Быстрый Ethernet: Стандарт 100 Мбит/с

Введение

Стандарты Ethernet, обеспечивающие передачу данных с номинальной скоростью 100 Мбит/с.

В компьютерных сетях физические уровни Fast Ethernet передают трафик с номинальной скоростью 100 Мбит/с. Предыдущая скорость Ethernet составляла 10 Мбит/с. Среди физических уровней Fast Ethernet наиболее распространенным является 100BASE-TX. Fast Ethernet был представлен в 1995 году как стандарт IEEE 802.3u и оставался самой быстрой версией Ethernet в течение трех лет, до появления Gigabit Ethernet. Для обозначения устройств, поддерживающих оба стандарта, иногда используется аббревиатура GE/FE.

Номенклатура

100 в обозначении типа среды указывает на скорость передачи данных 100 Мбит/с, а BASE – на базовую модуляцию. Буква после дефиса (T или F) обозначает физическую среду передачи сигнала (витая пара или оптоволокно, соответственно), а последний символ (X, 4 и т.д.) – используемый метод кодирования линии. Fast Ethernet иногда называют 100BASE X, где X – обозначение для вариантов FX и TX.

Общий дизайн

Fast Ethernet является расширением стандарта Ethernet со скоростью 10 Мбит/с. Он работает по кабелям витой пары или оптическому волокну в топологии «звезда-шина», аналогичной стандарту IEEE 802.3i, известному как 10BASE-T, который, в свою очередь, является развитием стандартов 10BASE5 (802.3) и 10BASE2 (802.3a). Устройства Fast Ethernet обычно обратно совместимы с существующими системами 10BASE-T, обеспечивая возможность обновления с 10BASE-T без замены оборудования. Большинство коммутаторов и других сетевых устройств с портами, поддерживающими Fast Ethernet, способны к автоматическому определению скорости соединения (autonegotiation), обнаруживая оборудование 10BASE-T и переключая порт в режим полудуплекса 10BASE-T, если оборудование 10BASE-T не поддерживает автоматическое определение скорости. Стандарт предусматривает использование протокола CSMA/CD для управления доступом к среде передачи. Также определен режим полного дуплекса, и на практике все современные сети используют коммутаторы Ethernet и работают в этом режиме, хотя все еще существуют устаревшие устройства, работающие в полудуплексном режиме. Адаптер Fast Ethernet логически разделен на контроллер доступа к среде (MAC), отвечающий за вопросы доступности среды на более высоком уровне, и физический интерфейс (PHY). MAC обычно связан с PHY посредством четырехбитного синхронного параллельного интерфейса с частотой 25 МГц, известного как независимый интерфейс среды (MII), или его двухбитного варианта с частотой 50 МГц, называемого уменьшенным независимым интерфейсом среды (RMII). В редких случаях MII может быть реализован как внешнее соединение, но чаще всего это соединение между интегральными схемами в сетевом адаптере или даже между двумя секциями внутри одной интегральной схемы. Спецификации разработаны с учетом того, что интерфейс между MAC и PHY будет MII, но это не является обязательным требованием. Концентраторы Fast Ethernet или Ethernet могут использовать MII для подключения к нескольким PHY для различных интерфейсов. MII определяет теоретическую максимальную скорость передачи данных для всех версий Fast Ethernet – 100 Мбит/с. Фактическая скорость передачи данных в реальных сетях ниже теоретического максимума из-за необходимости добавления заголовка и завершающей последовательности (биты адресации и обнаружения ошибок) к каждому Ethernet-кадру, а также из-за обязательного межпакетного интервала между передачами.

