроку 1;
3. Якщо передачу затримано на один інтервал Т, станція повертається до кроку 1.

І тут постає питання вибору найефективнішого значення параметра нар. Головна проблема, як уникнути нестабільності при високих завантаженнях. Розглянемо ситуацію, коли n станцій мають намір передати кадри, тоді як вже йде передача. По закінченні передачі очікувана кількість станцій, які спробують передавати, буде дорівнювати кількості охочих передавати станцій на ймовірність передачі, тобто пр. Якщо np > 1, то в середньому кілька станцій намагатимуться передати відразу, що викличе колізію. Більше того, як тільки колізія буде виявлена, всі станції знову перейдуть до кроку 1, що викликає повторну колізію. У гіршому випадку, нові станції, які бажають передавати, можуть додатися до n, що ще більше посилить ситуацію, привівши, зрештою, до безперервної колізії та нульової пропускної спроможності. Щоб уникнути такої катастрофи, повинно бути менше одиниці. Якщо мережа схильна до виникнення станів, коли багато станцій одночасно бажають передавати, необхідно зменшувати р. З іншого боку, коли р стає занадто малим, навіть окрема станція може прочекати в середньому (1 - р) / р інтервалів Т, перш ніж здійснить передачу. Якщо р=0,1, то середній простий, що передує передачі, складе 9Т.

У мережі кілька комп'ютерів повинні мати спільний доступ до середовища передачі даних. Однак, якщо два комп'ютери спробують одночасно передавати дані, буде колізія і дані будуть втрачені.

Усі мережеві комп'ютериповинні використовувати той самий метод доступу, інакше відбудеться збій мережі. Окремі комп'ютери, чиї методи домінуватимуть, не дадуть іншим здійснити передачу. Методи доступу служать для запобігання одночасному доступу до кабелю кількох комп'ютерів, впорядковуючи передачу та прийом даних через мережу та гарантуючи, що у кожний момент часу лише один комп'ютер може працювати на передачу.

При множинному доступі з контролем несучої та виявленням колізій (скорочено CSMA/CD) всі комп'ютери в мережі - і клієнти, і сервери - "прослуховують" кабель, прагнучи виявити передані дані (тобто трафік).

1) Комп'ютер "розуміє", що кабель вільний (тобто трафік відсутній).

2) Комп'ютер може розпочати передачу даних.

3) Поки кабель не звільниться (протягом передачі даних), жоден із мережевих комп'ютерів не може вести передачу.

При спробі одночасного доступу до середовища передачі більше одного мережного пристрою виникає колізія. Комп'ютери реєструють виникнення колізії, звільняють лінію передачі деякий випадково заданий (у межах певних стандартом кордонів) інтервал часу, після чого спроба передачі повторюється. Комп'ютер, який першим захопив лінію передачі, починає передавати дані.

CSMA/CD відомий як змагальний метод, оскільки мережеві комп'ютери "змагаються" (конкурують) між собою за право передавати дані.

Здатність виявляти колізії - причина, яка обмежує сферу дії самого CSMA/CD. Через кінцеву швидкість поширення сигналу в проводах при відстанях понад 2500 м (1,5 милі) механізм виявлення колізій не є ефективним. Якщо відстань до передаючого комп'ютера перевищує це обмеження, деякі комп'ютери не встигають виявити завантаження кабелю і починають передачу даних, що призводить до колізії та руйнування пакетів даних.

Прикладами протоколів CDSMA/CD є Ethernet version 2 корпорації DEC та IEEE 802.3.

Специфікація фізичного середовища Ethernet

Для технології Ethernet розроблено різні варіанти фізичного рівня, що відрізняються не тільки типом кабелю та електричними параметрами імпульсів, як це зроблено в технології 10 Мб/с Ethernet, але й способом кодування сигналів, і кількістю провідників, що використовуються в кабелі. Тому фізичний рівень Ethernet має складнішу структуру, ніж класичний Ethernet.

Специфікації технології Ethernet на сьогодні включають такі середовища передачі.

• 10Base-2- Коаксіальний кабель діаметром 0.25 дюйма, називається тонким коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента – 185 метрів (без повторювачів).
• 10Base-5- коаксіальний кабель діаметром 0.5 дюйма, називається "товстим" коаксіалом. Має хвильовий опір 50Ом. Максимальна довжина сегмента без повторювача – 500 метрів.
• 10Base-T- Кабель на основі не екранованої кручений пари (UTP). Утворює зіркоподібну топологію з урахуванням концентраторів. Відстань між концентратором та кінцевим вузлом не більше 100 метрів.
• 10Base-F- волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту 10Base-Т. Є кілька варіантів цієї специфікації - FOIRL (відстань до 1000 м), 10Base-FL (відстань до 2000 м).

Формати кадрів Ethernet

Як і на виробництві, кадри у мережі Ethernet вирішують усе. Вони служать вмістилищем для всіх високорівневих пакетів, тому щоб зрозуміти один одного, відправник і одержувач повинні використовувати один і той же тип кадрів Ethernet. Стандарт технології Ethernet, визначений у документі IEEE802.3, дає опис єдиного формату кадру рівня МАС. Кадри можуть бути всього чотирьох різних форматів, і до того ж не сильно відрізняються один від одного. Більш того, базових форматів кадрів існує всього два (в англійській термінології їх називають "raw formats") - Ethernet_II та Ethernet_802.3, причому вони відрізняються призначенням лише одного поля.

• Кадр Ethernet DIX(Ethernet II). З'явився в результаті роботи консорціуму трьох фірм Digital, Intel та Xerox у 1980 році, який представив на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet як проект міжнародного стандарту.
• 802.3/LLC, 802.3/802.2або Novell 802.2. Прийнятий комітетом 802.3 прийняв стандарт, який відрізняється в деяких деталях від Ethernet DIX.
• Кадр Raw 802.3, або Novell 802.3- з'явився внаслідок зусиль компанії Novell щодо прискорення роботи свого стеку протоколів у мережах Ethernet

Кожен кадр починається з преамбули (Preamble) Довжиною 7 байт, заповненою шаблоном 0b10101010 (для синхронізації джерела та одержувача). Після преамбули йде байт початкового обмежувача кадру (Start of Frame Delimiter, SFD), що містить послідовність 0b10101011 і вказує початку власного кадру. Далі йдуть поля адрес одержувача (Destination Address, DA) та джерела (Source Address, SA). В Ethernet використовують 48-бітові адреси МАС-рівня IEEE.

Наступне поле має різний зміст та різну довжину залежно від типу кадру.

Наприкінці кадру йде 32-бітове поле контрольної суми (Frame Check Sequence, FCS). Контрольна сума обчислюється за алгоритмом CRC-32. Розмір кадру Ethernet від 64 до 1518 байт (без урахування преамбули, але з урахуванням поля контрольної суми)

Тип кадру Ethernet DIX

Кадр стандарту Ethernet DIX, званий також кадром Ethernet II, схожий кадр Raw 802.3 тим, що він також не використовує заголовки підрівня LLC, але відрізняється тим, що на місці поля довжини в ньому визначено поле типу протоколу (поле Type). Це поле призначене для тих же цілей, що й поля DSAP та SSAP кадру LLC - для вказівки типу протоколу верхнього рівня, що вклав пакет у поле даних цього кадру. Для кодування типу протоколу використовуються значення, що перевищують значення максимальної довжини поля даних, що дорівнює 1500, тому кадри Ethernet II і 802.3 легко помітні.

Тип кадру Raw 802.3.

