Výstavba sietí pomocou technológie ethernet 1000base t. Sieťová technológia Ethernet

Dáta prenášané cez sieť Ethernet sú rozdelené do rámcov. Pripomeňme, že takmer každá sieťová technológia (bez ohľadu na jej úroveň) má zodpovedajúcu jednotku prenosu dát: Ethernet - rámec, ATM - bunka, IP - datagram atď. Dáta sa neprenášajú cez sieť v čistej forme. Hlavička je spravidla „pripojená“ k dátovej jednotke. V niektorých sieťové technológie pridáva sa aj koncovka. Názov a koniec obsahujú informácie o službe a pozostávajú z určitých polí.

Keďže existuje niekoľko typov rámcov, aby si odosielateľ a príjemca navzájom rozumeli, musia používať rovnaký typ rámcov. Rámy môžu byť v štyroch rôznych formátoch, ktoré sa od seba mierne líšia. Existujú len dva základné formáty rámcov (raw formáty) – Ethernet II a Ethernet 802.3. Tieto formáty sa líšia účelom len jedného poľa.

Pre úspešné doručenie informácií príjemcovi musí každý rámec okrem údajov obsahovať aj servisné informácie: dĺžku dátového poľa, fyzickú adresu odosielateľa a príjemcu, typ sieťový protokol atď.

Aby mohli pracovné stanice komunikovať so serverom v rovnakom segmente siete, musia podporovať formát jedného rámca. Existujú štyri hlavné typy ethernetových rámcov:

• Ethernet typu II
• Ethernet 802.3
• Ethernet 802.2
• Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol).

Uvažujme polia spoločné pre všetky štyri typy rámcov (obr. 1).

Ryža. 1. Common Ethernet Frame Format

Polia v rámci majú nasledujúci význam:

• Polia „Preambula“ a „Začiatok znaku rámca“ sú určené na synchronizáciu odosielateľa a príjemcu. Preambula je 7-bajtová sekvencia jednotiek a núl. Pole príznaku začiatku rámca má veľkosť 1 bajt. Tieto polia sa neberú do úvahy pri výpočte dĺžky rámca.
• Pole „Adresa príjemcu“ pozostáva zo 6 bajtov a obsahuje fyzickú adresu zariadenia v sieti, ktorému je adresované. tento rám. Hodnoty tohto a nasledujúceho poľa sú jedinečné. Každému výrobcovi Ethernetové adaptéry Prvé tri bajty adresy sú priradené a zvyšné tri bajty určuje priamo výrobca. Napríklad pre adaptéry 3Com budú fyzické adresy začínať 0020AF. Prvý bit cieľovej adresy má špeciálny význam. Ak je 0, toto je adresa konkrétne zariadenie(iba v tomto prípade prvé tri bajty slúžia na identifikáciu výrobcu internetová karta), a ak 1 - vysielanie. Typicky sú vo vysielacej adrese všetky zostávajúce bity tiež nastavené na jeden (FF FF FF FF FF FF).
• Pole „Adresa odosielateľa“ pozostáva zo 6 bajtov a obsahuje fyzickú adresu zariadenia v sieti, ktoré poslalo tento rámec. Prvý bit adresy odosielateľa je vždy nula.
• Pole Dĺžka/Typ môže obsahovať dĺžku alebo typ rámca v závislosti od používaného ethernetového rámca. Ak pole určuje dĺžku, zadáva sa v dvoch bajtoch. Ak typ - potom obsah poľa označuje typ protokolu špičková úroveň, ktorému tento rám patrí. Napríklad pri použití protokolu IPX je hodnota 8137 a pre protokol IP je to 0800.
• Pole "Údaje" obsahuje údaje rámca. Najčastejšie ide o informácie potrebné pre protokoly vyššej úrovne. Toto pole nemá pevnú dĺžku.
• Pole "Kontrolný súčet" obsahuje výsledok výpočtu kontrolného súčtu všetkých polí s výnimkou peramble, znaku začiatku rámca a samotného kontrolného súčtu. Výpočet vykoná odosielateľ a pridá sa do rámca. Podobný postup výpočtu sa vykonáva na zariadení príjemcu. Ak sa výsledok výpočtu nezhoduje s hodnotou tohto odboru, predpokladá sa, že došlo k chybe prenosu. V tomto prípade sa rám považuje za poškodený a ignoruje sa.

Je potrebné poznamenať, že minimálna povolená dĺžka všetkých štyroch typov ethernetových rámcov je 64 bajtov a maximálna je 1518 bajtov. Keďže pre servisné informácie je v rámci alokovaných 18 bajtov, pole „Dáta“ môže mať dĺžku od 46 do 1500 bajtov. Ak sú dáta prenášané cez sieť kratšie ako povolená minimálna dĺžka, rámec sa automaticky doplní na 46 bajtov. Takéto prísne obmedzenia minimálnej dĺžky rámca boli zavedené na zabezpečenie normálnej prevádzky mechanizmu detekcie kolízie.

Štandard Gigabit Ethernet, ktorý ako médium na prenos údajov používa kábel kategórie 5 (netienená krútená dvojlinka), popísaný v IEEE 802.3ab, bol dokončený 28. júna 1999.

Čas plynul a teraz môžeme povedať, že gigabitový Ethernet cez meď pevne vstúpil do histórie rozvoja lokálnych sietí. Prudký pokles cien gigabitových sieťových adaptérov 1000Base-T a gigabitových modulov pre prepínače postupne viedol k tomu, že inštalácia takýchto adaptérov do serverov sa stáva de facto štandardom. Napríklad niektorí výrobcovia serverov už začali integrovať gigabitové adaptéry 1000Base-T do servera základné dosky, pričom počet firiem vyrábajúcich takéto adaptéry dosiahol začiatkom tohto roka 25. Okrem toho sa začali vyrábať adaptéry určené na inštaláciu do pracovných staníc (líšia sa tým, že sú určené pre 32-bitovú 33-MHz PCI zbernicu). . To všetko nám umožňuje s istotou povedať, že za rok alebo dva budú gigabitové sieťové adaptéry také rozšírené, ako sú teraz adaptéry Fast Ethernet.

Pozrime sa na zásadné inovácie obsiahnuté v štandarde IEEE 802.3ab, ktoré umožnili dosiahnuť takú vysokú prenosovú rýchlosť pri zachovaní rovnakej maximálnej vzdialenosti medzi dvoma počítačmi 100 m, ako tomu bolo v štandarde Fast Ethernet.

V prvom rade si pripomeňme, že sieťové adaptéry fungujú na úrovni fyzickej a dátovej linky sedemvrstvového modelu OSI (Open System Interconnection). Vrstva dátového spojenia sa zvyčajne delí na dve podvrstvy: MAC a LCC. Podvrstva MAC (Media Access Control) je podvrstva riadenia prístupu k médiám, ktorá zabezpečuje správne zdieľanie spoločného zdieľaného média na prenos dát a sprístupňuje ho konkrétnej stanici v súlade s určitým algoritmom. Podvrstva LCC (Logical Link Control) je zodpovedná za prenos rámcov medzi uzlami s rôznym stupňom spoľahlivosti a tiež implementuje funkcie rozhrania so susednou treťou (sieťovou) vrstvou.

Všetky rozdiely medzi Ethernetom a Fast Ethernetom sú zamerané iba na fyzickú vrstvu. MAC a LCC však neprešli žiadnymi zmenami.