Fast Ethernet is an extension of the 10 megabit Ethernet standard. It runs on twisted pair or optical fiber cable in a star wired bus topology, similar to the IEEE standard 802.3i called 10BASE T, itself an evolution of 10BASE5 (802.3) and 10BASE2 (802.3a). Fast Ethernet devices are generally backward compatible with existing 10BASE T systems, enabling plug and play upgrades from 10BASE T. Most switches and other networking devices with ports capable of Fast Ethernet can perform autonegotiation, sensing a piece of 10BASE T equipment and setting the port to 10BASE T half duplex if the 10BASE T equipment cannot perform auto negotiation itself. The standard specifies the use of CSMA/CD for media access control. A full duplex mode is also specified and in practice, all modern networks use Ethernet switches and operate in full duplex mode, even as legacy devices that use half duplex still exist. A Fast Ethernet adapter can be logically divided into a media access controller (MAC), which deals with the higher level issues of medium availability, and a physical layer interface (PHY). The MAC is typically linked to the PHY by a four bit 25 MHz synchronous parallel interface known as a media independent interface (MII), or by a two bit 50 MHz variant called reduced media independent interface (RMII). In rare cases, the MII may be an external connection but is usually a connection between ICs in a network adapter or even two sections within a single IC. The specs are written based on the assumption that the interface between MAC and PHY will be an MII but they do not require it. Fast Ethernet or Ethernet hubs may use the MII to connect to multiple PHYs for their different interfaces. The MII fixes the theoretical maximum data bit rate for all versions of Fast Ethernet to 100 Mbit/s. The information rate actually observed on real networks is less than the theoretical maximum, due to the necessary header and trailer (addressing and error detection bits) on every Ethernet frame, and the required interpacket gap between transmissions.

100BASE-TX

100BASE TX является наиболее распространенной формой Fast Ethernet и работает по двум парам проводов внутри кабеля категории 5 или выше. Расстояние между узлами по кабелю может достигать 100 метров. Одна пара используется для каждого направления, обеспечивая полнодуплексную работу со скоростью 100 Мбит/с в каждом направлении. Как и в случае 10BASE T, активные пары в стандартном соединении подключаются к контактам 1, 2, 3 и 6. Поскольку типичный кабель категории 5 содержит четыре пары, а требования к производительности 100BASE TX не превышают возможности даже самой слабой из них, один кабель может поддерживать два соединения 100BASE TX с помощью простого адаптера на каждом конце. Кабели обычно подключаются в соответствии с одним из стандартов обжима ANSI/TIA 568, T568A или T568B. 100BASE TX использует пары 2 и 3 (оранжевую и зеленую). Конфигурация сетей 100BASE TX очень похожа на конфигурацию сетей 10BASE T. При построении локальной сети устройства (компьютеры, принтеры и т. д.) обычно подключаются к концентратору или коммутатору, образуя звездную топологию. В качестве альтернативы можно напрямую соединить два устройства с помощью кроссоверного кабеля. Однако, благодаря современному оборудованию, кроссоверные кабели обычно не требуются, поскольку большинство устройств поддерживают автоматическое согласование (auto negotiation) и автоматическое определение MDI X для выбора и соответствия скорости, дуплекса и схемы соединения. В аппаратном обеспечении 100BASE TX необработанные биты, представленные в виде 4-битного слова с тактовой частотой 25 МГц на интерфейсе MII, проходят через 4B5B-кодирование для генерации последовательности символов 0 и 1 с частотой символов 125 МГц. 4B5B-кодирование обеспечивает выравнивание постоянного тока и формирование спектра. Как и в случае 100BASE FX, биты затем передаются на физический уровень с использованием NRZI-кодирования. Однако 100BASE TX добавляет дополнительный подслой, зависящий от среды передачи, который использует MLT 3 для окончательного кодирования потока данных перед передачей, что приводит к максимальной основной частоте 31,25 МГц. Эта процедура заимствована из спецификаций FDDI ANSI X3.263 с небольшими изменениями.

