Гігабітна мережа Ethernet. Гігабітна мережа Ethernet неекрановані виті пари

Я не дуже поспішав перекласти свою домашню мережузі швидкості 100 Мбіт/с на 1 Гбіт/с, що для мене досить дивно, оскільки я передаю через мережу велику кількість файлів. Однак коли я витрачаю гроші на апгрейд комп'ютера або інфраструктури, я вважаю, що маю відразу ж отримати приріст продуктивності в додатках та іграх, які я запускаю. Багато користувачів люблять потішити себе новою відеокартою, центральним процесоромі якимось гаджетом. Проте з якихось причин мережеве обладнання не приваблює такого ентузіазму. Справді, складно вкласти зароблені гроші у мережну інфраструктуру замість чергового технологічного подарунка на день народження.

Однак вимоги щодо пропускної спроможності у мене дуже високі, і раптово я зрозумів, що інфраструктури на 100 Мбіт/с вже не вистачає. У всіх моїх домашніх комп'ютерах вже встановлені інтегровані адаптери на 1 Гбіт/с (на материнських платах), тому я вирішив взяти прайс-лист найближчої комп'ютерної фірми і подивитися, що мені потрібно буде перевести всю мережеву інфраструктуру на 1 Гбіт/с.

Ні, домашня мережа гігабіта зовсім не така складна.

Я купив та встановив усе обладнання. Я пам'ятаю, що раніше на копіювання великого файлу по 100-Мбіт/с мережі йшло близько півтори хвилини. Після апгрейду на 1 Гбіт/с той самий файл почав копіюватися за 40 секунд. Приріст продуктивності приємно порадував, але все ж таки я не отримав десятикратної переваги, яку можна було очікувати з порівняння пропускної здатності 100 Мбіт/с і 1 Гбіт/с старої та нової мереж.

В чому причина?

Для гігабітної мережі її частини повинні підтримувати 1 Гбіт/с. Наприклад, якщо у вас встановлені гігабітні мережеві карти та відповідні кабелі, але концентратор/комутатор підтримує всього 100 Мбіт/с, то вся мережа працюватиме на 100 Мбіт/с.

Перша вимога – мережевий контролер. Найкраще, якщо кожен комп'ютер у мережі буде оснащений гігабітним мережним адаптером (окремим або інтегрованим на материнську плату). Цю вимогу задовольнити найпростіше, оскільки більшість виробників материнських плат кілька останніх років інтегрують гігабітні мережеві контролери.

Друга вимога – мережна карта теж має підтримувати 1 Гбіт/с. Існує поширена помилка, що для гігабітних мереж потрібен кабель категорії 5e, але насправді навіть старий кабель Cat 5 підтримує 1 Гбіт/с. Втім, кабелі Cat 5e мають кращими характеристикамитому вони будуть більш оптимальним рішеннямдля гігабітних мереж, особливо якщо довжина кабелів буде пристойна. Втім, кабелі Cat 5e сьогодні все одно найдешевші, оскільки старий стандарт Cat 5 вже застарів. Нові і дорожчі кабелі Cat 6 мають ще кращі характеристики для гігабітних мереж. Ми порівняємо продуктивність кабелів Cat 5e проти Cat 6 трохи пізніше у нашій статті.

Третій і, напевно, найдорожчий компонент у гігабітній мережі - це концентратор/комутатор із підтримкою 1 Гбіт/с. Звичайно, краще використовувати комутатор (можливо, у парі з маршрутизатором), оскільки концентратор або хаб - не найінтелектуальніший пристрій, що просто транслює всі мережеві дані по всіх доступних портах, що призводить до появи великої кількості колізій і уповільнює продуктивність мережі. Якщо вам потрібна висока продуктивність, то без гігабітного комутатора не обійтися, оскільки він перенаправляє мережеві дані тільки на потрібний порт, що ефективно збільшує швидкість роботи мережі порівняно з концентратором. Маршрутизатор зазвичай містить вбудований комутатор (з кількома портами LAN), а також дозволяє підключати вашу домашню мережу до Інтернету. Більшість домашніх користувачів розуміють переваги маршрутизатора, тому гігабітний маршрутизатор варіант цілком привабливий.

Вступ

Мережі на основі 10/100 Мбіт/с Ethernet буде більш ніж достатньо для виконання будь-яких завдань у невеликих мережах. Але як щодо майбутнього? Ви подумали про потоки відео, які проходитимуть через мережу вашого будинку? Чи впорається з ними 10/100 Ethernet?

У першій статті, присвяченій гігабітному Ethernet, ми впритул з ним познайомимося і визначимо, чи потрібен він вам. Ми також постараємося дізнатися, що вам знадобиться для створення «готової до гігабіту» мережі та проведемо короткий екскурс у гігабітне обладнання для невеликих мереж.

Що таке гігабітний Ethernet?

Гігабітний Ethernet також відомий як "гігабіт по міді" або 1000BaseT. Він є звичайною версією Ethernet, що працює на швидкостях до 1.000 мегабітв секунду, тобто в десять разів швидше за 100BaseT.