За адресою джерела він містить 16-бітове поле довжини (L), що визначає число байт, що йде за полем довжини (без урахування поля контрольної суми). У цей тип кадру завжди вкладається пакет протоколу IPX. Перші два байти заголовка протоколу IPX містять контрольну суму датаграми IPX. Однак за промовчанням це поле не використовується і має значення 0xFFFF.

Тип кадру 802.3.LLC

За полем адреси джерела йде 16-бітове поле довжини, що визначає число байт, наступне за цим полем (без урахування поля контрольної суми). За ним слідує заголовок LLC. Заголовок кадру 802.3/LLC є результатом об'єднання полів заголовків кадрів, визначених у стандартах 802.3 та 802.2.

Стандарт 802.3 визначає вісім полів заголовка:

Поле преамбулискладається із семи байтів синхронізуючих даних. Кожен байт містить ту саму послідовність бітів - 10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвильовим сигналом. Преамбула використовується для того, щоб дати час і можливість схемам приймачів (transceiver) прийти в стійкий синхронізм з тактовими сигналами.

Початковий обмежувачкадр складається з одного байта з набором бітів 10101011. Поява цієї комбінації є вказівкою на майбутній прийом кадру.

Адреса одержувача- може бути довжиною 2 або 6 байтів (MAC-адреса одержувача). Перший біт адреси одержувача - це ознака того, чи є адреса індивідуальною або груповою: якщо 0, то адреса вказує на певну станцію, якщо 1, то це групова адреса кількох (можливо всіх) станцій мережі. При широкомовній адресації всі біти поля адреси встановлюються в 1. Загальноприйнятим є використання 6-байтових адрес.

Адреса відправника- 2-х або 6-байтове поле, що містить адресу станції відправника. Перший біт завжди має значення 0.

Двобайтове поле довжинивизначає довжину поля даних у кадрі.

Поле данихможе містити від 0 до 1500 байт. Але якщо довжина поля менша за 46 байт, то використовується наступне поле - поле заповнення, щоб доповнити кадр до мінімально допустимої довжини.

Поле заповненняскладається з такої кількості байтів заповнювачів, що забезпечує певну мінімальну довжину поля даних (46 байт). Це забезпечує коректну роботу механізму виявлення колізій. Якщо довжина поля даних достатня, поле заповнення у кадрі не з'являється.

Поле контрольної суми- 4 байти, що містять значення, яке обчислюється за певним алгоритмом (поліном CRC-32). Після отримання кадру робоча станція виконує власне обчислення контрольної суми для цього кадру, порівнює отримане значення значення поля контрольної суми і, таким чином, визначає, чи не спотворений отриманий кадр.

Кадр 802.3 є кадром MAС-підрівня, відповідно до стандарту 802.2 його поле даних вкладається кадр підрівня LLC з віддаленими прапорами початку і кінця кадру.

Результуючий кадр 802.3/LLC зображено вниз. Так як кадр LLC має заголовок довжиною 3 байти, то максимальний розмір поля даних зменшується до 1497 байт.

Тип кадру Ethernet SNAP

Кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступу до підмереж) є розширенням кадру 802.3/LLC за рахунок введення додаткового заголовка протоколу SNAP. Заголовок складається з 3-байтового поля ідентифікатора організації (OUI) та 2-байтового поля типу (Type, Ethertype). Тип ідентифікує протокол верхнього рівня, а поле OUI визначає ідентифікатор організації, яка контролює призначення кодів типу протоколу. Коди протоколів для стандартів IEEE 802 контролює IEEE, що має код OUI, що дорівнює 0х000000. Для цього коду OUI поле типу Ethernet SNAP збігається зі значенням типу Ethernet DIX.

Зведена таблиця щодо використання різних типів кадрів протоколами вищого рівня.

Типкадру	Ethernet II	Ethernet Raw 802.3	Ethernet 802.3/LLC	Ethernet SNAP
Мережевіпротоколи	IPX, IP, AppleTalk Phase I			IPX, IP, AppleTalk Phase II

Fast Ethernet

Відмінність технології Fast Ethernet від Ethernet

Всі відмінності технології Ethernet та Fast Ethernet зосереджені фізично. Метою технології Fast Ethernet є отримання значно, на порядок більшої швидкості в порівнянні з 10 Base T Ethernet - IEEE 802.3, зберігаючи, в той же час, колишні метод доступу, формат кадру і систему запису. Рівні МАС і LLC в Fast Ethernet залишилися абсолютно тими ж.

Організація фізичного рівня технології Fast Ethernet є складнішою, оскільки в ній використовуються три варіанти кабельних систем:

• Волоконно-оптичний багатомодовий кабель (два волокна)
• Віта пара категорії 5 (дві пари)
• Віта пара категорії 3 (чотири пари)

Коаксіальний кабель у Fast Ethernet не використовується. Мережі Fast Ethernet на середовищі подібно до мереж 10Base-T/10Base-F має ієрархічну деревоподібну структуру, побудований на концентраторах. Основною відмінністю конфігурації мереж Fast Ethernet є скорочення діаметра до 200 метрів, що пояснюється скороченням часу передачі кадру мінімальної довжини в 10 разів у порівнянні з 10-мегабайтною мережею Ethernet.

Але при використанні комутаторів протокол Fast Ethernet може працювати у дуплексному режимі, у якому немає обмеження загальну довжину мережі, лише на окремі фізичні сегменти.

Специфікація фізичного середовища Ethernet

• 100BASE-T- Загальний термін для позначення одного з трьох стандартів 100 Мбіт/с Ethernet, який використовує як середовище передачі виту пару. Довжина сегменту до 200-250 метрів. Включає 100BASE-TX, 100BASE-T4 і 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u- Розвиток технології 10BASE-T, використовується топологія зірка, задіяний кабель кручена пара категорії-5, в якому фактично використовуються 2 пари провідників, максимальна швидкість передачі даних 100 Мбіт/с.
• 100BASE-T4- 100 Мбіт/с Ethernet по кабелю категорії-3. Задіяні усі 4 пари. Нині практично не використовується. Передача даних відбувається у напівдуплексному режимі.
• 100BASE-T2- Не використовується. 100 Мбіт/с Ethernet через кабель категорії-3. Використовується лише 2 пари. Підтримується повнодуплексний режим передачі, коли сигнали поширюються на протилежні напрямки по кожній парі. Швидкість передачі в одному напрямку – 50 Mбіт/с.
• 100BASE-FX- 100 Мбіт/с Ethernet за допомогою оптоволоконного кабелю. Максимальна довжина сегмента 400 метрів у напівдуплексному режимі (для гарантованого виявлення колізій) або 2 кілометри у повнодуплексному режимі по багатомодовому оптичному волокну та до 32 кілометрів по одномодовому.

Gigabit Ethernet

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab- Стандарт Ethernet 1 Гбіт/с. Використовується кручена пара категорії 5e або категорії 6. У передачі даних беруть участь усі 4 пари. Швидкість передачі даних – 250 Мбіт/с по одній парі.
• 1000BASE-TX, - Стандарт Ethernet 1 Гбіт/с, що використовує тільки кручену пару категорії 6. Практично не використовується.
• 1000Base-X- загальний термін для позначення технології Гігабіт Ethernet, що використовує як середовище передачі даних оптоволоконний кабель, включає 1000BASE-SX, 1000BASE-LX і 1000BASE-CX.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z- 1 Гбіт/с Ethernet технологія, що використовує багатомодове волокно дальність проходження сигналу без повторювача до 550 метрів.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z- 1 Гбіт/с Ethernet технологія, що використовує багатомодове волокно дальність проходження сигналу без повторювача до 550 метрів. Оптимізована для далеких відстаней при використанні одномодового волокна (до 10 кілометрів).
• 1000BASE-CX- Технологія Гігабіт Ethernet для коротких відстаней (до 25 метрів), використовується спеціальний мідний кабель (Екранована кручена пара (STP)) з хвильовим опором 150 Ом. Замінений стандартом 1000BASE-T, і зараз не використовується.
• 1000BASE-LH (Long Haul)- 1 Гбіт/с Ethernet технологія, використовує одномодовий оптичний кабель, дальність проходження сигналу без повторювача до 100 км.

