Ethernet optyczny - przykład światłowodowej sieci LAN 10BaseF i 100BaseFX

Transkrypt

1 Ethernet optyczny - przykład światłowodowej sieci LAN 10BaseF i 100BaseFX Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła. Sergiusz Patela

2 Definicja sieci lokalnej (wg. IEEE) Sieć lokalna (LAN) jest to system umożliwiający bezpośrednią komunikację wielu niezależnych urządzeń rozmieszczonych na stosunkowo niewielkim obszarze za pośrednictwem fizycznych kanałów komunikacyjnych o umiarkowanej prędkości. Inna definicja: Lokalna sieć komputerowa (LAN) jest systemem przekazywania danych wykorzystywanych do łączenia komputerów i stowarzyszonych z nimi urządzeń rozmieszczonych na niewielkim obszarze. (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 2

3 Ethernet a klasyfikacja sieci komputerowych 1. LAN - Local Area Network Ethernet, wszystkie rodzaje. Stosowane aktualnie 2. MAN - Metropolitan Area Network GB Ethernet. Pierwsze próby. Szersze stosowanie w przyszłości 3. WAN - Wide Area Network 10 GB Ethernet. W przyszłości, po ustaleniu standardu, może pojawić się jako jeden z protokołów sieci WDM dalekiego zasięgu. (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 3

4 Zasada działania i podstawowe pojęcia Podstawowymi pojęciami koniecznymi do opisu komunikacji w sieciach i między sieciami jest protokół (protocol) i warstwa (layer). Inne pojęcia: ramka, metoda dostępu, kodowanie. Protokół to zbiór reguł określających jak należy przygotować dane do przesłania, jak nawiązać komunikację, kontrolować przesyłanie wiadomości itd. Protokoły podlegają standaryzacji. Opis protokołu - Model odniesienia OSI (Open System Interconnection) przyjmuje warstwową strukturę protokołów. Dla komputerów połączonych w sieci "warstwy" komunikują się pomiędzy sobą (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 4

5 Technologie sieci LAN 1. Ethernet (IEEE 802.3) 2. Token Ring (IEEE 802.5) 3. FDDI (Ai X3T12, ISO-IEC 9314) 4. Fibre Channel, ATM... (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 5

6 Światłowody w sieciach komputerowych 1. Ethernet (802.3) Ethernet (10Base-F ) Fast Ethernet (np. 100Base-TX, 100Base-FX) Gigabit Ethernet (1000Base-SX, 1000Base-LX) 10 Gigabit Ethernet 2. Token Ring (802.5) 3. FDDI 4. Fibre Channel (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 6

7 Ethernet Rysunek zaprezentowany przez jednego z wynalazców sieci Ethernet, dra Roberta M. Metcalfa (czerwiec 1976, National Computer Conference) (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 7

8 Podstawy działania sieci Ethernet (1): protokół CSMA/CD (metoda dostępu do medium) Metoda dostępu do medium CSMA/CD: Przed przystąpieniem do tramisji stacja czeka na moment, gdy żadna inna stacja nie nadaje wiadomości. Wysyła wtedy własną wiadomość. Bez przerwy nasłuchując sprawdza, czy w sieci nie nastąpiła kolizja z wiadomością wysłaną przez inną stację -jeśli tak, nadaje sygnał informujący wszystkich o kolizji, wstrzymuje się z nadawaniem na krótki, losowo określony przedział czasu a następnie ponawia próbę przesłania wiadomości. Rozmiar wysyłanej ramki zależy od szybkości tramisji sygnałów w sieci (rodzaj kabla) oraz jej długości. Maksymalna długość ramki wynosi 1518 bajtów, a minimalna - 64 Podstawowa zasada działania sieci CSMA/CD opiera się na założeniu, że nadająca stacja przed zakończeniem tramisji musi otrzymać informację o wystąpieniu kolizji sygnałów nawet od najdalej położonej stacji. (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 8

9 Podstawy działania sieci Ethernet (2): struktura i konfiguracja Warstwa fizyczna: Kabel (koncentryczny, skrętka, światłowodowy), tramisja w pasmie podstawowym (=cyfrowa) z zastosowaniem kodu Manchester Kod Manchester (Manchester encoding): zmiana napięcia w środku przesyłanego bitu (1 = od wyższego do niższego, 0 = od niższego do wyższego). W stacji znajduje się karta kontrolera sieciowego połączona z przekaźnikiem (MAU). Zadania przekaźnika: tramisja i odbieranie bitów, kontrola sieci i wykrywanie nadawanych ramek, śledzenie kolizji. Warstwa łącza danych Zadania: zarządzanie dostępem do sieci, kodowanie danych, zmiana postaci pakietu (dodanie bitów synchronizacji i ograniczników ramki) (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 9

