Redes de Computadores

Transcrição

1 5.5 Redes Locais (LAN) Gigabit Ethernet (GE) Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Departamento de Engenharia, Electrónica, Telecomunicações e Computadores Redes de Computadores

2 Gigabit Ethernet - Requisitos Compatível com redes Manter o mesmo protocolo de nível MAC da Fast Ethernet Para detectar colisões é necessário que o comprimento mínimo da trama seja suficiente para encher de bits todo o comprimento da rede duas vezes (slot time) Manter o formato da trama Ethernet Aumentar a velocidade de transmissão para 1000Mbps O comprimento ocupado por um bit no meio físico diminui 10 vezes Gigabit Ethernet 2

3 Gigabit Ethernet Objectivos: Ligação entre equipamentos activos (Switches, Routers) Ligação a estações de trabalho de alto desempenho (GNIC) Características Definido na norma IEEE 802.3z (1998/06) para fibra óptica e cabo coaxial Definido na norma IEEE 802.3ab (1999/06) para UTP5 Define modo Shared e Full-Duplex Na prática só se usa Full-Duplex Gigabit Ethernet 3

4 Arquitectura do protocolo Gigabit Ethernet LLC Media Access Control (MAC) Full-duplex e/ou Half-duplex Gigabit Media Independent Interface (GMII) Codificador/descodificador 8B/10B Base-X Codificador/descodificador 1000 Base-T Twinax 25m 1000 Base-CX Twinax 1300nm SMF 1000Base- LX SMF 3 Km 850nm MMF 1000Base-SX MMF 550m UTP 1000Base-T UTP 100m T4 4 pares de fio de cobre entrelaçado (cabo telefónico) TX - 4 pares de fio de cobre entrelaçado (cabo de dados) Gigabit Ethernet 4

5 Gigabit Ethernet Merging de 2 tecnologias Baseada nas normas: IEEE LLC MAC ANSI X3T11 RC-1 RC Gigabit Ethernet 5

6 Gigabit Ethernet Exemplo de utilização Farm server Switch/router 1 Gbps Switch/router 1 Gbps 1 Gbps Print server Ethernet switch Print server Ethernet switch 100 Mbps 100 Mbps Hub Hub 10 Mbps 10 Mbps LOCAL X LOCAL Y Gigabit Ethernet 6

7 Gigabit Ethernet - Introdução (2) Opções: Diminuir o comprimento máximo da rede para 1 repetidor Só é permitido um repetidor entre duas máquinas atraso menor com a generalização das topologias de cabos UTP em estrela centralizados em hubs, com limitações de distância na ordem dos 100m entre Hub e máquina resulta um comprimento de rede de 200m Aumentar o comprimento mínimo da trama para 512 bytes Carrier extension - quando a rede tem que enviar uma trama inferior a 512 bytes a estação continua a transmitir um sinal especial até fazer o tempo dos 512 bytes Aproveita a margem de segurança que existia nas normas anteriores para não aumentar mais o comprimento mínimo de trama Gigabit Ethernet 7

8 IEEE 802.3ab - Cálculo do Slot Time Comprimento máximo de um segmento L = 100 m Comprimento máximo da rede 2 Segmento + 1 Repetidor Velocidade de Transmissão Vt = 1000 Mbps = 10 9 bps Tempo de bit bt = 1/Vt = 10-9 s = 0,001 µs = 1 ns Velocidade de Propagação Vp = C x 2/3 = 3x10 8 x 2/3 = 2x10 8 m/s Tempo de Propagação num segmento L / Vp = 0,5 µs = 500 bt Espaço de bit Lb = Tb x Vp = 10-9 x 2x10 8 = 0,2 m Atraso máximo de um repetidor Dr = 488 bt Atraso máximo de um DTE Dd = 217 bt Slot time = 2 x Bits na rede + margem de segurança = 4096 bits M1 S1 R1 S2 M2 ( ) x 2 = 4068 bits Gigabit Ethernet 8

9 Gigabit Ethernet MAC - Alterações Alterações introduzidas na camada MAC Slot time passa a 512 bytes (4096 bits) Carrier Extension Alteração do formato da trama Carrier Extension Possibilidade de fazer Bursting Gigabit Ethernet 9

10 Gigabit Ethernet - Formato da trama 7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes 46 a 1500 bytes 4 bytes 0 a 448 bytes Preambulo SFD DA SA Tipo/Comp Dados FCS Extensão 64 bytes min. 512 bytes min. Cobertura do FCS SFD Start of Frame delimiter DA Destination Address SA Source adress FCS Frame Check Sequence Gigabit Ethernet 10