Fyzická vrstva možno zhruba rozdeliť na tri prvky: vyjednávaciu vrstvu, Media Independent Interface (MII) a zariadenie fyzickej vrstvy (PHY). Zariadenie fyzickej vrstvy môže byť tiež rozdelené do niekoľkých podvrstiev: fyzická kódovacia podvrstva, podvrstva fyzického média, podvrstva závislá od fyzického média a podvrstva automatického vyjednávania.

Ak sú rozdiely medzi Ethernetom a Fast Ethernetom minimálne a neovplyvňujú MAC vrstvu, potom pri vývoji štandardu Gigabit Ethernet 1000Base-T museli vývojári urobiť zmeny nielen vo fyzickej vrstve, ale aj ovplyvniť MAC vrstvu (obr. 1).

Medzi všetkými tromi technológiami však stále existuje veľa podobností. V prvom rade je to metóda prístupu k médiám CSMA/CD, poloduplexné a plne duplexné prevádzkové režimy, ako aj formáty rámcov Ethernet. Použitie krútenej dvojlinky kategórie 5 si zároveň vyžiadalo veľké zmeny v implementácii fyzickej vrstvy adaptéra.

Prvým problémom pri implementácii rýchlosti 1 Gbit/s bolo zabezpečenie prijateľného priemeru siete pri prevádzke v polovičnom duplexnom režime. Ako viete, minimálna veľkosť rámca v sieťach Ethernet a Fast Ethernet je 64 bajtov. Veľkosť rámca 64 bajtov pri prenosovej rýchlosti 1 GB/s však vedie k tomu, že pre spoľahlivú detekciu kolízií je potrebné, aby maximálny priemer siete (vzdialenosť medzi dvoma najväčšími vzdialený priateľ od seba počítačmi) nebola väčšia ako 25 m Faktom je, že úspešné rozpoznanie kolízie je možné len vtedy, ak je čas medzi odoslaním dvoch po sebe nasledujúcich rámcov minimálnej dĺžky väčší ako dvojnásobok času šírenia signálu medzi dvoma uzlami v sieti, ktoré sú. maximálne vzdialené od seba . Preto, aby sa zabezpečil maximálny priemer siete 200 m (dva 100 m káble a prepínač), bola minimálna dĺžka rámca v štandarde Gigabit Ethernet zvýšená na 512 bajtov. Pre zväčšenie dĺžky rámca na požadovanú doplní sieťový adaptér dátové pole na dĺžku 448 bajtov o tzv. Pole rozšírenia je pole vyplnené zakázanými znakmi, ktoré nemožno zameniť za dátové kódy (obr. 2). Zvýšenie minimálnej dĺžky rámca má zároveň negatívny vplyv na prenos krátkych servisných správ, ako sú potvrdenia, pretože užitočná prenášaná informácia je podstatne menšia ako celková prenášaná informácia. V záujme zníženia režijných nákladov pri použití dlhých rámcov na prenos krátkych príjmov umožňuje štandard Gigabit Ethernet možnosť prenosu viacerých rámcov za sebou v režime výhradného získavania média, teda bez prenosu média na iné stanice. Takéto monopolný režim snímanie sa nazýva Burst Mode. V tomto režime môže stanica prenášať niekoľko rámcov za sebou s celkovou dĺžkou najviac 8192 bajtov (BurstLength).

Ako už bolo uvedené, spolu so zmenami vo vrstve MAC bolo možné dosiahnuť gigabitové prenosové rýchlosti vďaka významnej zmene fyzickej vrstvy, teda samotnej technológie prezentácie (kódovania) údajov pri prenose údajov cez krútené dvojlinky.

Aby sme pochopili zmeny, ktoré boli vykonané na fyzickej úrovni, pripomeňme si, čo je dátový kábel a aké rušenie vzniká pri prenose signálu.

Netienený kábel kategórie 5 pozostáva zo štyroch párov drôtov, pričom každý pár je skrútený dohromady. Tento kábel je určený na prevádzku na frekvencii 100 MHz (obr. 3).

Z kurzu fyziky je známe, že každý kábel okrem aktívneho má aj kapacitné a indukčné reaktancie, pričom posledné dve závisia od frekvencie signálu. Všetky tri typy odporu určujú takzvanú impedanciu obvodu. Prítomnosť impedancie vedie k tomu, že ako sa signál šíri káblom, postupne sa tlmí a stráca časť svojho pôvodného výkonu.

Ak je vzájomná indukčnosť vypočítaná na začiatku kábla, potom sa príslušný typ rušenia bude nazývať NEXT (Near-end crosstalk loss). Ak sa na konci kábla uvažuje rušenie spôsobené vzájomnou indukciou, potom sa to nazýva FEXT (Far-end crosstalk loss - obr. 4).

Okrem toho, ako sa signál šíri, vzniká ďalší typ rušenia spojeného s nesúladom vstupnej impedancie sieťový adaptér a kábel. V dôsledku takéhoto nesúladu dochádza k odrazu signálu, čo tiež vedie k tvorbe šumu.

Vysielanie signálov za vyššie popísaných podmienok rušenia vyžaduje použitie dômyselných techník, ktoré zabezpečia požadovanú prenosovú rýchlosť a zároveň zabezpečia presné rozpoznanie prenášaných signálov.

Najprv si pripomeňme, aké metódy sa používajú na reprezentáciu informačných signálov.

O digitálne kódovanie bitové "nuly" a "jednotky" používajú buď potenciálové alebo impulzné kódy. V potenciálových kódoch (obr. 5) sa na reprezentáciu logických núl a jednotiek používa iba hodnota potenciálu signálu. Napríklad jedna je reprezentovaná ako potenciál vysokej úrovne a nula je reprezentovaná ako potenciál nízkej úrovne. Pulzné kódy umožňujú, aby bity boli reprezentované potenciálnymi rozdielmi v určitom smere. Pokles potenciálu z nízkej na vysokú úroveň teda môže zodpovedať logickej nule.

Pri použití pravouhlých impulzov na prenos dát je potrebné zvoliť spôsob kódovania, ktorý súčasne spĺňa viacero požiadaviek.

Po prvé, mal by najmenšiu šírku spektra výsledného signálu pri rovnakej bitovej rýchlosti.

Po druhé, mal by schopnosť rozpoznať chyby.

Po tretie, zabezpečilo by to synchronizáciu medzi prijímačom a vysielačom.

Kód NRZ

V najjednoduchšom prípade kódovania potenciálu môže byť logická jednotka reprezentovaná vysokým potenciálom a logická nula nízkym potenciálom. Táto metóda reprezentácie signálu sa nazýva „kódovanie bez návratu na nulu alebo kódovanie NRZ (Non Return to Zero). Pojem „non-return“ v tomto prípade znamená, že nedochádza k žiadnej zmene úrovne signálu počas celého intervalu hodín. Metóda NRZ je ľahko implementovateľná, má dobré rozpoznávanie chýb, ale nemá vlastnosť samosynchronizácie. Chýbajúca samosynchronizácia vedie k tomu, že keď sa objavia dlhé sekvencie núl alebo jednotiek, prijímač nedokáže zo vstupného signálu určiť tie momenty, kedy je potrebné dáta znova načítať. Preto mierny nesúlad v hodinových frekvenciách prijímača a vysielača môže viesť k chybám, ak prijímač číta údaje v nesprávnom čase, keď je to potrebné. Tento jav je obzvlášť kritický, keď vysoké rýchlosti prenos, keď je čas jedného impulzu extrémne krátky (pri prenosovej rýchlosti 100 Mbit/s je čas jedného impulzu 10 ns). Ďalšou nevýhodou kódu NRZ je prítomnosť nízkofrekvenčnej zložky v spektre signálu, keď sa objavia dlhé sekvencie núl alebo jednotiek. Preto sa kód NRZ nepoužíva vo svojej čistej forme na prenos údajov.

