1000BASE-T

Z Wikipedii

1000Base-T jest standardem sieci Ethernet o przepływności 1 Gb/s. Został opisany w 1999 roku w dokumencie IEEE 802.3ab. Oparta na nim sieć wykorzystuje jako medium skrętkę miedzianą UTP co najmniej Cat5 zakończonej złączem RJ-45, a jej zasięg wynosi 100 m. 1000Base-T wykorzystuje wszystkie 4 pary skrętki, jednocześnie nadając i odbierając sygnał na każdej parze, dzięki czemu możliwy jest full-duplex w obrębie jednej pary, tzw. dual-duplex. W celu osiągnięcia tak wysokiej przepływności zastosowano czterowymiarowe kodowanie 4D-PAM5.

Przetwarzanie tak dużej ilości informacji na sekundę wymaga zastosowania procesorów sygnałowych w urządzeniach sieciowych. Tworzone na ich podstawie układy hybrydowe odpowiadają za jednoczesne nadawanie i odbieranie na tej samej parze skrętki.

Główne założenia

Głównymi założeniami 1000Base-T określonymi przed standard są:

1. obsługa CSMA/CD MAC
2. zgodność ze specyfikacją GMII
3. wsparcie dla wtórnika 1000 Mb/s
4. zapewnienie transmisję full i half-duplex
5. wsparcie dla operacji na odległość 100 m
6. współczynnik BER mniejszy lub równy 10^-10
7. obsługa autonegocjacji.

Ethernet a Gigabit Ethernet

1000Base-T posiada 100-krotnie większą przepływność w porównaniu z klasycznym Ethernetem o przepływności 10 Mb/s. Konsekwencją tego jest skrócenie czasu transmisji ramki Ethernetowej (minimum 64 B) z 51,2 μs do 512 ns. Jeśli obsługa CSMA/CD ma być zachowana, zasięg sieci w takiej postaci musiałby wynosić ok. 25 m. W celu zwiększenia zasięgu do 100 m postanowiono zwiększyć czas zajmowany przez ramkę 8-krotnie. Nowa ramka posiada rozmiar 512 B, zawiera w sobie klasyczne ramki Ethernetowe i jest przetwarzana przez sprzęt nadajnika i odbiornika, dzięki czemu oprogramowanie nie jest nawet świadome jej istnienia. Za jej tworzenie odpowiadają dwie funkcje:

• przedłużenie nośnika (ang. carrier extension) - dopełnienie za ramką do 512 B
• przesyłanie ramek wiązkami (ang. frame bursting, burst) - przesyłanie naraz sekwencji ramek do osiągniecia ich sumy bajtów równej 8192. Jeśli cała paczka ma mniej niż 512 B, to stosowane jest dodatkowo dopełnienie.

Podczas transmisji ramki dodawane są specjalne znaczniki określające początek i koniec ramki oraz rodzielające ramki transmitowane w trybie burst.

Dzięki temu mechanizmowi Gigabit Ethernet zachowuje zgodność ze wszystkimi wersjami Ethernetu.

Autonegocjacja

Technologia pozwalająca określić tryb działania z jakim pracuje urządzenie po drugiej stronie łącza. Jest inicjowana na początku zestawiania łącza - uzgadnia wspólny tryb i szybkość połączenia, zazwyczaj największą wspólną z jaką mogą pracować obydwa urządzenia. W autonegocjacji wykorzystywana jest specjalna sekwencja szybkich impulsów łącza (ang. FLP - Fast Link Pulse) wysyłana przez karty NIC i koncentratory, pozwalająca zidentyfikować możliwości urządzenia wysyłającego. Ten mechanizm jest oparty na sygnalizacji integralności łącza (ang. LI - Link Integrity) wykorzystywanej w 10Base-T.

Autonegocjacja odpowiada także za ustalanie relacji Master-Slave pomiędzy interfejsami warstwy fizycznej. Strona połączenia typu Master taktuje sygnał zgodnie ze swoim zegarem, a strona uznana za Slave odzyskuje sygnał zegarowy z odebranego sygnału. Przy połączeniu wieloportowym jako Master zazwyczaj wybierane urządzenie wieloportowe, pozostałe urzadzenia jednoportowe uczestniczące w połączeniu zostają ustawione jako Slave.