Проблеми Gigabit Ethernet

• Забезпечення прийнятного діаметра мережі для роботи на середовищі, що розділяється. У зв'язку з обмеженнями, що накладаються методом CSMA/CD на довжину кабелю, версія Gigabit Ethernet для середовища, що розділяється, допускала б довжину сегмента всього в 25 метрів. Потрібно було вирішити цю проблему.
• Досягнення бітової швидкості 1000Мбіт/с на оптичному кабелі. Технологія Fibre Channel, фізичний рівень якої було взято за основу для оптоволоконної версії Gigabit Ethernet, забезпечує швидкість передачі всього 800Мбіт/с.
• Використання як кабель витої пари.

Для вирішення цих завдань довелося внести зміни не тільки до фізичного рівня, а й до рівня МАС.

Засоби забезпечення діаметра мережі в 200 м на середовищі, що розділяється

Для розширення максимального діаметра мережі Gigabit Ethernet у напівдуплексному режимі до 200 м розробники технології вжили досить природних заходів, що ґрунтуються на відомому співвідношенні часу передачі кадру мінімальної довжини та часом подвійного обороту.

Мінімальний розмір кадру було збільшено (без урахування преамбули) з 64 до 512 байт або до 4096 bt. Відповідно, час подвійного обороту тепер можна було збільшити до 4095 bt, що робить допустимим діаметр мережі близько 200 м при використанні одного повторювача. При подвійній затримці сигналу в 10 bt/m оптоволоконні кабелі довжиною 100 м роблять внесок під час подвійного обороту по 1000 bt, і якщо повторювач і мережні адаптери будуть вносити такі ж затримки, як у технології Fast Ethernet (дані для яких наводилися в попередньому розділі) , то затримка повторювача 1000 bt і пари мережевих адаптерів 1000 bt дадуть у сумі час подвійного обороту 4000 bt, що задовольняє умову розпізнавання колізій. Для збільшення довжини кадру до необхідної нової технологіївеличини мережевий адаптер повинен доповнити поле даних до довжини 448 байт так званий розширенням (extention), що є полем, заповненим забороненими символами коду 8В/10В, які неможливо прийняти за коди даних.

Для скорочення накладних витрат під час використання занадто довгих кадрів передачі коротких квитанцій розробники стандарту дозволили кінцевим вузлам передавати кілька кадрів поспіль, без передачі середовища іншим станціям. Такий режим отримав назву Burst Mode – монопольний пакетний режим. Станція може передати поспіль кілька кадрів із загальною довжиною не більше 65536 біт або 8192 байт. Якщо станції потрібно передати кілька невеликих кадрів, то вона може не доповнювати їх до розміру 512 байт, а передавати поспіль до вичерпання межі 8192 байт (у цю межу входять всі байти кадру, у тому числі преамбула, заголовок, дані та контрольна сума) . Межа 8192 байт називається BurstLength. Якщо станція почала передавати кадр і межа BurstLength було досягнуто в середині кадру, кадр дозволяється передати до кінця.

Збільшення "суміщеного" кадру до 8192 байт дещо затримує доступ до середовищ інших станцій, що розділяється, але при швидкості 1000 Мбіт/с ця затримка не настільки істотна

Література

1. В.Г.Оліфер, Н.А.Оліфер Комп'ютерні мережі

Поля кадру Преамбула (7 байтів) та Початковий розмежувач кадрів (SFD) (1 байт) в Ethernet використовуються для синхронізації між передавальним та приймаючим пристроями. Ці перші вісім байтів кадру використовуються, щоб привернути увагу вузлів отримання. Фактично перші кілька байтів кажуть одержувачам підготуватися приймати новий кадр.

Поле MAC-адреса Призначення

Поле MAC Адреса Призначення (6 байтів) є ідентифікатором передбачуваного одержувача. Як можна згадати, ця адреса використовується Рівнем 2, щоб допомогти пристроям у визначенні, чи адресується їм цей кадр. Адреса у кадрі порівнюється з MAC-адресою пристрою. Якщо адреси збігаються, пристрій приймає кадр.

Поле MAC-адреса Джерела

Поле MAC Адреса Призначення (6 байтів) ідентифікує відправляючий NIC або інтерфейс кадру. Комутатори також використовують цю адресу, щоб додати її до своїх таблиць зіставлення. Роль комутаторів обговорюватиметься пізніше у цій рубриці.

Поле Довжина/Тип

Для будь-якого стандарту IEEE 802.3, раніше 1997 року, поле Довжина визначає точну довжину поля даних кадру. Це пізніше використовується пізніше як частина FCS, щоб гарантувати, що повідомлення було отримано коректно. Якщо ціль поля полягає в тому, щоб визначити тип, як у Ethernet II, поле Тип описує, який реалізується протокол.

Ці два застосування поля були офіційно об'єднані у 1997 у стандарті IEEE 802.3x, тому що обидва застосування були поширені. Поле Тип Ethernet II включається до поточного визначення кадру 802.3. Коли вузол приймає кадр, він повинен досліджувати поле Довжина, щоб визначити, який протокол вищого рівня у ньому є. Якщо значення двох октетів більше або рівне, ніж шістнадцяткове число 0x0600 або десяткове число 1536, вміст поля Дані декодується відповідно до зазначеного типу протоколу. Якщо значення поля менше або рівне, ніж шістнадцяткове число 0x05DC або десяткове число 1500, поле Довжина використовується для вказівки використання формату кадру IEEE 802.3. Таким чином розрізняються кадри Ethernet II та 802.3.

Поля Дані та Набивка

Поля Дані та Набивання (46 - 1500 байтів) містять інкапсульовані дані від вищого рівня, який є типовим PDU 3 рівня, зазвичай, пакетом IPv4. Усі кадри повинні бути принаймні 64 байтами завдовжки. Якщо інкапсулюється пакет меншого розміру, використовується набивка, щоб збільшити розмір кадру до цього мінімального розміру.

IEEE підтримує список загального призначенняТипи Ethernet II.

Стандарт Gigabit Ethernet з використанням як середовище передачі кабелю 5-ї категорії (неекранована кручена пара), описаний у розділі IEEE 802.3ab, був остаточно затверджений 28 червня 1999 року.

Минув час, і зараз можна говорити, що гігабітний Ethernet по «міді» міцно увійшов в історію розвитку локальних мереж. Різке падіння цін як на гігабітні мережеві адаптери 1000Base-T, так і на гігабітні модулі до комутаторів поступово призвело до того, що встановлення подібних адаптерів на сервери стає стандартом де-факто. Наприклад, деякі виробники серверів вже почали інтегрувати гігабітні адаптери 1000Base-T на серверні материнські плати, А кількість компаній, що виробляють такі адаптери, на початку цього року досягла 25. Крім того, стали випускатися і адаптери, призначені для встановлення в робочі станції (вони відрізняються тим, що розраховані на 32-бітну 33-мегагерцеву PCI-шину). Все це дозволяє з упевненістю говорити, що через рік-два гігабітні мережеві адаптери стануть настільки ж поширеними, як зараз адаптери Fast Ethernet.

Розглянемо принципові нововведення, втілені в стандарті IEEE 802.3ab і дозволили досягти такої високої швидкості передачі, при збереженні постійної максимальної відстані між двома комп'ютерами в 100 м, як це було в стандарті Fast Ethernet.

