Modul 4: Fast- und Gigabit- Ethernet

Transkript

1 Modul 4: Fast- und Gigabit- Ethernet :49:05 17:47:50 M. Leischner // K. Uhde Netze SS 2012 Folie 1

2 Ethernet: Namensregelung Beispiele: 10Base-T, 100Base-Fx, 10GBase-T Der Name enthält 3 Bereiche Der erste Bereich gibt die Geschwindigkeit an z.b. 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s, 10G (= 10 Gbit/s) Die 2. Angabe bezeichnet das Übertragungsverfahren: meistens Base (bzw. Broad... hier gab es ein Breitbandübertragungsverfahren 10Broad36) Die 3. Angabe entspricht dem verwendeten Medium z.b. T für Twisted Pair Viele Schnittstellen unterstützen z.b. Fast- und Gigabit- Ethernet Wie könnte automatisch die richtige Geschwindigkeit ausgewählt werden? :49:05 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 2

3 Auto-Negotiation (1) Normal Link Pulse (nur im 10 Mbit/s Ethernet Standard) 16 ms (+/ - 8 ms) Fast Link Pulse Burst (in den schnelleren Ethernet Standards) 16 ms (+/ - 8 ms) :49:05 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 3

4 Auto-Negotiation (2) Auto-Negotiation ermittelt die richtige Bitrate und Betriebsweise (über Fast Link Pulse Bursts auf der Basis des Link Integrity Test Pulse- Mechanismus) Gilt nur für die Standards auf der Basis von Twisted Pair: 10BaseT, 100BaseTx etc. Unterstützt Halbduplex- und Vollduplex- Betrieb und gewährleistet Kompatibilität zum Basisstandard IEEE Link Integrity Test Pulse-Mechanismus: Bei 10Base-T wird, wenn kein Datenverkehr statt findet, alle 16 +/- 8 ms ein Normal Link Pulse (NLP) mit einer Dauer von 100 ns gesendet. Auto-Negotiation verwendet Fast Link Pulse Bursts (FLP). Ein FLP Burst wird alle 16 +/- 8 ms und besteht 33 Pulsen (Pulsbreite ebenfalls 100 ns), die im Abstand von 62,5 7µs gesendet werden :49:05 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 4

5 Auto-Negotiation (3) Ein FLP Burst besteht aus 17 Clock- und 16 Datenpulsen (Abstand der Clock-Pulse µs). Alle ungeraden Pulse sind Clock Pulse und werden auf jeden Fall gesendet. Die geraden Pulse können gesendet (=1) oder nicht gesendet werden (=0) Informationen der Datenpulse: * Selector-Feld (5 Bit) bezeichnet Standard * Technology Ability-Feld (8 Bit) bezeichnet aktuelle Technologie des PHY Layer * 3 Bit: Remote Fault, Acknowledge, Next Page 16 ms (+/ - 8 ms) max. 33 Pulse :49:05 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 5

6 Fast Ethernet IEEE 802.3u, 100BaseX Wichtige Eckdaten kompatibel zu 10BaseX Komponenten Beibehaltung des Paketformats nach IEEE minimale Rahmenlänge: 64 byte maximale Rahmenlänge: byte Rahmenabstand: mind. 0,96 µs Topologie: Stern :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 6

7 Sublayering bei Fast Ethernet Medienunabhängige Teilschicht: Reconciliation Sublayer Medienabhängige Teilschichten: Physical Coding Sublayer (PCS), Physical Media Attachment (PMA), Physical Media Dependent (PMD) MAC Reconciliation MII PCS PMA PMD MDI Medium Wird von allen Ethernet Varianten verwendet Die Varianten mit höheren Bitraten erfordern in der Regel nur Änderungen in den unteren Teil-Schichten Bei Fast Ethernet kann im PCS die Manchester Codierung nicht mehr verwendet werden Warum??? :49:06 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 7

8 Sublayering bei Fast Ethernet Physical Coding Sublayer (PCS): Codierung und Decodierung der Daten als 4B/ 5B Signale, Generierung von Carrier-Sense- und Collision-Detect-Signalen 4B/ 5B Signale: Der Datenstrom wird zu 4 Bit langen Worten zusammengefasst und auf 5 Bit lange Worte abgebildet (4B5B - Codierung), wobei ungünstige Zustände (z.b. langen Folgen von Nullen) weggelassen werden. Physical Media Attachment (PMA): funktionale Schnittstelle (Transmit, Receive, Carrier Detect etc.) Transmit-Funktion: eine logische 1 wird mit Wechsel des Spannungspegels codiert, logische Null erzeugt keinen Wechsel Physical Media Dependent (PMD): Umsetzung der Daten in elektrische oder optische Signale z.b. 100 BaseTX, 100BaseFX :49:06 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 8