Основою гігабітного Ethernet є стандарт IEEE 802.3z, який було затверджено у 1998 році. Однак у червні 1999 року до нього вийшло доповнення - стандарт гігабітного Ethernet по мідній кручений парі 1000BaseT. Саме цей стандарт зміг вивести гігабітний Ethernet із серверних кімнат та магістральних каналів, забезпечивши його застосування в тих самих умовах, що й 10/100 Ethernet.

До появи 1000BaseT для гігабітного Ethernet необхідно було використовувати волоконно-оптичний або екранований мідний кабелі, які навряд чи можна назвати зручними для прокладання звичайних. локальних мереж. Дані кабелі (1000BaseSX, 1000BaseLX та 1000BaseCX) і сьогодні використовуються в спеціальних сферах застосування, тому ми не будемо їх розглядати.

Група гігабітного Ethernet 802.3z чудово впоралася зі своєю роботою - вона випустила універсальний стандарт, що вдесятеро перевищує швидкість 100BaseT. 1000BaseT також є назад суміснимз 10/100 обладнанням, він використовує CAT-5кабель (чи вищу категорію). До речі, сьогодні типова мережа збудована саме на базі кабелю п'ятої категорії.

Чи потрібний він нам?

У першій літературі про гігабітному Ethernet як область застосування нового стандарту вказувався корпоративний ринок, і найчастіше — зв'язок сховищ даних. Оскільки гігабітний Ethernet забезпечуватиме вдесятеро більший канал, ніж звичний 100BaseT, природним застосуванням стандарту є з'єднання ділянок, що вимагають високу пропускну спроможність. Це зв'язок між серверами, комутаторами та магістральними вузлами. Саме там гігабітний Ethernet необхідний, потрібен та корисний.

У міру зниження цін на гігабітне обладнання сфера застосування 1000BaseT розширилася до комп'ютерів «досвідчених користувачів» та робочих груп, які використовують «вибагливі до пропускної спроможності програми».

Оскільки потреби передачі даних у більшості невеликих мереж більш ніж скромні, навряд чи їм коли-небудь знадобиться пропускна спроможність мережі 1000BaseT. Давайте розглянемо деякі типові області застосування невеликих мереж та оцінимо їхню потребу в гігабітному Ethernet.

Чи потрібний він нам, продовження

• Передача великих файлів через мережу

  Подібне застосування характерне, скоріше, для малих офісів, особливо в компаніях, що займаються графічним дизайном, архітектурою або іншим бізнесом, пов'язаним із обробкою файлів розміром у десятки-сотні мегабайт. Ви легко підрахуєте, що 100-мегабайтний файл буде передано по 100BaseT мережі всього за вісім секунд [(100Мбайт x 8біт/байт)/100 Мбіт/с]. Насправді ж багато чинників погіршують швидкість передачі, отже ваш файл передаватиметься трохи довше. Деякі з цих факторів пов'язані з операційною системою, запущеними програмами, кількістю пам'яті на ваших комп'ютерах, швидкістю процесора та віком. (Вік системи впливає швидкість шин на материнській платі).

  Ще одним важливим фактором є швидкість мережного обладнання, і перехід на гігабітне обладнання дозволяє усунути потенційне вузьке місце та прискорити передачу великих обсягів файлів. Багато хто підтвердить, що отримання швидкостей вище 50 Мбіт/с на 100BaseT мережі - справа аж ніяк не тривіальна. Гігабітний Ethernet зможе забезпечити пропускну здатність вище 100 Мбіт/с.

• Мережеві пристрої резервування

  Можна розглядати цей випадок як варіант великих файлів. Якщо мережа настроєна на резервування всіх комп'ютерів на один файловий сервер, то гігабітний Ethernet дозволить вам прискорити цей процес. Однак тут існує і підводний камінь — збільшення «труби» пропускання до сервера може не призвести до позитивного ефекту, якщо сервер не встигатиме обробляти вхідний потік даних (також це стосується і носія резервної інформації).

  Для отримання вигоди від високошвидкісної мережі вам слід оснастити сервер великим обсягом пам'яті та проводити резервування на швидкий жорсткий диск, а не стрічку чи CDROM. Як бачимо, до переходу на гігабітний Ethernet слід ґрунтовно підготуватися.

• Програми клієнт-сервер

  Ця сфера застосування знову ж таки більш характерна для мереж малого бізнесу, ніж для домашніх мереж. Між клієнтом та сервером у подібних програмах може передаватися великий обсяг даних. Підхід колишній: вам необхідно проаналізувати обсяг мережних даних, що передаються, щоб дізнатися, чи зможе програма «встигнути» за збільшенням пропускної спроможності мережі і чи достатньо цих даних для навантаження гігабітного Ethernet.

