A Gigabit Ethernet

Az 1000 Mbit/s sebességű Ethernet

A szabványok optikai és rézkábelen keresztül egyaránt lehetővé teszik az adatátvitelt. Az IEEE 802.3ab jelölésű 1000BASE-T szabvány 5-ös vagy magasabb kategóriájú szimmetrikus rézkábelek használatát írja elő. Az IEEE 802.3z jelölésű 1000BASE-X szabványa az optikai szálakon végzett, 1 Gbit/s sebességű, duplex átvitelt definiálja.

Az 1000BASE-TX, az 1000BASE-SX és az 1000BASE-LX azonos időzítési paramétereket használnak . A bitidő mindegyiknél 1 ns, vagyis 0,000000001 másodperc, a másodperc milliárdod része.

A Gigabit Ethernet keretformátuma a 10 és 100 Mbit/s sebességű Ethernetével megegyező. A Gigabit Ethernet bizonyos megvalósításai eltérő eljárásokat is használhatnak a kereteknek a kábelen utazó bitekké alakítására.

A normál Ethernet, a Fast Ethernet és a Gigabit Ethernet között különbségeket a fizikai rétegben találunk. Az újabb szabványok nagyobb sebessége miatt lecsökkent bitidők különleges megoldások alkalmazását teszik szükségessé. Mivel a bitek rövidebb ideig, gyorsabban kerülnek rá az átviteli közegre, az időzítések kritikus szerepet játszanak. A nagysebességű átvitelekhez magasabb frekvenciákat kell használni, emiatt viszont a rézkábeleken utazó bitek érzékenyebbek a zajokra.

Ezekre az okokra vezethető vissza, hogy a Gigabit Ethernet két külön kódolási lépést végez el. Az adatátvitel hatékonyabb, ha kódokat használunk a bináris bitfolyam ábrázolására. A kódolt adatok szinkronizálást, hatékony sávszélesség-használatot és jobb jel-zaj viszonyt biztosítanak.

A fizikai rétegben a MAC rétegtől származó bitminták szimbólumokká alakulnak. A szimbólumok vezérlőinformációkat is hordozhatnak, mint például keret eleje vagy vége, összeköttetés készenléti állapotának jelzése. A kereteket vezérlő- és adatszimbólumok formájában kódolva nő a hálózat átviteli sebessége.

Az optikai szálas Gigabit Ethernet, vagyis az 1000BASE-X a 4B/5B kódolásra erősen hasonlító 8B/10B kódolást használja. Ezt az optikai szálon egyszerű nullára vissza nem térő (nonreturn to zero, NRZ) vonali kódolás követi, értelemszerűen fényjelek használatával. Ennek a kódolási megoldásnak a használatát az optikai átviteli közeg nagyobb sávszélessége teszi lehetővé.

1000BASE-T

Az IEEE 802.3ab jelölésű 1000BASE-T szabvány létrejöttének célja nagyobb sávszélesség biztosításával ezeknek a szűk keresztmetszeteknek a megszüntetése volt.

A Fast Ethernetet úgy tervezték, hogy az 5e teszteken megfelelő 5-ös kategóriájú kábeleken is működőképes legyen. Mivel az 5e kategóriájú kábelek megbízhatóan legfeljebb 125 Mbit/s sebességgel képesek továbbítani az adatokat, az 1000 Mbit/s, avagy 1 Gigabit sávszélesség biztosítása a tervezés során komoly kihívás volt.

. Az 1000BASE-T megvalósításának első lépése az volt, hogy mind a négy érpárt használatba vették, eltérően a csak két érpárt használó 10BASE-T és 100BASE-TX szabványokkal. Ehhez összetett, egyetlen érpáron is duplex átvitelt lehetővé tévő áramkörökre van szükség; segítségükkel a sávszélesség 250 Mbit/s-ra nőtt. Mind a négy érpár alkalmazásával elérhetővé vált a kívánt 1000 Mbit/s sebesség

Mivel az adatok továbbítása mind a négy útvonalon egyszerre történik, az adó oldali áramkörnek szét kell osztania a kereteket, a vevő oldalinak pedig össze kell állítania őket.

Az 1000BASE-T rendszerek 5e vagy magasabb kategóriájú UTP kábeleken, 4D-PAM5 vonali kódolással működnek. Ez azt jelenti, hogy az adatok küldése és fogadása mindkét irányban egyszerre, ugyanazon a vezetéken folyik.

Amint az várható, ez folyamatos ütközéseket eredményez az érpárokon Amint az várható, ez folyamatos ütközéseket eredményez az érpárokon. Az ütközések miatt összetett feszültségminták állnak elő. Az 1 Gbit/s sebesség összetett, visszhangkioltást, első rétegbeli előremutató hibajavítást (Forward Error Correction, FEC) és előrelátó feszültségszint-kiválasztást használó áramkörök révén érhető el.