Насамперед нагадаємо, що мережеві адаптери працюють на фізичному та канальному рівнях семирівневої моделі OSI (Open System Interconnection). Канальний рівеньприйнято розділяти на два підрівні: MAC та LCC. Підрівень MAC (Media Access Control) - це підрівень управління доступом до середовища передачі даних, що забезпечує коректне спільне використання загального середовища передачі даних, надаючи його відповідно до певного алгоритму в розпорядження тієї чи іншої станції. Підрівень LCC (Logical Link Control) відповідає за передачу кадрів між вузлами з різною мірою надійності, а також реалізує функції інтерфейсу з прилеглим до нього третім (мережевим) рівнем.

Усі відмінності між Ethernet та Fast Ethernet зосереджені лише фізично. При цьому MAC і LCC не зазнали жодних змін.

Фізичний рівень можна умовно розділити на три елементи: рівень узгодження, незалежний від середовища інтерфейс (Media Independent Interface, MII) та пристрій фізичного рівня (Physical layer device, PHY). Пристрій фізичного рівня також можна поділити на кілька підрівнів: підрівень фізичного кодування, рівень фізичного приєднання (Physical Medium Attachment), рівень залежності фізичного середовища (Physical Medium Dependent) і рівень автопереговорів про швидкість передачі даних (Auto-Negotiation).

Якщо відмінності між Ethernet і Fast Ethernet мінімальні і не торкаються MAC-рівня, то при розробці стандарту Gigabit Ethernet 1000Base-T розробникам довелося не тільки внести зміни до фізичного рівня, а й торкнутися MAC-рівня (рис. 1).

Тим не менше, між усіма трьома технологіями залишилося багато спільного. Насамперед це метод доступу до середовища передачі даних CSMA/CD, напівдуплексний та повнодуплексний режими роботи, а також формати кадрів Ethernet. У той же час використання крученої пари кабелю 5-ї категорії вимагало внести серйозні зміни в реалізацію фізичного рівня адаптера.

Першою проблемою реалізації швидкості 1 Гбіт/с стало забезпечення прийнятного діаметра мережі під час роботи в напівдуплексному режимі роботи. Як відомо, мінімальний розмір кадру в мережах Ethernet та Fast Ethernet становить 64 байти. Однак розмір кадру в 64 байти при швидкості передачі в 1 Гбайт/с призводить до того, що для надійного розпізнавання колізій необхідно, щоб максимальний діаметр мережі (відстань між двома найбільш віддаленими один від одного комп'ютерами) становив не більше 25 м. Справа в тому, що успішне розпізнавання колізій можливе тільки в тому випадку, якщо час між посилкою двох послідовних кадрів мінімальної довжини більше, ніж подвійний час поширення сигналу між двома максимально віддаленими один від одного вузлами мережі. Тому, щоб забезпечити максимальний діаметр мережі 200 м (два кабелі по 100 м і комутатор), мінімальна довжина кадру в стандарті Gigabit Ethernet була збільшена до 512 байт. Для збільшення довжини кадру до необхідної мережний адаптер доповнює поле даних до довжини 448 байт так званим розширенням (extention). Поле розширення – це поле, заповнене забороненими символами, які неможливо прийняти за коди даних (рис. 2). У той же час збільшення мінімальної довжини кадру негативно позначається при передачі коротких службових повідомлень, наприклад квитанцій, оскільки корисна інформація, що передається, стає істотно менше загальної інформації, що передається. З метою скорочення накладних витрат під час використання довгих кадрів передачі коротких квитанцій стандартом Gigabit Ethernet допускається можливість передачі кількох кадрів поспіль як монопольного захоплення середовища, тобто без передачі середовища іншим станціям. Такий монопольний режим захоплення називається Burst Mode. У цьому режимі станція може передавати поспіль кілька кадрів із загальною довжиною трохи більше 8192 байт (BurstLength).

Як уже зазначалося, поряд зі зміною MAC-рівня, досягнення гігабітних швидкостей передачі стало можливим завдяки суттєвій зміні фізичного рівня, тобто самої технології представлення даних (кодування) при передачі даних по кручений парі.

Для того щоб розібратися з тими змінами, які були зроблені фізично, пригадаємо, що є кабель передачі даних і які перешкоди виникають при передачі сигналів.

Неекранований кабель 5-ї категорії складається з чотирьох пар дротів, причому кожна пара перекручена між собою. Такий кабель розрахований до роботи на частоті 100 МГц (рис. 3).

З курсу фізики відомо, що будь-який кабель має, крім активного, також ємнісний і індуктивний опір, причому два останні залежать від частоти сигналу. Усі три типи опору визначають так званий імпеданс ланцюга. Наявність імпедансу призводить до того, що при поширенні сигналу кабелем він поступово згасає, втрачаючи частину своєї початкової потужності.

Якщо взаємна індукція обчислюється на початку кабелю, то відповідний тип перешкод називатиметься NEXT (Near-end crosstalk loss). Якщо ж перешкоди, викликані взаємною індукцією, розглядаються наприкінці кабелю, вони називаються FEXT (Far-end crosstalk loss - рис. 4).

Крім того, при поширенні сигналу виникає й інший тип перешкод, пов'язаний із неузгодженістю вхідного імпедансу мережевого адаптерата кабелю. В результаті такого неузгодженості виникає відображення сигналу, що також призводить до утворення шуму.

Передача сигналів в описаних вище умовах перешкод вимагає використання хитромудрих способів, що дозволяють забезпечити необхідну швидкість передачі і в той же час гарантувати безпомилкове розпізнавання сигналів, що передаються.

Насамперед нагадаємо, які методи застосовуються для подання інформаційних сигналів.

При цифровому кодуванні бітових нулів і одиниць використовують або потенційні, або імпульсні коди. У потенційних кодах (рис. 5) для представлення логічних нулів та одиниць використовують лише значення потенціалу сигналу. Наприклад, одиницю представляють як потенціалу високого рівня, а нуль - як потенціалу низького рівня. Імпульсні коди дозволяють представляти біти перепадом потенціалу певного напряму. Так, перепад потенціалу від низького рівня до високого може відповідати логічному нулю.

При використанні прямокутних імпульсів передачі даних необхідно вибрати такий спосіб кодування, який би одночасно задовольняв кільком вимогам.

По-перше, мав би за однієї і тієї ж бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу.

По-друге, мав би здатність розпізнавати помилки.

По-третє, забезпечував би синхронізацію між приймачем та передавачем.

Код NRZ

У найпростішому випадку потенційного кодування логічну одиницю можна бути високим потенціалом, а логічний нуль - низьким. Подібний спосіб представлення сигналу отримав назву кодування без повернення до нуля, або кодування NRZ (Non Return to Zero). Під терміном «без повернення» у разі розуміється те, що протягом усього тактового інтервалу немає зміни рівня сигналу. Метод NRZ простий у реалізації, має хорошу розпізнаваність помилок, але не має властивості самосинхронізації. Відсутність самосинхронізації призводить до того, що при появі довгих послідовностей нулів або одиниць приймач позбавлений можливості визначати вхідний сигнал ті моменти часу, коли потрібно в черговий раз зчитувати дані. Тому незначне неузгодженість тактових частот приймача і передавача може призводити до появи помилок, якщо приймач зчитує дані не в той час, коли це потрібно. Особливо критично таке явище при високих швидкостях передачі, коли час одного імпульсу надзвичайно мало (при швидкості передачі 100 Мбіт/с один імпульс становить 10 нс). Іншим недоліком коду NRZ є наявність низькочастотної складової у спектрі сигналу з появою довгих послідовностей нулів або одиниць. Тому код NRZ не використовується у чистому вигляді для передачі даних.

