Gigabit Ethernet / IEEE 802.3z / IEEE802.3ab

Gigabit Ethernet / IEEE 802.3z / IEEE802.3ab

- Rozwinięcie technologii Ethernet w kierunku wsparcia transmisji z prędkością 1000 Mb/s.- Podział rozwoju standardu na dwa podkomitety: IEEE 802.3z dla łącz światłowodowych i ekranowanych oraz IEEE 802.3ab dla nieekranowanych kabli UTP.- Wykorzystanie wcześniej technologii opracowanych dla standardu Fibre Channel (802.3z) i 100Base-T2 (802.3ab).- Zachowanie zgodności z wcześniejszymi wersjami Ethernetu (pełna zgodność od podwarstwy MAC w górę).

IEEE 802.3z / 1000Base-SX, -LX, -CX

Wykorzystanie warstwy fizycznejtechnologii ANSI X3T11 Fibre Channel:

FC-0 definiuje elektromechaniczne łączam. in. prędkość transmisji,

FC-1 definiuje schemat kodowania 8B/10B.

Model architektury wewnętrznej IEEE 802.3z

Model architektury wewnętrznej IEEE 802.3z

Reconcilliation - konwersja danych z szeregowych na równoległe między MAC i GMII.

Gigabit Media Independent Interface (GMMI) - złącze do warstwy fizycznej (ścieżka danych 8-bitowa) nie mające charakteru fizycznego, lecz połączenia na poziomie obwodów scalonych.

Physical Coding Sublayer (PCS) - kodowanie danych 8B/10B, detekcja kolizji, obsługaautonegocjacji.

Physical Medium Attachment (PMA) - konwersja równoległo/szeregowa między PCS(125 MHz) i PMD (1250 MHz).

Physical Medium Dependent (PMD) - złącze do medium transmisyjnego realizujące przesyłanie sygnałów, występujące w kilku wersjach (dla 802.3z opartych na technicezapożyczonej ze standardu Fibre Channel).

Medium Dependent Interface (MDI) - styk fizyczny z medium transmisyjnym.

Typy interfejsów fizycznych Gigabit Ethernet

150 balanced shielded twinax cable

Category 5/5E 4-pair UTP cable

( = 1310 nm )

( = 850 nm )

1000Base-X CSMA/CD

W przypadku stosowania sieci Gigabit Ethernet w konfiguracjihalf-duplex konieczne było wprowadzenie modyfikacji pozwalającychna funkcjonowanie metody CSMA/CD zapobiegające zmniejszeniupromienia domeny kolizyjnej do ekstremalnie małych rozmiarów (20 m):

Carrier extension - wydłużono tzw. slot period (czas transmisjinajkrótszej ramki) z 512 bit (64 kB) do 4096 bit (512 B), wymaga touzupełnienia krótkich ramek o wypełnienie do w/w długości, którejest odrzucane po odebraniu ramki,

Frame bursting - stacja może nadać sekwencję krótkich ramek w jednymciągu, wypełniając przerwy między ramkami (IPG) sygnałem carrierextension (96 bitów); z punktu widzenia CSMA/CD jest to traktowanejako pojedyncza ramka; czas transmisji ograniczony licznikiem czasu.

Full duplex IEEE 802.3xZe względu na ograniczenia wnoszone przez metodę CSMA/CDw praktyce w sieciach Gigabit Ethernet stosuje się połączeniadwukierunkowe full-duplex, z wykorzystaniem przełącznikówlub tzw. full duplex repeaters (FDR).

FDR - przechowuje ramki odebrane z danego portu w buforze,bufory są odczytywane w pętli kolejno po wszystkich portach i transmitowane jednocześnie na wszystkich wyjściach; budowaprostsza niż dla przełącznika, ale obsługa IEEE 802.3x eliminujeograniczenia wnoszone przez CSMA/CD. Zapewniona jest kontrolapoprawności przesyłanych ramek.

Jumbo frames - niestandardowe wydłużenie dopuszczalnej długościramki do 9000 bajtów, opracowane przez Alteon Networks.

Gigabit Ethernet Interface Carrier

Opracowany przez producentów sprzętu standard złącza fizycznegoumożliwiający dołączanie do urządzeń Gigabit Ethernet modułówobsługujących wybrany typ medium fizycznego.

Kodowanie sygnałów w IEEE 802.3z

Kodowanie jest realizowane w podwarstwie PCS z wykorzystaniemmetody 8B/10B zapożyczonej z Fibre Channel FC-1.Każde 8 bitów odebrane z GMII jest zamieniane na grupę kodowąskładającą się z 10 bitów. Moduł PMA dokonuje serializacji grup kodowych i transmituje za pomocą kodu NRZI (jak w 100Base-FX).