Kód NRZI

Ďalším typom kódovania je mierne upravený kód NRZ s názvom NRZI (Non Return to Zero with one Inverted). Kód NRZI je najjednoduchšia implementácia princípu kódovania zmenou úrovne signálu alebo diferenciálneho kódovania. Pri tomto kódovaní, keď sa prenáša nula, sa úroveň signálu nemení, to znamená, že potenciál signálu zostáva rovnaký ako v predchádzajúcom cykle hodín. Pri vysielaní jednotky sa potenciál obráti na opačný. Porovnanie kódov NRZ a NRZI ukazuje, že kód NRZI má lepšiu samosynchronizáciu, ak zakódovaná informácia obsahuje viac logických jednotiek ako logických núl. Tento kód vám teda umožňuje „bojovať“ s dlhými sekvenciami logických jednotiek, ale neposkytuje správnu samosynchronizáciu, keď sa objavia dlhé sekvencie logických núl.

Manchester kód

V kóde Manchester sa na kódovanie núl a jednotiek používa potenciálny rozdiel, to znamená, že kódovanie sa vykonáva okrajom impulzu. Pokles potenciálu nastáva uprostred hodinového impulzu, pričom jeden je zakódovaný rozdielom od nízkeho potenciálu k vysokému a nula - naopak. Ak sa na začiatku každého hodinového cyklu objaví niekoľko núl alebo jednotiek za sebou, môže dôjsť k poklesu servisného potenciálu.

Zo všetkých kódov, ktoré sme skúmali, má Manchester najlepšiu samosynchronizáciu, pretože k poklesu signálu dochádza aspoň raz za cyklus hodín. Preto sa Manchester kód používa v ethernetových sieťach s prenosovou rýchlosťou 10 Mbit/s (10Base 5, 10Base 2, 10Base-T).

Kód MLT-3

Kód MLT-3 (Multi Level Transmission-3) je implementovaný podobne ako kód NRZI. K zmene úrovne lineárneho signálu dochádza len vtedy, ak je jeden prijatý na vstupe kódovača, avšak na rozdiel od kódu NRZI je algoritmus generovania zvolený tak, že dve susedné zmeny majú vždy opačný smer. Nevýhoda kódu MLT-3 je rovnaká ako v prípade kódu NRZI - chýbajúca správna synchronizácia, keď sa objavia dlhé sekvencie logických núl.

Ako už bolo uvedené, rôzne kódy sa od seba líšia nielen stupňom samosynchronizácie, ale aj šírkou spektra. Šírka spektra signálu je určená predovšetkým tými harmonickými, ktoré tvoria hlavný energetický príspevok k tvorbe signálu. Základná harmonická sa dá ľahko vypočítať pre každý typ kódu. V kóde NRZ alebo NRZI zodpovedá maximálnej frekvencii základnej harmonickej (obr. 6). periodická sekvencia logické nuly a jednotky, teda keď sa niekoľko núl alebo jednotiek za sebou nevyskytuje. V tomto prípade sa perióda základnej harmonickej rovná časovému intervalu dvoch bitov, to znamená, že pri prenosovej rýchlosti 100 Mbit/s by mala byť frekvencia základnej harmonickej 50 Hz.

V kóde Manchester zodpovedá maximálna frekvencia základnej harmonickej situácii, keď na vstup kódovača prichádza dlhá sekvencia núl. V tomto prípade sa perióda základnej harmonickej rovná časovému intervalu jedného bitu, to znamená, že pri prenosovej rýchlosti 100 Mbit/s bude maximálna frekvencia základnej harmonickej 100 Hz.

V kóde MLT-3 sa maximálna frekvencia základnej harmonickej (obr. 7) dosiahne vtedy, keď sa na vstup kódovača privedú dlhé sekvencie logických jednotiek. V tomto prípade základná perióda zodpovedá časovému intervalu štyroch bitov. Preto pri prenosovej rýchlosti 100 Mbit/s bude maximálna základná frekvencia 25 MHz.

Ako už bolo uvedené, v sieťach Ethnet 10 Mbit/s sa používa kódovanie Manchester, čo je spôsobené jednak dobrými samosynchronizačnými vlastnosťami kódu, jednak prípustnou maximálnou frekvenciou základnej harmonickej, ktorá pri prevádzke rýchlosťou 10 Mbit/ s bude 10 MHz. Táto hodnota postačuje pre kábel nielen 5. kategórie, ale aj 3. kategórie, ktorý je určený pre frekvenciu 20 MHz.

Zároveň je použitie kódovania Manchester pre siete s vyššou rýchlosťou (100 Mbit/s, 1 Gbit/s) neprijateľné, keďže káble nie sú určené na prevádzku pri tak vysokých frekvenciách. Preto sa používajú iné kódy (NRZI a MLT-3), ale na zlepšenie samosynchronizačných vlastností kódu podliehajú dodatočnému spracovaniu.

Nadbytočné kódy

Takéto dodatočné spracovanie pozostáva z kódovania logických blokov, keď je jedna skupina bitov nahradená inou skupinou podľa určitého algoritmu. Najbežnejšími typmi takéhoto kódovania sú redundantné kódy 4B/5B, 8B/6T a 8B/10T.

V týchto kódoch sú pôvodné skupiny bitov nahradené novými, ale dlhšími skupinami. V kóde 4B/5B je skupina štyroch bitov priradená skupine piatich bitov. Vynára sa otázka – prečo sú potrebné všetky tieto komplikácie? Ide o to, že takéto kódovanie je nadbytočné. Napríklad v kóde 4B/5B je v pôvodnej sekvencii štyroch bitov 16 rôznych bitových kombinácií núl a jednotiek a v skupine piatich bitov je už 32 takýchto kombinácií vyberte 16 takých kombinácií, ktoré neobsahujú veľká kvantita núl (pripomeňme, že v zdrojových kódoch NRZI a MLT-3 vedú dlhé sekvencie núl k strate synchronizácie). V tomto prípade možno zostávajúce nepoužité kombinácie považovať za zakázané sekvencie. Teda okrem zlepšenia samosynchronizačných vlastností zdrojový kód Redundantné kódovanie umožňuje prijímaču rozpoznať chyby, pretože výskyt zakázanej bitovej sekvencie indikuje výskyt chyby. Zhoda medzi zdrojovými a výslednými kódmi je uvedená v tabuľke. 1.

Tabuľka ukazuje, že po použití redundantného kódu 4B/5B výsledné sekvencie neobsahujú viac ako dve nuly za sebou, čo zaručuje samosynchronizáciu bitovej sekvencie.

V kóde 8B/6T je sekvencia ôsmich bitov pôvodnej informácie nahradená sekvenciou šiestich signálov, z ktorých každý môže mať tri stavy. V osembitovej sekvencii je 256 rôznych stavov a v sekvencii šiestich trojúrovňových signálov je takýchto stavov už 729 (3 6 = 729), preto sa 473 stavov považuje za zakázané.

V kóde 8B/10T je každá osembitová sekvencia nahradená desaťbitovou sekvenciou. Pôvodná postupnosť navyše obsahuje 256 rôznych kombinácií núl a jednotiek a výsledná postupnosť ich obsahuje 1024. Preto je zakázaných 768 kombinácií.

Všetky diskutované redundantné kódy sa používajú v sieťach Ethernet. V štandarde 100Base-TX je teda použitý kód 4B/5B a v štandarde 100Base-4T v súčasnosti už prakticky nepoužívaný kód 8B/6T. Kód 8B/10T sa používa v štandarde 1000Base-X (keď sa ako médium na prenos dát používa optické vlákno).

