Gigabit Ethernet

Ethernet je bez sumnje najrasprostranjenija mrežna tehnologija danas. Od svog nastanka, u Xerox laboratorijama 70-tih godina, doživeo je brojna unapređenja, koja su standard vodila od 10 Mbps (miliona bita u sekundi), preko 100 i 200 Mbps (Fast Ethernet), do fantastičnih 1 i 10 Gbps (milijardi bita u sekundi).

Gigabit Ethernet standard je predložen 1997. sa ciljem da bude potpuno kompatibilan sa već tada brojnim Ethernet instalacijama. Zbog ovoga je bilo potrebno da se sačuva originalni Ethernet CSMA/CD protokol, ali i nešto kasnije uvedeni Full Duplex način rada. Osim rada po bakarnim vodovima (IEEE 802.3ab), predviđeni su i režimi rada po optičkim kablovima (IEEE 802.3z), kao i po kratkim koaksijalnim kablovima.

Inicijalno, Gigabit Ethernet je zamišljen kao tehnologija za pojačavanje protoka po  mrežnim magistralama (Backbone), kao i za povezivanje sve jačih radnih stanica i server računara.

Fizički sloj

Fizički sloj Gigabit Etherneta koristi mešavinu proverenih tehnologija originalnog Etherneta i Fibre Channel specifikacije:
1000Base-X je zasnovan na ANSI Fibre Channel modelu i obuhvata 1000Base-SX (850 nm laser na multi-mod optičkim vlaknima), 1000Base-LX (1300 nm laser na single i multi-mod vlaknima), 1000Base-CX (kratki širmovani STP kabl).
1000Base-T je standard za prenos preko dužih bakarnih UTP vodova. Prvobitna ideja je bila da se iskoriste postojeće trase kategorije 5, dužine od 25 do 100m.

MAC

MAC sloj Gigabit Etherneta koristi CSMA/CD protokol, a maksimalna dužina kablovskog segmenta koji povezuje računare je ograničen CSMA/CD protokolom (ako dve stanice primete slobodan medijum i počnu da slanjem podataka nastaje kolizija…).

Minimalna dužina Ethernet paketa je 64 bajta, a razlog za postojanje ove minimalne dužine je da se spreči da stanice završe prenos paketa podataka pre nego što prvi bit stigne do daljeg kraja kabla, gde se može sudariti sa drugim paketom. Tako je najmanje vreme za detekciju kolizije vreme koje je potrebno signalu da pređe sa jednog na drugi kraj kabla.

Najveća dužina kabla unutar Ethernet standarda je 2,5 km (sa najviše 4 ripitera). Kako se brzina prenosa povećava, računari sve brže prenose pakete. Kao rezultat, ako se zbog kompatibilnosti sa postojećim instalacijama zadrži ista veličina paketa i maksimalna dužina kablova, može se desiti da računari prebrzo prenose pakete i ne detektuju koliziju na drugom kraju kabla.

U ovom slučaju, samo dve stvari mogu da se urade:
a) da se zadrži maksimalna dužina kabla i smanji minimalna veličina paketa, ili
b) da se zadrži minimalna veličina paketa i smanji maksimalna dužina kabla.

Kao primer ovog problema može nam poslužiti Fast Ethernet, kod koga je maksimalna dužina kabla prethodno ograničena na samo 100 m, bez promene minimalne dužine paketa u odnosu na Ethernet.

Očigledno je da u slučaju Gigabit Etherneta nema smisla ponovo ograničavati dužinu kabla. Pošto je 10 puta brži od Fast Etherneta, 10 puta manja dužina je samo 10 m, što i nije neka upotrebljiva razdaljina, zar ne?

Umesto da smanjuju dozvoljenu dužinu kabla, tvorci Gigabit Etherneta su primenili svojevrsno lukavstvo. Ujedno i  jesu i nisu uvećali minimalnu veličinu paketa na potrebnih 512 bajta. Da bi se zadržala kompatibilnost sa starijom mrežnom “braćom”,  minimalna veličina paketa nije promenjena, osim ako je paket kraći od 512 bajta, kada se dopunjuje dodatnim simbolima. Ovaj proces se naziva “Ekstenzija nosioca” (Carrier Extension).

Međutim, pažljivijom analizom primetićete da “ekstenzija nosioca” jeste rešenje, ali da realno smanjuje propusni opseg mreže. Toliko, da ako se prenosi veliki broj malih paketa, rezultujuća performansa je jedva nešto bolja od starog-dobrog Fast Etherneta (jer se u malim paketima prenosi čak 488 nekorisnih bajta).

