1000BASE-T

1000Base-T

1000Base-T to standard sieci Ethernet zapewniający przepływność na poziomie 1 Gb/s. Został wprowadzony w 1999 roku w dokumencie IEEE 802.3ab. Sieć oparta na tym standardzie wykorzystuje medium w postaci skrętki miedzianej UTP co najmniej kategorii Cat 5, zakończonej złączem 8P8C, z maksymalnym zasięgiem wynoszącym 100 m. Standard 1000Base-T używa wszystkich czterech par skrętki, nadając i odbierając sygnał jednocześnie na każdej z par, co umożliwia transmisję w trybie full-duplex znanym jako dual-duplex. Aby osiągnąć tak wysoką przepływność, zastosowano czterowymiarowe kodowanie 4D-PAM5.

Obsługa tak dużej ilości danych na sekundę wymaga użycia procesorów sygnałowych w urządzeniach sieciowych. Oparte na nich układy hybrydowe umożliwiają jednoczesne nadawanie i odbieranie sygnału na tej samej parze skrętki.

Główne założenia

Podstawowe założenia 1000Base-T, określone przez standard, obejmują:

  • obsługę CSMA/CD MAC
  • zgodność ze specyfikacją GMII
  • wsparcie dla połączeń 1000 Mb/s
  • zapewnienie transmisji w trybie full i half-duplex
  • wsparcie dla operacji na dystansie do 100 m
  • współczynnik BER mniejszy lub równy 10-10
  • obsługę autonegocjacji.

Ethernet a Gigabit Ethernet

Standard 1000Base-T oferuje 100-krotnie wyższą przepływność niż tradycyjny Ethernet, który działa z prędkością 10 Mb/s. To prowadzi do skrócenia czasu transmisji ramki Ethernetowej (minimalnej długości 64 B) z 51,2 μs do 512 ns. Jeśli zachowanie CSMA/CD miałoby być utrzymane, zasięg sieci musiałby wynosić około 25 m. Aby zwiększyć zasięg do 100 m, postanowiono wydłużyć czas, w którym ramka zajmuje pasmo, osiem razy. Nowa ramka ma rozmiar 512 B, zawiera klasyczne ramki ethernetowe i jest przetwarzana przez sprzęt nadajnika i odbiornika, co sprawia, że oprogramowanie nie ma świadomości jej obecności. Dwie funkcje odpowiadają za jej tworzenie:

  • przedłużenie nośnika (ang. carrier extension) – uzupełnienie ramki do 512 B
  • przesyłanie ramek wiązkami (ang. frame bursting, burst) – jednoczesne przesyłanie sekwencji ramek, aż ich suma bajtów osiągnie 8192. Jeżeli cała paczka ma mniej niż 512 B, stosuje się dodatkowe dopełnienie.

Podczas transmisji ramek dodawane są specjalne znaczniki, które określają początek i koniec ramki oraz rozdzielają ramki przesyłane w trybie burst. Dzięki temu mechanizmowi Gigabit Ethernet zachowuje zgodność z wszystkimi wersjami Ethernetu.

Autonegocjacja

Technologia autonegocjacji pozwala na ustalenie trybu pracy urządzenia po drugiej stronie łącza. Proces ten rozpoczyna się na etapie zestawiania łącza — uzgadnia wspólny tryb i prędkość połączenia, zazwyczaj wybierając największą wspólną prędkość, z jaką mogą działać oba urządzenia. W autonegocjacji wykorzystuje się specjalną sekwencję szybkich impulsów łącza (ang. FLP – Fast Link Pulse), wysyłaną przez karty NIC oraz koncentratory, co umożliwia identyfikację możliwości urządzenia nadającego. Mechanizm ten oparty jest na sygnalizacji integralności łącza (ang. LI – Link Integrity), stosowanej w standardzie 10Base-T.

Autonegocjacja odpowiada także za ustalanie relacji master-slave pomiędzy interfejsami warstwy fizycznej. Strona połączenia typu master synchronizuje sygnał zgodnie ze swoim zegarem, a strona slave odzyskuje sygnał zegarowy z odebranego sygnału. W przypadku połączenia wieloportowego jako master zazwyczaj wybierane jest urządzenie wieloportowe, podczas gdy pozostałe jednoportowe urządzenia uczestniczące w połączeniu są ustawiane jako slave.

Kodowanie

W standardzie 1000Base-T stosuje się schemat kodowania 4D-PAM5 (czterokanałowa PAM o pięciu poziomach). Inną jego nazwą jest Enhanced T2/TX, ponieważ łączy techniki użyte w standardach FastEthernet – 100Base-T2 i 100Base-TX. Wykorzystano w nim kodowanie PAM5x5 z 100Base-T2, lecz zastosowano cztery pary skrętki oraz jednoczesny full-duplex na każdej parze (dual-duplex), natomiast z 100Base-TX użyto okablowania Cat 5e, zwiększając pasmo transmisji do częstotliwości 125 MHz.