Okrem použitia redundantného kódovania sa vo veľkej miere využíva aj ďalší spôsob zlepšovania pôvodných vlastností kódov – ide o takzvaný scrambling.

Miešanie

Scramble (scramble - miešanie) pozostáva z miešania pôvodnej postupnosti núl a jednotiek za účelom zlepšenia spektrálnych charakteristík a samosynchronizačných vlastností výslednej postupnosti bitov. Skramblovanie sa vykonáva pomocou bitovej operácie exkluzívneho OR (XOR) pôvodnej sekvencie s pseudonáhodnou sekvenciou. Výsledkom je „šifrovaný“ tok, ktorý je na strane prijímača rekonštruovaný pomocou dekódovača.

Z hardvérového hľadiska sa scrambler skladá z niekoľkých XOR brán a posuvných registrov. Pripomeňme si, že logické hradlo XOR (exkluzívne OR) sa vykonáva na dvoch booleovských operandoch x a y, ktoré môžu mať hodnotu 0 alebo 1. logická operácia na základe pravdivostnej tabuľky (tabuľka 2).

Táto tabuľka priamo nadväzuje na hlavnú vlastnosť exkluzívnej operácie OR:

Okrem toho je ľahké vidieť, že kombinovaný zákon sa vzťahuje na exkluzívnu operáciu OR:

V diagramoch je logický prvok XOR zvyčajne označený tak, ako je znázornené na obr. 8.

Ako už bolo uvedené, ďalšou súčasťou scramblera je posuvný register. Posuvný register pozostáva z niekoľkých základných pamäťových buniek zapojených do série, vyrobených na báze spúšťacích obvodov a prenášajúcich informačný signál zo vstupu na výstup prostredníctvom riadiaceho signálu - časovacieho impulzu. Posuvné registre môžu reagovať ako na kladnú hranu hodinového impulzu (to znamená, keď riadiaci signál prechádza zo stavu 0 do stavu 1), tak aj na zápornú hranu.

Uvažujme o najjednoduchšej pamäťovej bunke posuvného registra, riadenej kladnou hranou hodinového impulzu C (obr. 9).

V momente, keď sa hodinový impulz zmení zo stavu 0 do stavu 1, signál, ktorý bol na jeho vstupe v predchádzajúcom časovom okamihu, sa prenesie na výstup bunky, teda keď sa riadiaci signál C rovnal 0. Po to sa výstupný stav nezmení (bunka je uzamknutá) až do príchodu ďalšej kladnej hrany časovacieho impulzu.

Pomocou reťazca pozostávajúceho z niekoľkých sekvenčne spojených pamäťových buniek s rovnakým riadiacim signálom je možné zostrojiť posuvný register (obr. 10), v ktorom sa informačné bity budú postupne prenášať z jednej bunky do druhej synchrónne pozdĺž kladnej hrany hodinový pulz.

Súčasťou každého scramblera je generátor pseudonáhodných sekvencií. Takýto generátor sa pri vytváraní vytvorí z posuvného registra spätná väzba medzi vstupom a výstupom pamäťových buniek posuvného registra pomocou logických prvkov XOR.

Zoberme si generátor pseudonáhodnej sekvencie znázornený na obr. jedenásť . Nechajte v počiatočnom okamihu všetky štyri pamäťové bunky uložiť nejaký prednastavený stav. Napríklad môžeme predpokladať, že Q1=1, Q2=0, Q3=0 a Q4=1 a vstup prvej bunky je D=0. Po príchode hodinového impulzu sa všetky bity posunú o jeden bit a vstup D dostane signál, ktorého hodnota bude určená vzorcom:

Pomocou tohto vzorca je ľahké určiť hodnoty výstupov pamäťových buniek v každom hodinovom cykle generátora. V tabuľke Obrázok 3 zobrazuje stav výstupov pamäťových buniek generátora pseudonáhodnej sekvencie pri každom pracovnom cykle. Zároveň je ľahké si všimnúť, že v počiatočnom okamihu a po 15 hodinových cykloch sa stav generátora úplne opakuje, to znamená, že 15 hodinových cyklov je perióda opakovania našej pseudonáhodnej sekvencie (tj. práve kvôli prítomnosti periódy opakovania sa sekvencia nazýva pseudonáhodná). Vo všeobecnosti, ak generátor pozostáva z n-buniek, doba opakovania sa rovná:

Generátor, ktorý sme zvažovali, používal nejaký svojvoľný počiatočný stav buniek, to znamená, že mal prednastavené. Namiesto takejto predvoľby však scrambleri často používajú na zakódovanie samotnú pôvodnú sekvenciu. Takéto scramblery sa nazývajú samosynchronizujúce. Príklad takéhoto scramblera je znázornený na obr. 12.

Ak označíme binárnu číslicu zdrojového kódu prichádzajúcu v i-tom cykle činnosti na vstupe scramblera ako A i a binárnu číslicu výsledného kódu získanú v i-tom cykle činnosti označíme ako B i, potom je ľahké vidieť, že príslušný scrambler implementuje nasledujúcu logickú operáciu: , kde B i -3 a B i -4 sú binárne číslice výsledného kódu získaného v predchádzajúcich hodinových cykloch scramblera, respektíve 3 a 4 cykly hodín skôr ako v aktuálnom okamihu.

Po dekódovaní takto získanej sekvencie sa na strane prijímača použije descrambler. Najúžasnejšie je, že obvod descramblera je úplne identický s obvodom scramblera. Nie je ťažké jednoduchou úvahou overiť, či je to naozaj tak. Ak označíme B i binárnu číslicu zdrojového kódu prichádzajúceho v i-tom cykle prevádzky na vstup dekódovača a binárnu číslicu výsledného kódu získaného v i-tom cykle činnosti označíme C i, potom musí descrambler, ktorý pracuje podľa rovnakej schémy ako scrambler, implementovať nasledujúci algoritmus:

Preto, ak sa obvod dekódovača zhoduje s obvodom skramblera, potom dekódovač úplne obnoví pôvodnú sekvenciu informačných bitov.

Uvažovaný štvorbitový scrambler obvod je jedným z najjednoduchších. Technológia 1000Base-T využíva oveľa zložitejší 33-bitový scrambler, ktorý zvyšuje periódu opakovania na 8 589 934 591 bitov (2 33 –1), to znamená, že generované pseudonáhodné sekvencie sa opakujú každých 68,72 s.

kódovanie PAM-5

Po pochopení, aké kódy sa používajú na reprezentáciu údajov a po zvážení metód na zlepšenie samotaktovania a spektrálnych vlastností týchto kódov, sa pokúsime zistiť, či tieto opatrenia postačujú na zabezpečenie prenosu údajov rýchlosťou 1000 Mbps pomocou štvorpárový kábel kategórie 5.

Ako už bolo uvedené, kódovanie Manchester má dobré samosynchronizačné vlastnosti a v tomto zmysle nevyžaduje žiadne úpravy, avšak maximálna frekvencia základnej harmonickej sa číselne rovná rýchlosti prenosu dát, to znamená počtu prenášaných bitov za sekundu. . To stačí na prenos dát rýchlosťou 10 Mbit/s, keďže kábel kategórie 3 (a takýto kábel je možné použiť v štandarde 10Base-T) je obmedzený na frekvencie 16 MHz. Kódovanie Manchester však nie je vhodné na prenos dát rýchlosťou 100 Mbit/s a viac.

