Redes de Computadores

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5.5 Redes Locais (LAN)

Gigabit Ethernet (GE)

Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Departamento de Engenharia, Electrónica, Telecomunicações e Computadores

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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

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2007-02-26 Gigabit Ethernet 3

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

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Arquitectura do protocolo Gigabit Ethernet

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 1000 Base-CX Twinax 1300nm SMF 1000Base-LX 850nm MMF 1000Base-SX UTP 1000Base-T Twinax SMF 3 Km MMF 550m UTP 100m

T4 – 4 pares de fio de cobre entrelaçado (cabo telefónico) TX - 4 pares de fio de cobre

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Gigabit Ethernet – Merging de 2 tecnologias

• Baseada nas normas:

– IEEE 802.3 • LLC • MAC – ANSI X3T11 • RC-1 • RC-0

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Hub 10 Mbps Print server Ethernet switch 100 Mbps Switch/router 1 Gbps Hub 10 Mbps Print server Ethernet switch 100 Mbps Switch/router 1 Gbps 1 Gbps Farm server LOCAL X LOCAL Y

Gigabit Ethernet

Exemplo de utilização

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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

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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 = 109 _bps

• Tempo de bit bt = 1/Vt = 10-9_{s = 0,001 µs = 1 ns}

• Velocidade de Propagação Vp = C x 2/3 = 3x108 _{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

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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

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Gigabit Ethernet - Formato da trama

Preambulo SFD DA SA Tipo/Comp Dados FCS _Extensão

64 bytes min.

512 bytes min. Cobertura do FCS

7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes 46 a 1500 bytes 4 bytes 0 a 448 bytes

SFD – Start of Frame delimiter DA – Destination Address SA – Source adress

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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)

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Gigabit Ethernet - Bursting

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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

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Gigabit Ethernet - Bursting

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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

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Eficiência

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Parâmetros MAC – 1000 Mbps (802.3z)

• SLOT Time = 512 bit timesa _{(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

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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

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Gigabit Ethernet - Interfaces físicas

• Distâncias máximas (em Full-Duplex)

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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

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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

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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

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Gigabit Ethernet - 1000 Base CX

• Cabo twinax

– 2 condutores: T+ e T- (transmissão balanceada) – Malha ligada à massa para protecção contra ruído

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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

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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)

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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)

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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”

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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

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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

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BI_DD-Gigabit Ethernet - 1000 Base T (4)

• Cabo Crossover

Interface de ligação entre dois hubs ou duas NICs

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1000Base-T - Espectro de frequência

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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

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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.

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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