10 Kodowanie sygnału Kodowanie sygnału ma zadanie zwiększyć odporność tramisji na szum. Przykłady: FDDI stosuje kodowanie 4b/5b NRZI (Non-Return to Zero Invert on ones) o szybkości modulacji 125 Mb/s (bodów) dla osiągnięcia szybkości tramisji danych100 Mb/s. Ethernet stosuje kodowanie Manchester o szybkości modulacji 20 Mb/s (bodów) dla osiągnięcia szybkości tramisji danych 10 Mbit/s. Clock High Low 0 time NRZ - used by PC Binary 1 = high Binary 0 = low NRZ - used in combination with 4b/5b by FDDI Binary 1 = traition Binary 0 = no traition Manchester - used by Ethernet Binary 1 = high to low traition Binary 0 = low to high traition (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 10

11 Format ramki Ethernet Preambuła Adres przeznacz Adres źródła Typ/ Długość LLC Dane CRC Wytwórca Użytkownik DSAP SSAP Kontrola Destination Service Access Point (DSAP) Source Service Access Point (SSAP) (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 11

12 Warianty sieci Ethernet 10 Mb/s - różne media i formy tramisji 10Base5 - kabel koncentryczny (żółty), tramisja w paśmie podstawowym, maksymalne długość segmentów 500 m, 10 Mbit/s.Gruby Ethernet, 100 stacji, min. odległość 2.5 m. 10Base2 - kabel koncentryczny (RG58A/U) tramisja w paśmie podstawowym, maksymalna długość segmentów do 185 metrów, 10 Mbit/s. Cienki Ethernet, 30 stacji co 0.5 m (min.) 10Base-T - skręcona para przewodów (kabel symetryczny), maksymalna długość segmentów do 500 metrów; prędkość tramisji 10 Mbit/s 1Base5 - skręcona para przewodów, maksymalna długość segmentów do 500 metrów, 1 Mbit/s 10Broad36 - kabel koncentryczny (RG59/U CATV), tramisja szerokopasmowa, maksymalna długość segmentów do 3600 metrów, prędkość tramisji 10 Mbit/s 10Base-F - światłowody (w tym sieć pasywna); prędkość tramisji 10 Mbit/s (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 12

13 Warianty sieci Ethernet - różne szybkości tramisji 100BASE-TX: wysokiej jakości skrętka (dwie pary drutów) 100BASE-T4: cztery pary drutów standardowej jakości 100BASE-FX: kabel światłowodowy standard 802.3u Gigabit Etherent standard (802.3z) 10 Gigabit Ethernet Standard IEEE 802.3ae (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 13

14 Ethernet - warianty światłowodowe 10Base F 10Base-FL 10Base-FB 10Base-FP Łącze światłowodowe - asynchroniczne Sieć rdzeniowa (backbone) - łącze synchroniczne Gwiazda pasywna (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 14

15 Łącze sieci 10Base FL, 10Base FB MAU MAU MDI MDI Gniazdko naścienne Kabel Duplex Patch panel Segment światłowodowy Przykładowy segment sieci FL (fiber link) i FB (fiber backbone) (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 15

16 10BASE-FL - Ethernet na łączu światłowodowym FO - fiber optic DTI - data terminal equipment 10 Base FL Fiber Optic Repeater Hub FOMAU FOMAU FOMAU TX RX TX RX TX RX FO link to another FO hub AUI - attachment unit interface MAU - medium access unit 10Base-FL segment (2000 meter maximum) TX RX 10Base-FL FOMAU TX - tramitter RX - receiver DTI Ethernet interface 15-pin AUI connector AUI Cable Pełna izolacja galwaniczna - ważne przy łączach międzybudynkowych, 10x zwiększony zasięg (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 16