Použitie kódu NRZI po dodatočnej úprave pomocou redundantného blokového kódu 4B/5B a skramblovania, ako aj trojpolohového kódu MLT-3 (za účelom zníženia maximálnej frekvencie základnej harmonickej), umožňuje prenos dát rýchlosťou 100 Mbit/s cez kábel kategórie 5. Pri použití kódu MLT-3 sa maximálna frekvencia základnej harmonickej numericky rovná jednej štvrtine rýchlosti prenosu dát, to znamená, že pri prenosovej rýchlosti 100 Mbit/s frekvencia základnej harmonickej nepresahuje 25 MHz, čo je dosť pre kábel kategórie 5. Tento spôsob však nie je vhodný na prenos dát rýchlosťou 1000 Mbit/s.

Preto štandard 1000Base-T používa zásadne odlišnú metódu kódovania. Aby sa frekvencia hodín znížila na hodnoty, ktoré umožňujú prenos údajov cez krútené páry kategórie 5, sú údaje na linke reprezentované v takzvanom kóde PAM-5 (obr. 13). V ňom má vysielaný signál sadu piatich pevných úrovní (–2, –1, 0, +1, +2). Štyri z nich sa používajú na kódovanie informačných bitov a piaty na opravu chýb. Na sade štyroch pevných úrovní môže jeden diskrétny stav signálu kódovať dva informačné bity naraz, pretože kombinácia dvoch bitov má štyri možné kombinácie (takzvané dibity) - 00, 01, 10 a 11.

Prepnutie na debit umožňuje zdvojnásobiť bitovú rýchlosť. Na rozlíšenie medzi bitovou alebo informačnou rýchlosťou a rýchlosťou rôznych stavov diskrétneho signálu sa zavádza pojem prenosová rýchlosť. Baud je počet rôznych stavov diskrétneho signálu za jednotku času. Preto, ak sú dva bity zakódované v jednom diskrétnom stave, bitová rýchlosť je dvojnásobkom prenosovej rýchlosti, to znamená 1 Baud = 2 bity/s.

Ak vezmeme do úvahy, že kábel kategórie 5 je navrhnutý pre frekvenciu 125 MHz, to znamená, že je schopný pracovať s prenosovou rýchlosťou 125 MBd, potom rýchlosť informácií na jednom krútenom páre bude 250 Mbit / s. Pripomeňme si, že kábel má štyri krútené páry, takže ak použijete všetky štyri páry (obr. 14), môžete zvýšiť prenosovú rýchlosť na 250 Mbit/sx4=1000 Mbit/s, teda dosiahnuť požadovanú rýchlosť.

Ako bolo uvedené, kódovanie PAM-5 má päť diskrétnych úrovní, ale na prenos debitov sa používajú iba štyri úrovne. Piata redundantná úroveň kódu (Forward Error Correction, FEC) sa používa pre mechanizmus konštrukcie korekcie chýb. Je implementovaný kódovačom Trellis a dekodérom Viterbi. Použitie mechanizmu korekcie chýb umožňuje zvýšiť odolnosť prijímača voči rušeniu o 6 dB.

Trellisové kódovanie

Uvažujme o princípoch mriežkového kódovania založeného na najjednoduchšom kódovači, pozostávajúcom z dvoch úložných buniek a prvkov XOR (obr. 15). Nech sa sekvencia bitov 0101110010 dostane na vstup takéhoto kódovača rýchlosťou k bit/s Ak na výstup kódovača nainštalujeme čítaciu bunku pracujúcu s dvojnásobnou frekvenciou bitov prichádzajúcich na vstup kódovača. rýchlosť výstupného prúdu bude dvojnásobkom rýchlosti vstupného prúdu. V tomto prípade čítacia bunka počas prvej polovice pracovného cyklu kódovača načíta dáta najskôr z logického prvku XOR 2 a druhú polovicu cyklu z logického prvku XOR 3. Výsledkom je, že každý vstupný bit je priradené dva výstupné bity, to znamená debit, z ktorých prvý bit je tvorený prvkom XOR 2 a druhý - prvok XOR 3. Podľa časového diagramu stavu kodéra je ľahké vidieť, že pri vstupnej sekvencii bitov 0101110010, výstupná sekvencia bude 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10.

Všimnime si jednu dôležitú vlastnosť princípu tvorby dibitu. Hodnota každého vygenerovaného debitu závisí nielen od prichádzajúceho informačného bitu, ale aj od dvoch predchádzajúcich bitov, ktorých hodnoty sú uložené v dvoch pamäťových bunkách. Ak sa skutočne pripustí, že Ai je prichádzajúci bit, potom hodnota prvku XOR2 je určená výrazom a hodnota prvku XOR3 je určená výrazom. Debit sa teda vytvorí z dvojice bitov, pričom hodnota prvého z nich sa rovná a hodnota druhého sa rovná . Preto hodnota debitu závisí od troch stavov: hodnoty vstupného bitu, hodnoty prvej pamäťovej bunky a hodnoty druhej pamäťovej bunky. Takéto kódovače sa nazývajú trojstavové konvolučné kódovače (K = 3) s výstupnou rýchlosťou ½.

Je vhodné uvažovať o práci kodéra nie na základe časových diagramov, ale na základe takzvaného stavového diagramu. Stav kodéra označíme pomocou dvoch hodnôt - hodnôt prvej a druhej pamäťovej bunky. Ak je napríklad v prvej bunke uložená hodnota 1 (Q1=1) a v druhej bunke je uložená hodnota 0 (Q2=0), potom je stav kódovača opísaný hodnotou 10. Existujú štyri rôzne možné stavy kódovača: 00, 01, 10 a 11.

Nech je v určitom časovom bode stav kodéra 00. Zaujíma nás, aký bude stav kodéra v ďalšom časovom bode a aký debit sa vytvorí v rovnakom čase. Existujú dva možné výsledky v závislosti od toho, ktorý bit príde na vstup kódovača. Ak sa na vstupe kódovača prijme 0, potom ďalší stav kódovača bude tiež 00, ale ak sa prijme 1, nasledujúci stav (teda po posune) bude 10. Hodnota debitov generovaných v tento prípad sa vypočíta pomocou vzorcov a . Ak je na vstupe kódovača prijatá 0, potom sa vygeneruje debit 00 (), ale ak sa na vstupe prijme 1, vygeneruje sa debit 11 (). Vyššie uvedenú úvahu je vhodné vizualizovať pomocou stavového diagramu (obr. 16), kde sú stavy kodéra vyznačené v krúžkoch a prichádzajúci bit a vygenerovaný bit sú zapísané oddelené lomkou. Napríklad, ak je prichádzajúci bit 1 a vygenerovaný debit je 11, potom napíšeme: 1/11.

Ak budeme pokračovať v podobných úvahách pre všetky ostatné možné stavy kódovača, je ľahké zostaviť úplný stavový diagram, na základe ktorého možno ľahko vypočítať hodnotu debitu generovaného kódovačom.

Pomocou stavového diagramu kódovača je ľahké zostaviť časový diagram prechodov pre vstupnú sekvenciu bitov 0101110010, ktorú sme už uvažovali, aby sme to urobili, zostaví sa tabuľka, v ktorej stĺpcoch sú možné stavy kódovača poznamenal, av riadkoch - okamihy v čase. Možné prechody medzi rôznymi stavmi kódovača sú zobrazené šípkami (na základe úplného diagramu stavu kódovača - obr. 17), nad ktorými je označený vstupný bit zodpovedajúci tomuto prechodu a príslušný debit. Napríklad v prvých dvoch časových okamihoch vyzerá stavový diagram kódovača tak, ako je znázornené na obr. 18. Červená šípka ukazuje prechod zodpovedajúci príslušnej bitovej sekvencii.

