Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet 1. Bevezet A mai számítógépes hálózatok elhelyezés szerint három nagy típusba sorolhatók: LAN (Local Area Networks) max. 10 km hosszú MAN (Metropolitan Area Networks) több 10 km hosszú WAN (Wide Area Networks) akár földrészeket is összeköt
Napjaink lokális hálózataiban (LAN, Local Area Network) egyértelm en az Ethernet a legelterjedtebb technológia a fizikai és az adatkapcsolati rétegben. Jelenleg átviteli sebessége alapján 4 féle Ethernetet különböztetünk meg egymástól: a 10 Mbps sebesség Ethernetet, a 100 Mbps sebesség Fast Ethernetet, az 1 Gbps sebesség Gigabit Ethernetet, valamint a 10 Gbps sebesség 10 Gigabit Ethernetet. Ahhoz, hogy a Gigabit Ethernet müködését megérthessük elkerülhetetlen, hogy a a 10 Mbps sebesség Ethernetet, a 100 Mbps sebesség Fast Ethernet müködését tudjuk. Ebben a dokumentumban nemcsak az elméleti müködést mutatom be, hanem elemi szinten néhány egyszerü lépést a fizikai fejl désb l is.
Az adatkapcsolati és a fizikai réteg feladata Adatkapcsolati réteg Hibátlan adatátvitelt biztosít az adó és a vev között (pont-pont kapcsolat). Az adatokat adatkeretekké tördeli, sorrendhelyesen továbbítja, nyugtázást fogadja, hibajavítást és forgalomszabályozást végez.
Fizikai réteg Meghatározza a kommunikációs közeget (elektromos vezeték, fénykábel), az információ megjelenési formáját (feszültségváltozás, fényimpulzusok), csatlakozókat, átviteli irányokat, jelterjedési feltételeket. Általánosan: az adóoldalon biteket juttatunk a kommunikációs csatornába, ezeket a vev oldalon helyesen kell értelmezni.
Az elektronikus jeleket közvetit kábeleknél a bitek küldését különböz kódolási módszerekkel oldották meg. Kezdetben két különböz frekvenciát használtak, jel ljük ket L (Low-alacsony) és H (Height-magas) jelekkel, minden bit küldését két órajelnyi id alatt oldották meg. Az alábbi táblázatban látható, hogy hogyan.
NRZ Non return to Zero NRZI Non return to Zero, Invert on Ones Manchester Manchester diferential
A kódolások lényege, hogy minnél zavarosabb legyen a jel, minnél több legyen benne a frekvencia változás, igy könnyebb lesz megkülönböztetni az egyik drótból a másikba átszüreml zajt és a közvetitend jelet. Épp ezért a Manchester kódolás a leghasználtabb.
1.1 Egy kis történelem – nagy ötletekkel 1.1.1 Aloha Az 1970-es évek legelején a Hawaii Egyetem egyik kutatási projektjéhez szükség volt egy több résztvev s, elosztott, közös rádiófrekvencián m köd adatkommunikációs hálózat kialakítására. Így született meg 1971-ben az Aloha Packet Radio.
Az állomások kereteket adtak egy közös rádiófrekvencián, minden állomás akkor, amikor épp volt küldenivaló adata. A leadott keretet az összes állomás vette, de csak az foglalkozott vele, amelyiknek szólt, azaz amelyik a saját címét látta a keret fejlécében. A keretekben ellen rz összeget használtak, így a vev megbizonyosodhatott róla, hogy ép keretet vesz-e vagy sem. A keretek két okból hibásodhattak meg: valamilyen küls zavar miatt, vagy azért, mert több állomás is adott egyszerre. Ez utóbbit ütközésnek nevezzük. Ha a keret épen megérkezett a vev höz, akkor az rövid nyugtát küldött vissza.
Az adó a keret elküldése után a maximális körülfordulási id nél valamivel tovább várt a nyugta megérkezésére. Ha ez nem történt meg, akkor véletlen idej késleltetés után újra leadta a keretet. Ha néhány próbálkozás után sem érkezett nyugta, akkor az adó állomás feladta a próbálkozást, a keretet nem sikerült továbbítani.
Ez a közeg-hozzáférési módszer a réseletlen Aloha protokoll. 1.1.1.1 Réselt Aloha Az Aloha protokoll egy másik, jóval hatékonyabb változata a réselt Aloha. Itt a rendszer összes tagja közös órát használ, ezáltal az id mindenki által ismert szeletekre, id résekre van felosztva, és adást kezdeni csak az id rés kezdetén szabad. Ez a megkötés nagy mértékben csökkenti az ütközések valószín ségét, ezáltal növeli a rendszer hatékonyságát.