Forgalommentes időszakokban a kábelen kilencféle, aktív adatküldések idején pedig 17-féle feszültségszint mérhető. Az állapotok magas száma és a zajok hatása miatt a vezetékeken továbbított jelek digitális helyett inkább analógnak tűnnek. Analóg jellege miatt a rendszer érzékenyebb a kábelezési és végszerelési hibákból fakadó zajokra.

A küldő állomás az adatokat gondosan felosztja négy egymással párhuzamos folyamra, kódolja, elküldi, ezt követően a párhuzamos folyamokat egyetlen bitfolyamba kell összeállítani. . Az 1000BASE-T a fél-duplex és a duplex működést egyaránt támogatja, ám a duplex 1000BASE-T az elterjedtebb.

1000BASE-SX és LX

Az 1000 Mbit/s sebességű változatok mindegyike azonos időzítéseket, keretformátumot és átvitelt használ. A fizikai rétegben két jelkódolási sémát definiáltak. A 8B/10B sémát optikai szálas és árnyékolt rézkábeleken használják, az 5-ös típusú impulzusamplitúdó-modulációt (pulse amplitude modulation, PAM5) pedig UTP kábeleken.

Az 1000BASE-X 8B/10B kódolást használ, amelyet nullára vissza nem térő (non-return to zero, NRZ) vonali kódolás követ. Az NRZ kódolás az időablakon belüli jelszinttel jelzi a bitperiódus bináris értékét. Az említett kódolási sémák túlnyomó része élvezérelt, ám ez velük ellentétben szintvezérelt. Annak meghatározása tehát, hogy adott bit értéke nulla vagy egy, nem a jelszint változása, hanem a jelszint alapján történik.

Az NRZ jeleket impulzusok formájában, rövid vagy hosszú hullámhosszú fénnyel juttatjuk az optikai szálra. A rövid hullámhossz 850 nm-es lézert vagy LED-es fényforrást jelent többmódusú optikai szálon (1000BASE-SX). Ez az alacsonyabb költségű megoldás, ám csak kisebb távolságok áthidalására alkalmas.

A hosszúhullámú, 1310 nm-es lézerforrások egy- vagy többmódusú optikai szálakon használhatók (1000BASE-LX). Az egymódusú optikai szálakon lézert használva akár 5000 méteres távolságra is továbbíthatók a jelek. Mivel a LED vagy a lézerforrás teljes be- és kikapcsolásához idő kell, a fényimpulzusok valójában a fényerő erősödését és gyengülését jelentik.

A közeghozzáférés-vezérlés az összeköttetést pont-pont jellegűként kezeli. Mivel az adásra (transmit, Tx) és a vételre (receive, Rx) külön optikai szál szolgál, az összeköttetés eleve duplex jellegű. A Gigabit Ethernet összeköttetésnél két állomás között csak egyetlen ismétlő lehet.

A Gigabit Ethernet architektúrája

A duplex összeköttetések révén áthidalható távolságokat csak az átviteli közeg korlátozza, nem az oda-vissza jelterjedési idő. Lánc jellegű, csillag és kiterjesztett csillag topológia egyaránt alkalmazható. A fő kérdés inkább a logikai topológia és az adatfolyamok kezelése, nem az időzítések és a távolságkorlátok leküzdése.

Az 1000BASE-T UTP kábelek megegyeznek a 10BASE-T és a 100BASE-TX kábelekkel, kivéve azt, hogy az összeköttetéseknek jobb minőségűeknek kell lenniük; teljesíteniük kell az 5e kategóriára vonatkozó ISO D osztály (2000) követelményeket.

Az architektúrára vonatkozó szabályok módosítása az 1000BASE-T esetében nem javasolt. 100 méteres távolságon az 1000BASE-T erősen a hardvereszközök a továbbított jelek felismerésére vonatkozó képességeinek határán üzemel. Bármely kábelezési probléma vagy környezeti zaj működésképtelenné tehet egy egyébként megfelelő, a hosszkorlátok figyelembevételével épített kábelrendszert is.

A legjobb teljesítmény elérése érdekében érdemes az állomások és a hubok vagy kapcsolók közötti összeköttetéseken engedélyezni az automatikus egyeztetést. Ezzel egyben az is elkerülhető, hogy véletlenül hibásan adjuk meg a Gigabit Ethernet megfelelő működéséhez szükséges beállításokat.

8B/10B A 8B/10B kódolás biztosítja, hogy a jelfolyamban megfelelõ számú szintváltás legyen (10 bites kódszavanként legalább 3), ezáltal lehetõvé teszi a helyes órajel szinkron elõállítását. 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 megfelelõin kívül van még néhány érvényes, jelzésre használt kódszó. Ezeket a speciális kódszavakat használja az 1000Base-X PHY a 100Base-X-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.

4D-PAM5 a modulációval minden érpárra egy-egy 5 szintû jelet képez. Ez a kódtér bõvülés lehetõvé teszi egy 4 dimenziós 8 állapotú konvolúciós kódoló és a megfelelõ hibajavító Viterbi dekóder használatát, ami az átvitel során keletkezõ 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-rõl 125 Mbaudra csökkenthetõ.