Физический уровень технологии Fast Ethernet
Как мы уже отметили, все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.

Поэтому, рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня. Но если уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались прежними, то средства физического уровня полностью изменились, начиная от используемых видов кабеля, и заканчивая используемыми методами кодирования. Сейчас мы с вами в этом убедимся.

Итак, технология Fast Ethernet использует три варианта кабельных систем:

волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;

витая пара категории 5, используются две пары;

витая пара категории 3, используются четыре пары.

Как вы заметили, коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в этот перечень вообще не попал.

И это характерно не только для технологии Fast Ethernet. От коаксиальных кабелей стремятся избавиться все новые технологии. Поскольку на небольших расстояниях, витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, а сеть при этом получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших же расстояниях применяют оптическое волокно, которое обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Поэтому в Fast Ethernet отказались от коаксиальных кабелей.

Очевидно, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети стандартов 10Base-T и 10Base-F, которые мы рассматривали в предыдущем разделе.

Таким образом, официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

100Base-TX - для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

100Base-T4 - для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

100Base-FX- для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F), в технологии Fast Ethernet отличия одного варианта от другого намного глубже. Различные физические спецификации имеют и различное количество проводников, так и различные методы кодирования.

Для всех трех стандартов Fast Ethernet справедливы следующие характеристики:

1- форматы кадров технологии Fast Ethernet отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

2 - межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс, соответственно время передачи кадра минимальной длины равно 5,75 мкс. В то же время все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.) в битовых интервалах, остались прежними.

3 - признаком свободного состояния среды является передача по ней специального символа Idle соответствующего избыточного кода, а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с. Об этом мы поговорим ниже.

Эти параметры касаются общей части для всех трех физических спецификаций Fast Ethernet.

Для сравнения следующий рисунок показывает общее отличие кадров Fast Ethernet от кадров 10-мегабитного Ethernet.




Итак, давайте с вами познакомимся, по порядку, с физическими спецификациями, которые предложила технология Fast Ethernet. Эти спецификации разрабатывались с целью повышения пропускной способности Ethernet до значения 100 Мб/с. При этом следует еще раз отметить, что MAC уровень Ethernet не изменился.

Как мы уже сказали, все спецификации используют типовую топологию "звезда" и иерархическое соединение концентраторов с подключенными к нему узлами, как в стандарте 10Base-T и 10Base-F.


100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна
Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну. Каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rх) и от передатчика (Тх).

В принципе, нужно сразу отметить, что между спецификациями 100Base-FX и 100Base-TX есть много общего, поэтому общие для этих двух спецификаций свойства мы будем рассматривать под обобщенным названием 100Base-FX/TX.

Нам известно, что все стандарты физического уровня Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с для представления данных при передаче по кабелю используют манчестерское кодирование. В стандарте Fast Ethernet в спецификацию 100Base-FX/TX используется другой метод - кодирование избыточными кодами - 4В/5В.

В предыдущих уроках мы уже рассматривали, как работает метод 4В/5В. Сейчас мы еще раз это вспомним.

Метод кодирования 4В/5В

Итак, для того, чтобы передать данные по кабелю в 100Base-FX/TX используется метод кодирования 4В/5В. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет потом применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов для непосредственной передачи по кабелю.

Мы с вами не раз уже говорили, что потенциальные коды по сравнению с манчестерскими кодами имеют более узкий спектр сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля.

Но напрямую использовать "чистые" потенциальные коды для передачи данных невозможно использовать 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. Применение избыточного кода решает проблему длительной последовательности нулей.

При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком.

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.

Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и при свободном состоянии среды. И если в сетях Ethernet незанятое состояние среды означало полное отсутствие на ней импульсов информации. То для Fast Ethernet для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), которыми постоянно обмениваются передатчик с приемником. Этот специфический символ (запрещенная комбинация) поддерживает синхронизм передатчика и приемника в периодах между передачами информации, а также позволяет контролировать общее физическое состояние линии.




Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, и это существенно повышает устойчивость работы сетей с 100Base-FX/TX уже на самом низком - физическом уровне, а значит, приводит к увеличению эффективности сети в целом.

Теперь давайте рассмотрим структуру кадра для спецификаций 100Base-FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т.




Надо отметить, что коды 4В/5В построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации, поэтому длительные последовательности нулей здесь исключены. Но это только половина дела, ведь по кабелю все-таки передаются электрические сигналы, а не биты информации. Поэтому, даже после преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня, когда решилась проблема синхронизации приемника и передатчика при передаче кадров, их теперь нужно представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети.

Тут спецификации 100Base-FX и 100Base-TX расходятся в методах. И используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно.

С тем и с другим методом кодирования мы уже знакомы. Метод NRZI - усовершенствованный код NRZ. NRZI - это код без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Но он в отличие от NRZ, для представления 1 и 0 использует дифференциальное кодирование:

Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.

Этот метод поборол проблему длинных последовательностей единиц, которая была в NRZ, но оставил проблему длинных последовательностей нулей. Но эти последовательности в спецификации 100Base-FX, как и в 100Base-ТX предварительно устраняются кодированием 4B/5B.

Метод MLT3 еще более быстрый, по сравнению с методом NRZI, хотя и использует три уровня. О нем мы еще раз вспомним сейчас, когда поговорим более подробно о спецификации 100Base-ТX.

Таким образом, спецификации 100Base-FX и 100Base-TX в итоге обеспечивают более быструю и одновременно синхронизированную передачу кадров в кабеле по сравнению со спецификациями, которые использовались в сетях Ethernet, в которых использовалось хоть и самосинхронизирующиеся, но медленное манчестерское кодирование.

При этом стоит отметить, что такая картина организации работы физической среды используется во всех трех типах. То есть сначала данные кодируются методами логического кодирования, для обеспечения синхронизации, затем происходит потенциальное кодирование, а затем следует еще один этап, о котором мы поговорим ниже, поскольку это стандарт передачи данных спецификации 100Base-TX.

100Base-TX - витая пара UTP Cat 5 или STP Type 1, две пары
В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует кабель неэкранированную витую витую пару UTP категории 5 или экранированную витую пару STP Type 1.

Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.

Основные отличия от спецификации 100Base-FX, как мы уже сказали - использование метода кодирования MLT-3, который использует сигналы двух полярностей для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре.

Но самая отличительная возможность физического стандарта 100Base-TX - наличие специальной функции автопереговоров (Auto-negotiation). Она предназначена для согласованной работы Fast Ethernet со стандартами Ethernet.

Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы.

Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.

Схема Auto-negotiation сегодня является стандартом технологии 100Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства стандарта 100Base-TX или 100Base-T4 на витых парах;

10Base-T - работа с 2-мя парами категории 3;

10Base-T full duplex - работа с 2-мя парами категории 3, но это специфический режим работы, он не похож на те, которые мы с вами рассматривали. Он называется полнодуплексным. Но сразу скажу, что все относительно этого режима работы сети, мы сейчас не будем рассматривать, для этого у нас будет отдельное время. А пока просто отметим, что существует такой режим работы;

100Base-TX - используются 2 витые пары категории 5 (или Type 1A STP);

100Base-T4 - используются 4 витые пары категории 3;

100Base-TX full-duplex - 2 витые пары категории 5 (или Type 1A STP), работы в полнодуплексном режиме.

Давайте немного подробнее рассмотрим, как происходит переговорный процесс.

Для начала следует отметить, что в режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 - самый высокий.

Переговорный процесс начинается, как только устройство (сетевой адаптер, концентратор, коммутатор) включается в сеть питания.

Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP). Эти импульсы содержат 8-битное слово, которое определяет, в каком режиме нужно установить взаимодействие.

Если узел-партнер поддерживает функцию auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает также пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются.