Правду кажучи, ми вважаємо, що навряд чи більшість «будівельників» домашніх мереж знайдуть достатньо підстав для купівлі гігабітного обладнання. У мережах малого бізнесу перехід на гігабіт може допомогти, але ми рекомендуємо спочатку провести аналіз кількості даних, що передаються. Із сучасним станом все зрозуміло. Але що робити, якщо ви бажаєте врахувати можливість майбутньої модернізації. Що вам потрібно зробити сьогодні, щоб бути готовим до неї? У наступній частині нашої статті ми розглянемо зміни, які необхідно здійснити з найдорожчою, найчастіше і найтрудомісткою частиною мережі. кабелем.

Кабель для гігабітного Ethernet

Як ми вже згадували у вступі, однією з ключових вимог стандарту 1000BaseT є використання кабелю категорії 5 (CAT 5) або вище. Тобто гігабітний Ethernet може працювати на існуючій кабельній структурі 5 категорії. Погодьтеся, така можливість дуже зручна. Як правило, всі сучасні мережі використовують кабель п'ятої категорії, якщо ваша мережа не була встановлена ​​в 1996 році або раніше (стандарт був затверджений в 1995 році). Однак тут існуєкілька підводних каменів.

• Потрібно чотири пари

  Як видно з цієї статті, 1000BaseT використовує всі чотири пари кабелю категорії 5 (або вище) для створення чотирьох 250 Мбіт/с каналів. (Також застосовується й інша схема кодування – п'ятирівнева амплітудно-імпульсна модуляція – щоб залишатися в межах частотного діапазону 100 МГц CAT5). В результаті ми можемо використовувати для гігабітного Ethernet існуючу кабельну структуру CAT 5.

  Оскільки 10/100BaseT використовує лише дві пари CAT 5 із чотирьох, деякі люди не підключали зайві пари під час прокладання своїх мереж. Пари використовувалися, наприклад, для телефону або живлення Ethernet (POE). На щастя гігабітні мережеві карти і комутатори мають достатній інтелект, щоб відкотитися на стандарт 100BaseT якщо всі чотири пари будуть недоступні. Тому ваша мережа в будь-якому випадку працюватиме з гігабітними комутаторами та мережевими картами, але високої швидкості за сплачені гроші ви не отримаєте.

• Не використовуйте дешеві роз'єми

  Ще одна проблема самодіяльних мережевиків — погана обтискання та дешеві настінні розетки. Вони призводять до невідповідностей імпедансу, у результаті виникають зворотні втрати, а внаслідок них зменшення пропускної спроможності. Звичайно, ви можете спробувати пошукати причину «в лоб», але все ж таки вам краще обзавестися мережевим тестером, який зможе виявити зворотні втрати та перехресні перешкоди. Або просто змиритися з низькою швидкістю.

• Обмеження по довжині та топології

  1000BaseT обмежений тією самою максимальною довжиною сегмента, як і 10/100BaseT. Таким чином, максимальний діаметр мережі становить 200 метрів (від одного комп'ютера до іншого через один комутатор). Що стосується топології 1000BaseT, то тут працюють ті ж правила, що і для 100BaseT, за винятком допустимості лише одного повторювача на сегмент мережі (або, якщо бути точнішим, на один «напівдуплексний домен колізій»). Але оскільки гігабітний Ethernet не підтримує напівдуплексну передачу, ви можете забути про останню вимогу. Загалом, якщо ваша мережа чудово себе почувала під 100BaseT, у вас не повинно виникнути проблем при переході до гігабіту.

Кабель для гігабітного Ethernet, продовження

Для прокладання нових мереж найкраще використовувати кабель CAT 5e. І хоча CAT 5 та CAT 5e обидва пропускають частоту 100 МГц, кабель CAT5e виробляється з урахуванням додаткових параметрів, важливі для кращої передачі високочастотних сигналів.

Перегляньте наступні документи Belden, щоб докладніше дізнатися про специфікації CAT 5e кабелю (англійською):

І хоча сучасний CAT 5 кабель буде чудово працювати з 1000BaseT, вам краще все ж таки вибрати CAT 5e, якщо ви хочете гарантувати високу пропускну здатність. Якщо ж ви вагаєтеся, прикиньте вартість кабелю CAT 5 і CAT 5e і дійте своїм коштом.

Єдине, чого вам слід уникати - рекомендацій щодо покупки CAT 6кабелю для гігабітного Ethernet. CAT 6 був додано до стандарту TIA-568 у червні 2002 рокуі він пропускає частоти до 200 МГц. Продавці напевно умовлятимуть вас купити саме дорожчу шосту категорію, але вона вам знадобиться, тільки якщо ви плануєте побудувати мережу 10 Гбіт/с Ethernet по мідній проводці, що зараз навряд чи реально. А щодо кабелю CAT 7? Забудьте про нього!

Якщо ж ви маєте хорошу суму, то краще її витратити на спеціаліста-мережника, який володіє достатнім досвідом прокладання гігабітних мереж. Фахівець зможе грамотно прокласти кабелі або перевірити вашу існуючу мережупрацювати з гігабітним Ethernet. При установці кабелю CAT 6 ми рекомендуємо звернутися за допомогою до професіоналів, оскільки цей кабель обумовлює радіус згину та спеціальні якісні роз'єми.

