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Redes Gigabit Ethernet e 10Giga Ethernet

Evolução do padrão Ethernet•Desde a década de 70, a tecnologia Ethernet tem evoluído com uma força indiscutível

•As primeiras normas definiram a operação da rede em 10Mbps e, logo depois, em 100Mbps (ainda a mais usada)

•Com o crescimento da demanda, ou seja, com a necessidade sempre crescente de bits e mais bits, era inevitável que um padrão com maior capacidade de transmissão fosse proposto

•Em 1996, o IEEE criou dois grupos de trabalho com o objetivo de definir padrões para Gigabit Ethernet:

• o grupo 802.3z tinha por objetivo definir um padrão baseado em fibra ótica

• o grupo 802.3ab foi criado para definir um padrão sob cabos UTP.

Evolução do padrão Ethernet•Principais objetivos dos trabalhos

• Permitir operações half-duplex e full-duplex em velocidades de 1000Mbps

• Utilizar o formato do quadro Ethernet 802.3 padrão• Utilizar o método CSMA/CD para controle de acesso• Oferecer compatibilidade com as tecnologias 10Base-T e 100Base-T• Para o grupo 802.3z (fibra) as distâncias consideradas eram 500m (para fibras multimodo) e 2Km para fibras monomodo

• Para o grupo 802.3ab as distâncias consideradas eram 25m.

•O desenvolvimento não ficou por ai • Logo foi proposto um padrão para 10Gbps

Evolução do padrão EthernetPadrão Ano Função

Exp. Ethernet 1972 2,94 Mbit/s - barramento de cabo coaxial

Ethernet II (DIX V.2.0) 1982 10 Mbit Ethernet – cabo coaxial fino (DIX – Digital, Intel, Xerox)

IEEE 802.3 1983 10BASE5 (10Mbit/s) cabo coaxial grosso (cabeçalho 802.2 LLC, segue ao cabeçalho 802.3)

IEEE 802.3a 1985 10BASE2 - Chipernet

IEEE 802.3b 1985 10BROAD36

IEEE 802.3c 1985 10Mbit/s repeater specification

IEEE 802.3d 1987 FIORL (Fiber Optic Inter-Repeater Link)

IEEE 802.3e 1987 1BASE5 Star LAN

IEEE 802.3i 1990 10BASE-T – 10Mbit/sover twisted pair

IEEE 802.3j 1993 10BASE-F – 10Mbit/s over Fiber-Optic

IEEE 802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX, Fast Ethernet, Auto sense

IEEE 802.3x 1997 Full Duplex and Flow control (também acaba com frames DIX)

IEEE 802.3y 1998 100BASE-T2, 100Mbit/s over low quality twisted pair

IEEE 802.3z 1998 1000Base-X, 1Gbit/s Ethernet over Fiber-Optic

IEEE 802.3 - 1998 1998 Revisão do Padrão incorporando todas as atualizações

Fonte: Juergen Rochol

Evolução do padrão Ethernet

Fonte: Juergen Rochol

IEEE 802.3 - 1998 1998 Revisão do Padrão incorporando todas atualizações

IEEE 802.3ab 1998 1000BASE-T, 1Gbit/s sobre par trançado

IEEE 802.3ac 1999 Tamanho máximo do Frame estendido para 1522 para permitir Q-tag que inclui informação do 802.1Q VLAN e prioridade do 802.1p

IEEE 802.3ad 2000 Agregação paralela de enlaces (Link aggregation)


IEEE 802.3ae 2003 10Gbit/s Ethernet over Fibre, 10BASE-SR (-LR, -ER, –SW, -LW, -EW)

IEEE 802.3af 2003 Power over Ethernet

IEEE 802.3ah 2004 Ethernet in the First (or last) mile

IEEE 802.3ak 2004 10BASE-CX4, 10Gbit/s over twin coaxial cable


IEEE 802.3an 2006 10GBASE-T, 10Gbit/s over UTP (unshielded twisted pair)

IEEE 802.3ap Exp. Backplane Ethernet over printed circuit boards (1 ou 10 Gbit/s)

IEEE 802.3aq Exp. 10GBASE-LRM, 10 Gbit/s Ethernet over multimode fiber

IEEE 802.3ar Exp. Congestion Management

IEEE 802.3as Exp. Frame Expansion

IEEE 802.3at Exp. Power over Ethernet enhancements

IEEE 802.3au Exp. Isolation Requeriments for power over Ethernet

IEEE 802.3av Estdo. 10 Gbit/s EPON (Ethernet Passive Optical Network)