1.1.2 Xerox, DIX, IEEE 1972-73-ban a Xerox Palo Alto Research Centerben (PARC) Robert M. Metcalfe és David R. Boggs egy új kísérleti hálózatot készített az Alto számítógépek, szerverek és nyomtatók
összekapcsolására. Ez a hálózat – az Alto Aloha Network – az Aloha protokoll továbbfejlesztett változatát használta, átviteli közegként pedig az "éter" helyett koaxiális kábelt. Az Alto Aloha Network 1973-ban új nevet kapott: Ethernet. A 2.94 Mbps sebesség Ethernet sikerén felbuzdulva a DEC és az Intel csatlakozott a Xeroxhoz, hogy közösen fejlesszék ki a 10 Mbps sebesség változatot – amely kés bb DIX Ethernet néven vált ismertté. Ez volt az els kereskedelmi Ethernet termék. A DIX Ethernet 1-es verziójának specifikációját 1980-ban, a 2-es verzióét pedig 1982-ben adták ki.
Az IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) szabványosította az Ethernetet: a 802.3as szabvány els változata 1985-ben jelent meg.
1.2 MAC 1.2.1 CSMA/CD A réselt Aloha protokollon alapul az Ethernet MAC (Medium Access Control) protokollja, a CSMA/CD. A CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) számos újdonsággal egészíti ki az Aloha protokollt, ezáltal sokkal hatékonyabb annál, a sávszélesség jobb kihasználását teszi lehet vé.
A carrier sense, azaz viv érzékelés annyit jelent, hogy ha egy állomás adni szeretne, akkor el ször belehallgat a csatornába, hogy nem ad-e éppen valaki más. Ha nem érzékel viv jelet, akkor elkezdi a keret adását, ha pedig igen, akkor megvárja az adás alatt álló keret végét, és csak utána kezd adni.
A collision detection, azaz ütközés detektálás az Aloha protokoll nyugtái helyett van. Az adó állomás folyamatosan hallgatja adás közben a hálózatot, és figyeli, hogy azt hallja-e vissza, amit ad. Ha nem (SQE, Signal Quality Error), akkor ezt ütközésként értelmezi. Ütközés esetén az adó állomások 32 bit hosszú úgynevezett jam jelet adnak, hogy az ütközést minden érintett állomás biztosan detektálhassa, majd megszakítják az adást. Ezután minden adó állomás egy véletlen idej várakozás után újra megpróbálja leadni a keretet. Maximum 16-szor próbálkozik egy kerettel (beleértve az els , ütközés miatt nem késleltetett próbálkozást is), exponenciálisan (2 hatványai szerint, maximum 210-ig) növekv várható érték , egyenletes eloszlású véletlen késleltetésekkel (truncated binary exponential backoff). Ha a keretet így sem sikerül leadni (excess collision), akkor ezt a hibát a fels bb rétegek protokolljainak kell kezelniük.
Az tehát, hogy a CSMA/CD az Aloha protokoll réselt változatán alapul, az ütközések utáni újrapróbálkozásoknál, valamint az els belehallgatáskor foglalt csatornánál nyilvánul meg. Egy "régóta" csendes csatornán ugyanis nincsenek id rések, hanem tetsz leges pillanatban kezdhetnek adni az állomások. Ha viszont a csatorna adás miatt foglalt, akkor az adott keret vége által definiált pillanatban kezd minden várakozó állomás adni, ütközés után pedig egy fix hosszúságú id véletlen egészszámú többszöröséig várakoznak az állomások a keret újabb adási kísérletével.
1.2.2 Collision domain Minden Ethernet hálózat felosztható egy vagy több collision domainre, azaz olyan részekre, amiben két állomás együttes adása ütközéshez vezet. Ez jó közelítéssel azt jelenti, hogy a collision domain bármely két pontja elérhet egymásból kizárólag az OSI fizikai rétegbe tartozó elemeken keresztül. A CSMA/CD protokoll tehát a collision domainben m ködik. Tipikusan bridge-ek, switchek vagy routerek választják el egymástól a collision domaineket.
1.2.3 Full duplex m ködés
A CSMA/CD protokoll half duplex m ködést ír le, azaz minden állomás tud adni és venni is, de nem egyszerre. Viszont bizonyos Ethernet fizikai rétegek tulajdonságai lehet vé teszik a full
duplex átvitelt. Ezek mind pont-pont összeköttetések, vagy csavart érpárokon, vagy optikai szálakon. Abban az esetben, ha a hálózatban csak két állomás van egy collision domainben, megfelel pont-pont összeköttetéssel, lehet ség van full duplex átvitelre is.