Гігабітне обладнання

Певною мірою питання «гігабіт чи ні» могло бути предметом суперечки рік чи кілька років тому. Якщо дивитися з погляду покупця SOHO, перехід від 10 до 10/100 Мбіт/с вже стався. Нові комп'ютери оснащуються 10/100 Ethernet портами, маршрутизатори вже використовують вбудовані 10/100 комутатори, а не 10BaseT концентратори. Однак подібна зміна не є наслідком вимог та побажань домашніх «мережників». Вони задовольняються наявним обладнанням.

За ці зміни нам слід дякувати корпоративним користувачам, які купують сьогодні в масових кількостях лише 10/100 обладнання, що дозволяє опустити на нього ціни. Як тільки виробники споживчого обладнання виявили, що використовувати 10BaseT чіпи в порівнянні з 10/100 варіантів дорожче, вони довго не роздумували.

Таким чином, вчорашня архітектура на базі 10BaseT концентраторів непомітно перейшла в сучасні 10/100 комутовані мережі. Такий самий перехід ми зазнаємо і з 10/100 на 10/100/1000 Мбіт/с. І хоча до переломного моменту залишилося ще рік чи два, перехід вже почавсяі ціни неухильно продовжують падіння вниз.

Все що вам потрібно - купити мережеву гігабітну карту і гігабітний комутатор. Давайте розглянемо їх трохи докладніше.

• Мережеві карти

  Фірмові 32-бітові PCI 10/100/1000BaseT мережні карти типу Intel PRO1000 MT, Netgear GA302T та SMC SMC9552TX коштують в Інтернеті від $40 до $70. Продукти виробників другого ешелону дешевші приблизно на $5. І хоча гігабітні мережеві карти приблизно в два з половиною рази дорожчі за середні 10/100 карт, навряд чи ваш гаманець взагалі помітить якусь різницю, якщо тільки ви не купуєте їх оптовими партіями.

  Ви можете знайти мережні карти, що підтримують не тільки 32-бітну шину PCI, але й 64-бітну, але й коштують вони дорожче. Чого ви не побачите, то це CardBus адаптерів для ваших ноутбуків. З якихось причин виробники вважають, що ноутбукам гігабітні мережі взагалі не потрібні.

• Комутатори

  А ось ціна 10/100/1000 комутаторів змушує десять разів подумати про доцільність переходу на гігабітний Ethernet. Хороша новина: сьогодні вже з'явилися прозорі гігабітні комутатори, які коштують набагато дешевше за своїх керованих побратимів для корпоративного ринку.

  Простий чотирипортовий 10/100/1000 комутатор Netgear GS104 можна купити менше, ніж за $225. Якщо ви зупините свій вибір на менш відомих фірмах типу TRENDnet TEG-S40TXE, зменшіть вартість до $150. Мало чотирьох портів – будь ласка. Восьмипортова версія Netgear GS108 обійдеться вам приблизно $450, а TRENDnet TEG-S80TXD — близько $280.

  Враховуючи, що п'ятипортовий 10/100 комутатор сьогодні коштує лише $20, ціни на гігабіт комусь видадуться надто високими. Але згадайте: ще зовсім недавно ви могли купити лише керовані гігабітні комутатори вартістю $100+ за порт. Ціни йдуть у правильному напрямку!

Чи доведеться змінювати комп'ютери?

Відкриємо невеликий секрет гігабітного Ethernet: під Win98 або 98SE ви, швидше за все, не отримаєте жодної переваги від гігабітної швидкості. І хоча за допомогою редагування реєстру можна спробувати покращити пропускну спроможність, ви все одно не отримаєте суттєвого приросту продуктивності порівняно з поточним 10/100 обладнанням.

Проблема криється в стеку TCP/IP Win98, який не був розроблений з урахуванням високошвидкісних мереж. У стека виникають проблеми навіть із використанням 100BaseTмережі, чого вже тоді говорити про гігабітний зв'язок! Ми ще повернемося до цього питання у другій статті, але поки що вам слід розглядати лише Win2000і WinXPдля роботи з гігабітним Ethernet.

Останньою пропозицією ми аж ніяк неМаємо на увазі, що тільки Windows 2000 і XP підтримують гігабітні мережеві карти. Ми просто не перевіряли продуктивність під іншими операційними системами, тому утримайтеся, будь ласка, від уїдливих зауважень!

Якщо ви цікавитеся, чи доведеться викидати старий добрий комп'ютер і купувати новий для використання гігабітного Ethernet, то наша відповідь — «можливо». Судячи з нашого практичного досвіду, один герц «сучасних» процесорів дорівнює одному біту в секунду пропускної спроможності мережі. Один із виробників гігабітного мережного обладнання погодився з нами: будь-яка машина з тактовою частотою 700 МГцабо нижче не зможе повною мірою використати пропускну здатність гігабітного Ethernet. Тож навіть із правильною операційною системою старим комп'ютерам гігабітний Ethernet — байдуже, що мертвому припарки. Ви швидше побачите швидкості 100-500 Мбіт/с

Зараз йде багато розмов про те, що час вже масово переходити на гігабітні швидкості при підключенні кінцевих користувачівлокальних мереж, а також знову порушується питання про виправданість та прогресивність рішень «волокно до робочого місця», «волокно до будинку» тощо. У зв'язку з цим ця стаття, що описує стандарти не тільки на мідні, але і, головним чином, на оптоволоконні інтерфейси GigE, буде цілком доречною та своєчасною.