Cele kodowania:- synchronizacja zegarów - eliminacja powtarzających się ciągów zer i jedynek,- dodatkowa sygnalizacja - wskazywanie początku/końca danych,- równowaga stałoprądowa (DC balance) - równe prawdopodobieństwo wystąpienia stanów zero i jeden (równe obciążenie mocy sygnału),- wykrywanie błędów - za pomocą kontroli parzystości (disparity control),- kodowanie zapewnia dużą gęstość zmian, ułatwia synchronizację.

Kodowanie 8B/10B

Grupa 8 bitów jest zamieniana na grupę kodową 10 bitów:- 3 najbardziej znaczące bity (y) są zamieniane na 4 bity (3B/4B),- 5 pozostałych bitów (x) jest zamienianych na 6 bitów (5B/6B),- każda grupa danych jest oznaczana /Dx.y/ np.

/D0.0/ = 000 00000 /D6.2/ = 010 00110 /D30.6/ = 110 11101

- dodatkowo jeśli GMII wystawia sygnał sterujący kodowane jest 12 oktetów przenoszących kody sterujące, oznaczane /Kx.y/ (specjalne),- w grupie kodowej nie może być więcej niż 6 zer lub jedynek,- specjalna sekwencja 7 bitów, zwana comma, jest używana przez PMA, do synchronizowania transmisji (0011111 lub 1100000), ponieważ występuje tylko w kodach /K28.1/, /K28.5/ i /K28.7/,- w celu zapewnienia równowagi DC stosuje się tzw. running disparity, czyli bieżącą zmianę parzystości.

Kodowanie 8B/10B - c.d.

- Tabele konwersji zawierają przypisania grup kodowych 8B/10B o parzystości dodatniej (więcej „1” niż „0”), ujemnej i neutralnej.W trakcie transmisji, po uzyskaniu synchronizacji kolejno przesyłanegrupy kodowe powinny mieć parzystość wyznaczoną przez poprzedniągrupę parzystość.

Code Group Name Data Octet Current RD- Current RD+ Ending RDD1.0 000 00001 011101 0100 100010 1011 sameD4.1 001 00100 110101 1001 001010 1001 flipD28.5 101 11100 001110 1010 001110 1010 sameK28.5 101 11100 001111 1010 110000 0101 flip

Przykłady kodowania parzystości:

Parzystość na końcu bloku 6-bitowego określa parzystość na wejściu bloku 4-bitowego.Parzystość na końcu bloku 4-bitowego określa parzystość grupy kodowej.Parzystośc na wejściu bloku jest determinująca tylko gdy blok zawiera tyle samo 0 i 1.

Running Disparity - przykład

Odbiornik otrzymuje grupy kodowe:

                101001    0110    +/-D5.6                 101001    0110    +/-D5.6                 001111    1010    -K28.5                 100100    0101    +D16.2

Jeśli odbiornik jest w stanie RD–:Beginning

RD6-bit block RD after 6-bit block 4-bit block

EndingRD

Code-group

- 101001 - 0110 - +/-D5.6 (maintain)- 101001 - 0110 - +/-D5.6 (maintain)- 001111 + 1010 + -K28.5 (flip)+ 100100 - 0101 - +D16.2 (flip)

Jeśli odbiornik jest w stanie RD+:Beginning

RD6-bitblock

RD after 6-bitblock

4-bitblock

EndingRD

Code-group

+ 101001 + 0110 + +/-D5.6 (Invalid for RD+ column)+ 101001 + 0110 + +/-D5.6 (Invalid for RD+ column)

+ 001111 + 1010 +ERROR invalid code (Invalid for

RD+ column)+ 100100 - 0101 - +D16.2

Ordered Sets- składają się z jednej, dwu lub czterech grup kodowych,- pierwsza grupa musi być grupą specjalną /K/,- druga grupa musi być grupą danych /D/.

/C/ = Configuration (/C1/ or /C2/) /C1/ = /K28.5/D21.5/config_reg[7:0]/config_reg[15:8]/

/C2/ = /K28.5/D2.2/config_reg[7:0]/config_reg[15:8]/

/K28.5/ zawiera comma, służy do synchronizacji.

Powtarzany ciąg /C1//C2/ przenosi 16-bitowy Configuration Register zawierający dane dla Auto-negocjacji.

/C1/ przestawia RD, /C2/ zachowuje RD.

/I/ = IDLE (/I1/ or /I2/) /I1/ = /K28.5/D5.6/

/I2/ = /K28.5/D16.2/

Ordered Sets - c.d.

Jest transmitowany nieustannie w czasie gdy brak danych do transmisji.

/I1/ jest transmitowany gdy RD+, służy do wymuszenia przejścia do RD–./I2/ jest transmitowany aby podtrzymać RD–.