Но, 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 Ethernet 10Base-T, как мы уже говорили в прошлом уроке, каждые 16 мс посылает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом (link test).

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.

Таким образом, стандарт 100Base-TX более усовершенствованный, он обеспечивает сетевым устройствам возможность выбора работы сети Fast Ethernet.

100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары
Спецификация 100Base-T4 появилась позже всех других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Дело в том, что разработчики всегда стремились добиться создания спецификаций очень близких к спецификациям Ethernet 10Base-T и 10Base-F. И они сначала разработали на стандарты высококачественной витой паре 5-й категории. Но дело в том, что исторически так сложилось, мы уже упоминали об этом, что в свое время массовое распространение получила витая пара 3-й категории, она была уже проложена в подавляющем числе зданий.

Поэтому спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать уже имеющуюся проводку на витой паре категории 3.

А общую пропускную способность эта спецификация позволяет повысить за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля.

Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается).

Каждые 8 бит данных уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами, то есть цифрами, имеющими три состояния.

Каждая такая троичная цифра имеет длительность 40 нс. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии.

Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с.

На нижнем рисунке приведен пример подключения устройств по стандарту 100Base-T4. Пара 1-2 всегда требуется для передачи данных от порта адаптера к порту концентратора, пара 3-6 -для приема данных портом адаптера от порта концентратора, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.




Таким образом, мы с вами рассмотрели основные параметры и особенности организации физических спецификаций Fast Ethernet. Каждый раз мы отмечали, что Fast Ethernet - это не самостоятельно отдельная новая технология, - это, скорее, усовершенствованная технология Ethernet (802.3) до значения пропускной способности 100Мб/с. Поэтому все средства Fast Ethernet разрабатывались в рамках согласованности с физическими спецификациями некоаксиального Ethernet - 10Base-T и 10Base-F. Потому как от коаксиальных кабелей отказались с самого начала. Мы также отметили, что Fast Ethernet использует ту же топологию и те же физические устройства, которые разработаны еще для Ethernet (802.3). Повышение производительности обеспечивается именно с помощью физических спецификаций Fast Ethernet (улучшенных методов кодирования и режимов работы).

Итак, мы разобрались, что, технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet, для образования связей в сети использует концентраторы. Теперь нам необходимо познакомится с правилами построения сегментов Fast Ethernet.

Прежде, чем перейти к вопросам построения сегментов сети, давайте расмотрим основные особенности разводки проводов витой пары. Мы с вами познакомились, что одни стандарты используют две пары проводов (10Base-T), другие (100Base-T4) могут использовать все четыре пары.

Для общего знакомства привожу варианты разводки кабеля витой пары для соединения двух и четырех пар проводов.

Разводка проводов витая пара
Если UTP кабель содержит только две пары, то стандарт предполагает следующую разводку (провода соответствующего цвета соединяются между собой):

10Base-T/100Base-TX
одна сторона цвет провода другая сторона
1 бело/оранж 1
2 оранж/белый 2
3 бело/синий 3
6 сине/белый 6


Для восьмижильного кабеля (четыре пары) существуют два стандарта соединения 568A или 568B. Оба этих варианта эквивалентны. Но обычно рекомендуют использовать стандарт 568A.

EIA/TIA-568A
одна сторона цвет провода другая сторона
1 бело/зеленый 1
2 зелен/белый 2
3 бело/оранж 3
4 сине/белый 4
5 бело/синий 5
6 оранж/белый 6
7 бело/коричн. 7
8 коричн./белый 8


EIA/TIA-568B, AT&T 258A
одна сторона цвет провода другая сторона
1 бело/оранж 1
2 оранж/белый 2
3 бело/зеленый 3
4 сине/белый 4
5 бело/синий 5
6 зелен/белый 6
7 бело/коричн. 7
8 коричн./белый 8


Как уже было сказано раньше, сам кабель витой пары помещается в стандартную вилку типа RJ-45.