Элементы технологии Ethernet

Существуют 4 стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с.

Ethernet имеет несколько модификаций. Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после " Base" означают тип кабеля (T " Twisted pair" " витая пара", F " Fiber optic" " оптоволоконный ", S " Short wavelength optic" " оптический коротковолновый ", L " Long wavelength" " длинноволновый ", C " short Copper cable"). Символ " X" означает наличие блока кодирования на физическом уровне. Например, 10Base-T означает спецификацию физического уровня для скорости 10 Мбит/с с методом доступа CSMA/CD и с использованием двух витых пар проводов; 100Base-FX для скорости 100 Мбит/с, CSMA/CD с применением двух многомодовых оптических кабелей.

Физический уровень состоит из среды передачи (оптический кабель или витая пара) и методов кодирования информации для каждой скорости передачи. На рисунке представлена структура канального и физического уровня Ethernet 100Base-T в соответствии со стандартом IEEE802.3. Здесь MDI " Medium Dependent Interface" интерфей с, зависящий от среды передачи данных; PMA " Physical Medium Attachment" дополнение физической среды передачи; PCS " Physical Coding Sublayer" подуровень физического кодирования; MII " Media Independent Interface" –интерфейс между подуровнями, не зависящий от типа линии передачи.

MDI это устрой ство для соединения линии связи с трансивером. Подуровень PMA включает в себя трансивер, а также схему синхронизации принимаемых данных. Подуровень PCS обеспечивает схему кодирования, мультиплексирования и синхронизации потока символов, а также выравнивание спектра кодового сигнала, демультиплексирование и декодирование. Подуровень согласования обеспечивает согласование интерфей са MII с MAC уровнем. Интерфей с MII, не зависящий от типа среды передачи, обеспечивает связь между уровнем MAC и подуровнем PHY.

Описанная структура 100Base-T с помощью MII может быть подключена к физическим уровням типа 100Base-T4 (использует 4 неэкранированные витые пары категории не ниже 3), 100Base-TX (использует 2 неэкранированные или экранированные витые пары категории не ниже 5), 100 Base- FX (использует два многомодовых оптических кабеля) и 100Base-T2 (использует две неэкранированные витые пары категории не ниже 3).

В структуре может еще присутствовать необязательный блок автоматического выбора скорости передачи. Термин " 100 Base-X" используется для общего обозначения 100Base-TX и 100 Base-FX.

Методы кодирования

Наиболее распространенные в промышленной автоматизации стандарты 10Base-T и 100 Base-TX используют манчестерский код для скорости передачи 10 Мбит/с и 4B/5B кодирование в сочетании с NRZI (NRZ Inverted инвертированный NRZ, для скорости 100 Мбит/с.)

При низкой скорости обмена (10 Мбит/с) используется манчестерский код, при котором логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий, а логический ноль переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры. В спектре манчестерского кода присутствует две ярко выраженные гармоники, которые при скорости передачи 10 Мбит/с составляют 10 МГц при передаче всех единиц и 5 МГц для сигнала, состоящего из чередующихся нулей и единиц.

Для уменьшения помех, излучаемых линией передачи при скорости 100 Мбит/с (100Base-TX), используется NRZI-кодирование, при котором двоичной единице соответствует смена уровня NRZI-сигнала, а нулю ее отсутствие. Высокий или низкий уровень NRZI-сигнала устанавливается в зависимости от того, какой уровень был до него. Логической единице соответствует изменение сигнала независимо от того, какой уровень присутствовал на шине ранее. Уровень не изменяется, если нужно закодировать логический ноль. Иначе говоря, логическая единица при NRZI-кодировании инвертирует предыдущее логическое состояние, поэтому в названии кода присут- ствует слово " Inverted".

NRZI-кодирование, как и NRZ, позволяет передать в два раза больше информации по сравнению с манчестерским кодированием при той же частоте смене уровней сигнала и, соответственно, в два раза понизить максимальную частоту излучаемых помех при той же скорости передачи информации. Максимальная частота смены уровней при NRZI кодировании понижается до 62, 5 МГц по сравнению с максимальной частотой смены уровней сигнала 125 МГц для скорости передачи 100 Мбит/с.

При переходе к скорости передачи 100 Мбит/с проблема снижения мощности излучаемых помех становится особенно остро, поэтому для дальней шего снижения ширины спектра сигнала в 100Base-TX вместо двухуровневого сигнала используется трехуровневый MLT-3 (" MultiLevel Threshold-3" многоуровневый 3-пороговый "). Благодаря тому, что для кодирования информации используются три уровня (а не два), увеличивается количество информации, которое может быть закодировано в сигнале при той же ширине спектра и длительности сигнала. Максимальная частота смены уровней сигнала при скорости передачи 100 Мбит/с снижается с 62, 5 МГц при NRZI-кодировании до 31, 25 Мгц при сочетании NRZI кода с MLT-3.

Поскольку при использовании NRZI-кодирования последовательность нулей кодируется нулевым уровнем сигнала, в передаваемом сигнале появляются последовательности из нескольких повторяющихся нулей, которые порождает проблему синхронизации на стороне приемника. Для ее устранения используют кодирование 4B/5B. Суть его состоит в следующем. К каждой тетраде (4 бита) передаваемых данных добавляется 5-й бит. Получившееся слово длиной 5 бит позволяет записать кодовых комбинаций, из которых исключают комбинации, имеющие три и более нулей. Оставшиеся комбинации ставят в соответствие шестнадцатеричным числам от 0 до F, получая таим образом таблицу кодирования. Этот подход позволяет обеспечить по край ней мере 2 фронта сигнала на одну тетраду, что упрощает синхронизацию данных в приемнике. Добавление пятого бита (25% от длины тетрады) влечет за собой необходимость увеличения частоты передачи со 100 МГц до 125 МГц для сохранения эффективной пропускной способности ка- нала 100 Мбит/с.

Диапазон частот, в котором мощность излучаемых помех максимальна, зависит от распределения нулей и единиц в передаваемых данных. При 4B/5B кодировании максимальная мощность помех приходится на частоту, с которой повторяются 5-битные последовательности. Для уменьшения помех можно выбрать такое шифрование (скремблирование) передаваемых данных, при котором мощность помех будет распределена по всему диапазону частот равномерно. Это выполняется с помощью блока скремблирования и позволяет на 20 дБ (в 10 раз) снизить мощность основной гармоники, распределив ее равномерно по всему диапазону излучаемых частот.

Перечисленные методы уменьшают ширину спектра до 31, 25 МГц при скорости передачи 100 Мбит/с.

Структурная схема блока PHY показана на рисунке. Блок состоит из приемного (внизу) и передающего (вверху) канала, которые через изолирующие трансформаторы подключаются к линии передачи (две витые пары) через разъем RJ-45. Трансформаторы используется для изоляции трансивера от высоких синфазных напряжений, которые могут появляться на линии вследствие электромагнитных и электростатических наводок.

Цоколевка разъема RJ45 показана на рисунке далее. При соединениях двух компьютеров (и других конечных станций, которые имеют идентичные разъемы) необходим перекрещивающий ся кабель, поскольку приемник должен быть соединен с передатчиком, и наоборот. При соединении компьютера с сетевыми устрой ствами (коммутаторами, повторителями и т.д.) используется прямой кабель, поскольку необходимые соединения контактов с печатной платой выполнены на самой плате. Многие современные Ethernet-коммутаторы автоматически определяют полярность жил кабеля, поэтому для них можно использовать оба варианта. Неиспользуемые выводы иногда применяются для передачи напряжения питания между устрой ствами.