Pokračujúc v zobrazení možných a reálnych prechodov medzi rôznymi stavmi kódovača zodpovedajúcimi rôznym časovým momentom (obr. 19, , ), získame úplný časový diagram stavov kódovača (obr. 22).

Hlavnou výhodou vyššie načrtnutej metódy mriežkového kódovania je jej odolnosť voči šumu. Ako sa ukáže neskôr, kvôli redundancii kódovania (nezabudnite, že každému informačnému bitu je priradený debit, to znamená, že redundancia kódu je 2), a to aj v prípade chýb príjmu (napríklad namiesto dibitu 11 bol debit 10 omylom prijaté), pôvodnú bitovú sekvenciu je možné bezchybne obnoviť.

Na obnovenie pôvodnej bitovej sekvencie sa na strane prijímača používa Viterbiho dekodér.

dekodér Viterbi

Dekodér Viterbi v prípade bezchybného príjmu celej sekvencie debitov 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 bude disponovať informáciami o tejto sekvencii, ako aj o štruktúre kódovača (teda jeho stavový diagram) a jeho počiatočný stav (00). Na základe týchto informácií musí obnoviť pôvodnú bitovú sekvenciu. Uvažujme, ako sa obnovia pôvodné informácie.

Poznajúc počiatočný stav kodéra (00), ako aj možné zmeny tohto stavu (00 a 10), zostrojíme časový diagram pre prvé dva časové momenty (obr. 22). V tomto diagrame sú len dve možné cesty zo stavu 00, zodpovedajúce rôznym vstupným debitom. Pretože vstupný bit dekodéra je 00, potom pomocou stavového diagramu kódovača Trellis určíme, že nasledujúci stav kódovača bude 00, čo zodpovedá počiatočnému bitu 0.

Nemáme však 100% záruku, že prijatý debit 00 je správny, preto by sme nemali zľavovať z druhej možnej cesty zo stavu 00 do stavu 10, ktorá zodpovedá debitu 11 a pôvodnému bitu 1. Dve cesty zobrazené v diagram sa od seba líšia takzvanou chybovou metrikou, ktorá sa vypočíta pre každú cestu nasledovne. Pre prechod zodpovedajúci prijatému debitu (t. j. pre prechod, ktorý sa považuje za správny) sa chybová metrika považuje za nulovú a pre ostatné prechody sa vypočíta podľa počtu rôznych bitov v prijatom debite a debite. zodpovedajúcemu príslušnému prechodu. Napríklad, ak je prijatý debit 00 a debit zodpovedajúci príslušnému prechodu je 11, potom je chybová metrika pre tento prechod 2.

Pre nasledujúci časový okamih, zodpovedajúci prijatému debitu 11, budú dva možné počiatočné stavy kodéra: 00 a 10 a budú štyri konečné stavy: 00, 01, 10 a 11 (obr. 23). V súlade s tým existuje pre tieto konečné stavy niekoľko možných ciest, ktoré sa navzájom líšia v metrikách chýb. Pri výpočte chybovej metriky je potrebné brať do úvahy metriku predchádzajúceho stavu, to znamená, že ak v predchádzajúcom časovom okamihu bola metrika pre stav 10 rovná 2, potom pri prechode z tohto stavu do stavu 01, chybová metrika nového stavu (metrika celej cesty) bude rovná 2 + 1 = 3 .

Pre ďalší časový okamih, zodpovedajúci prijatému debitu 10, si všimneme, že do stavov 00, 01 a 11 vedú dve cesty (obr. 24). V tomto prípade je potrebné ponechať len tie prechody, ktoré zodpovedajú nižšej chybovej metrike. Okrem toho, keďže prechody zo stavu 11 do stavu 11 a do stavu 01 sú vyradené, prechod zo stavu 10 do stavu 11 zodpovedajúci predchádzajúcemu časovému okamihu nemá pokračovanie, takže môže byť tiež vyradený. Podobne sa zahodí prechod zodpovedajúci predchádzajúcemu časovému okamihu zo stavu 00 na 00.

Pokračujúc v podobnej úvahe môžeme vypočítať metriku všetkých možných ciest a zobraziť všetky možné cesty.

Zároveň sa ukazuje, že samotný počet možných ciest nie je taký veľký, ako by sa mohlo zdať, keďže väčšina z nich je v procese výstavby vyradená ako bez pokračovania (obr. 25). Napríklad pri šiestom hodinovom cykle dekodéra podľa opísaného algoritmu ostávajú len štyri možné cesty.

Podobne pri poslednom taktovom cykle dekodéra sú len štyri možné cesty (obr. 26) a skutočná cesta, ktorá jednoznačne obnovuje pôvodnú bitovú sekvenciu 0101110010, zodpovedá chybovej metrike rovnajúcej sa 0.

Pri konštrukcii uvažovaných časových diagramov je vhodné zobraziť metriku akumulovanej chyby pre rôzne stavy kódovača vo forme tabuľky. Práve táto tabuľka je zdrojom informácií, na základe ktorých je možné obnoviť pôvodnú bitovú sekvenciu (tabuľka 4).

Vo vyššie opísanom prípade sme predpokladali, že všetky dekódery prijaté dekodérom sú bezchybné. Uvažujme ďalej o situácii, keď prijatá postupnosť dibitov obsahuje dve chyby. Nech namiesto správnej sekvencie 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 dekodér dostane sekvenciu 00 11 11 00 11 10 01 11 11 10, v ktorej je chybný tretí a piaty prietok. Skúsme na túto sekvenciu aplikovať Viterbiho algoritmus opísaný vyššie, založený na výbere cesty s najmenšou chybovou metrikou a zistíme, či dokážeme obnoviť pôvodnú bitovú sekvenciu v správnom tvare, teda opraviť chybné chyby.

Kým sa neprijme tretí (chybný) bit, algoritmus na výpočet chybovej metriky pre všetky možné prechody sa nelíši od predtým uvažovaného prípadu. Do tohto momentu mala cesta vyznačená na obr. 1 najmenšiu metriku akumulovaných chýb. 27 v červenej farbe. Po prijatí takéhoto debitu už neexistuje cesta s metrikou akumulovanej chyby rovnajúcej sa 0. V tomto prípade však vzniknú dve alternatívne cesty s metrikou rovnajúcou sa 1. Preto zistite v tomto štádiu Nie je možné zistiť, ktorý bit pôvodnej sekvencie zodpovedá prijatému debitu.

Podobná situácia nastane pri príjme piateho (tiež chybného) debitu (obr. 28). V tomto prípade už budú existovať tri cesty s rovnakou metrikou akumulovaných chýb a skutočná cesta sa dá určiť len vtedy, keď sa prijmú nasledujúce debity.

Po prijatí desiateho debetu sa počet možných ciest s rôznymi metrikami akumulovaných chýb značne zväčší (obr. 29), avšak vo vyššie uvedenom diagrame (s použitím tabuľky 5, ktorá predstavuje metriky akumulovaných chýb pre rôzne cesty) to nie je ťažké vybrať jedinú cestu s najmenšou metrikou (na obr. 29

Uvažovaný príklad konvolučného kodéra mal len štyri rôzne stavy: 00, 01, 10 a 11. Technológia 1000Base-T využíva konvolučný kodér s ôsmimi rôznymi stavmi (s tromi oneskorovacími prvkami), preto sa nazýva osemstavový. Navyše, pretože znaky sa prenášajú cez všetky štyri krútené páry kábla súčasne pomocou päťúrovňového kódovania PAM-5, toto kódovanie sa nazýva kódovanie 4D/PAM-5.