Код NRZI

Іншим типом кодування є дещо змінений NRZ-код, званий NRZI (Non Return to Zero with one Inverted). Код NRZI є найпростішою реалізацією принципу кодування зміною рівня сигналу чи диференціального кодування. При такому кодуванні при передачі нуля рівень сигналу не змінюється, тобто потенціал сигналу залишається таким самим, як і попередньому такті. При передачі одиниці потенціал інвертується протилежний. Порівняння кодів NRZ і NRZI показує, що код NRZI має кращу самосинхронізацію в тому випадку, якщо в логічних одиниць, що кодується, більше, ніж логічних нулів. Таким чином, цей код дозволяє «боротися» з довгими послідовностями одиниць, але не забезпечує належної самосинхронізації з появою довгих послідовностей логічних нулів.

Манчестерський код

У манчестерському коді для кодування нулів та одиниць використовується перепад потенціалу, тобто кодування здійснюється фронтом імпульсу. Перепад потенціалу відбувається на середині тактового імпульсу, причому одиниця кодується перепадом від низького потенціалу до високого, а нуль - навпаки. На початку кожного такту у разі появи кількох нулів чи одиниць поспіль може бути службовий перепад потенціалу.

З усіх розглянутих нами кодів манчестерський має кращу самосинхронізацію, оскільки перепад сигналу відбувається як мінімум один раз за такт. Саме тому манчестерський код використовується в мережах Ethernet зі швидкістю передачі 10 Мбіт/с (10Ваse 5, 10Ваse 2, 10Bаse-Т).

Код МLТ-3

Код МLТ-3 (Multi Level Transmission-3) реалізується аналогічно коду NRZI. Зміна рівня лінійного сигналу відбувається тільки в тому випадку, якщо на вхід кодера надходить одиниця, проте на відміну від коду NRZI алгоритм формування обраний таким чином, щоб дві сусідні зміни завжди мали протилежні напрямки. Недолік коду MLT-3 такий самий, як і у коду NRZI, - відсутність належної синхронізації з появою довгих послідовностей логічних нулів.

Як зазначалося, різні коди відрізняються друг від друга як ступенем самосинхронізації, а й шириною спектра. Ширина спектра сигналу визначається насамперед тими гармоніками, які дають основний енергетичний внесок у формування сигналу. Основну гармоніку легко розрахувати кожного типу коду. У коді NRZ чи NRZI максимальна частота основної гармоніки (рис. 6) відповідає періодичної послідовностілогічних нулів та одиниць, тобто коли не зустрічається поспіль кількох нулів чи одиниць. У цьому випадку період основної гармоніки дорівнює часовому інтервалу двох бітів, тобто при швидкості передачі 100 Мбіт/с частота основної гармоніки має бути 50 Гц.

У манчестерському коді максимальна частота основної гармоніки відповідає ситуації, коли вхід кодера надходить довга послідовність нулів. В цьому випадку період основної гармоніки дорівнює часовому інтервалу одного біта, тобто при швидкості передачі 100 Мбіт/с максимальна частота основної гармоніки 100 Гц.

У коді MLT-3 максимальна частота основної гармоніки досягається при подачі на вхід кодера довгих послідовностей логічних одиниць. І тут період основний гармоніки відповідає тимчасовому інтервалу чотирьох бітів. Отже, при швидкості передачі 100 Мбіт/с максимальна частота основної гармоніки дорівнюватиме 25 МГц.

Як уже зазначалося, манчестерське кодування використовується в мережах Ethrnet 10 Мбіт/с, що пов'язано і з хорошими властивостями, що самосинхронізують коду, і з допустимою максимальною частотою основної гармоніки, яка при роботі на швидкості 10 Мбіт/с складе 10 МГц. Цього значення достатньо кабелю як 5-ї, а й 3-ї категорії, яка розрахована на частоту 20 МГц.

У той же час використання манчестерського кодування для високошвидкісних мереж (100 Мбіт/с, 1 Гбіт/с) є неприйнятним, так як кабелі не розраховані на роботу при таких високих частотах. Тому використовуються інші коди (NRZI і MLT-3), але для поліпшення властивостей коду, що самосинхронізують, вони піддаються додаткової обробки.

Надлишкові коди

Така додаткова обробка полягає у логічному блочному кодуванні, коли одна група біт за певним алгоритмом замінюється іншою групою. Найбільш поширеними типами подібного кодування є надлишкові коди 4B/5B, 8B/6T та 8B/10T.

У цих кодах вихідні групи біт замінюються на нові, але довші групи. У коді 4B/5B групі з чотирьох біт ставиться у відповідність група з п'яти біт. Виникає питання – навіщо потрібні всі ці ускладнення? Справа в тому, що таке кодування є надмірним. Наприклад, у коді 4B/5B у вихідній послідовності з чотирьох біт існує 16 різних бітових комбінацій нулів і одиниць, а в групі з п'яти біт таких комбінацій вже 32. Тому в результуючому коді можна вибрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів (нагадаємо, що у вихідних кодах NRZI та MLT-3 довгі послідовності нулів призводять до втрати синхронізації). При цьому інші комбінації, що не використовуються, можна вважати забороненими послідовностями. Таким чином, крім покращення самосинхронізуючих властивостей вихідного кодунадмірне кодування дозволяє приймачеві розпізнавати помилки, оскільки поява забороненої послідовності біт свідчить про виникнення помилки. Відповідність вихідних та результуючих кодів наведено в табл. 1 .

З таблиці видно, що після використання надлишкового коду 4B/5B в результуючих послідовностях немає більше двох нулів поспіль, що гарантує самосинхронізацію бітової послідовності.

У коді 8B/6T послідовність восьми біт вихідної інформації замінюється послідовністю із шести сигналів, кожен з яких може приймати три стани. У восьмибітної послідовності є 256 різних станів, а послідовності шести трирівневих сигналів таких станів вже 729 (3 6 =729), тому 473 стану вважаються забороненими.

У коді 8B/10T кожна восьмибітна послідовність замінюється на десятибітну. При цьому у вихідній послідовності міститься 256 різних комбінацій нулів і одиниць, а в результуючій 1024. Таким чином, 768 комбінацій є забороненими.

Усі розглянуті надлишкові коди знаходять застосування у мережах Ethernet. Так, код 4B/5B використовується у стандарті 100Base-TX, а код 8B/6T – у стандарті 100Base-4T, який на даний час практично вже не використовується. Код 8B/10T використовується в стандарті 1000Base-Х (коли в якості середовища передачі даних використовується оптоволокно).

Крім використання надлишкового кодування, широке застосування знаходить і інший спосіб поліпшення вихідних властивостей кодів - це так зване скремблювання.

Скремблювання

Скремблювання (scramble - перемішування) полягає у перемішуванні вихідної послідовності нулів та одиниць з метою покращення спектральних характеристик та самосинхронізуючих властивостей результуючої послідовності бітів. Здійснюється скремблювання шляхом побітової операції виключає АБО (XOR) вихідної послідовності з псевдовипадковою послідовністю. В результаті виходить "зашифрований" потік, який відновлюється на стороні приймача за допомогою дескремблера.

З апаратної точки зору скремблер складається з кількох логічних елементів XOR та регістрів зсуву. Нагадаємо, що логічний елемент XOR (що виключає АБО) здійснює над двома булевими операндами x та y, які можуть приймати значення 0 або 1, логічну операцію на основі таблиці істинності (табл. 2).

З цієї таблиці безпосередньо випливає основна властивість операції, що виключає АБО:

Крім того, неважко помітити, що до операції, що виключає АБО, застосуємо сполучний закон:

На схемах логічний елемент XOR прийнято позначати так, як показано на рис. 8 .