Ilyenkor teljesen felesleges a CSMA/CD protokoll használata, mert nincs osztott közeg, amihez szabályozni kellene a hozzáférést, hiszen csak két állomás van összekötve olyan módon, hogy a médiumon egyszerre mehet az átvitel mindkét irányban. Ebben az esetben az Ethernet MAC tehát sokkal egyszer bb: szinte csak a keretezésbol áll.
1.2.4 Ethernet keretek Az DIX Ethernet keretek felépítése a következ : Hossz [byte]: 6 6 2 0-1500 0-46 4 Tartalom: DA SA Type Data Pad FCS
A keret a cél címmel (DA, Destination Address) kezd dik, amely lehet egy konkrét állomás unicast MAC címe, a broadcast cím, vagy valamilyen multicast cím. Ezt követi az adó állomás unicast MAC címe (SA, Source Address).
A 2 byte hosszú típus mez az adatrész típusát jelöli (pl. ARP, IP, IPX). Az els IEEE 802.3 szabvány ennek a mez nek más jelentést adott: a keret hosszát jelölte vele. Kés bb a szabványba belekerült a DIX specifikáció szerinti típus is. A kétértelm ség elkerülése érdekében a definiált típus értékek 1535-nél (és így a maximális kerethossznál is) nagyobbak, ezáltal eldönthet , hogy a mez tartalma típus-e vagy hossz.
A keretet záró FCS (Frame CheckSum) mez egy 32 bites CRC értéket tartalmaz. A keretek adása elott 7 byte preamble-t (10101010 bitminta) és egy SFD (Start of Frame Delimiter) byte-ot (10101011 bitminta) küld az adó. A váltakozó 1 és 0 bitek a vev k órajelének szinkronizálására szolgálnak, míg az SFD a keret kezdetét jelöli ki.
A keretek adása között legalább 96 bit idej szünet van (inter-frame gap), az Ethernet controllerek egyszer bb implementálhatósága érdekében. 1.2.4.1 Minimális és maximális keretméret A minimális Ethernet keretméret 64 byte. Ha az adatrész 46 byte-nál rövidebb, akkor ezt az ellen rz összeg elé beillesztett paddinggel kell kiegészíteni. (A fejléc harmadik mez jének típusként való felhasználása esetén a 46 byte-nál rövidebb adatrészekr l a vev oldalon a magasabb szint protokoll feladata leválasztani a paddinget, hiszen a MAC alrétegben nem áll rendelkezésre ehhez semmilyen információ.)
A minimális keretméret, a CSMA/CD protokoll, és a hálózatban adódó különböz késleltetések – ezáltal a hálózat fizikai kiterjedése – szoros összefüggésben állnak egymással. Az ütközést ugyanis az adó állomásnak a keret adása közben detektálnia kell, minimális méret keret esetén is. Ez azt jelenti, hogy egy collision domain bármely két pontja között az elektromos (vagy optikai) jelek terjedési sebességéb l és a hálózat egyéb elemein adódó késleltetésekb l összeálló körülfordulási id nem lehet nagyobb a minimális 512 bites keret adásának idejénél, ami 51.2 µs 10 Mbps sebesség mellett, 100 Mbps esetén pedig mindössze 5.12 µs.
A megengedett maximális keretméret el ször 1518 byte volt. Kés bb, a 802.1q VLAN tagek bevezetésével ez 1522-re emelkedett.
1.2.5 Flow control
Full duplex m ködési módban lehet ség van forgalomszabályozásra a pont-pont összeköttetésen. Az állomás jelezheti a szomszédjának, hogy egy megadott id re szüneteltesse az adást, ha nem tudja megfelel sebességgel feldolgozni a vett kereteket. A jelzés MAC Control keretek küldésével történik. Ezek közönséges Ethernet keretek, speciális típus mez vel és cél multicast címmel. Ha egy DTE-hez ilyen pause keret érkezik, akkor azt nem továbbítja sem a fels bb rétegek felé, sem más szegmensre, hanem a MAC Control réteg dolgozza fel.
1.2.6 Auto-Negotiation A 10 és 100 Mbps sebesség csavart érpárt használó Ethernet fizikai rétegek tartalmazhatják az Auto-Negotiation funkciót. Ennek segítségével a kábel két végéhez csatlakozó berendezés automatikusan el tudja dönteni, hogy mekkora sebességgel és milyen duplexitással m ködjön. Mindkét berendezés a link detektálásához használt, adatforgalom hiányában adott NLP (Normal Link Pulse) sebességének többszörösével FLP (Fast Link Pulse) jeleket küld, ebbe kódolva adja meg saját képességeit. A két eszköz egy közös, el re meghatározott preferencia sorrend alapján választja ki a leghatékonyabb, mindkét oldal által támogatott m ködési módot.