архітектура стандарту Gigabit Ethernet

На рис.1 показано структуру рівнів Gigabit Ethernet. Як і у стандарті Fast Ethernet, Gigabit Ethernet не існує універсальної схеми кодування сигналу, яка була б ідеальною для всіх фізичних інтерфейсів - так, з одного боку, для стандартів 1000Base-LX/SX/CX використовується кодування 8B/10B, а з іншого боку, для стандарту 1000Base- T використовується спеціальний розширений лінійний код TX/T2. Функцію кодування виконує підрівень кодування PCS, розміщений нижче середовищенезалежного інтерфейсу GMII.

Рис. 1. Структура рівнів стандарту Gigabit Ethernet, GII інтерфейс та трансівер Gigabit Ethernet

GMII інтерфейс. Середньонезалежний інтерфейс GMII (Gigabit Media Independent Interface) забезпечує взаємодію між рівнем MAC та фізичним рівнем. GMII інтерфейс є розширенням інтерфейсу MII і може підтримувати швидкості 10, 100 та 1000 Мбіт/с. Він має окремі 8 бітні приймач і передавач, і може підтримувати як напівдуплексний, так і дуплексний режими. Крім цього, GMII інтерфейс несе один сигнал, що забезпечує синхронізацію (clock signal), і два сигнали стану лінії - перший (у стані ON) вказує на наявність несучої, а другий (у стані ON) говорить про відсутність колізій - і ще кілька інших сигнальних каналів та харчування. Трансіверний модуль, що охоплює фізичний рівень і забезпечує один із фізичних середовищ залежних інтерфейсів, може підключати наприклад до комутатора Gigabit Ethernet за допомогою GMII-інтерфейсу.

Підрівень фізичного кодування PCS. При підключенні інтерфейсів групи 1000Base-X, підрівень PCS використовує блокове надлишкове кодування 8B10B, запозичене зі стандарту ANSI X3T11 Fibre Channel. Аналогічно розглянутому стандарту FDDI, тільки на основі складнішої кодової таблиці кожні 8 вхідних бітів, призначених для передачі на віддалений вузол, перетворюються на 10 бітні символи (code groups). Крім цього у вихідному послідовному потоці присутні спеціальні контрольні 10-бітні символи. Прикладом контрольних символів можуть бути символи, використовувані розширення носія (доповнюють кадр Gigabit Ethernet до його мінімально розміру 512 байт). При підключенні інтерфейсу 1000Base-T, підрівень PCS здійснює спеціальне завадостійке кодування, для забезпечення передачі по кручений парі UTP Cat.5 на відстань до 100 метрів - лінійний код TX/T2, розроблений компанією Level One Communications.

Два сигнали стану лінії - сигнал наявність несучої та сигнал відсутність колізій - генеруються цим підрівнем.

Підрівні PMA та PMD. Фізичний рівень Gigabit Ethernet використовує кілька інтерфейсів, включаючи традиційну кручена пара категорії 5, а також багатомодове і одномодове волокно. Підрівень PMA перетворює паралельний потік символів від PCS на послідовний потік, а також виконує зворотне перетворення (розпаралелювання) вхідного послідовного потоку від PMD. Підрівень PMD визначає оптичні/електричні характеристики фізичних сигналівдля різних середовищ. Усього визначаються 4 різного типуфізичного інтерфейсу середовища, які відображені в специфікації стандарту 802.3z (1000Base-X) та 802.3ab (1000Base-T), (рис.2).

Рис. 2. Фізичні інтерфейси стандарту Gigabit Ethernet

інтерфейс 1000Base-X

Інтерфейс 1000Base-X ґрунтується на стандарті фізичного рівня Fibre Channel. Fibre Channel – це технологія взаємодії робочих станцій, суперкомп'ютерів, пристроїв зберігання та периферійних вузлів. Fibre Channel має 4-х рівневу архітектуру. Два нижніх рівня FC-0 (інтерфейси та середовище) та FC-1 (кодування/декодування) перенесені до Gigabit Ethernet. Оскільки Fibre Channel є схваленою технологією, таке перенесення сильно скоротило час на розробку оригінального стандарту Gigabit Ethernet.

Блоковий код 8B/10B аналогічний коду 4B/5B, прийнятому стандарті FDDI. Однак код 4B/5B був відкинутий у Fibre Channel, тому що цей код не забезпечує балансу по постійному струму. Відсутність балансу потенційно може призвести до нагрівання лазерних діодів, що передається даних, оскільки передавач може передавати більше бітів "1" (випромінювання є), ніж "0" (випромінювання немає), що може бути причиною додаткових помилок при високих швидкостяхпередачі.