100BASE-T1

В 100BASE T1 данные передаются по одной медной паре, по 3 бита на символ, каждый из которых кодируется парой сигналов с использованием PAM3. Поддерживается полнодуплексная передача. Для кабеля с витой парой требуется поддержка частоты 66 МГц при максимальной длине 15 м. Определённый тип разъёма не предусмотрен. Стандарт предназначен для применения в автомобильной промышленности или для интеграции Fast Ethernet в другие устройства и системы. Изначально он был разработан как Open Alliance BroadR-Reach (OABR) до стандартизации IEEE.

100BaseVG

Предложенный и продвигаемый компанией Hewlett Packard, 100BaseVG представлял собой альтернативную разработку, использующую кабели категории 3 и механизм передачи маркера вместо CSMA/CD. Его планировали стандартизировать как IEEE 802.12, но он быстро устарел с появлением и распространением 100BASE TX.

100BASE-FX

100BASE FX – это версия Fast Ethernet, работающая по оптическому волокну. Подслой 100BASE FX, зависящий от физической среды (PMD), определяется спецификацией PMD FDDI, поэтому 100BASE FX несовместим с 10BASE FL – версией 10 Мбит/с, использующей оптическое волокно. 100BASE FX по-прежнему применяется в существующих инсталляциях с многомодовым волокном, где не требуется более высокая скорость, например, в системах промышленной автоматизации, работающих на длине волны 1310 нм. Затухание сигнала на километр при длине волны 1300 нм примерно вдвое меньше, чем при 850 нм.

100BASE-SX

100BASE SX – это версия Fast Ethernet по оптическому волокну, стандартизированная в TIA/EIA 785-1 в 2002 году. Это более экономичная альтернатива 100BASE FX, предназначенная для работы на меньших расстояниях. Благодаря использованию более короткой длины волны (850 нм) и меньшей поддерживаемой дистанции, 100BASE SX использует менее дорогие оптические компоненты (светодиоды вместо лазеров). Поскольку он использует ту же длину волны, что и 10BASE FL – 10-мегабитная версия Ethernet по оптическому волокну, – 100BASE SX может быть обратно совместим с 10BASE FL. Сочетание низкой стоимости и совместимости делает 100BASE SX привлекательным выбором для пользователей, переходящих с 10BASE FL, и для тех, кому не требуется передача данных на большие расстояния.

100BASE-LX10

100BASE LX10 — это версия Fast Ethernet, реализованная по оптическому волокну и стандартизированная в стандарте 802.3ah 2004, в разделе 58. Обеспечивает передачу данных на расстояние до 10 км по паре одномодовых волокон.

100BASE-BX10

100BASE BX10 – это версия Fast Ethernet по оптическому волокну, стандартизированная в стандарте 802.3ah 2004 года, в разделе 58. Она использует оптический мультиплексор для разделения передаваемых (TX) и принимаемых (RX) сигналов на разные длины волн в одном волокне. Обеспечивает дальность действия до 10 км по одному одномодовому волокну.

100BASE-EX

100BASE EX очень похож на 100BASE LX10, но обеспечивает большую дальность передачи – до 40 км по паре одномодовых волокон благодаря более качественной оптике по сравнению с LX10, использующим лазеры с длиной волны 1310 нм. 100BASE EX не является формальным стандартом, но общепринятым в индустрии термином. Его иногда называют 100BASE LH (дальнего действия), и его легко спутать с 100BASE LX10 или 100BASE ZX, поскольку использование обозначений LX(10), LH, EX и ZX различается у разных производителей и является неоднозначным.

100BASE-ZX

100BASE ZX – это неформализованный, но широко используемый термин для обозначения передачи Fast Ethernet на длине волны 1550 нм, позволяющей достигать расстояний не менее 70 км по одномодовому волокну. Некоторые производители указывают расстояния до 160 км по одномодовому волокну, что иногда называют 100BASE EZX. Дальность действия свыше 80 км сильно зависит от потерь сигнала в используемом волокне, в частности от коэффициента затухания в дБ на километр, а также от количества и качества разъемов, патч-панелей и сварных соединений между трансиверами.