Definicje

  • 8B1Q4: technika kodowania danych wykorzystywana w 1000BASE-T, która konwertuje 8 bitów (8B) na cztery pięciowartościowe symbole (ang. Quinary, Q4), przesyłane w czasie jednego taktu zegara (1Q4).
  • 4D-PAM5: technika kodowania sygnału stosowana w 1000BASE-T. Czterowymiarowe pięciowartościowe symbole (4D) uzyskane z kodowania danych 8B1Q4 są przesyłane przy użyciu pięciu poziomów napięcia (PAM5). Cztery takie symbole są przesyłane równolegle w każdym przedziale czasowym.

Techniki kodowania 8B1Q4 i 4D-PAM5 przetwarzają osiem bitów na jedną serię czterech sygnałów (grup kodowych) o poziomach napięcia z pięciowartościowego zbioru {2,1,0,-1,-2} V, przesyłanych jednocześnie. Skrętka Cat 5 umożliwia transmisję z częstotliwością 125 MHz, a czas trwania symbolu wynosi 8 ns. Pięć poziomów napięcia pozwala na zakodowanie w jednym symbolu dwóch bitów danych (w rzeczywistości wystarczyłoby cztery poziomy, ale piąty zwiększa liczbę możliwych kombinacji, które wykorzystano m.in. na słowa kontrolne). Cztery pary skrętki umożliwiają przesyłanie 8 bitów w jednym takcie, co daje przepływność 4 × 2 × 125•106 = 109, czyli 1 Gb. W trybie bezczynności przesyłane są jedynie poziomy napięć -2, 0 i 2, co ma na celu poprawienie synchronizacji.

Realizacja

Podczas transmisji danych kolejne bajty są szyfrowane strumieniowo (ang. side-stream scrambling), a następnie kodowane w grupy kodowe składające się z czterech pięciowartościowych symboli. Szyfrator strumieniowy implementowany jest przy użyciu liniowego rejestru przesuwnym z sprzężeniem zwrotnym (ang. linear feedback shift register). W dużym uproszczeniu cały proces przebiega w następujący sposób: kodowanie obejmuje generację trzech 4-bitowych słów – Sx, Sy, Sg. Słowa Sx i Sy są używane do generacji oktetu Sc, który służy do szyfrowania bajta danych oraz do generacji słów kontrolnych i bezczynności. Otrzymany oktet Sc jest kodowany splotowo z bajtem danych, w rezultacie osiągając 9-bitowe słowo Sd. To słowo jest następnie mapowane na cztery pięciowartościowe symbole TA, TB, TC, TD. Słowo Sg wykorzystywane jest do zróżnicowania znaków symboli TA-TD, aby każdy przesyłany strumień nie zawierał składowej stałej. Otrzymane symbole A, B, C, D są następnie przekształcane na sygnał elektryczny modulowany PAM5 i przesyłane przez cztery pary DA, DB, DC, DD skrętki, zgodnie z tabelą zamieszczoną poniżej. BI oznacza styk dwukierunkowy (ang. bidirectional).

Korekcja błędów

W czasie jednego taktu kodowany jest jeden bajt, co oznacza 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, jednak pozostaje jeszcze znaczny nadmiar, który pozwala na zastosowanie 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 1000Base-T stosuje się skrętkę miedzianą Cat 5 (TIA/EIA-568-A). Zaleca się jednak użycie skrętki Cat 5e (TIA/EIA 568-A-5), która zwiększa margines bezpieczeństwa w sieciach o zasięgu bliskim maksymalnej wartości 100 m.

Kable powinny być zakończone złączami 8P8C wysokiej jakości, zgodnymi z normą TIA/EIA-568-B w układzie T568A lub T568B (nazywanych niepoprawnie TIA/EIA-568-A i TIA/EIA-568-B).

Testy okablowania

Podczas tworzenia sieci 1000Base-T możliwe jest wykorzystanie istniejącego okablowania Cat 5, jednak przed tym należy przeprowadzić testy wymagane do ponownej certyfikacji kabla Cat 5 na zgodność z wymogami 1000Base-T. Testy te znajdują się w biuletynie TSB-95 i obejmują daleki przesłuch ELFEXT, echa, przesunięcie fazowe oraz opóźnienie propagacji sygnału.

Przypisy

Bibliografia

  • Standard IEEE 802.3-2005. standards.ieee.org. [zarchiwizowane z tego adresu (2010-07-26)].
  • 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”.
  • „Switched, Fast i Gigabit Ethernet” Robert Breyer, Sean Riley, ISBN 83-7197-192-3.
  • Andrew S. Tanenbaum, Sieci Komputerowe, Adam A. Jarczyk (tłum.), Andrzej A. Grażyński (tłum.), Gliwice: Wydawnictwo Helion, 2004, ISBN 83-7361-557-1, OCLC 749658437. Brak numerów stron w książce.