Tako dolazimo do novog trika, koji se naziva “erupcija paketa” (Packet Bursting). Kada računar ima potrebu da prenese veći broj paketa, paketi se dodaju jedan na drugi dok se ne prevaziđe minimalna dužina paketa, ili ne dostigne maksimalna dužina od 1.500 bajta. Ovim je i problem prenosa manjih paketa rešen.

Bakarni kablovi

Kako je prethodni Fast Ethernet standard zahtevao primenu 4-paričnih upredenih bakarnih parica kategorije 5 (ANSI/EIA/TIA 568-A), Gigabit Ethernet se našao pred problemom prenosa 1000 Mbps preko postojećih vodova projektovanih za samo 100 Mbps. U tehničkom smislu ovakav zadatak nailazi na niz ozbiljnih problema vezanih za nivo slabljenja signala, preslušavanje parica i efekte radio-frekventnog zračenja i smetnji.

Slabljenje (Attenuation) je gubitak signala na putu od predajnika do prijemnika. Kako slabljenje raste sa frekvencijom, projektanti teže da koriste najnižu moguću frekvenciju, koja je konzistentna sa željenom brzinom protoka.

Eho (Echo) je nuz-produkt dvosmernog prenosa (Duplex), gde i prijemni i predajni signal zauzimaju istu paricu.

Preslušavanje (Crosstalk) je neželjeni signal koji nastaje između susednih parica. Pri radu sa 4 parice, na svaku paricu utiče preslušavanje sa susedne 3 parice. NEXT je preslušavanje na bližem kraju, a FEXT na daljem kraju parice. FEXT nivo nije definisan za kategoriju 5.Srećom razvoj DSP čipova (Digital Signal Processor) i novih telekomunikacionih tehnika je pristigao taman za rešenje ovih problema. Evo kako:
- koristiće se sve 4 postojeće parice, pri čemu se mora poštovati EIA-568-A standard,
- na paricama će se koristiti brzina simbola do ili ispod 125 Mbaud-a (baud je simbol u sekundi, a simbol može da ima više stanja od binarnih 0 i 1).
- koristiće se PAM-5 enkodovanje podataka da bi se povećala količina informacija prenesena svakim simbolom (umesto binarnih 0 i 1, od jednom se prenosi 5 stanja: -2, -1, 0, 1 i 2).
- koristiće se Trelis 8-stepena predikciona korekcija grešaka (Forward Error Correction) da bi se umanjio uticaj šuma i preslušavanja
- koristiće se tehnika uobličavanja signala da bi se ograničio spektar
- koristiće se specijalne DSP tehnike ekvilizacije da bi se umanjio uticaj šuma, eha i preslušavanja…

I da skratimo priču, ovim se efektivno dobija 4 x 250 MBps, odnosno željeni Gigabit. Pri ovome su elegantno pozajmljena pojedina napredna rešenja iz prethodnih Fast Ethernet standarda:
- Rad na 125 Mbauda je preuzet iz standarda 100Base-TX,
- Rad na 4 parice je preuzet iz standarda 100Base-T4,
- DSP tehnika i kvinarno enkodovanje (5 stanja) od 100Base-T2.

 Ipak, iako su se projektanti potrudili, instalirani UTP kabl kategorije 5 ipak nije 100% siguran za prenos Gigabit Etherneta, te se ubrzo posle objavljivanja Gigabit Ethernet standarda pojavila potreba za višim standardima kablova, i to kao kategorija 5E, 6 i 7.

Uticaj preslušavanja parica na bližem (NEXT) i daljem kraju (FEXT)

5 ili 5E, pitanje je sad?
Nivo međusobnog preslušavanja signala između 4 parice unutar Gigabit Ethernet kabla je toliki, da ako je pri montiranju kabla došlo da samo nekoliko milimetara većeg raspredanja parica – Gigabit Ethernet ne radi dobro. Procena je da takvih “malih” grešaka na postojećim atestiranim instalacijama kategorije 5 ima oko 10-20%, te je pametnije napraviti dodatnu rezervu u vidu više kategorije kablovskih sistema, nego popravljati trase koje ne rade.

Tako je nastala kategorija 5E, koja je u suštini uvela proveru par dodatnih parametara kabla i priključnog materijala, a danas se u novim instalacijama standardno primenjuje umesto kategorije 5.

Oprema

Gigabit Ethernet oprema se koristi tamo gde očekujemo najveće probleme sa protokom, a to su veze između snažnih Ethernet Switch uređaja (Uplink), kao i u slučaju povezivanje server računara na mrežu.

Zbog kompatibilnosti sa postojećim instalacijama Gigabit Ethernet LAN adapteri se često javljaju kao 10/100/1000 PCI karte, ali i kao uređaji specijalizovani za Gigabit UTP ili optičku vezu.

Noviji Fast Ethernet Switchevi mahom imaju bar jedan Gigabit Uplink port ili prazno mesto za njegovu ugradnju