1000Base-X поділяється на три фізичні інтерфейси, основні характеристики яких наведені нижче:

Інтерфейс 1000Base-SX визначає лазери з допустимою довжиною випромінювання в межах діапазону 770-860 нм, потужність випромінювання передавача в межах від -10 до 0 дБм, щодо ON/OFF (сигнал / немає сигналу) не менше 9 дБ. Чутливість приймача -17 дБм; насичення приймача 0 дБм;

Інтерфейс 1000Base-LX визначає лазери з допустимою довжиною випромінювання в межах діапазону 1270-1355 нм, потужність випромінювання передавача в межах від -13,5 до -3 дБм, щодо ON/OFF (є сигнал / немає сигналу) не менше 9 дБ. Чутливість приймача –19 дБм, насичення приймача –3 дБм;

1000Base-CX екранована кручена пара (STP "twinax") на короткі відстані.

Для довідки в табл.1 наведено основні характеристики оптичних приймально-передаючих модулів, що випускаються фірмою Hewlett Packard для стандартних інтерфейсів 1000Base-SX (модель HFBR-5305 =850 нм) і 1000Base-LX (модель HFCT-5305, =13.

Таблиця 1. Технічні характеристики оптичних приймач-передавачів Gigabit Ethernet

Відстань, що підтримуються для стандартів 1000Base-X наведені в табл.2.

Таблиця 2. Технічні характеристики оптичних приймач-передавачів Gigabit Ethernet

При кодуванні 8B/10B бітова швидкість оптичної лінії становить 1250 біт/c. Це означає, що смуга пропускання ділянки кабелю допустимої довжини має перевищувати 625 МГц. З табл. 2 видно, що цей критерій для рядків 2-6 виконується. Через великої швидкостіпередачі Gigabit Ethernet слід бути уважним при побудові протяжних сегментів. Безумовно перевага надається одномодовому волокну. При цьому характеристики оптичних приймачів можуть бути значно вищими. Наприклад, компанія NBase випускає комутатори з портами Gigabit Ethernet, що забезпечують відстані до 40 км по одномодовому волокну без ретрансляцій (використовуються вузькоспектральні DFB лазери, що працюють на довжині хвилі 1550 нм).

особливості використання багатомодового волокна

У світі існує величезна кількість корпоративних мережна основі багатомодового волоконно-оптичного кабелю, з волокнами 62,5/125 та 50/125. Тому природно, що ще на етапі формування стандарту Gigabit Ethernet виникло завдання адаптації цієї технології для використання в існуючих багатомодових кабельних системах. У ході досліджень з розробки специфікацій 1000Base-SX та 1000Base-LX було виявлено одну дуже цікаву аномалію, пов'язану з використанням лазерних передавачів спільно з багатомодовим волокном.

Багатомодове волокно конструювалося для спільного використаннязі світловипромінюючими діодами (спектр випромінювання 30-50 нс). Некогерентне випромінювання від таких світлодіодів потрапляє у волокно по всій площі світлонесучої серцевини. У результаті волокні збуджується дуже багато модових груп. Сигнал, що поширюється, добре піддається опису мовою міжмодової дисперсії. Ефективність використання таких світлодіодів як передавачів у стандарті Gigabit Ethernet низька, в силу дуже високої частотимодуляції - швидкість бітового потоку в оптичній лінії дорівнює 1250 Мбод, а тривалість одного імпульсу - 0,8 нс. Максимальна швидкість, коли ще використовуються світлодіоди для передачі сигналу багатомодового волокна, становить 622,08 Мбіт/c (STM-4, з урахуванням надмірності коду 8B/10B бітова швидкість в оптичній лінії 777,6 Мбод). Тому Gigabit Ethernet став першим стандартом, що регламентує використання лазерних оптичних передавачів спільно з багатомодовим волокном. Площа введення випромінювання у волокно від лазера значно менше, ніж розмір серцевини багатомодового волокна. Цей факт сам собою ще не призводить до проблеми. У той же час, у технологічному процесівиробництва стандартних комерційних багатомодових волокон допускається наявність деяких некритичних при традиційному використанні волокна дефектів (відхилень у межах допустимого), найбільше зосереджених поблизу осі серцевини волокна. Хоча таке багатомодове волокно повністю задовольняє вимогам стандарту, когерентне світло від лазера, введене по центру такого волокна, проходячи через області неоднорідності показника заломлення, здатне розщепитися на невелику кількість мод, які потім поширюються по волокну різними оптичними шляхами різною швидкістю. Це явище відоме як диференційна модова затримка DMD. В результаті з'являється фазовий зсув між модами, що призводить до небажаної інтерференції на приймальній стороні та значного зростання числа помилок (рис.3а). Зауваж, що ефект проявляється тільки при одночасному збігу низки обставин: менш вдале волокно, менш вдалий лазерний передавач (зрозуміло, що задовольняють стандарту) і менш вдалий введення випромінювання у волокно. З фізичної сторони, ефект DMD пов'язаний з тим, що енергія від когерентного джерела розподіляється всередині невеликого числа мод, тоді як некогерентне джерело поступово збуджує велику кількість мод. Дослідження показують, що ефект виявляється сильнішим за використання довгохвильових лазерів (вікно прозорості 1300 нм).