1.3 PHY Az Ethernet PHY-k, azaz fizikai rétegek neve három részb l áll. A PHY megnevezése a Mbps-ban kifejezett adatsebességgel kezd dik. Utána a "Base" vagy a "Broad" szó jelzi az átvitel alap- vagy szélessávú mivoltát. Az ezt követ bet k és számok pedig a fizikai médium különféle tulajdonságaira vonatkozó jelentéssel bírnak.
1.3.1 10Base2, 10Base5 A hétköznapi nevén "vastag Ethernet"-ként ismert 10Base5 és a "vékony Ethernet" néven elterjedt 10Base2 alapsávú átvitelt használ koaxiális kábelen. A koaxiális kábel valóságosan osztott közeget biztosít, hiszen az arra kapcsolódó állomások által kibocsátott elektromos jelek egy közeget használnak és az összes többi állomáshoz eljutnak azon a közegen. A bitek Manchester kódolással kerülnek a koaxiális kábelre, 20MHz frekvencián. (Mivel minden bit küldéséhez 2 órajelnyi id szükséges, látható, hogy 10Mb/s lesz az adatátviteli sebesség.)
A koaxiális kábelhez közvetlenül MAU (Medium Attachment Unit) csatlakozik. Vékony Ethernet esetén a MAU általában rá van építve a hálózati csatolókártyára. Vastag Etherneten viszont a MAU mindig külön áll a hálózati csatolókártyától, hiszen a koaxiális kábel merev, ezért nagyon nehézkes lenne minden számítógéphez odavezetni. A csatolókártyán AUI (Attachment Unit Interface) van, ezt egy hajlékony kábel köti a MAU-hoz. A maximális kábelhossz 10Base5 esetén 500 m, 10Base2 esetén pedig 185 m (majdnem 200, amire a megnevezés kettese utal). Ezek a korlátok a rendszer elektromos tulajdonságaiból adódnak. A collision domain mérete repeaterek használatával növelhet . A repeater bármelyik portján vett jelet az összes többi portján kiadja, újraformálva azokat. Ezáltal több kábelszegmens összekapcsolható, és m ködhet rajtuk együtt a CSMA/CD protokoll. Az így kialakított nagyobb collision domain méretét természetesen korlátozza (más használhatósági és üzemeltethet ségi korlátokon túl) a körülfordulási id 512 bitnyi id ben meghatározott maximuma.
1.3.2 10Base-T Az IEEE 802.3 szabványba 1990-ben került bele a 10 Mbps adatsebesség , csavart érpárokat használó 10Base-T specifikációja.
Az eddigi busz topológiával szemben a 10Base-T hálózat csillag vagy pont-pont topológiájú. A csillag csúcsain az állomások, a közepén pedig egy aktív eszköz, a hub található – ami nem más, mint egy repeater. Az osztott közeget tulajdonképpen a hub valósítja meg ("bus-in-a-box"). Az átvitel 100 -os Cat3-as min ség kábel 2 érpárján Manchester kódolással történik. Az érpárokon a jelzés egyirányú – az egyik érpáron adás, a másikon vétel van. A maximális kábelhossz 100 m.
1.3.3 10Base-FL 1993-ban került bele az IEEE szabványba az optikai szálakon m köd 10Base-FL PHY (802.3j). A 10Base-FL multimódusú szálon, 2 km maximális kábelhosszt enged meg.
1.3.4 100Base-TX, 100Base-FX A Fast Ethernet szabvány (IEEE 802.3u) 1995-ben jelent meg. A 100Base-X PHY-t néhány egyszerü modosítással a 10Mb/s sebességü Ethernetb l alakították ki. A frekvencia itt 25MHz és egyetlen órajel alatt küldenek el egy bitet, ez 25Mb/s sebesset jelentene. További ujitás, hogy most 3 szálon küldik a jeleket, 3 különböz feszültségen => 27 jelet tudnak küldeni vagyis 4 bitet jelenként (16 jel). Innen jön a 100Mb/s sebesség. A lehetséges 27 kódszó között szerepelnek speciális vezérl kódszavak is. Ilyen pl. a csomagok közötti szünetben továbbított, csupa 1-esb l álló idle kódszó, valamint a keretek elejét és végét jelz kódszavak.
A 100Base-FX multimódusú optikai szálon m ködik. A maximális kábelhossz 412 m half-duplex módban, full-duplex módban pedig 2 km. Ebb l jól látszik a full-duplex mód egyik nagy el nye: ilyenkor nincs CSMA/CD, tehát nincs 512 bitnyi maximális körülfordulási id sem, azaz a szegmens maximális méretét csak a médium határozza meg.