ResumoPadrões Ethernet

10.Gbps802.3ae100 Mbps 1000Mbps

100B-TUTP

2 pares100B-FX

100B-T4UTP

4 pares

1000B-X802.3z

1000B-TUTP

803.3ab

1000 Base-LXFibra

MMF e SMF

1000Base-CXCoaxial

150 Ohms(obsoleta)

1000Base-SXFibraMMF

10GBase-R

10GBase-W

10GBase-X

Características•Todas essas tecnologias utilizam o mesmo formato do quadro e tecnologia MAC de todas as outras tecnologias baseadas no IEEE 802.3, assim como também da técnica full-duplex e controle de fluxo.

•Em termos de taxa de transmissão de bits, o Gigabit Ethernet simplesmente aumenta a taxa do Fast Ethernet de 100 Mbps para 1.000 Mbps com as alterações no meio físico.

•A topologia da rede acompanha as regras tradicionais do Ethernet. No nível 2, o protocolo Spanning Tree é usado para garantir que não existam loops locais na rede, criando uma topologia de árvore hierárquica.

Cenários de migração•Cenário 1: Gigabit Ethernet é usado para interligação de switches centrais com switches secundárias

•Cenário 2: Gigabit Ethernet também é usado para a conexão dos servidores com as switches centrais

•Cenário 3: usado com as máquinas dos usuários (mais distante, quando os preços caírem).

•Artigo interessante:

www.windowsnetworking.com/articles_tutorials/Transition-Gigabit-Ethernet.html

Camada Física

O padrão Gigabit Ethernet é primariamente um padrão de camada física (PHY - Physical Layer) e de controle de acesso à mídia (MAC – Media Access Control), especificando a camada de enlace do modelo OSI. Este padrão é a base para comunicação ponto-a-ponto entre os equipamentos de rede.

PCS: Physical Coding SublayerPMA: Physical Medium Attachment sublayerPMD: Physical Medium Dependent

Camada Física

802.3z

802.3ab

Camada Física – as fibras óticas

•“Transceivers” são usados para converter os sinais elétricos das interfaces para sinais óticos e vice-versa


•Filamentos cilíndricos construídos de vidro de sílica de alta pureza

•Luz inserida na fibra fica “confinada”

• Dois tipos: multimodo e monomodo.


•A faixa de freqüência é altíssima

•Entre 300THz e 200THz

Camada Física – fibra ótica multimodo

•Diâmetro do núcleo: 50, 62.5, 82.5 ou 100 µm.•Uso com luz de comprimento de onda de 850nm a 1300nm.

•Existem também fibras multimodo construídas com um tipo de plástico especial, dotado de um de alto índice refração (POF). Nesse caso, o diâmetro (N) do Núcleo é geralmente da ordem de 1000 µm. São mais baratas mas operam em distâncias mais curtas.

Camada Física – fibra ótica multimodo•Dois tipos:

•índice degrau (step index): mais antiga

•índice gradual (grated index): permite melhor propagação

Fibra ótica monomodo

• Construída para operação com feixes de luz com comprimento de onda de 1350nm.

• Núcleo é de 3 a 8 µm• Distâncias de operação até 50 vezes maiores

que as da fibra multimodo.• Bem mais cara e difícil de instalar e manter

(conectores e emendas são bem mais complicados)

Camada Física – comparação dos tipos

Multimodo Monomodo

O Núcleo sendo de grande diâmetro torna mais fácil o alinhamento quando se faz emendas ou instalam-se conectores.

Distâncias maiores quando comparadas com as fibras multimodo.

Baixo custo, quando comparado com outros tipos de fibra, não só da fibra em si, mas também dos materiais agregados, como conectores, componentes eletrônicos e outros.

Taxas de transmissão muito mais altas (superiores a 160 Gbps) quando comparadas com as fibras multimodo.

Retomando

Fonte: Gigabit Ethernet Alliance

802.3z 802.3ab

IEEE 802.3z (1000Base-X)•Em todos os casos,

•a banda é de 1 Gbps (half duplex) ou até 2 Gbps (full duplex)•foi adotado o mesmo formato do quadro padrão 802.3

•Quando opera em half-duplex, o protocolo de acesso ao meio físico é o CSMA/CD (mas modificado) para que altas velocidades possam ser suportadas. Para a aplicação, o bloco mínimo continua sendo de 64 bytes, mas a interface adiciona um “recheio” de maneira que o frame mínimo seja igual a 512 bytes.