Рис.3. Поширення когерентного випромінювання в многомодовом волокні: а) прояв ефекту диференціальної модової затримки (DMD) при осьовому введенні випромінювання; б) Неосьове введення когерентного випромінювання в багатомодове волокно.

Зазначена аномалія в найгіршому випадку може вести до зменшення максимальної довжини сегмента на основі багатомодового ВОК. Оскільки стандарт має забезпечувати 100-відсоткову гарантію роботи, максимальна довжина має сегмента регламентуватися з урахуванням можливого прояву ефекту DMD.

Інтерфейс 1000Base-LX. Щоб зберегти більшу відстань і уникнути непередбачуваності поведінки каналу Gigabit Ethernet через аномалії, запропоновано вводити випромінювання в нецентральну частину серцевини багатомодового волокна. Випромінювання через апертурне розходження встигає рівномірно розподілитися по всій серцевині волокна, сильно послаблюючи прояв ефекту, хоча максимальна довжина сегмента і після цього залишається обмеженою (табл.2). Спеціально розроблені перехідні одномодові оптичні шнури MCP (mode conditioning patch-cords), у яких один із з'єднувачів (а саме той, який планується поєднувати з багатомодовим волокном) має невелике зміщення від осі серцевини волокна. Оптичний шнур, який має один з'єднувач - Duplex SC зі зміщеною серцевиною, а інший - звичайний Duplex SC, може називатися так: MCP Duplex SC - Duplex SC. Зрозуміло такий шнур не підходить для використання в традиційних мережах, наприклад у Fast Ethernet, через великі втрати, що вносяться на стику з MCP Duplex SC. Перехідний MCP може бути комбінованим на основі одномодового та багатомодового волокна та містити елемент зміщення між волокнами всередині себе. Тоді одномодовим кінцем він підключається до лазерного передавача. Що ж до приймача, то до нього може підключатися стандартний багатомодовий сполучний шнур. Використання перехідних MCP шнурів дозволяє заводити випромінювання багатомодове волокно через область, зміщену на 10-15 мкм від осі (рис.3б). Таким чином, зберігається можливість використання інтерфейсних портів 1000Base-LX і з одномодовим ВОК, оскільки там введення випромінювання буде здійснюватися строго по центру серцевини волокна.

Інтерфейс 1000Base-SX. Так як інтерфейс 1000Base-SX стандартизований тільки для використання з багатомодовим волокном, зсув області введення випромінювання від центральної осі волокна можна реалізувати всередині самого пристрою, тим самим зняти необхідність використання оптичного шнура, що узгоджує.

інтерфейс 1000Base-T

1000Base-T - це стандартний інтерфейс Gigabit Ethernet передачі по неекранованій кручений парі категорії 5 і вище на відстані до 100 метрів. Для передачі використовуються всі чотири пари мідного кабелю, швидкість передачі по одній парі 250 Мбіт/c. Передбачається, що стандарт забезпечуватиме дуплексну передачу, причому дані щодо кожної пари будуть передаватися одночасно відразу у двох напрямках - подвійний дуплекс (dual duplex). 1000Base-T. Технічно реалізувати дуплексну передачу 1 Гбіт/с по кручений парі UTP cat.5 виявилося досить складно, значно складніше ніж у стандарті 100Base-TX. Вплив ближніх і далеких перехідних перешкод від трьох сусідніх кручених пар на цю пару в чотирипарному кабелі вимагає розробки спеціальної скрембльованої завадостійкої передачі, та інтелектуального вузла розпізнавання та відновлення сигналу на прийомі. Декілька методів кодування спочатку розглядалися як кандидати на затвердження в стандарті 1000Base-T, серед яких: 5-рівневе імпульсно-амплітудне кодування PAM-5; квадратурна амплітудна модуляція QAM-25, та ін Нижче наведено коротко ідеї PAM-5, остаточно затвердженого як стандарт.

Чому 5-рівневе кодування. Поширене чотирирівневе кодування обробляє вхідні біти парами. Усього існує 4 різних комбінації - 00, 01, 10, 11. Передавач може кожній парі біт встановити свій рівень напруги переданого сигналу, що зменшує в 2 рази частоту модуляції чотирирівневого сигналу, 125 МГц замість 250 МГц, (рис.4), і отже частоту випромінювання. П'ятий рівень доданий до створення надмірності коду. Внаслідок чого стає можливою корекція помилок на прийомі. Це дає додатковий резерв 6 дБ у співвідношенні сигнал/шум.

Рис.4. Схема 4-х рівневого кодування PAM-4

рівень MAC

Рівень MAC стандарту Gigabit Ethernet використовує той же протокол передачі CSMA/CD що його предки Ethernet і Fast Ethernet. Основні обмеження на максимальну довжину сегмента (або колізійного домену) визначаються цим протоколом.