9 PCS: Binärer Blockcode 4B5B Ausschnitt der 4B5B Codierungstabelle Eingangsdaten Ausgangsdaten :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 9

10 100BaseTX Fast Ethernet auf Twisted Pair 4-adriges 100 Ohm Twisted Pair Kabel (Kat 5) max. Übertragungsrate: 100 Mbit/s Topologie: Stern 4B5B-Codierung mit MLT-3 (Multilevel Transmission Encoding 3, dabei wird bei einer logischen 1 zwischen 3 Spannungswerten z.b. +, 0, -, 0, +, 0... hin- und her geschaltet, bei einer logischen 0 wird der Pegel nicht verändert) max. Segmentlänge: 100m :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 10

11 Beispiele für die MLT- 3 Codierung bei 100BASE-TX Bit Länge :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 B Folie 11

12 100BaseFX Fast Ethernet auf Glasfaser max. Übertragungsrate: 100 Mbit/s Topologie: Stern 4B5B-Codierung mit NRZI (No Return to Zero/ Inverted: eine logische 1 erzeugt einen Wechsel im Pegel, bei einer logischen Null ändert sich der Pegel nicht) 1300 nm max. Segmentlänge: 412m (Halbduplex), 2000m (Vollduplex), mit Monomodefasern noch größere Entfernungen :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 12

13 Beispiele für die NRZ-I Codierung bei 100BASE-FX Bit Länge Warum wird bei 100 Base-FX nicht auch MLT-3 verwendet??? :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 13

14 NRZ-I und MLT-3 Codierung Binärfolge: NZR-I Code 1 wechselt zwischen 2 Ausgangspegeln MLT-3 Code 1 wechselt zwischen 3 Pegeln :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 14

15 100BaseT2, 100BaseT4 Fast Ethernet auf Twisted Pair (Kat 3) 2- bzw. 8-adriges 100 Ohm Twisted Pair Kabel max. Übertragungsrate: 100 Mbit/s Topologie: Stern komplizierte Codierung mit 5 bzw. 3 Spannungspegeln max. Segmentlänge: 100m praktisch ohne Bedeutung :49:06 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 15

16 Einfügen einer weiteren Teilschicht: MAC Control Sublayer (Implementierung einer Flusskontrolle) MAC Control (optional) MAC- Media Access Control Reconcilation MII PCS PMA PMD MDI Bei größeren Datenmengen bzw. höheren Übertragungsgeschwindigkeiten können die Eingangsspeicher leichter überlaufen. Empfänger benötigt eine Möglichkeit, den Datenstrom zu stoppen. Medium :49:06 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 16

17 Flusskontrolle Übermittlung von speziellen Kontrollpaketen auf Schicht 2, die nicht an die höheren Schichten weitergeleitet werden Kennzeichnung der MAC Control Frames durch reservierte, spezielle Nummer im Length-Field bisher nur Pause-Funktion definiert, anschließend 2 Byte Pause-Länge in ganzzahligen Vielfachen der Slotzeit (Empfänger des MAC Control Frames stoppt die Datenübertragung für Pause- Länge ) danach: entweder Pause-Länge läuft ab oder wird durch Pause- Länge = 0 überschrieben :49:06 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 17

18 Änderung bei Gigabit Ethernet: Aus dem MII wird das GMII (Gigabit Medium Independent Interface) MAC Control (optional) MAC- Media Access Control Reconcilation GMII PCS PMA PMD MDI Medium Einfügen des (Gigabit Media Independent Interface), einer Medien unabhängigen Schnittstelle, die für alle physikalischen Medien einheitlich ist GMII ist kein externes Interface, sondern ein Interface auf der Platine GMII ist optimiert für die hohe Datenrate von 1000 Mbit/s (doppelte Datenbreite und 5-fache Geschwindigkeit...) :49:06 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 18