/S/ = Start_of_Packet delimiter (SPD)/S/ = /K27.7/

Wskazuje początek sekwencji danych.

/T/ = End_of_Packet delimiter (EPD)

/T/ = /K29.7/

Wskazuje koniec sekwencji danych. Składa się z /T/R/I/ lub /T/R/R/.

Ordered Sets - c.d.

/R/ = Carrier_Extend /R/ = /K23.7/

/V/ = Error_Propagation

/V/ = /K30.7/

Używany do wydłużania transmisji krótkich ramek tzw. carrier extension,rozdzielania pakietów w trybie burst, do uzupełniania ramki aby sygnał /I/wypadł na parzystej pozycji grupy kodowej.

Obecność /V/ lub grupy niezdefiniowanej (invalid) wskazuje błąd lub kolizję.

Synchronizacja PCS

Synchronizację uzyskuje się po odebraniu 3 ordered sets, każdyzaczynający się od grupy kodowej zawierającej comma.Następnie, dla każdej, niezdefiniowanej lub zawierającej commana nieparzystej pozycji, grupy kodowej zwiększany jest licznik.Licznik jest obniżany po odebraniu ciągu czterech poprawnychgrup kodowych (również z comma, ale na parzystej pozycji).Wartość licznika nigdy nie spada poniżej zera, a jeśli osiągniecztery synchronizacja zostaje stracona.

Przykład: odbiór pierwszej comma

rx_code_group /K28.5/ /D21.5/ /Dx.y/ /Dx.y/ /K28.5/ /D2.2/ /Dx.y/ /Dx.y/ /K28.5/ /D16.2/code groupalignment

EVEN ODD EVEN ODD EVEN ODD EVEN ODD EVEN ODD

PCSsynchronizacjai auto-negocjacja

IEEE 802.3ab - 1000Base-T

- Technologia umożliwiająca transmisję Gigabit Ethernet na kablach UTP kategorii 5/5E.- Wykorzystuje wszystkie 4 pary do transmisji w obu kierunkach jednocześnie (rozwinięcie 100Base-T2) 4 x 250 Mbps = 1000 Gbps (wymaga układów typu echo cancellation).- Stosuje 4-wymiarowe kodowanie 4D-PAM5 (5 -poziomowe: –2, –1, 0,+1,+2 , por. MLT-3 w 100Base-TX).- W celu poprawienia stosunku sygnał/szum (obniżenia stopy błędów) wykorzystuje kodowanie splotowe Trellis-Viterbi (jak w modemach V.34 czy V.90).- Obróbka sygnałów wymaga zaawansowanych układów typu DSP (Digital Signal Processing).

IEEE 802.3ab - zakłócenia liniowe

Echo cancellation

Kodowanie 4D-PAM5

- umożliwia obniżenie tempa transmisji do 125MBaud na parę,- zawiera 54 = 625 możliwych kodów (przestrzeń 4-wymiarowa, każda para stanowi osobny wymiar przestrzeni stanów),- stosowane są tylko kody o stosunkowo dużej wzajemnej odległości w przestrzeni stanów w celu zmniejszenia stopy błędów,- kompatybilne z 100Base-TX (opuszczenie poziomów ±1, 1-na para.

PAM5 - przykład 2-wymiarowy

Zmniejszając liczbę dopuszczalnychstanów zwiększamy ich wzajemneodległości w przestrzeni stanów, tym samym zmniejszając prawdopodobieństwobłędnej interpretacji.

Kodowanie splotowe Trellis - Viterbi

Forward Error Correction - zapewnia wykrywanie i usuwaniebłędów bez konieczności retransmisji,- w przypadku 1000Base-T podnosi stosunek sygnał/szum SNR o 6 dB, tj. BER 10-10,- rekompensuje wpływ kodowania PAM-5.

Kodowanie TrellisPrzykład najprostszego kodera 1:2

O0=S1S0i/p

O1=S1i/p

Diagram Trellis / dekodowanie Viterbi

Transmisja bez błędów

Transmisja z błędem w drugim kodzie, wybierane są przejścia z najmniejszą kumulatywną miarą liczby błędów.

10-Gigabit Ethernet / IEEE 802.3ae

- Full-Duplex Only / no CSMA/CD- Pacing Mechanism: 10 Gb/s for LAN and 9.584640 Gb/s for WAN (OC-192)- 10-Gigabit Media Independent Interface (10GMII) - 32-bit- Coding Techniques: 8B/10B (1-GbE), scrambling (SONET)- Forward Error Correction (BCH, R-S), BER 10-14

Serial Implementation Parallel Implementation

10-Gigabit Ethernet / IEEE 802.3ae

Typy laserów: Fabry-Perot (F-P) Laser, Distributed-Feedback (DFB) Laser,Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)WDM - Wavelength Division Multiplexing