17 10Base-F Moc sygnału optycznego Moc źródła* (nowy nadajnik) we włóknie 62,5µm NA 0,275: - 12dBm ±2dBm Maksymalna degradacja źródła 3dB. Dopuszcza się zmiany ±1dB związane z zastosowaniem różnego rodzaju włókien światłowodowych (np. 62,5/125, 50/125) Wniosek: minimalna moc źródła = = -18dBm (minimalna moc początkowa -15dBm) maksymalna moc źródła = = -9 dbm Wartości mocy dotyczą ustalonego rozkładu pola modów. Dla łączy krótszych niż 1 5m konieczne jest stosowanie tłumików lub striperów modów w celu usunięcia modów płaszczowych. * moc maksymalna (the peak optical power) (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 17

18 10Base-F Możliwości stosowania różnych światłowodów Ethernet dopuszcza stosowanie różnych rodzajów światłowodów (w standardzie wymieniono 62,5/125, 50/125, 80/125, 100/140). Warunkiem jest, aby czułość odbiornika zawiera się w zakresie dbm. Pasmo łącza 150MHz (1km, 850nm) Ogólne zalecenie w odniesieniu do łącza światłowodowego: 1. Pasmo łącza 150MHz 2. Tłumienie łącza 9dB (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 18

19 10Mb/s Ethernet - stary i nowy segment światłowodowy W pierwszej wersji ~1980 zakładano, że Ethernet będzie używany tylko do łączenia koncentratorów (repeaterów). Stworzony standard FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) dopuszczał segmenty 1000m tylko pomiędzy repeaterami. Zwiększenie popularności światłowodów doprowadziło do utworzenia standardu 10BASE-F opisującego różne aspekty stosowania światłowodów w 10Mb Ethernecie. 10BASE-FL (zastąpił FOIRL) dopuszcza segment światłowodowy o zasięgu do 2000m (jeżeli mieszamy standardy FOIRL i 10BASE-FL to zasięg <1000m). Światłowodami można łączyć 2 komputery, 2 repeatery lub komputer z repeaterem. 10BASE-FB System sygnalizacji pozwalający umieścić w systemie ponadstandardową liczbę repeaterów. Segment maks. 2000m. 10BASE-FP Światłowodowa sieć pasywna. Segment do 500m, rozgałęziacz (gwiazda pasywna) może łączyć do 33 komputerów. (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 19

20 Światłowodowa sieć pasywna (PON) Unicast Multicast Stacja robocza Rozgałęziacz pasywny (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 20

21 Światłowodowa sieć pasywna 10Base FP MAU MDI Gniazdko naścienne Gniazdko naścienne MDI MAU Patch panel Gwiazda pasywna Segment światłowodowy (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 21

22 10Mb/s Ethernet po światłowodzie - medium tramisji Światłowodowy kabel wielomodowy (62,5/125). Dwa włókna, jedno do tramisji, drugie do przyjmowania danych. λ nm. Światłowodowe złączki ST (stnd. ISO/IEC "BFOC/2.5. ). Maksymalne całkowite straty linii 12,5 db. Otrzymywany poziom mocy rejestrowany przez MAU Segment (10Base-FL) do 2000m. Uwaga (dodatkowa opcja przewidziana normą): dla światłowodu jednomodowego zasięg 25 km. (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 22

23 10 Base-F, MDI. Parametry nadajnika Parametr Jedn. 10BASE-FP 10BASE-FB 10BASE-FL Długość fali min. max. nm nm Szerokość spektralna (FWHM) nm <75 <75 <75 Współczynnik modulacji db =<13 =<13 =<13 Spoczynkowy sygnał optyczny (amplituda) dbm =<57 Czas narostu i opadania sygnału optycznego max.(dane) min.(dane) max. różnica (dane) max.(spoczynkowe) min.(spoczynkowe) max. różnica (spoczynkowe) Impuls optyczny overshoot undershoot Impuls optyczny jitter krawędzi dodatkowy, obwód DO do MDI całkowity na MDI (dane) całkowity na MDI (dane) Dystorsja cyklu pracy impulsu optyczny dane dystorsja Średnia moc nadajnika optycznego min. max. % % dbm dbm N/A N/A N/A 5 5 N/A ±1 N/A ±1 N/A N/A ±2 ±2 ±2.5 ± ±2 ±4 N/A ±2.5 ± (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 23