1.3.4.1 MII A Fast Ethernet specifikáció definiál egy új interfészt: ez a Medium Independent Interface. Az MII a fizikai és az adatkapcsolati réteget köti össze, tehát nem az AUI 100 Mbps megfelel je, hiszen az AUI a fizikai rétegen belül, a PLS (Physical Signaling) és a PMA (Physical Medium Attachment) között helyezkedett el. Az MII adás és vétel irányban is egy-egy 4 bites adatbuszt és néhány jelz vonalat tartalmaz. Az összes 100 Mbps fizikai protokoll MII kompatibilis, így lehet vé vált olyan Fast Ethernet interfész készítése, amihez tetsz leges PHY csatlakoztatható. Az MII képes nem csak 100, hanem 10 Mbps sebességgel is m ködni.
1.3.5 "Egzotikus" Ethernet fizikai rétegek Az IEEE 802.3 szabványban specifikált fizikai rétegek között számos olyan akad, amit gyakorlatilag sehol sem használnak. Az 1Base5 2 pár "telefon-min ség " sodort rézdróton 1 Mbps sebesség átvitelt tesz lehet vé. Az PHY nevében az 5 az egy hubbal elérhet maximális 500 méteres átmér t jelenti, mivel maximális kábelhossz 250 m.
A 10 Mbps sebesség optikai PHY-k között szerepel a 10Base-FP, mely olyan csillag topológiájú optikai hálózatot specifikál, melynek középpontjában egy passzív optikai eszköz áll (FP: Fiber, Passive). A 10Base-FB (Backbone) repeaterek optikai összekötését teszi lehet vé, szinkron adatátvitellel.
A 10Broad36 szélessávú adatátvitelt használó fizikai protokoll, mely a kábeltelevíziózáshoz használatos 75 -os koaxiális kábelen m ködik. Létezik egy- és kétkábeles változata. A hálózatban
használható maximális gerinckábel-hossz 3600 m, azaz maximum 1800 m a headendt l.
Csavart érpárra két nem nagyon használatos 100 Mbps sebességu PHY is létezik. Mindkett maximum 100 m hosszú, legalább Cat3 min ség kábelt használ. A 100Base-T4 (802.3u) csak half duplex módban m ködhet, mivel két érpáron mindkét irányban továbbít adatokat. A másik két páron csak egy irányba megy a jel, így mindkét irányban 3 érpár áll rendelkezésre adásra, és eközben 1 érpár mindig megmarad vételre, pontosabban az ütközés detektálására. Érpáronként a 33.3 Mbps adatsebesség eléréséhez a 8B6T kódolás szükséges, mely 8 bitb l 6 ternáris szimbólumot képez, ami már csak 25 Mbaud (6/8*33.3) jelzési sebességet ad érpáronként. Ráadásul a 6 ternáris érték 729 kombinációja lehet vé teszi, hogy úgy válasszunk ki közülük 256ot, hogy a maximális frekvencia 12.5 MHz legyen, ez pedig már belül van a Cat3 által megengedett 16 MHz-en.
Az 1997-ben szabványosított 100Base-T2 (802.3y) a 100Base-TX-hez hasonlóan csak 2 érpárt használ. Viszont mindkét páron egyszerre ad és vesz, valamint 5 jelszintet használ, PAM5x5 kódolással.
2 Gigabit Ethernet A Fast Ethernet után ismét egy nagyságrendes ugrás következett az adatsebességben: 1 Gbps. Az IEEE 802.3 szabvány két lépésben egészült ki a Gigabit Ethernet specifikációjával. A 1000Base-X (802.3z) 1998-ban került bele, míg a 1000Base-T (802.3ab) csak 1999-ben. Érdekes, hogy a szabvány ezen részébe is számos olyan dolog került, amit gyakorlatilag sehol nem használnak.
2.1 MAC A Gigabit Ethernet specifikációjában még megvan a CSMA/CD protokoll a half duplex m ködéshez – rögtön egy példa arra, amit szinte senki sem használ. A nagyobb adatsebesség miatt bizonyos dolgokat meg kellett változtatni a CSMA/CD protokollban. Természetesen nem magával a CSMA/CD-vel van probléma 1 Gbps sebesség mellett, hanem az id zítések és jelterjedési sebességek megváltozott arányával. Ez már korábban, a 100Base-FX esetén is kisebb problémát jelentett, hiszen ott hasonló okokból mindössze 412 m a maximális kábelhossz half duplex módban.
2.1.1 Carrier extension Az Ethernetnél és Fast Ethernetnél használatos 512 bites maximális keretméret a Gigabit Ethernet esetén mindössze 512 ns maximális körülfordulási id t eredményezne. Ez UTP kábelen 2/3 fénysebességgel számolva 51 méteres, optikai szálon fénysebesség mellett pedig mintegy 72 méteres maximális collision domain átmér t adna – és akkor még nem vettük figyelembe az egyéb késleltetéseket, amelyek magukban az állomásokban valamint a repeateren keletkeznek.