Як зазначалося, іншим складовим елементом скремблера є регістр зсуву. Регістр зсуву складається з декількох послідовно пов'язаних один з одним елементарних осередків, що запам'ятовують, виконаних на основі тригерних схем і передають інформаційний сигнал з входу на вихід по керуючому сигналу - тактуючого імпульсу. Регістри зсуву можуть реагувати як на позитивний фронт тактуючого імпульсу (тобто при переході сигналу керуючого зі стану 0 в стан 1), так і на негативний фронт.

Розглянемо найпростішу осередок регістру зсуву, що запам'ятовує, керовану по позитивному фронту тактуючого імпульсу С (рис. 9).

У момент зміни тактуючого імпульсу зі стану 0 в стан 1 на вихід комірки передається той сигнал, який був на його вході в попередній момент часу, тобто коли сигнал керування С дорівнював 0. Після цього стан виходу не змінюється (комірка замкнена) аж до приходу наступного позитивного фронту тактуючого імпульсу

Використовуючи ланцюжок, що складається з кількох послідовно пов'язаних запам'ятовують осередків з одним і тим самим керуючим сигналом, можна скласти регістр зсуву (рис. 10), в якому інформаційні біти будуть послідовно передаватися від одного осередку до іншого синхронно позитивного фронту тактуючого імпульсу.

Складовим елементом будь-якого скремблера є генератор псевдовипадкової послідовності. Такий генератор утворюється з регістру зсуву під час створення зворотного зв'язкуміж входом і виходами осередків регістру зсуву, що запам'ятовують, за допомогою логічних елементів XOR.

Розглянемо генератор псевдовипадкової послідовності, зображений на рис. 11 . Нехай у початковий момент часу всі чотири осередки зберігають деяке встановлений стан. Наприклад, можна припустити, що Q1=1, Q2=0, Q3=0 і Q4=1, але в вході першої комірки D=0. Після приходу тактуючого імпульсу всі розряди зрушать на один біт, а на вхід D надійде сигнал, значення якого визначиться за формулою:

Користуючись цією формулою, неважко визначити значення виходів осередків на кожному такті роботи генератора. У табл. 3 показано стан виходів пам'ятних осередків генератора псевдовипадкової послідовності на кожному такті роботи. При цьому неважко помітити, що в початковий момент часу і через 15 тактів стан генератора повністю повторюється, тобто 15 тактів роботи - це період повторення нашої псевдовипадкової послідовності (саме з наявності періоду повторення послідовність і називається псевдовипадковою). У випадку, якщо генератор складається з n-осередків, період повторення дорівнює:

Розглянутий нами генератор використав деякий довільний початковий стан осередків, тобто мав передустановку. Однак замість такої установки в скремблерах часто використовують саму вихідну послідовність, що піддається скремблювання. Такі скремблери називаються самосинхронізуючими. Приклад такого скремблера зображений на рис. 12 .

Якщо позначити двійкову цифру вихідного коду, що надходить на i-му такті роботи на вхід скремблера, через A i , а двійкову цифру результуючого коду, отриману на i-му такті роботи, через B i , то неважко помітити, що скремблер, що розглядається, здійснює наступну логічну операцію: , де Bi-3 і Bi-4 - двійкові цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і на 4 такти раніше поточного моменту.

Після розкодування отриманої таким чином послідовності на стороні приймача використовується дескремблер. Найдивовижніше, що схема дескремблера повністю ідентична схемою скремблера. У тому, що це справді так, неважко переконатися шляхом простих міркувань. Якщо позначити через B i двійкову цифру вихідного коду, що надходить на i-му такті роботи на вхід дескремблера, а двійкову цифру результуючого коду, отриману на i-му такті роботи, через i , то дескремблер, працюючи за тією ж схемою, що і скремблер повинен реалізовувати наступний алгоритм:

Отже, якщо схема дескремблера збігається зі схемою скремблера, дескреблер повністю відновлює вихідну послідовність інформаційних біт.

Розглянута чотирирозрядна схема скремблера є однією з найпростіших. У технології 1000Base-T використовується значно більш складний скремблер на 33 розряди, що збільшує період повторення до 8589934591 біт (2 33 -1), тобто псевдовипадкові послідовності, що формуються, повторюються через 68,72 с.

Кодування PAM-5

Розібравшись з тим, які коди використовуються для представлення даних, та розглянувши методи поліпшення самосинхронізуючих та спектральних властивостей цих кодів, спробуємо з'ясувати, чи достатньо цих заходів, щоб забезпечити передачу даних на швидкості 1000 Мбіт/с із використанням чотирипарного кабелю 5-ї категорії.

Як зазначалося, манчестерське кодування має хорошими самосинхронизирующими властивостями й у сенсі не вимагає будь-яких доопрацювань, проте максимальна частота основний гармоніки чисельно дорівнює швидкості передачі, тобто кількості переданих біт за секунду. Цього достатньо передачі даних зі швидкістю 10 Мбіт/с, оскільки кабель 3-ї категорії (а стандарті 10Base-T може використовуватися такий кабель) обмежений частотами 16 МГц. Однак манчестерське кодування не підходить для передачі даних зі швидкістю 100 Мбіт/с і вище.

Використання коду NRZI після додаткового доопрацювання за допомогою надлишкового блочного коду 4B/5B та скремблювання, а також трипозиційного коду MLT-3 (з метою зменшення максимальної частоти основної гармоніки) дозволяє передавати дані зі швидкістю 100 Мбіт/с кабелем 5-ї категорії. Дійсно, при використанні коду MLT-3 максимальна частота основної гармоніки чисельно дорівнює одній четвертій швидкості передачі даних, тобто при швидкості передачі 100 Мбіт/с частота основної гармоніки не перевищує 25 МГц, що цілком достатньо для кабелю 5-ї категорії. Однак такий спосіб не підходить для передачі даних на швидкості 1000 Мбіт/с.

Тому в стандарті 1000Base-T використовується принципово інший спосіб кодування. Для зменшення тактової частотидо величин, що дозволяють передавати дані з витих парам категорії 5, дані в лінії подаються в так званому коді PAM-5 (рис. 13). У ньому сигнал, що передається, має набір з п'яти фіксованих рівнів (–2, –1, 0, +1, +2). Чотири з них використовуються для кодування інформаційних бітів, а п'ятий призначений для корекції помилок. На наборі з чотирьох фіксованих рівнів одним дискретним станом сигналу можна закодувати відразу два інформаційні біти, оскільки комбінація з двох біт має чотири можливі комбінації (так звані дибіти) - 00, 01, 10 та 11.

Перехід до дибіт дозволяє вдвічі підвищити бітову швидкість. Щоб розрізняти бітову, або інформаційну швидкість і швидкість різних дискретних станів сигналу, вводять поняття бодової швидкості. Бод – це кількість різних дискретних станів сигналу в одиницю часу. Тому, якщо в одному дискретному стані кодується два біти, бітова швидкість у два рази більша за бодову, тобто 1 Бод = 2 біт/с.

Якщо врахувати, що кабель 5-ї категорії розрахований на частоту 125 МГц, тобто здатний працювати з бодовою швидкістю 125 МБод, то інформаційна швидкість по одній кручений парі складе 250 Мбіт/с. Згадаймо, що у кабелі є чотири кручені пари, тому якщо задіяти всі чотири пари (рис. 14), то можна підвищити швидкість передачі до 250 Мбіт/сх4=1000 Мбіт/с, тобто досягти бажаної швидкості.

