5.5 Redes Locais (LAN) Gigabit Ethernet (GE) Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Departamento de Engenharia, Electrónica, Telecomunicações e Computadores Redes de Computadores
Gigabit Ethernet - Requisitos Compatível com redes 802.3 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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 2
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 3
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 - 1000 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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 4
Gigabit Ethernet Merging de 2 tecnologias Baseada nas normas: IEEE 802.3 LLC MAC ANSI X3T11 RC-1 RC-0 2007-02-26 Gigabit Ethernet 5
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 6
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 7
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 (217 + 556 + 488 + 556 + 217) x 2 = 4068 bits 2007-02-26 Gigabit Ethernet 8
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 9
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 10
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 / (4096 + 96 + 64) 12 % 2007-02-26 Gigabit Ethernet 11
Gigabit Ethernet - Bursting Distribuição do comprimento das tramas geradas 2007-02-26 Gigabit Ethernet 12
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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 13
Gigabit Ethernet - Bursting IFG = 96 bits 2007-02-26 Gigabit Ethernet 14
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 + [(65536-4096) / (512 + 96 + 64)] 93 η = 93 * 512 / (4096 + 92 * (512 + 96 + 64)) 72 % 2007-02-26 Gigabit Ethernet 15
Eficiência Eficiência em função do comprimento do burst 2007-02-26 Gigabit Ethernet 16
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 = 65536 bits a Ethernet 10 Mbps 1 bit time = 100 ns b Ethernet 10 Mbps InterFrameGap = 9,6 μs 2007-02-26 Gigabit Ethernet 17
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 18
Gigabit Ethernet - Interfaces físicas Distâncias máximas (em Full-Duplex) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 19
Gigabit Ethernet - 1000 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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 20
Gigabit Ethernet - 1000 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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 21
Gigabit Ethernet - 1000 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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 22
Gigabit Ethernet - 1000 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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 23
Gigabit Ethernet - 1000 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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 24
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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 25
Gigabit Ethernet - 1000 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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 26
Gigabit Ethernet - 1000 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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 27
GE - 1000 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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 28
Gigabit Ethernet - 1000 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- 2007-02-26 Gigabit Ethernet 29
Gigabit Ethernet - 1000 Base T (4) Cabo Crossover Interface de ligação entre dois hubs ou duas NICs RJ 45 2007-02-26 Gigabit Ethernet 30
1000Base-T - Espectro de frequência Semelhante ao do 100Base-TX 2007-02-26 Gigabit Ethernet 31
Gigabit Ethernet - 1000 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) 2007-02-26 Gigabit Ethernet 32
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. 2007-02-26 Gigabit Ethernet 33
Autonegociação 2007-02-26 Gigabit Ethernet 34
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 2007-02-26 Gigabit Ethernet 35