11 Carrier extention: Eficiência No pior caso temos tramas de 64 bytes (512 bits) que são enviadas com carrier extention (4096 bits), preâmbulo (64 bits) e um inter-frame gap (96 bits) η = 512 / ( ) 12 % Gigabit Ethernet 11

12 Gigabit Ethernet - Bursting Distribuição do comprimento das tramas geradas Gigabit Ethernet 12

13 Gigabit Ethernet - Bursting Objectivo Melhorar a baixa eficiência da Gigabit Ethernet para tramas menores que 512 bytes (aproximadamente 50%) Funcionamento A primeira trama é enviada normalmente com carrier extension se for necessário Evita a retransmissão de várias tramas no caso de colisão As restantes tramas são enviadas a seguir separadas por um inter-frame gap especial e sem carrier extension até expirar o burst timer (65536 bit time) Gigabit Ethernet 13

14 Gigabit Ethernet - Bursting IFG = 96 bits Gigabit Ethernet 14

15 Eficiência (com Bursting) No pior caso temos tramas de 64 bytes (512 bits) que são enviadas num burst (65536 bits) com preâmbulo (64 bits) e um inter-frame gap (96 bits). A primeira trama leva carrier extention (4096 bits). Tramas no Burst = 1 + [( ) / ( )] 93 η = 93 * 512 / ( * ( )) 72 % Gigabit Ethernet 15

16 Eficiência Eficiência em função do comprimento do burst Gigabit Ethernet 16

17 Parâmetros MAC 1000 Mbps (802.3z) SLOT Time = 512 bit times a (1 bit time = 1 ns) InterFrameGap (mínimo) b = 96 bit times Attemptlimit = 16 tentativas backofflimit = 10 jamsize = 32 bits maxframesize = 1518 bytes minframesize = 64 bytes (512 bits) Address size = 48 bits Burst Limit = bits a Ethernet 10 Mbps 1 bit time = 100 ns b Ethernet 10 Mbps InterFrameGap = 9,6 μs Gigabit Ethernet 17

18 Gigabit Ethernet - Meios físicos 1000BASE-LX (Long Wavelength) (IEEE 802.3z) Ligações entre campus (switch a switch) Até 5Km usando fibra monomodo 1000BASE-SX (Short Wavelength) (IEEE 802.3z) Backbones dos Campus, Backbones entre andares (switch a switch) Até 550m usando fibra multimodo 1000BASE-CX (Short Haul Copper) (IEEE 802.3z) Clusters de servidores e ligações entre switches Até 25m usando COAX (twinax) 1000BASE-T (Long Haul Copper) (IEEE 802.3ab) Ligações de switches a estações e servidores Até 100m usando UTP Cat. 5 / 5e Gigabit Ethernet 18

19 Gigabit Ethernet - Interfaces físicas Distâncias máximas (em Full-Duplex) Gigabit Ethernet 19

20 Gigabit Ethernet Base SX Características: 2 fibras ópticas: Tx e Rx Fibra Multimodo (MM) Distância máxima switch - máquina: 550m Velocidade de sinalização: 625MBaud Codificação: 8B/10B Conector: Duplex SC MT-RJ Duplex LC Definido no standard IEEE802.3z (1998) Gigabit Ethernet 20

21 Gigabit Ethernet Base LX Características: 2 fibras ópticas: Tx e Rx Fibra Multimodo (MM) e Monomodo (SM) Distância máxima switch - máquina: 5Km Velocidade de sinalização 625MBaud Codificação: 8B/10B Conector: Duplex SC MT-RJ Duplex LC Definido no standard IEEE802.3z (1998) Gigabit Ethernet 21

22 Gigabit Ethernet Base CX Características: (em desuso) 2 cabos twinax: Tx e Rx (cada cabo coaxial tem 2 condutores - balanceados - 150Ω) Distância máxima switch - máquina: 25m Velocidade de sinalização: 625MBaud Codificação: 8B/10B Conector: DB9 ou HSSC Definido no standard IEEE802.3z (1998) Gigabit Ethernet 22

23 Gigabit Ethernet Base CX Cabo twinax 2 condutores: T+ e T- (transmissão balanceada) Malha ligada à massa para protecção contra ruído Cada Interface usa 2 cabos twinax Gigabit Ethernet 23

24 Gigabit Ethernet Base ZX Características: 2 fibras ópticas monomodo (SM): Tx e Rx 10 micron SMF - NDSF 70Km FD 10 micron SMF - DSF 100Km FD Distância máxima: 70 ou 100 Km Velocidade de sinalização: 625MBaud Codificação: 8B/10B Conector: Duplex SC (N)DSF - (Non) Dispersion Shifted Fiber Gigabit Ethernet 24