Kodowanie

Wykorzystywany jest schemat kodowania 4D-PAM5 (inaczej PAM5x5x5x5). Inna jego nazwa to Enhanced T2/TX, ponieważ jest połączeniem technik modulacji zastosowanych w standardach FastEthernet 100Base-T2 i 100Base-TX. (W 100Base-T2 zastosowano kodowanie PAM5x5 (wykorzystano 2 pary skrętki) i jednoczesny full-duplex na każdej parze (dual-duplex), natomiast w 100Base-TX transmisję z częstotliwością 125 MHz.)

Definicje

8B1Q4: technika kodowania danych używana w 1000BASE-T przy konwersji 8 bitów (8B) do czterech pięciowartościowych (ang. Quinary) symboli (Q4), transmitowanych w czasie jednego taktu zegara (1Q4).^[1]

4D-PAM5: technika kodowania sygnału używana w 1000BASE-T. Czterowymiarowe pięciowartościowe symbole (4D) otrzymane z kodowania danych 8B1Q4 są przesyłane przy użyciu pięciu poziomów napięcia (PAM5). Cztery takie symbole są przesyłane równolegle w każdym przedziale czasowym.^[1]

Zastosowane kodowania 8B1Q4 i 4D-PAM5 przetwarzają osiem bitów na jedną serię czterech sygnałów (grup kodowych) o poziomach napięć z pięciowartościowego zbioru {2,1,0,-1,-2} V, wysyłanych jednocześnie. Skrętka Cat5 pozwala na transmisję z częstotliwością 125 MHz, a czas trwania symbolu (taktu) wynosi 8 ns. Pięć poziomów napięcia pozwala na zakodowanie w jednym sybolu dwóch bitów danych (w rzeczywistości wystarczyły by cztery poziomy, ale piąty zwiększa ilość kombinacji, które wykorzystano m.in. na słowa kontrolne). Cztery pary skrętki dają 8 bitów transmitowanych w jednym takcie, więc przepływność wynosi 4 x 2 x 125•10⁶=10⁹, czyli 1 Gb. W trybie bezczynności, transmitowane są tylko poziomy napięć -2, 0 i 2 w celu polepszenia synchronizacji.

Realizacja

PIN	kolor	funkcja
1	biało-zielony	BI_DA+
2	zielony	BI_DA–
3	biało-pomarańczowy	BI_DB+
4	niebieski	BI_DC+
5	biało-niebieski	BI_DC–
6	pomarańczowy	BI_DB–
7	biało-brązowy	BI_DD+
8	brązowy	BI_DD–

W czasie transmisji danych kolejne bajty są szyfrowane strumieniowo (ang. side-stream scrambling), następnie kodowane w grupy kodowe złożone z czterech pięciowartościowych symboli. Szyfrator strumieniowy implementowany jest przez liniowy rejestr przesuwny ze sprzężeniem zwrotnym (ang. linear feedback shift register). W dużym uproszczeniu cały proces zachodzi następująco. Kodowanie obejmuje generacje trzech 4-bitowych słów - S_x, S_y, S_g. Słowa S_x i S_y służą do generacji oktetu S_c wykorzystywanego do szyfrowania bajtu danych oraz generacji słów kontrolnych i bezczynności. Otrzymany oktet S_c jest kodowany splotowo z bajtem danych w celu osiągnięcia 9-bitowego słowa S_d. To słowo z kolei jest mapowane na cztery pięciowartościowe symbole TA, TB, TC, TD. Słowo S_g wykorzystywane jest do zróżnicowania znaków symboli TA-TD tak, aby każdy transmitowany strumień nie zawierał składowej stałej. Otrzymane w ten sposób symbole A, B, C, D są zamieniane na sygnał elektryczny modulowany PAM5 i przesyłane przez cztery pary DA, DB, DC, DD skrętki, zgodnie z tabelką zamieszczoną obok. BI oznacza styk dwukierunkowy (ang. bidirectional).