Ďalším významným rozdielom medzi kódovačom Trellis používaným v technológii 1000Base-T je algoritmus na prechod medzi rôznymi stavmi kódovača. V najjednoduchšom príklade, ktorý sme uvažovali, bol stav kódovača v nasledujúcom časovom okamihu určený výlučne aktuálnym stavom a vstupným bitom. Ak je teda aktuálny stav 00 a vstupný bit je 1, potom ďalší stav, to znamená pole bitového posunu naprieč pamäťovými bunkami, bude zodpovedať 10. V skutočnom osempolohovom kódovači Trellis sú dva ovládacie prvky (vstupné) bity a prechody medzi rôznymi stavmi určuje algoritmus najväčšia vzdialenosť medzi bodmi konštelácie signálu. Ako vyplýva z obr. 30, kódovač Trellis implementuje vzťah:

kde d6, d7 a d8 sú dátové bity na riadkoch 6, 7 a 8, v tomto poradí.

Vysvetlime si to na konkrétnom príklade.

Pripomeňme, že kód PAM-5 používa na prenos signálov päť úrovní: –2, –1, 0, +1, +2. V tomto prípade úrovne +2/–2 zodpovedajú napätiu +1/–1 V a úrovne +1/–1 zodpovedajú napätiu +0,5/–0,5 V. Vzhľadom na to, že štyri krútené páry súčasne vysielajú štyri úrovne signálu a každá z týchto úrovní môže nadobudnúť jednu z piatich hodnôt, celkovo dostaneme 625 (5x5x5x5) rôznych kombinácií signálov. Je vhodné znázorniť rôzne možné stavy signálu na takzvanej signálovej rovine. V tejto rovine je každý možný signálový stav reprezentovaný signálnym bodom a súbor všetkých signálových bodov sa nazýva konštelácia signálov. Prirodzene, nie je možné zobraziť štvorrozmerný priestor, takže pre prehľadnosť uvažujme dvojrozmernú konšteláciu signálu 5x5. Takáto konštelácia môže formálne zodpovedať dvom skrúteným párom. Nakreslíme body zodpovedajúce jednému skrútenému páru pozdĺž osi X a ďalšiemu pozdĺž osi Y. Potom bude naša 2D konštelácia vyzerať ako na obr. 31.

Upozorňujeme, že minimálna vzdialenosť medzi dvoma bodmi takejto konštelácie je 1.

Vplyvom šumu a útlmu signálu dochádza v konštelácii signálu k skresleniu (obr. 32), v dôsledku čoho sa poloha každého signálového bodu rozmazáva a vzdialenosť medzi nimi sa zmenšuje. V dôsledku toho sa body v konštelácii signálu stávajú ťažko rozlíšiteľnými a existuje vysoká pravdepodobnosť ich zámeny.

Preto je jednou z úloh kódovača Trellis vytvoriť konšteláciu signálu, ktorá by poskytovala maximálnu vzdialenosť medzi rôznymi bodmi signálu. Aby sme pochopili, ako sa to robí, označíme úrovne signálu –1 a +1 X a úrovne –2, 0, +2 Y. Potom môže byť pôvodná konštelácia znázornená tak, ako je znázornené na obr. 33.

Rozdelením tejto konštelácie na dve podkonštelácie, z ktorých jedna je vytvorená z bodov XX a YY a druhá z bodov XY a YX, môžete zväčšiť vzdialenosť medzi signálnymi bodmi do (obr. 34).

Pri použití dvoch krútených párov je úlohou kódovača Trellis posielať cez jeden krútený pár iba symboly patriace ktorejkoľvek zo signálových konštelácií, napríklad D0=XX+YY, a cez druhý krútený pár - symboly patriace iné súhvezdie, napríklad D1=XY+YX. Potom sa vzdialenosť medzi vyslanými symbolmi zdvojnásobí, ako bola v pôvodnej konštelácii. V dôsledku toho sa zlepšuje rozpoznávanie bodov v konštelácii signálu, to znamená, že sa zvyšuje odolnosť proti hluku.

Skutočný kódovač Trellis funguje približne podľa rovnakej schémy a generuje symboly odosielané cez štyri krútené páry, keďže však každý bod v konštelácii zodpovedá štyrom súradniciam (jedna pre každý pár) a každý bod môže mať hodnotu X alebo Y, potom existuje len 16 rôznych kombinácií, z ktorých možno vytvoriť osem subkonštelácií:

Vo výsledných subkonšteláciách je minimálna vzdialenosť medzi bodmi dvakrát väčšia ako v pôvodnej konštelácii. Navyše, minimálna vzdialenosť medzi bodmi dvoch rôznych subkonštelácií je tiež 2. Práve týchto osem signálnych konštelácií tvorí stavový diagram Trellisovho kodéra. Napríklad stav kodéra 000 zodpovedá kombinácii bodov zo súhvezdí D0D2D4D6 v tom zmysle, že prvý pár vysiela body zo súhvezdia D0, druhý pár - zo súhvezdia D2 atď. Ďalší možný stav kodéra bude zodpovedať kombinácii, v ktorej sa minimálna vzdialenosť medzi vyslanými symbolmi pre každý pár rovná 2.

Použitie kódovania Trellis podľa opísanej schémy vám umožňuje znížiť pomer signálu k šumu (SNR) o 6 dB, to znamená výrazne zvýšiť odolnosť voči šumu počas prenosu údajov.

ComputerPress 2"2002

Rozvoj multimediálnych technológií viedol k potrebe zvýšiť šírku pásma komunikačné linky. V tomto smere bola vyvinutá technológia Gigabit Ethernet, ktorá poskytuje prenos dát rýchlosťou 1 Gbit/s. V tejto technológii, ako aj vo Fast Ethernet bola zachovaná kontinuita s technológiou Ethernet: formáty rámcov zostali prakticky nezmenené, zachovalé prístupová metóda CSMA/ CD v polovičnom duplexnom režime. Na logickej úrovni sa používa kódovanie 8 B/10 B. Keďže prenosová rýchlosť v porovnaní s Fast Ethernetom vzrástla 10x, bolo to nevyhnutné alebo zmenšiť priemer siete na 20 – 25 m, alebo zväčšite minimálnu dĺžku rámu. Druhou cestou sa vybrala technológia Gigabit Ethernet, ktorá zvýšila minimálnu dĺžku rámca na 512 namiesto toho byte 64 bajtov v technológiách Ethernet a Fast Ethernet. Priemer siete je 200 m, rovnako ako Fast Ethernet. Zväčšenie dĺžky rámu môže nastať dvoma spôsobmi. Prvý spôsob zahŕňa vyplnenie dátového poľa krátkeho rámca symbolmi zakázaných kombinácií kódov, čo bude mať za následok neproduktívne zaťaženie siete. Druhý spôsob umožňuje prenášať niekoľko krátkych rámcov za sebou s celkovou dĺžkou až 8192 byte.

Moderné siete Gigabit Ethernet sú spravidla postavené na báze prepínačov a pracujú v plne duplexnom režime. V tomto prípade nehovoríme o priemere siete, ale o dĺžke segmentu, ktorá je určená technickými prostriedkami fyzickej vrstvy, predovšetkým fyzickým nosičom dát. Gigabit Ethernet umožňuje použitie:

jednovidový optický kábel; 802.3 z

multimódový kábel z optických vlákien; 802.3 z

symetrický kábel UTP kategórie 5; 802.3 ab

koaxiálny kábel.

