Спецификации физической среды FastEthernet

В начале 1990-х годов стала ощущаться недостаточная пропускная способность классического Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. В 1995 г. комитетом IEEE был принят стандарт 802.3u, или FastEthernet, который позволяет предавать данные по сети со скоростью 100 Мбит/с, используя при этом тот же метод доступа CSMA/CD, что и классический Ethernet.

Все отличия технологии FastEthernet от Ethernet касаются только физического уровня. В FastEthernet сохранен неизменным уровень LLC, алгоритм доступа CSMA/CD, форматы кадров Ethernet. Это позволило сделать сети Ethernet и FastEthernet совместимыми, то есть выпускать сетевые адаптеры и другое оборудование, которое поддерживает оба стандарта.

Во всех спецификациях FastEthernet используется метод логического кодирования 4B/5B. При этом методе каждые 4 бита данных представляются 5 битами. Использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Однако прямое использование потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется и приемник не может определить момент чтения очередного бита.

Так как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100Мб/c, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мб/с.Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях.Признаком свободного состояния среды в спецификациях FastEthernet является передача по сети символа Idle, которому соответствует запрещенная комбинация 4B/5B11111, а не отсутствие несущей, как в Ethernet. Для отделения кадра от последовательности символов Idle используются специальные пары запрещенных символов.

В технологии FastEthernet, в отличие от классического Ethernet, используемый метод кодирования, а также количество используемых в кабеле проводников, будет зависеть от спецификации физического уровня.

На физическом уровне FastEthernet может использоваться три спецификации физического уровня для различных вариантов кабельных систем:

· стандарт 100Base-FX использует волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);

· стандарт 100Base-TX использует кабель витая пара категории 5 (UTP – Unshielded Twisted Pair) с полосой пропускания до 100 МГц (две пары);

· стандарт 100Base-T4 использует кабель витая пара категории 3 с полосой пропускания до 16 МГц (четыре пары).

Base-FX

Спецификация 100Base-FXиспользует волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна)и метод физическогокодирования NRZI - NonReturntoZeroInverttoones. Для построения сети 100Base-FX использование концентраторов является обязательным. Областью применения сетей 100Base-FX является построение магистралей локальных сетей. Максимальная дина сегмента сети 100Base-FX составляет 412 метров в режиме полудуплекс и 2 км в режиме полный дуплекс.

 

Одномодовое и многомодовое оптоволокно

Base-TX

Спецификация 100 Base-TXна сегодняшний день получила наибольшее распространение при построении локальных сетей. Она использует кабель витая пара категории 5 (UTP – Unshielded Twisted Pair) с полосой пропускания до 100 МГц (две пары);

Основным отличием стандарта 100Base-TX от 100Base-FX является использование метода физического кодированияMLT-3.  Кроме использования метода MLT-3, спецификация 100Base-TX отличается от спецификации FX тем, что в ней используется пара шифратор-дешифратор или (scrambler/descrambler). Шифратор принимает 5-битовые порции данных от подуровня PCS, выполняющего кодирование 4B/5B, и зашифровывает сигналы перед передачей на подуровень MLT-3 таким образом, чтобы равномерно распределить энергию сигнала по всему частотному спектру. Применение скремблера является вынужденной мерой позволяющей существенно снизить электромагнитные излучения в физической среде и оборудовании. При отсутствии скремблера излучение превышает предельно допустимые уровни. Логическое кодирование с использованием скремблера (далее скремблирование) представляет собой побитовое наложение с использованием операции исключающее или (XOR) псевдослучайного битового потока на битовый информационный поток.

Для построения сети использование концентратора является обязательным. Максимальная длина сегмента сети – 100 м, максимальный диаметр сети 200 м. При этом допускается использование не более двух последовательно соединенных концентраторов с расстоянием между ними не более 5 м.

Стандарт 100Base-T4

Преимуществом стандарта 100Base-T4 является использование кабеля витая пара категории 3, который имеет полосу пропускания до 16 МГц. Пропускная способность сети при этом повышается за счет использования не двух, а четырех витых пар. При этом используется метод кодирования 8B/6T, который кодирует каждые 8 бит данных последовательностью из 6 троичных (имеющих 3 состояния сигнала) цифр.

В стандарте 100Base-T4 три пары проводов используются для параллельной передачи данных, при этом скорость передачи по каждой паре 33,3 МГц соответствует спектру сигнала всего (33,3/8)*6=25 МГц. Четвертая пара проводов всегда используется для обнаружения коллизий.

Максимальная длина сегмента сети 100Base-T4 составляет 100 м. Несмотря на преимущества стандарта 100Base-T4 он был реализован позднее 100Base-TX и не получил широкого распространения. Большая часть сетевого оборудования FastEthernet, представленного на рынке, поддерживает стандарт 100Base-TX.

Функция автопереговоров

Функция автопереговоров (auto-negotiation) которая, реализована в большинстве видов сетевого оборудования FastEthernet, позволяет выпускать производителям универсальные устройства (сетевые адаптеры, концентраторы, коммутаторы и др.),использующие кабель UTP,  которые могут работать в одном из пяти режимов. При этом существует ограничение – все порты концентратора обязаны работать в одном режиме. Каждому режиму соответствует определенное значение приоритета. Ниже эти режимы приведены в порядке возрастания приоритета:

· 10Base-T;

· 10Base-T (полныйдуплекс);

· 100Base-TX;

· 100Base-T4;

· 100Base-TX (полный дуплекс).

Для организации переговорного процесса используются служебные сигналы проверки целостности линии технологии 10Base-T –LinkTestPulses, если узел-партнер поддерживает только стандарт 10Base-T. Узлы, поддерживающие функцию Auto-negotiation, также используют существующую технологию сигналов проверки целостности линии, при этом они посылают пачки таких импульсов, инкапсулирующие информацию переговорного процесса Auto-negotiation. Такие пачки носят название FastLinkPulseburst (FLP).

Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку импульсов FLP, в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер поддерживает функцию Auto-negotiation и также может поддерживать предложенный режим, то он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

Узел, который поддерживает только технологию 10Base-T, каждые 16 миллисекунд посылает импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Base-T и устанавливает этот режим работы и для себя.