Korekcja błędów

W czasie trwania jednego taktu kodowany jest jeden bajt, czyli 8 bitów, co daje 2⁸=256 różnych stanów. Cztery pięciopoziomowe sygnały PAM5 przesyłane każdy na osobnej parze przewodów dają 5⁴=625 różnych stanów. Część z nich jest wykorzystywana do przesyłania sygnałów kontrolnych i bezczynności, pozostaje jednak nadal duży nadmiar, który pozwolił na wykorzystanie 8-stanowego kodowania TCM (ang. Trellis Coded Modulation) zapewniającego korekcję błędów (ang. Trellis Forward Error Correction). Za detekcję i korekcję błędów odpowiada dekoder Viterbiego w urządzeniu odbiorczym.

Okablowanie

W standardzie wykorzystywana jest skrętka miedziana Cat5 (EIA/TIA-568A). Zalecana jest jednak skrętka Cat5e (EIA/TIA 568-A-5), która zwiększa zapas bezpieczeństwa przy sieciach o zasięgu zbliżonym do maksymalnej wartości 100 m.

Kable powinny być zakończone złączem RJ-45 dobrej jakości, zgodnie z EIA/TIA-568B T568A i T568B.

Testy okablowania

Podczas tworzenia sieci 1000Base-T możliwe jest wykorzystanie istniejącego okablowania Cat5, należy jednak najpierw przeprowadzić testy wymagane do ponownej certyfikacji kabla Cat5 na wymogi 1000Base-T. Testy te są zawarte w biuletynie TSB-95 i dotyczą dalekiego przesłuchu ELFEXT, echa, przesunięcia fazowego i opóźnienia propagacji sygnału.

Przydatność skrętki określana jest przez parametry:

• tłumienie - stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego sygnału transmitowanego w przewodzie, wyrażane w decybelach
• przesłuchy - przenoszenie sygnału z jednej pary do drugiej, wyrażane w decybelach:
  • NEXT (ang. Near-end Crosstalk) - stosunek napięcia wytworzonego na bliskim końcu jednej pary przewodów do napięcia sygnału transmitowanego w drugiej parze przewodów na jej bliskim końcu; tzw. przesłuch zbliżny.
  • FEXT (ang. Far-end Crosstalk) - stosunek napięcia wytworzonego na odległym końcu jednej pary przewodów do napięcia sygnału transmitowanego w drugiej parze przewodów na jej bliskim końcu; tzw. przesłuch zdalny.
  • ELFEXT - (ang. Equal Level Far-end Crosstalk) stosunek napięcia wytworzonego na odległym końcu jednej pary przewodów do napięcia na odległym końcu drugiej pary przewodów, w której zachodzi transmisja. Może być obliczone przez odjęcie wartości tłumienia od FEXT.
  • PSNEXT, PSFEXT, PSELFEXT - parametry, króte można dodatkowo wyznaczyć, gdy wykorzystywane są wszystkie 4 pary skrętki. Związane są z tym, że na każdą pojedynczą parę mają wpływ pozostałe trzy. Wartości te otrzymuje się sumując przesłuch pochodzący od każdej z trzech par. PS oznacza sumę mocy (ang. Power Sum), a definicje są analogiczne.
• Echo - suma odbitych fal w porównaniu z siłą sygnału nadanego. Wprowadzane przez niedopasowanie falowe.
• Opóźnienie propagacji sygnału - konsekwencja skończonej szybkości elektronów, maksymalne opóźnienie przy 10 MHz dla 100 m odcinka kabla określono na 555 ns.
• Przesunięcie fazowe - Różnica propagacji sygnału pomiędzy parą o największym i najmniejszym opóźnieniu propagacji, maksymalna wartość wynosi 50 ns. Wymagana przy synchronizacji czterech sygnałów w momencie odtwarzania ich w jeden strumień danych.

Bibliografia

1. Standard IEEE 802.3-2005
   • sekcja 2, rozdział 28 - "Physical Layer link signaling for 10 Mb/s, 100 Mb/s, and 1000 Mb/s Auto-Negotiation on twisted pair"
   • sekcja 3, rozdział 40 - "Physical Coding Sublayer (PCS), Physical Medium Attachment (PMA) sublayer and baseband medium, type 1000BASE-T".
2. "Switched, Fast i Gigabit Ethernet" Robert Breyer, Sean Riley, ISBN 83-7197-192-3
3. "Sieci Komputerowe" Andrew S. Tanenbaum, Wydawnictwo Helion 2004, ISBN 83-7361-557-1

Przypisy