A problémára az a megoldás született, hogy a 4096 bitnél rövidebb kereteket ki kell egészítenie az adó állomásnak 4096 bit hosszúságúra. Így már használható méret Gigabit Ethernet hálózatokat lehet építeni. A minimálisnál eredetileg kisebb keretek kiegészítése másképp történik, mint a kisebb sebesség Etherneteknél. Mivel a minimális keretméret továbbra is 512 bit maradt, nem a kereteket kell növelni, tehát nem a FCS elé kerül be padding, hanem a keretek vége, azaz a FCS után kell leadni speciális, az adatbitekt l megkülönböztethet jelet.
2.1.2 Frame bursting A megnövelt minimális keretméret komoly hatékonyság romlást okozna az Internet tipikus összetétel forgalmának átvitelében, mivel a sok kicsi, mindössze néhányszor 10 byte hosszú csomagot keretezés után 4096 bitre, azaz 512 byte hosszúságura kellene kiegészíteni. Ez a half
duplex Gigabit Ethernet kb. 400 Mbps effektív sávszélességét széls séges esetben akár 50 Mbpsra is csökkenthetné.
Ezért a Gigabit Ethernet MAC protokoll megengedi, hogy egy állomás egymás után folyamatosan több keretet is küldjön, maximálisan 64 kbit együttes méretig. Az együtt leadott keretek között a 96 bit idej szünetet változatlanul meg kell tartani.
2.2 GMII A Fast Ethernetnél megismert MII megfelel je Gigabit Ethernetnél a GMII (Gigabit Medium Independent Interface). A GMII csak 1 Gbps sebességgel muködik, nem úgy, mint a 100 és 10 Mbps-on egyaránt m ködni képes MII. Az adatok adása és vétele egy-egy 8 bites buszon történik, 125 Mbaud jelzési sebességgel.
2.3 1000Base-X Az 1000Base-X együttesen jelent 3 különböz Gigabit Ethernet PHY-t: az optikai 1000Base-SX-et és 1000Base-LX-et, valamint a rövid csavart érpáron m köd 1000Base-CX-et. A 1000Base-X alapja a Fibre Channel fizikai réteg (ANSI X3.230-1994). Innen származik a 8B/10B kódolás, valamint az optikai és elektromos paramétereknek is ez az alapja.
2.3.1 8B/10B A 8B/10B (4 szálon 5 fajta jelet továbbit) kódolás biztosítja, hogy a jelfolyamban megfelel számú szintváltás legyen (10 bites kódszavanként legalább 3), ezáltal lehet vé teszi a helyes órajel szinkron el állítását. Szintén növeli az átvitel során keletkezett bithibák detektálhatóságát. A névleges jelzési sebesség a 8B/10B kódolás eredményeképp 1250 Mbaud.
A 10 bites kódszavak között a 8 bites kódszavak megfelel in kívül van még néhány érvényes, jelzésre használt kódszó. Ezeket a speciális kódszavakat használja az 1000Base-X PHY a 100BaseX-hez hasonlóan pl. a keretek elejének és végének megjelölésére, és a keretek közti szünetek kitöltésére. Szintén ilyen a speciális szimbólumok használatosak a carrier extensionnél a keretek megtoldására, valamint frame bursting esetén az összetartozó keretek jelzésére is.
2.3.2 Auto-Negotiation A 1000Base-X Auto-Negotiation protokoll nagyon hasonlít a 10/100 Mbps csavart érpáros AutoNegotiationre. Az információk közlésének formája és a döntési folyamat szinte azonos azzal. Az egyik lényeges különbség az, hogy itt az átvitt információk nem FLP-kben jutnak el a vonal túlsó végére, hanem a 8B/10B kódolásból adódó speciális kódszavakban. Így ez a funkció nem a PHY legalsó, külön erre a célra szolgáló opcionális rétegébe kerül, hanem a 8B/10B kódolásért is felel s PCS (Physical Coding Sublayer) feladata.
A másik lényeges eltérés értelemszer en adódik a 1000Base-X tulajdonságaiból. Itt az adatsebesség mindig 1 Gbps, tehát ezt nem kell egyeztetni, csak a duplexitást. A preferált m ködési mód természetesen a full duplex. Ezen kívül megbeszéli a két állomás azt is, hogy használnak-e flow controlt. Mindkét állomás közli a másikkal, hogy szándékozik-e pause kereteket küldeni, illetve, hogy támogatja-e az asszimetrikus flow controlt (amikor a két állomás közül csak az egyik küld pause kereteket). Ebb l a két paraméterb l meghatározható, hogy melyik irányban fognak flow controlt használni. A preferált választás természetesen itt is a flow control használata.