Pri prenose dát cez optický kábel sa ako žiariče používajú buď LED diódy pracujúce na vlnovej dĺžke 830 nm alebo lasery – na vlnovej dĺžke 1300 nm. V súlade s touto normou 802.3 z definované dve špecifikácie 1000 Základňa- SX A 1000 Základňa- LX. Maximálna dĺžka segmentu implementovaného na 62,5/125 multimódovom kábli špecifikácie 1000Base-SX je 220 m a na 50/125 kábli nie viac ako 500 m Maximálna dĺžka segmentu implementovaného na single-mode Špecifikácia 1000Base-LX je 5000 m Dĺžka segmentu na koaxiálnom kábli nepresahuje 25 m.

Bol vyvinutý štandard na použitie existujúcich symetrických káblov UTP kategórie 5. 802.3 ab. Keďže v technológii Gigabit Ethernet musia byť dáta prenášané rýchlosťou 1000 Mbit/s a krútená dvojlinka kategórie 5 má šírku pásma 100 MHz, bolo rozhodnuté prenášať dáta paralelne cez 4 krútené dvojlinky a používať UTP kategórie 5 alebo 5e s so šírkou pásma 125 MHz. Každá krútená dvojlinka teda musí prenášať dáta rýchlosťou 250 Mbit/s, čo je 2x viac ako možnosti UTP kategórie 5e. Na odstránenie tohto rozporu sa používa kód 4D-PAM5 s piatimi potenciálnymi úrovňami (-2, -1, 0, +1, +2). Každý pár vodičov súčasne vysiela a prijíma dáta rýchlosťou 125 Mbit/s v každom smere. V tomto prípade dochádza ku kolíziám, pri ktorých vznikajú signály zložitých tvarov piatich úrovní. Oddelenie vstupných a výstupných tokov je dosiahnuté použitím hybridných oddeľovacích obvodov H(obr. 5.4). Takéto schémy sa používajú signálové procesory. Aby sa izoloval prijatý signál, prijímač odpočítava svoj vlastný vysielaný signál od celkového (vysielaného a prijímaného) signálu.

Technológia Gigabit Ethernet teda poskytuje vysokorýchlostnú výmenu dát a využíva sa najmä na prenos dát medzi podsieťami, ako aj na výmenu multimediálnych informácií.

Ryža. 5.4. Prenos dát cez 4 UTP kategórie 5 párov

Štandard IEEE 802.3 odporúča, aby bola chrbtovou kosťou technológia Gigabit Ethernet s prenosom dát cez vlákno. Časové sloty, formát rámca a prenos sú spoločné pre všetky 1000 Mbps verzie. Fyzickú vrstvu určujú dve schémy kódovania signálov (obr. 5.5). Schéma 8 B/10 B použité pre optické vlákno a medené tienené káble. Pre symetrické káble UTP používa sa pulzná amplitúdová modulácia (kód PAM5 ). Technológia 1000 BASE- X používa logické kódovanie 8 B/10 B a lineárne kódovanie ( NRZ).

Obr.5.5. Špecifikácie technológie Gigabit Ethernet

Signály NRZ prenášané cez vlákno buď pomocou krátkych vĺn ( krátky- vlnová dĺžka), alebo dlhé vlny ( dlhý- vlnová dĺžka) zdroje svetla. LED diódy s vlnovou dĺžkou 850 nm pre prenos cez multimódové optické vlákno (1000BASE-SX). Táto lacnejšia možnosť sa používa na prenos na krátke vzdialenosti. Dlhovlnné laserové zdroje ( 1310 nm) použite jednovidové alebo viacvidové optické vlákno (1000BASE-LX). Laserové zdroje s jednovidovým vláknom sú schopné prenášať informácie na vzdialenosti až 5000 m.

V spojeniach bod-bod ( bod- do- bod) na prenos ( Tx) a recepcia ( Rx) sú použité samostatné vlákna, preto sa realizuje plný duplex spojenie. Technológia Gigabit Ethernet umožňuje iba inštaláciu jediný opakovač medzi dvoma stanicami. Nižšie sú uvedené parametre technológií 1000BASE (tabuľka 5.2).

Tabuľka 5.2

Porovnávacie charakteristiky špecifikácií Gigabit Ethernet

Gigabitové ethernetové siete sú postavené na prepínačoch, kde je vzdialenosť plne duplexných pripojení obmedzená iba médiom, a nie dobou obehu. V tomto prípade je spravidla topológia „ hviezda"alebo" predĺžená hviezda“ a problémy sú určené logickou topológiou a dátovým tokom.

Štandard 1000BASE-T používa prakticky rovnaký kábel UTP ako štandardy 100BASE-T a 10BASE-T. Kábel 1000BASE-T UTP je rovnaký ako kábel 10BASE-T a 100BASE-TX, okrem toho, že sa odporúča kábel kategórie 5e. S dĺžkou kábla 100 m pracuje zariadenie 1000BASE-T na hranici svojich možností.

Polia Frame Preamble (7 bajtov) a Start Frame Delimiter (SFD) (1 bajt) v Ethernete sa používajú na synchronizáciu medzi vysielajúcimi a prijímajúcimi zariadeniami. Týchto prvých osem bajtov rámca sa používa na upútanie pozornosti prijímacích uzlov. V podstate prvých pár bajtov hovorí prijímačom, aby sa pripravili na prijatie nového rámca.

Pole MAC adresa Cieľ

Pole Destination MAC Address (6 bajtov) je identifikátor pre zamýšľaného príjemcu. Ako si možno spomínate, túto adresu používa vrstva 2, aby pomohla zariadeniam určiť, či je daný rámec adresovaný im. Adresa v rámci sa porovnáva s MAC adresou zariadenia. Ak sa adresy zhodujú, zariadenie rámec prijme.

Pole Zdrojová adresa MAC

Pole Destination MAC Address (6 bajtov) identifikuje odosielajúcu NIC alebo rozhranie rámca. Prepínače tiež používajú túto adresu na jej pridanie do svojich mapovacích tabuliek. Úloha prepínačov bude diskutovaná neskôr v tejto časti.

Dĺžka/typ poľa

Pre každý štandard IEEE 802.3 starší ako v roku 1997 pole Dĺžka určuje presnú dĺžku dátového poľa rámca. Toto sa neskôr použije ako súčasť FCS, aby sa zabezpečilo, že správa bola prijatá správne. Ak je účelom poľa špecifikovať typ, ako v Ethernet II, pole Type popisuje, ktorý protokol je implementovaný.

Tieto dve aplikácie v tejto oblasti boli oficiálne spojené v roku 1997 v štandarde IEEE 802.3x, pretože obe aplikácie boli spoločné. Pole Ethernet Type II je zahrnuté v aktuálnej definícii rámca 802.3. Keď uzol prijme rámec, musí preskúmať pole Dĺžka, aby určil, ktorý protokol vyššej vrstvy je prítomný. Ak je hodnota dvoch oktetov väčšia alebo rovná hexadecimálne číslo 0x0600 alebo desiatkové číslo 1536, potom sa obsah dátového poľa dekóduje podľa určeného typu protokolu. Ak je hodnota poľa menšia alebo rovná hexadecimálnej 0x05DC alebo desiatkovej 1500, pole Dĺžka sa používa na označenie použitia formátu rámca IEEE 802.3. To rozlišuje medzi rámcami Ethernet II a 802.3.

Údaje polí a výplň

Polia Data a Padding (46 až 1500 bajtov) obsahujú zapuzdrené dáta z vyššej vrstvy, čo je typický PDU vrstvy 3, typicky paket IPv4. Všetky rámce musia mať dĺžku aspoň 64 bajtov. Ak je balenie zapuzdrené menšej veľkosti, Výplň sa používa na zväčšenie veľkosti rámu na túto minimálnu veľkosť.

IEEE vedie zoznam typov Ethernet II na všeobecné použitie.