19 Halbduplex Übertragung Bei einer Halbduplex Übertragung ist immer nur eine Senderichtung möglich: Senden oder Empfangen d.h. es wird nacheinander, zeitlich versetzt gesendet bzw. empfangen Im Halbduplex Betrieb sind Kollisionen möglich: Und zwar wenn an beiden Seiten der Anschlussleitung gleichzeitig angefangen wird zu senden. Vollduplex Übertragung Bei einer Vollduplex Übertragung können gleichzeitig Daten gesendet und empfangen werden :49:07 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 19

20 Gigabit Ethernet IEEE 802.3z und ab, 1000BaseX Der Gigabit Ethernet Standard sollte voll kompatibel zu den langsameren Varianten (10BaseX und 100BaseX) sein Beibehaltung des Paketformats nach IEEE Die minimale Rahmenlänge von 64 Byte und die maximale Rahmenlänge von 1518 Byte wurden ebenfalls weiter verwendet Es sollte auch Halbduplex Betrieb möglich sein Aufgabe: Welche Konsequenzen ergeben sich aus dieser Abwärtskompatibilität? :49:07 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 20

21 Gigabit Ethernet Im Halbduplex Betrieb können Kollisionen auftreten... Um CSMA/ CD zu unterstützen, ist eine Netzausdehnung von 100 m nicht möglich! Lösung: Im Halbduplex Betrieb werden Rahmen mit kleiner Länge künstlich mit Extension-Symbolen verlängert. Dazu werden diese Datenpakete im Reconcilliation Sublayer in größere Rahmen verpackt => Frame Extension :49:07 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 21

22 Paket mit Frame Extension Präambel SFD DA SA Type/ Länge Daten/ PAD FCS Extension minimale Rahmenlänge (= 512 ns) Slot Size (= ns) SFD: DA: SA: FCS: Start of Frame Delimiter Destination Address Source Address Frame Check Sum :49:07 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 22

23 Zur Steigerung der Effektivität bei Gigabit Ethernet Einführung von Frame Bursts, das sind mehrere Pakete eines Senders Nur das 1. Paket wird mit Extension Symbolen verlängert, danach ist min. Paketlänge möglich! 0,096 µs Abstand zwischen den Paketen (gefüllt mit Extension Signalen) max Byte in Folge (= Burst limit + max. Frame Size d.h. ein vor Ablauf des Burst Limit angefangenes Paket darf noch zu Ende gesendet werden) :49:07 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 23

24 Frame Burst Rahmen mit Extension Interframe Gap Rahmen Interframe Gap... Rahmen Burst limit = 8192 Byte max. Burst Länge = 9710 Byte :49:07 17:47:50 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 24

25 1000BaseSX Gigabit Ethernet auf Glasfaser 1000Base SX (Short Wavelength: 850 nm) Codierung 8B10B-Verfahren (dabei werden jeweils 8 Bit zu einem Wort zusammengefasst und auf ein 10 Bit langes Wort abgebildet, ungünstige Signalfolgen werden verhindert, nicht verwendete Worte als Möglichkeit Kontrolldaten zu übertragen...) nur Multimodefasern standardisiert max. Segmentlänge: m (62,5 / 50 µm Faser) :49:07 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 25

26 1000BaseLX 1000Base LX (Long Wavelength: 1300 nm) Codierung 8B10B-Verfahren Multimode- u. Monomodefasern standardisiert 1000BaseLX mit Multimodefaser: max. Segmentlänge: 550 m 1000BaseLX mit Monomodefaser: max. Segmentlänge: 5000 m :49:07 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 26

27 1000BaseCX Gigabit Ethernet auf Twinax- Kabel Codierung 8B10B-Verfahren max. Segmentlänge: 25 m Dieser Standard war vor der Variante mit Twisted Pair Kabel verfügbar, hat wenig Bedeutung :49:07 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 27

28 1000BaseT Gigabit Ethernet auf Twisted Pair (Kat 5) 4 Kabelpaare mit Parallelisierung der Daten auf 4 Leitungen => Datenrate je Kabel wird auf ein Viertel reduziert Vollduplexbetrieb auf jedem Kabelpaar (d.h. auf jedem Kabelpaar wird gleichzeitig empfangen und gesendet) Echokompensation zur Trennung von Empfangs- und Sendesignalen notwendig Multilevel-Codierung mit PAM-5 d.h. es werden 5 Amplitudenwerte verwendet (genaue Bezeichnung: 8B1Q4 = 8 Bit werden auf ein Wort aus 4 (5-wertigen) Symbolen abgebildet) max. Segmentlänge: 100 m :49:07 M. Leischner / K. Uhde Netze SS 2012 Folie 28