2.3.3 1000Base-SX, LX A 1000Base-SX elnevezésben az S a rövid hullámhosszra (short wavelength) utal: ez a PHY 770860 nm hullámhosszú lézert használ multimódusú szálon. Az optikai szál min ségét l, pontosabban a mag átmér jét l és modális sávszélességét l függ en 220-550 métert képes áthidalni.
A 1000Base-LX (long-wavelength) PHY 1270-1355 nm hullámhosszú lézert használ. Multimódusú szálon 550 m, monomódusú szálon pedig 5 km a megengedett maximális kábelhossz. Néhány gyártó ezeken kívül nem szabványos, több 10 km távolságot áthidalni képes lézereket is használ. Ezáltal a Gigabit Ethernet már nem csak LAN technológia, hanem MAN (Metropolitan Area Network) környezetben is kiválóan alkalmazható.
2.3.4 1000Base-CX A 1000Base-CX (copper) PHY 2 árnyékolt 150 -os csavart érpárt használ. A maximális kábelhossz 25 m. Ez a megoldás közös helységben található eszközök összekötésére alkalmas.
2.4 1000Base-T A 1000Base-T 100 -os Cat5 min ség csavart érpárokon m ködik, és a megengedett kábelhossz is azonos a 100Base-TX maximumával, azaz 100 m. Ekkora sebességnövekedés eléréséhez gyakorlatilag azonos médiumon számos új technológiát kellett alkalmazni.
Az els triviális lépés az összes érpár használata, ami rögtön kétszeres sebességet eredményez. Hibrid áramkörök alkalmazásával minden érpáron egyszerre két irányba mehet a forgalom. Így egy érpáron egy irányban 250 Mbps adatsebességet kell elérni.
A MAC-t l a GMII 8 bites adatokat továbbít 125 Mbaud sebességgel. A PHY 8 bitb l a 4D-PAM5 modulációval minden érpárra egy-egy 5 szint jelet képez. Ez a kódtér b vülés lehet vé teszi egy 4 dimenziós 8 állapotú konvolúciós kódoló és a megfelel hibajavító Viterbi dekóder használatát, ami az átvitel során keletkez zajok és áthallás (crosstalk) hatásait segít csökkenteni. A 625 lehetséges kódszó között elférnek azok a speciális kódszavak is, amelyek a 8B/10B kódoláshoz hasonlóan pl. a szünetet jelzik. Az 5 jelszint másik fontos következménye, hogy a jelzési sebesség a bináris modulációhoz képest a felére, azaz 250-r l 125 Mbaudra csökkenthet .
A négy érpár, a hibrid áramkörök és a több szint jelzés használata mellett természetesen sokkal jobb jel/zaj viszonyra van szükség. Ennek elérése érdekében a kábelekre el írt megfelel paraméterek mellett különböz DSP technológiákat kell alkalmazni. A modemekhez hasonlóan itt is tesztelik a berendezések a kett jük közötti összeköttetést, és a mért aktuális paramétereknek megfelel en formálják a leadott jeleket úgy, hogy az a várható zavarok mellett a kábel túlsó végén a lehet legjobb min ség vételt eredményezze. Ezen kívül a DSP-k kiszámítják a különböz komponensek által okozott áthallásokat, és ezt számításba véve értelmezik a vett jeleket.
A 1000Base-T specifikáció megad egy opcionális módszert az automatikus MDI/MDI-X választásra. Ezáltal szükségtelenné válik a cross-over patch kábelek használata, hiszen a PHY maga el tudja dönteni, hogy milyen lábkiosztást kell használnia.
2.4.1 Auto-Negotiation A 1000Base-T összeköttetések kialakításában fontos szerepet tölt be az Auto-Negotiation is. A protokoll azonos a 10/100 Mbps Ethernet Auto-Negotiation protokolljával.
A sebesség és duplexitás egyeztetésén túl a két eszköznek meg kell állapodnia abban is, hogy melyikük a master és melyik a slave. Minden 1000Base-T eszköz képes master és slave funkciót is ellátni. A master/slave funkció kiválasztásánál a leger sebb szempont a kézi beállítás. Ennek hiányában a több portos (pl. hub, switch) berendezéseknek prioritása van az egy portosakhoz (pl. hálózati csatolókártya) képest, illetve ha ez is megegyezik, akkor véletlenszer en d l el, hogy melyik lesz a master és melyik a slave.
Ez a két funkció a PHY több m ködési paraméterét is meghatározza. Pl. a master a saját bels órajelét használja az adott és vett jelek id zítésére, míg a slave a vett jelfolyamból állítja el az órajelet.