Referência: http://www.rnp.br/newsgen/9802/gbe-intr.html

IEEE 802.3z (1000Base-X)• Sem o recheio, pequenos pacotes poderiam ser totalmente transmitidos por uma estação sem que ela "percebesse" que houve uma colisão, violando a regra do CSMA/CD.

• Essa operação pode afetar o desempenho caso existam muitos pacotes pequenos

• Para isso, foi implementado um recurso chamado packet bursting que dá a capacidade a servidores, switches e outros tipos de equipamentos de entregar grupos (bursts) de pequenos pacotes para utilizar a largura de banda disponível.

IEEE 802.3z (1000Base-X)

•Para a aplicação, entretanto, tudo se passa de modo transparente, ou seja, a aplicação enxerga uma interface padrão que pede um pacote mínimo de 64 bytes.

•A função de empacotamento não ocorre no modo de operação full-duplex•Assim, do ponto de vista das aplicações, todas as velocidades de Ethernet (10, 100 e 1.000Mbps) utilizam o mesmo formato de encapsulamento, métodos de controle de fluxo e operações full-duplex, não havendo necessidade de traduções entre formatos, o que reduz a complexidade e aumenta o desempenho da comutação de pacotes.

•Todas as implementações iniciais do Gigabit Ethernet foram full-duplex e usavam o tamanho mínimo de pacote de 64 bytes.

IEEE 802.3z (1000Base-X)

•Desde o início, a orientação dos comitês de desenvolvimento foi a de reaproveitar o mais possível o que já existia

•Assim, a camada física utiliza o padrão Fibre Channel

•A camada de acesso é a mesma dos outros protocolos Ethernet (802.3)

Fonte: Telecommunications Magazine – Vol.31, No. 3 - (Março 1997)

IEEE 802.3z (1000Base-X)•GBIC – Gigabit Interface Converter• interface padrão para transceivers• torna um equipamento “independente” da mídia• flexível, mas caro• só vale a pena quando a flexibilidade é um requisito muito importante

IEEE 802.3ab – 1000Base-T•O padrão IEEE 802.3ab ou padrão 1000BASE-T, define o uso de Gigabit Ethernet em cabos categoria 5 ou superior (CAT6 ou CAT7), com distâncias de até 100m.

•Embora o uso de cabeamento CAT5 seja crítico, a norma permite que as estruturas atuais sejam utilizadas, barateando o custo da transição

IEEE 802.3ab – 1000Base-T•Características interessantes:

•o padrão 1000BT usa todos os 8 fios do cabo (4 pares)

•São transmitidos quatro sinais em paralelo, de forma bidirecional

•Cada sinal (ou símbolo) codifica 2 bits•O clock do sinal é 125MHz, o mesmo clock do padrão 100BT

•A conta do taxa efetiva de transmissão é a seguinte: 125 MHz x 2 bits por sinal (por par de fios) x 4 sinais por vez = 1.000 Mbps.

•A técnica utilizada é chamada de PAM-5 (Pulse Amplitude Modulation).

O padrão PAM-5: cada “símbolo” codifica 3 bits – dois de informação e um de proteção

IEEE 802.3ab – 1000Base-T

Símbolo Nível do sinal

000 0

001 +1

010 +2

011 -1

100 0

101 +1

110 -2

111 -1

Sinal codificado no padrão PAM-5 – Pulse Amplitude Modulation


A codificação do sinal usa uma técnica baseada em um “shift register” com realimentação (linear feedback shift register)


Os circuitos necessários para implementar a codificação PAM-5 não são triviais e usam extensivamente técnicas de processamento digital de sinais



• “BI” significa bi-direcional

• DA, DB, DC e DD significa “Dado A”, “Dado B”, “Dado C” e “Dado D”, respectivamente.

Pino Cor Função

1 Branco com verde +BI_DA

2 Verde -BI_DA

3 Branco com laranja +BI_DB

4 Azul +BI_DC

5 Branco com azul -BI_DC

6 Laranja -BI_DB

7 Branco com marrom +BI_DD

8 Marrom -BI_DD


•Dados são transmitidos “espelhados” para evitar ruídos.