24 10 Base-F, MDI Parametry odbiornika Parametr Jedn. 10BASE-FP 10BASE-FB 10BASE-FL Średnia moc optyczna na odbiornika min. max. dbm dbm MAU jitter krawędzi impulsu optycz. (dane) rejestrowany na MDI dodany, MDI do obwodu DI całkowity dla obwodu DI (MAU AUI) Czasy narostu i opadania impulsu optyczn. max.(dane) min.(dane) max. różnica (dane) max.(spoczynkowe) min.(spoczynkowe) max. różnica (spoczynkowe) ±4.5 N/A N/A N/A N/A N/A ±2.0 N/A ± ±6.5 ±8.5 ± (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 24

25 100Base-FX 100Mb/s Ethernet na łączu światłowodowym Class II 100Base-FX Fiber Optic Repeater Hub II TX RX TX RX TX RX FO link to another FO station or repeater hub DTE 100Base-Fx Ethernet Interface SC, ST or FDDI Fiber Optic Connector DTE - Data Terminal Equipment (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 25

26 100Mb/s Ethernet - medium tramisji Wielomodowy kabel światłowodowy 62,5/125 Długość odcinka do 412m - wynika z czasu obiegu pakietu (round trip timing) λ nm straty w linii <11dB dopuszczalne 3 rodzaje złączek: rekomendowana - dupleks SC, FDDI Media Interface Connector (MIC) typu M, ST Kontrola łącza (oparta na standardzie sygnalizacji ANSI FDDI) - ciągła tramisja sygnału kontrolnego, nawet przy braku ruchu w sieci. Uwag (dodatkowe opcje przewidziane normą)i: standardowy zasięg 412m przy pół-dupleksie (hd), przy ful-dupleksie (fd) zasięg 2 km. Na włóknie jednomodowym dopuszczalny zasięg 20 km. (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 26

27 100Base-FX Repeatery Dopuszcza się dwie klasy repeaterów: I i II. Powinny być oznaczone rzymskim I lub II w kole. Klasa I - bardziej odporna na niekontrolowane opóźnienia. W repeaterze następuje odczytanie sygnału przed ponowny wysłaniem do linii. Repeatery tj klasy umożliwiają tworzenie sieci z segmentów korzystających z różnych systemów sygnalizacji, np.. 100BaseFX/TX (światłowód/utp kat. 5 lub STP, 2 pary) i 100Base-T4 (UTP kat. 3, 4, 5, 4 pary). Jeżeli jeden repeater klasy I łączy dwa segmenty - długość segm. < 272m Klasa II - sygnał jest przesyłany do portów bez tralacji. W segmentach nie można mieszać linii o różnych systemach sygnalizacji. Jeżeli jeden repeater klasy II łączy dwa segmenty - długość segm. < 350m Jeżeli łącze tworzą dwa repeatery kl. II - długość segmentu <228m (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 27

28 Ethernet - porównanie różnych wersji i mediów Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet* Szybkość 10 Mb/s 100 Mb/s 1 Gbit/s tramisji Cat. 5 UTP 100 m 100 m 100 m STP/Coax 500 m 100 m 25 m Światłowód wielomodowy Światłowód jednomodowy 2 km 412 m (hd)**, 550 m 2km (fd)* 25 km 20 km 5 km IEEE spec. * ful duplex, ** half duplex (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 28

29 GB Ethernet IEEE 802.3Z Standard Ethernet i Fast Ethernet podaje maksymalną tłumienność linii. Dla GB Ethernetu podaje się dodatkowo tłumienność odbiciową. Wymagana tłumienność odbiciowa (ORL) 20 db dla MM i 26 db dla SM (jednak zaleca się odpowiednio 30 i 40 db). (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 29

30 Lokalne sieci światłowodowe - zalecenia konfiguracji elementów optoelektroniki (1) Zastosowanie Baud Rate Mbaud Poziome < 100 M Media TX Budynek < 300 m Media TX Campus < 2,000 m Media TX 10BaseF 20 MM S MM S MM S Token Ring 32 MM S MM S MM S 100VG- 120 MM S MM S MM LE AnyLAN 100BaseF 125 MM S MM S MM LE 1000Base-SX 1250 MM SL MM SL 1000Base-LX 1250 MM LL MM LL SM LL FDDI 125 MM S MM S MM LE S 850nm LED, SL 850nm LD, LE 1300nm LED; LL 1300nm LD By Fiber Optics LAN Section (FOLS) of the Telecommunicatio Industry Association (TIA) (c) Sergiusz Patela Światłowodowe sieci LAN 30