2.4.2 Cat5, Cat5e A 1000Base-T m ködéséhez a Cat5 min ség kábelezés általában megfelel . Az ANSI/TIA/EIA568A Cat5 specifikáció ugyan nem tartalmaz megfelel küszöbértékeket az impedancia illesztések pontatlanságából adódó visszaver dések miatti veszteség (return loss) és az ELFEXT (Equal Level Far-End Crosstalk) maximális mértékére, de a már installált 100Base-TX fizikai protokollal használt Cat5 kábelek nagy része megfelel ezeknek az elvárásoknak is. Ezeket a paramétereket a Cat5e specifikáció tartalmazza.
3 10 Gigabit Ethernet 2002. nyarán jelent meg az IEEE 802.3ae szabvány, mely a 10 Gigabit Ethernetet írja le. Az Ethernet 10 Gbps sebesség változatában kizárólag optikai PHY-k szerepelnek. Csak full duplex m ködési mód van specifikálva, hiszen a CSMA/CD protokoll használatához ilyen sebességek mellett újabb, felettébb kényelmetlen módosításokra lett volna szükség, ráadásul már a Gigabit Ethernetnél is bebizonyosodott, hogy ezek teljesen felesleges munkák. Az adatkapcsolati és a fizikai réteget összeköt interfészek sorát (MII, GMII) az XGMII (10 Gigabit Medium Independent Interface) folytatja. Az XGMII mindkét irányban 32 bit széles adatbuszt és néhány bit jelzés csatornát használ. Régi névvel, de új funkcióval bír a XAUI, mely az XGMII kiterjesztésére, meghosszabbítására szolgál. A XAUI négy bites buszokon egyenként 2.5 Gbps sebességgel viszi át az adatokat az XGMII két távoli (max. 50 cm) vége között. A XAUI átviteli módja tulajdonképpen a jól bevált 1000Base-X módosított változata.
A Gigabit Ethernetnél már jól ismert GBIC modulok megfelel je, az XGP (10 Gigabit Pluggable) várhatóan szabványos lesz.
3.1 LAN és WAN PHY A 10 Gigabit Ethernet PHY-k két csoportba sorolhatók. A LAN PHY 10 Gbps sebesség Ethernet adatfolyamot továbbít, soros vagy WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing) átvitellel. A soros átvitel történhet sötét szálon, vagy sötét lambdán valamilyen WDM rendszerben. A WWDM átvitel azt jelenti, hogy maga az Ethernet PHY több hullámhosszon ad jeleket az optikai szálon, értelemszer en kisebb jelzési sebességgel. A 4 lambdás WWDM átvitel esetén a Gigabit Ethernetnél megismert 8B/10B kódolás m ködik minden egyes hullámhosszon, ezáltal a jelzési sebesség 3.125 Gbaud. Soros átvitelnél egy új kódolást, a 64B/66B-t alkalmazzák, ami 10.3125 Gbaud jelzési sebességet eredményez. A WAN PHY soros átvitelt használ, 64B/66B kódolással, és egy leegyszer sített SDH/SONET keretezéssel. A vonali sebesség ilyenkor 9.95328 Gbps, az Ethernet adatsebesség pedig 9.58464 Gbps, ami pontosan az OC-192c/VC-4-64c vonali illetve payload sebességeknek felel meg. A
WAN PHY tehát lehet vé teszi 10 Gigabit Ethernet forgalom továbbítását a már meglév SDH vagy SONET hálózaton.
A PHY-k nevének végén az S a 850, az L a 1310, az E pedig a 1550 nm hullámhosszú lézert jelenti. A másik bet soros LAN PHY esetén R, WWDM LAN PHY-nél X, soros WAN PHY esetén pedig W. A tervezett PHY-k a következ k: PHY optikai szál max. hossz 10GBase-SR MM 65 m 10GBase-SW MM 65 m MM 300 m 10GBase-LX4 SM 10 km 10GBase-LR SM 10 km 10GBase-LW SM 10 km 10GBase-ER SM 40 km 10GBase-EW SM 40 km
A maximális 40 kilométeres kábelhosszal, valamint az SDH keretezéssel a 10 Gigabit Ethernet már nem csak LAN és MAN, hanem WAN környezetben is használható. Valószín , hogy kés bb az optika fejl désével bele fognak kerülni a szabványba olyan (a mostani megnevezés szerinti) LAN PHY-k, amelyek sokkal nagyobb távolságok áthidalására lesznek képesek.
Az dokumentum összeállitásához a következ forrásanyagokat használtam fel: http://splash.eik.bme.hu/papers/ge10ge.html Vasile Teodor Dadarlat - Retele locale de calculatoare, de la cablare la interconectare http://www.iol.unh.edu/training/ge.html http://eniac.magicnet.hu/tananyagok/novell/osi_modell.html