•Dados são transmitidos e recebidos simulta-neamente o que torna os circuitos bem complexos.

•Por outro lado, um cabo mais simples (CAT-5) pode ser usado.

http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_cabeamento_para_gigabit_ethernet.php

IEEE 802.3ab – 1000Base-TX

•Uma maneira de simplificar bastante os circuitos é adotar sistemas unidirecionais (circuitos 75% mais simples): 1000Base-TX

•Mas agora, cabos têm que suportam frequências mais altas (CAT-6 e CAT-7)

http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_cabeamento_para_gigabit_ethernet.php

IEEE 802.3ae – 10 Gigabit Ethernet

•O padrão para redes 10 Gigabit Ethernet, dez vezes mais rápido que o anterior, está em desenvolvimento desde 1999. Além disso, a distância permitida pode chegar a 40 Km.

•O 10 Gigabit Ethernet opera apenas no modo full-duplex assim o protocolo CSMA/CD não é utilizado.

•O padrão adota apenas meios físicos baseados em fibra ótica.


PMD – Physical Medium Dependente

IEEE 802.3ae – 10 Gigabit Ethernet•A norma especifica uma capacidade de transmissão de 10Gbps. Entretanto, através da WIS (Wan interface sublayer), equipamentos 10Gigabit Ethernet são compatíveis com o formato SONET STS-192, de 9.58Gbps.

•10GBASE-SR e 10GBASE-SW•Usam fibras multimodo (850nm) para distâncias de 2m a 300m. •10GBASE-SR foi projetada para operar sobre “dark fiber”•10GBASE-SW foi projetada para ser conectada a equipamentos Sonet

•10GBASE-LR e 10GBASE-LW•Usam fibras monomodo (1310nm) para distâncias de 2m a 10 quilômetros

•10GBASE-LR foi projetada para operar sobre “dark fiber”•10GBASE-LW foi projetada para ser conectada a equipamentos Sonet

IEEE 802.3ae – 10 Gigabit Ethernet•10GBASE-ER e 10GBASE-EW

•Usam fibras multimodo (1550nm) para distâncias de 2m a 40Km.

•10GBASE-ER foi projetada para operar sobre “dark fiber”

•10GBASE-EW foi projetada para ser conectada a equipamentos Sonet

•10GBASE-LX4•Usam exclusivamente “dark fiber” do tipo monomodo (até 10Km) ou multimodo (até 300m)

•Usa WDM (wave division multiplexing) para enviar até quatro sinais simultaneamente sobre um cabo único


Característica Rede Local Paralela

Rede Local Serial

Rede WAN Serial

Multiplexação no meio

WWDM na na

Padrão de Transmissão

10GBase xX* 10GBase xR* 10GBase xW*

Taxa meio: 4 x 3,125 Gbit/s(4 lambdas)

10,3 Gbit/s OC 192 Sonet ou SDH STM 64 -

9,953 Gbit/s

Taxa líquida 12 Gbit/s 10,3 Gbit/s 9,29 Gbit/s

IEEE 802.3ae – 10 Gigabit EthernetAlcance :comp. onda Tipo de Fibra Modo

XMITEmissor Óptico

65m 850nm MMF serial LED

100m 850nm MMF serial LED

300m 1300nm MMF-E (enhanced)

WWDM* LED

10km 1300nm SM WWDM Laser MLM**

10km 1300nm SM serial Laser SLM***

40km 1550nm SM serial Laser SLM resfriado

* WWDM: Wide Wavelenght Division Multiplex**MLM: Laser Multi Longitudinal Mode ou FP (Fabry Perot) ***SLM: Laser Single Longitudinal Mode ou DFB (Distributed Feedback)

Resumo....

10GbE

1000Base-PX20

10BASE-T(Cu Cat5)

MaximumBandwidth (Symmetric)

100m 500m 750m 2000m 2700m 5000m 10km 20km

2Mbps

10Mbps

100Mbps

1Gbps

10Gbps

100BASE-T(Cu Cat 5)

1000BASE-T(MMF)

1000BaseB/L/PX10

100BASE-FX(MMF)

1000BASE-LX (SMF)

ExistingIEEE 802.3standards

EFMIEEE 802.3ah

Minimum

Reach

100Base-L/BX10(Single Mode Fiber)

2Base-TS(SHDSL)

10Pass-TS(VDSL)

As conseqüências econômicas da tecnologia

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