Як уже зазначалося, кодування PAM-5 має п'ять дискретних рівнів, однак для передачі дибітів використовується лише чотири рівні. П'ятий надлишковий рівень коду (Forward Error Correction, FEC) використовується механізму побудови корекції помилок. Він реалізується кодером Трелліса та декодером Вітербі. Застосування механізму корекції помилок дозволяє збільшити завадостійкість приймача на 6 дБ.

Треліс-кодування

Розглянемо принципи треліс-кодування на основі найпростішого кодера, що складається з двох осередків, що запам'ятовують, і елементів XOR (рис. 15). Нехай на вхід такого кодера надходить зі швидкістю k біт/с послідовність біт 0101110010. Якщо на виході кодера встановити зчитуючу комірку, що працює з удвічі більшою частотою, ніж швидкість надходження біт на вхід кодера, швидкість вихідного потоку буде в два рази вище швидкості вхідного потоку . При цьому зчитує комірка за першу половину такту роботи кодера зчитує дані спочатку з логічного елемента XOR 2, а другу половину такту - з логічного елемента XOR 3. У результаті кожному вхідному біту ставиться у відповідність два вихідні біти, тобто дибіт, перший біт якого формується елементом XOR 2, а другий - елементом XOR 3. По часовій діаграмі стану кодера неважко простежити, що при вхідній послідовності біт 0101110010 вихідна послідовність буде 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10.

Зазначимо одну важливу особливістьпринцип формування дибітів. Значення кожного формованого дибіта залежить тільки від вхідного інформаційного біта, а й двох попередніх біт, значення яких зберігаються у двох запам'ятовують осередках. Дійсно, якщо прийнято, що A i - вхідний біт, значення елемента XOR 2 визначиться виразом , а значення елемента XOR 3 - виразом . Таким чином, дибіт формується з пари бітів, значення першого з яких рівне , а другого - . Отже, значення дибіта залежить від трьох станів: значення вхідного біта, значення першого запам'ятовуючого осередку і значення другого осередку, що запам'ятовує. Такі кодери отримали назву згорткових кодерів на три стани (K = 3) з вихідною швидкістю?

Роботу кодера зручно розглядати на основі не тимчасових діаграм, а так званої діаграми стану. Стан кодера будемо вказувати за допомогою двох значень - значення першої та другої осередків, що запам'ятовують. Наприклад, якщо перший осередок зберігає значення 1 (Q1=1), а друга - 0 (Q2=0), то стан кодера описується значенням 10. Усього можливо чотири різних стану кодера: 00, 01, 10 і 11.

Нехай у певний момент часу стан кодера дорівнює 00. Нас цікавить, яким стане стан кодера в наступний момент часу і який дибіт буде сформований. Можливі два результати в залежності від того, який біт надійде на вхід кодера. Якщо на вхід кодера надійде 0, то наступний стан кодера також буде 00, якщо надійде 1, то наступний стан (тобто після зсуву) буде 10. Значення формуються при цьому дибітів розраховується за формулами і . Якщо на вхід кодера надходить 0, то буде сформовано дибіт 00 (), якщо на вхід надходить 1, то формується дибіт 11 (). Наведені міркування зручно подати наочно за допомогою діаграми станів (рис. 16), де в гуртках позначаються стани кодера, а вхідний біт і дибіт, що формується, пишуться через косу межу. Наприклад, якщо вхідний біт 1, а дибіт 11, що формується, то записуємо: 1/11.

Продовжуючи аналогічні міркування для решти можливих станів кодера, легко побудувати повну діаграму станів, на основі якої легко обчислюється значення формується кодером дибіта.

Використовуючи діаграму станів кодера, нескладно побудувати тимчасову діаграму переходів для вже розглянутої нами вхідної послідовності біт 0101110010. Для цього будується таблиця, в стовпцях якої зазначаються можливі стани кодера, а в рядках - моменти часу. Можливі переходи між різними станами кодера відображаються стрілками (на основі повної діаграмистанів кодера – рис. 17), над якими позначаються вхідний біт, що відповідає даному переходу, та відповідний дибіт. Наприклад, для перших двох моментів часу діаграма стану кодера виглядає так, як показано на рис. 18 . Червоною стрілкою відображено перехід, що відповідає послідовності біт, що розглядається.

Продовжуючи відображати можливі та реальні переходи між різними станами кодера, що відповідають різним моментам часу (рис. 19, , ), отримаємо повну часову діаграму станів кодера (рис. 22).

Основною перевагою викладеного вище методу треліс-кодування є його завадостійкість. Як буде показано надалі, завдяки надмірності кодування (згадаємо, що кожному інформаційному біту ставиться у відповідність дибіт, тобто надмірність коду дорівнює 2) навіть у разі виникнення помилок прийому (наприклад, замість дибіта 11 помилково прийнятий дибіт 10) вихідна послідовність біт може бути безпомилково відновлено.

Для відновлення вихідної послідовності біт за приймача використовується декодер Вітербі.

Декодер Вітербі

Декодер Вітербі у разі безпомилкового прийому всієї послідовності дибітів 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 матиме інформацію про цю послідовність, а також про будову кодера (тобто про його діаграму станів) та про його початковий стан (00). З цієї інформації він повинен відновити вихідну послідовність біт. Розглянемо, як відбувається відновлення вихідної інформації.

Знаючи початковий стан кодера (00), а також можливі зміни цього стану (00 та 10), побудуємо часову діаграму для перших двох моментів часу (рис. 22). На цій діаграмі зі стану 00 існує лише два можливі шляхи, що відповідають різним вхідним дибітам. Оскільки вхідним дибітом декодера є 00, то, користуючись діаграмою станів кодера Трелліс, встановлюємо, що наступним станом кодера буде 00, що відповідає вихідному біту 0.

Однак у нас немає 100% гарантії того, що прийнятий дибіт 00 є правильним, тому не варто поки відмітати і другий можливий шлях зі стану 00 стан 10, відповідний дибіту 11 і вихідному біту 1. Два шляхи, показані на діаграмі, відрізняються один від друга так званої метрикою помилок, яка кожному за шляху розраховується так. Для переходу, відповідного прийнятому дибіту (тобто переходу, який вважається правильним), метрика помилок приймається рівної нулю, а інших переходів вона розраховується за кількістю відмінних бітів у прийнятому дибіті і дибіті, відповідає переходу. Наприклад, якщо прийнятий дибіт 00, а дибіт, що відповідає переходу, що розглядається, дорівнює 11, то метрика помилок для цього переходу дорівнює 2.

Для наступного моменту часу, що відповідає прийнятому дибіту 11, можливими будуть два початкові стани кодера: 00 і 10, а кінцевих стану буде чотири: 00, 01, 10 і 11 (рис. 23). Відповідно для цих кінцевих станів існує кілька можливих шляхів, що відрізняються один від одного метрикою помилок. При розрахунку метрики помилок необхідно враховувати метрику попереднього стану, тобто якщо для попереднього моменту часу метрика для стану 10 дорівнювала 2, то при переході з цього стану в стан 01 метрика помилок нового стану (метрика всього шляху) стане рівною 2 + 1 = 3 .

Для наступного моменту часу, що відповідає прийнятому дибіту 10, відзначимо, що стани 00, 01 і 11 ведуть по два шляхи (рис. 24). В цьому випадку необхідно залишити лише ті переходи, яким відповідає менша метрика помилок. Крім того, оскільки переходи зі стану 11 в стан 11 і стан 01 відкидаються, перехід зі стану 10 в стан 11, що відповідає попередньому моменту часу, не має продовження, тому теж може бути відкинутий. Аналогічно відкидається перехід, що відповідає попередньому моменту часу стану 00 в 00.

Продовжуючи подібні міркування, можна вирахувати метрику всіх можливих шляхів та зобразити всі можливі шляхи.