25 Codificação 8B/10B Características Uma codificação 5B/6B e outra 3B/4B Boa densidade de transições para recuperação do clock Bom balanceamento DC Partindo de 8 bit (ABCDEFGH) gera Códigos /Zx.y/ x = EDCBA (0..31) e y = HGF (0..7) Dois tipos de códigos (Z): D (Data) e K (Special) Gigabit Ethernet 25

26 Gigabit Ethernet Base T (1) Características: 4 Pares de fio (UTP Cat. 5/5e) 4 para transmissão e 4 para recepção (250Mbps x 4) (cancelamento de eco) Distância máxima switch - máquina: 100m Codificação: Trellis 4D 8-state - PAM5 - pulse shaping Sinais de 2 bits 4 Sinais + 1 para correcção de erros Frequência de operação: 62,5MHz Uso massivo de DSP (Digital Signal Processor) Definido no standard IEEE802.3ab (1999) Gigabit Ethernet 26

27 Gigabit Ethernet Base T (2) Transmissão simultânea nos 4 pares UTP Cada par é usado para transmissão e para recepção Circuitos híbridos para separação entre TX e RX Canceladores de eco para retirar o eco introduzido devido aos circuitos híbridos Gigabit Ethernet 27

28 GE Base T - Funções realizadas Codificação Trellis 4D 8-state e descodificação Viterbi Mecanismos de correcção de erros de transmissão (FEC) Codificação PAM5 Codificação a 5 Níveis para FEC e redução da largura de banda Baseband Pulse Shaping Filtra o sinal de modo a fazer corresponder o seu espectro com o do meio de transmissão (125MHz) Equalização (FFE e DFE) Trabalha o sinal de forma a compensar a distorção que acontece no meio de transmissão (filtros FIR) Scrambler Transforma o símbolos a transmitir de forma pseudo-aleatória para eliminar concentrações espectrais, favorecendo também as funções adaptativas do receptor Gigabit Ethernet 28

29 Gigabit Ethernet Base T (3) Cabo Straight Through Interface de ligação entre hub e a placa de rede (NIC) RJ 45 Name NIC Color Color HUB Name BI_DA+ 1 White/Orange White/Orange 1 BI_DA+ BI_DA- 2 Orange Orange 2 BI_DA- BI_DB+ 3 White/Green White/Green 3 BI_DB+ BI_DC+ 4 Blue Blue 4 BI_DC+ BI_DC- 5 White/Blue White/Blue 5 BI_DC- BI_DB- 6 Green Green 6 BI_DB- BI_DD+ 7 White/Brown White/Brown 7 BI_DD+ BI_DD- 8 Brown Brown 8 BI_DD Gigabit Ethernet 29

30 Gigabit Ethernet Base T (4) Cabo Crossover Interface de ligação entre dois hubs ou duas NICs RJ Gigabit Ethernet 30

31 1000Base-T - Espectro de frequência Semelhante ao do 100Base-TX Gigabit Ethernet 31

32 Gigabit Ethernet Base TX (1) Características: 4 Pares de fio (UTP Cat. 6) 2 para transmissão 2 para recepção (500Mbps x 2) Distância máxima switch - máquina: 100m Codificação: Frequência de operação: 125MHz Definido no standard TIA/EIA 854 (2002) Gigabit Ethernet 32

33 Autonegociação Um método opcional de configurar o modo de operação das portas de forma Automática Procurar um modo das 2 placas NIC que partilham o mesmo link UTP se comunicarem independentemente da versão Ethernet que utilizem. A autonegociação é realizada a nivel da camada física durante os procedimentos de inicialização do link. Não utiliza o overhead adicional. As placas NIC fazem o seguinte: Publicitam a sua versão Ethernet e outras opções à NIC no outro extremo. Confirmam a recepção a sua interpretação dos modos de operação a partilhar pelas NIC. Configuram cada NIC para o modo operacional comum mais elevado. Rejeitam os outros modos de operação. A autonegociação é especificada como opção para as versões 10Base-T, 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-T2 e 1000Base-T Gigabit Ethernet 33

34 Autonegociação Gigabit Ethernet 34

35 Sumário e bibliografia Sumário Requisitos Aplicações em redes Exemplos Arquitectura do protocolo Calculo de slot-time Formato da trama Bursting e calculo de eficiência Aspectos do Meio físico Autonegociação Bibliografia Gigabit Ethernet: Migrating to High-Bandwidth Lans, Jayant Kadambi, Mohan Kalkunte, Ian Crayford, Prentice Hall "Switched, Fast, and Gigabit Ethernet (Mtp Network Engineering Series), Robert Breyer, Sean Riley, Macmillan Technical Pub Gigabit Ethernet 35