У стандарті Ethernet IEEE 802.3 прийнято мінімальний розмір кадру 64 байти. Саме значення мінімального розміру кадру визначає максимальну відстань між станціями (діаметр колізійного домену). Час, якого станція передає такий кадр - час каналу - 512 BT або 51,2 мкс. Максимальна довжина мережі Ethernet визначається за умови дозволу колізій, а саме час, за який сигнал доходить до віддаленого вузла та повертається назад RDT не має перевищувати 512 BT (без урахування преамбули).

При переході від Ethernet до Fast Ethernet швидкість передачі зростає, а час трансляції кадру довжини 64 байти відповідно скорочується - воно дорівнює 512 BT або 5,12 мкс (Fast Ethernet 1 BT = 0,01 мкс). Для того, щоб можна було виявляти всі колізії до кінця передачі кадру, як і раніше, необхідно задовольнити одну з умов:

У Fast Ethernet було залишено такий самий мінімальний розмір кадру, як і Ethernet. Це зберегло сумісність, але призвело до значного зменшення діаметра колізійного домену.

Знову ж таки через наступність стандарт Gigabit Ethernet повинен підтримувати ті ж мінімальний і максимальний розміри кадру, які прийняті в Ethernet і Fast Ethernet. Але оскільки швидкість передачі зростає, то відповідно зменшується час передачі пакета аналогічної довжини. При збереженні колишньої мінімальної довжини кадру це призвело б до зменшення діаметра мережі, який не перевищував би 20 метрів, що мало мало корисним. Тому при розробці стандарту Gigabit Ethernet було ухвалено рішення збільшити час каналу. У Gigabit Ethernet воно становить 4096 BT і у 8 разів перевищує час каналу Ethernet та Fast Ethernet. Але, щоб підтримати сумісність зі стандартами Ethernet і Fast Ethernet, мінімальний розмір кадру не було збільшено, а додано до кадру додаткове поле, що отримало назву "розширення носія".

розширення носія (carrier extension)

Символи у додатковому полі зазвичай не несуть службової інформації, але вони заповнюють канал і збільшують "колізійне вікно". В результаті колізія буде реєструватися всіма станціями при більшому діаметрі колізійного домену.

Якщо станція бажає передати короткий (менше 512 байт) кадр, до передачі додається це поле - розширення носія, що доповнює кадр до 512 байт. Поле контрольної суми обчислюється лише оригінального кадру і поширюється полі розширення. Під час прийому кадру поле розширення відкидається. Тому рівень LLC навіть не знає про наявність поля розширення. Якщо розмір кадру дорівнює або перевищує 512 байт, поле розширення носія відсутня. На рис.5 показаний формат кадру Gigabit Ethernet під час використання розширення носія.

Рис.5. Кадр Gigabit Ethernet із полем розширення носія.

пакетна перевантаженість (Packet Bursting)

Розширення носія - це найбільш природне рішення, яке дозволило зберегти сумісність зі стандартом Fast Ethernet, і такий самий діаметр колізійного домену. Але воно призвело до зайвої витрати смуги пропускання. До 448 байт (512-64) може витрачатися в холосту під час передачі короткого кадру. На стадії розробки стандарту Gigabit Ethernet компанією NBase Communications було внесено пропозицію модернізації стандарту. Ця модернізація, що отримала назву пакетна перевантаженість, дозволяє ефективніше використовувати поле розширення. Якщо станція/комутатор має кілька невеликих кадрів для відправки, то перший кадр доповнюється полем розширення носія до 512 байт, і відправляється. Інші кадри відправляються за мінімальним міжкадровим інтервалом в 96 біт, з одним важливим винятком - міжкадровий інтервал заповнюється символами розширення, (рис.6а). Таким чином, середовище не замовкає між посилками коротких оригінальних кадрів, і жоден інший пристрій мережі не може вклинитися в передачу. Таке пристроювання кадрів може відбуватися до тих пір, поки повна кількість переданих байт не перевищить 1518. Пакетна перевантаженість зменшувати ймовірність утворення колізій, оскільки перевантажений кадр може випробувати колізію тільки на етапі передачі першого свого оригінального кадру, включаючи розширення носія, що, безумовно, збільшує продуктивність мережі, особливо при великих навантаженнях(Рис.6-б).

Рис.6. Пакетна перевантаженість: а) передача кадрів; б) поведінка лінії пропускання.

За матеріалами компанії «Телеком Транспорт»

Вирішіть, чи потрібно удосконалювати вашу мережу.

• Якщо ви, а також члени вашої родини, регулярно завантажуєте великі файли, транслюєте медіа в інтернеті або виконуєте інші завдання, які сильно навантажують вашу мережу, наприклад, сервер з файловим хостингом, або граєте в онлайн ігри, ви б із задоволенням вклалися у покращення до Gigabit Ethernet.
• Середнім та великим підприємствам потрібно, щоб багато користувачів були з'єднані через мережу і одночасно могли підвищити свою продуктивність.
• Приватні особи, які використовують інтернет поодинці для не ресурсомістких мережевих завдань, як електронна пошта, миттєві повідомленняабо веб-серфінг можуть не побачити вигоди в покращенні мережного доступу до Gigabit Ethernet.