При цьому кількість самих можливих шляхів виявляється не такою великою, як може здатися, оскільки більшість з них відкидаються в процесі побудови, як такі, що не мають продовження (рис. 25). Наприклад, на шостому такті роботи декодера за описаним алгоритмом залишається лише чотири можливі шляхи.

Аналогічно і на останньому такті роботи декодера є всього чотири можливі шляхи (рис. 26), причому істинний шлях, що однозначно відновлює вихідну послідовність бітів 0101110010, відповідає метриці помилок, що дорівнює 0.

При побудові розглянутих часових діаграм зручно відображати метрику нагромаджених помилок для різних станів кодера у вигляді таблиці. Саме ця таблиця і є джерелом інформації, на основі якої можливо відновити вихідну послідовність біт (табл. 4).

У цьому випадку ми припускали, що це прийняті декодером дибіти містять помилок. Розглянемо далі ситуацію, як у прийнятої послідовності дибітів містяться дві помилки. Нехай замість правильної послідовності 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 декодер приймає послідовність 00 11 11 00 11 10 01 11 11 10, де третій і п'ятий дебіт є збійними. Спробуємо застосувати розглянутий вище алгоритм Вітербі, що ґрунтується на виборі шляху з найменшою метрикою помилок, до даної послідовності і з'ясуємо, чи зможемо ми відновити у правильному вигляді вихідну послідовність бітів, тобто виправити помилкові помилки.

Аж до отримання третього (збійного) дибіта алгоритм обчислення метрики помилок всім можливих переходів не відрізняється від розглянутого раніше випадку. До цього моменту найменшою метрикою накопичених помилок мав шлях, позначений на рис. 27 червоним кольором. Після отримання такого дибіта вже немає шляху з метрикою накопичених помилок, що дорівнює 0. Однак при цьому виникнуть два альтернативні шляхи з метрикою, що дорівнює 1. Тому з'ясувати на даному етапі, який біт вихідної послідовності відповідає отриманому дибіту, неможливо.

Аналогічна ситуація виникне при отриманні п'ятого (також збійного) дибіта (рис. 28). У цьому випадку існуватиме вже три шляхи з рівною метрикою накопичених помилок, а встановити справжній шлях можна лише при отриманні наступних дибітів.

Після отримання десятого дибіта кількість можливих шляхів з різною метрикою накопичених помилок стане досить великою (рис. 29), проте на наведеній діаграмі (з використанням табл. 5, де представлена ​​метрика накопичених помилок для різних шляхів) неважко вибрати єдиний шлях з найменшою метрикою (на рис.

Розглянутий приклад згорткового кодера мав всього чотири різні стани: 00, 01, 10 і 11. У технології 1000Base-T використовується згортковий кодер вже на вісім різних станів (з трьома елементами затримки), тому він називається восьмипозиційним. Крім того, оскільки символи передаються по всіх чотирьох витих пар кабелю одночасно з використанням п'ятирівневого кодування PAM-5, таке кодування отримало назву чотиривимірного 4D/PAM-5.

Іншою суттєвою відмінністю кодера Трелліса, що використовується в технології 1000Base-T, є алгоритм переходу між різними станами кодера. У розглянутому нами найпростішому прикладі стан кодера наступного часу визначалося виключно поточним станом та вхідним бітом. Так, якщо поточний стан 00, а вхідний біт 1, то наступний стан, тобто поле зсуву бітів по осередках, що відповідатиме, буде відповідати 10. У реальному восьмипозиційному кодері Трелліса, керуючих (вхідних) бітів два, а переходи між різними станами визначаються за алгоритмом найбільшої відстаніміж точками сигнального сузір'я. Як випливає з рис. 30 кодер Трелліса реалізує співвідношення:

де d 6 d 7 і d 8 - відповідно біти даних на лініях 6, 7 і 8.

Пояснимо це на конкретному прикладі.

Згадаймо, що у коді PAM-5 використовується п'ять рівнів передачі сигналів: –2, –1, 0, +1, +2. При цьому рівням +2/-2 відповідає напруга +1/-1 В, а рівням +1/-1 - напруга +0,5/-0,5 В. Враховуючи, що по чотирьох витих парах одночасно передається чотири рівні сигналу кожен із цих рівнів може набувати одне з п'яти значень, всього отримуємо 625 (5х5х5х5) різних комбінацій сигналів. Різні можливі стани сигналу зручно зображати так званої сигнальної площині. На цій площині кожен можливий стан сигналу зображується сигнальною точкою, а сукупність всіх сигнальних точок називають сузір'ям сигнальним. Природно, що зобразити чотиривимірне простір неможливо, тому розглянемо для наочності двомірне сигнальне сузір'я 5х5. Таке сузір'я формально може відповідати двом витим парам. Зобразимо вздовж осі Х точки, що відповідають одній кручений парі, а вздовж осі Y - інший. Тоді наш 2D-сузір'я буде виглядати так, як показано на рис. 31 .

Звернімо увагу, що мінімальна відстань між двома точками такого сузір'я дорівнює 1.

Під впливом шуму і згасання сигналу сигнальне сузір'я зазнає спотворення (рис. 32), у яких положення кожної сигнальної точки розпливається, а відстань з-поміж них скорочується. Внаслідок цього точки в сигнальному сузір'ї стають важкорозрізняються і велика ймовірність їх переплутування.

Тому одним із завдань кодера Трелліса є таке формування сигнального сузір'я, яке забезпечувало б максимальну відстань між різними сигнальними точками. Щоб зрозуміти, як це робиться, позначимо рівні сигналів –1 і +1 через Х, а рівні –2, 0, +2 через Y. Тоді вихідне сузір'я можна зобразити як, показаному на рис. 33 .

Розділивши це сузір'я на два підсузір'я, одне з яких сформоване з точок XX та YY, а інше - з точок XY та YX, можна збільшити відстань між сигнальними точками до (рис. 34).

При використанні двох кручених парЗавдання кодера Трелліса полягає в тому, щоб по одній кручений парі посилати тільки символи, що належать якомусь одному із сигнальних сузір'їв, наприклад D0=XX+YY, а по другій кручений парі - символи, що належать іншому сузір'ю, наприклад D1=XY+YX . Тоді відстань між символами, що посилаються, стане вдвічі більшою, ніж було у вихідному сузір'ї. В результаті покращується розпізнаваність точок у сигнальному сузір'ї, тобто зростає схибленість.

Приблизно за такою ж схемою працює і реальний треліс-кодер, що формує символи, що посилаються по чотирьох витих парах, однак, оскільки кожній точці сузір'я відповідають чотири координати (по одній на кожну пару) і кожна точка може приймати значення X або Y, то існує 16 різних комбінацій, з яких можна сформувати вісім підсузір'їв:

В отриманих підсузір'ях мінімальна відстань між точками вдвічі більша, ніж у вихідному сузір'ї. Крім того, мінімальна відстань між точками двох різних підсузір'їв також дорівнює 2. Саме ці вісім сигнальних сузір'їв формують діаграму станів треліс-кодера. Наприклад, стану кодера 000 відповідає комбінація точок із сузір'їв D0D2D4D6 у тому сенсі, що по першій парі передаються точки із сузір'я D0, по другій парі - із сузір'я D2 і т.д. Наступного можливого стану кодера буде відповідати така комбінація, при якій мінімальна відстань між символами, що посилаються, по кожній парі дорівнює 2.

Використання треліс-кодування за описаною схемою дозволяє знизити співвідношення "сигнал/шум" (SNR) на 6 дБ, тобто значно збільшити стійкість до перешкод при передачі даних.

Комп'ютерПрес 2"2002