У мережі декілька комп'ютерів повинні мати спільний доступ до середовища передачі. Однак, якщо два комп'ютери спробують одночасно передавати дані, відбудеться колізія і дані будуть втрачені.

Усе мережеві комп'ютери повинні використовувати один і той же метод доступу, інакше станеться збій мережі. Окремі комп'ютери, чиї методи будуть домінувати, не дадуть іншим здійснити передачу. Методи доступу служать для запобігання одночасного доступу до кабелю декількох комп'ютерів, впорядковуючи надсилати та отримувати дані через мережу і гарантуючи, що в кожен момент часу тільки один комп'ютер може працювати на передачу.

При множинному доступі з контролем несучої і виявленням колізій (скорочено CSMA / CD) всі комп'ютери в мережі - і клієнти, і сервери - "прослуховують" кабель, прагнучи виявити дані, що передаються (тобто трафік).

1) Комп'ютер "розуміє", що кабель вільний (тобто трафік відсутня).

2) Комп'ютер може почати передачу даних.

3) Поки кабель не звільниться (протягом передачі даних), жоден з мережевих комп'ютерів не може вести передачу.

При спробі одночасного доступу до середовища передачі більше одного мережевого пристрою виникає колізія. Комп'ютери реєструють виникненню конфлікту, звільняють лінію передачі на деякий випадково заданий (в межах визначених стандартом кордонів) інтервал часу, після чого спроба передачі повторюється. Комп'ютер, першим захопив лінію передачі, починає передавати дані.

CSMA / CD відомий як змагальний метод, оскільки мережеві комп'ютери "змагаються" (конкурують) між собою за право передавати дані.

Здатність виявляти колізії - причина, яка обмежує область дії самого CSMA / CD. Через кінцевої швидкості поширення сигналу в проводах при відстанях понад 2500 м (1,5 милі) механізм виявлення колізій не ефективний. Якщо відстань до передавального комп'ютера перевищує це обмеження, деякі комп'ютери не встигають виявити завантаження кабелю і починають передачу даних, що призводить до колізії і руйнування пакетів даних.

Прикладами протоколів CDSMA / CD є Ethernet version 2 корпорації DEC і IEEE 802.3.

Специфікація фізичного середовища Ethernet

Для технології Ethernet розроблені різні варіанти фізичного рівня, відмінні як типом кабелю і електричними параметрами імпульсів, як це зроблено в технології 10 Мб / с Ethernet, а й способом кодування сигналів, і кількістю використовуваних в кабелі провідників. Тому фізичний рівень Ethernet має більш складну структуру, ніж класичний Ethernet.

Специфікації технології Ethernet на сьогодні включають такі середовища передачі даних.

• 10Base-2 - коаксіальний кабель діаметром 0.25 дюйма, називається тонким коаксиалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента - 185 метрів (без повторювачів).
• 10Base-5 - коаксіальний кабель діаметром 0.5 дюйма, називається "товстим" коаксиалом. Має хвильовий опір 50Ом. Максимальна довжина сегмента без повторювача - 500 метрів.
• 10Base-T - кабель на основі не екранованої кручений пари (UTP). Утворює зіркоподібну топологію на основі концентраторів. Відстань між концентратором і кінцевим вузлом НЕ більше100 метрів.
• 10Base-F - волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту 10Base-Т. Є кілька варіантів цієї специфікації - FOIRL (відстань до 1000 м), 10Base-FL (відстань до 2000 м).

Формати кадрів Ethernet

Як і на виробництві, кадри в мережі Ethernet вирішують все. Вони служать вмістилищем для всіх високорівневих пакетів, тому, щоб зрозуміти один одного, відправник і одержувач повинні використовувати один і той же тип кадрів Ethernet. Стандарт технологи Ethernet, визначений в документі IEEE802.3, дає опис єдиного формату кадру рівня МАС.Кадри можуть бути всього чотирьох різних форматів, і до того ж не сильно відрізняються один від одного. Більш того, базових форматів кадрів існує всього два (в англійської термінології їх називають "raw formats") - Ethernet_II і Ethernet_802.3, причому вони відрізняються призначенням всього одного поля.

• кадр Ethernet DIX (Ethernet II). З'явився в результаті роботи консорціуму трьох фірм Digital, Intel і Xerox в 1980 році, який представив на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet в якості проекту міжнародного стандарту.
• 802.3 / LLC, 802.3 / 802.2 або Novell 802.2. Прийнято комітетом 802.3 прийняв стандарт відрізняється в деяких деталях від Ethernet DIX.
• Кадр Raw 802.3, або Novell 802.3 - з'явився в результаті зусиль компанії Novell по прискоренню роботи свого стека протоколів в мережах Ethernet

Кожен кадр починається з преамбули (Preamble) Довжиною 7 байт, заповненої шаблоном 0b10101010 (для синхронізації джерела і одержувача). Після преамбули йде байт початкового обмежувача кадру (Start of Frame Delimiter, SFD), що містить послідовність 0b10101011 і вказує на початок власного кадру. Далі йдуть поля адрес одержувача (Destination Address, DA) і джерела (Source Address, SA). У Ethernet використовують 48-бітові адреси МАС-рівня IEEE.

Наступне поле має різний зміст і різну довжину в залежності від типу кадру.

В кінці кадру ідет32-бітове поле контрольної суми (Frame Check Sequence, FCS). Контрольна сума обчислюється за алгоритмом CRC-32. Розмір кадру Ethernet від 64 до 1518 байт (без урахування преамбули, але з урахуванням поля контрольної суми)

Тип кадру Ethernet DIX

Кадр стандарту Ethernet DIX, званий також кадром Ethernet II, схожий на кадр Raw 802.3 тим, що він також не використовує заголовки підрівня LLC, але відрізняється тим, що на місці поля довжини в ньому визначено поле типу протоколу (поле Type). Це поле призначене для тих же цілей, що і поля DSAP і SSAP кадру LLC - для вказівки типу протоколу верхнього рівня, що вклав свій пакет в поле даних цього кадру. Для кодування типу протоколу використовуються значення, перевищують значення максимальної довжини поля даних, що дорівнює 1500, тому кадри Ethernet II і 802.3 легко помітні.

Тип кадру Raw 802.3.

За адресою джерела він містить 16-бітове поле довжини (L), що визначає число байт, наступне за полем довжини (без урахування поля контрольної суми). В цей тип кадру завжди вкладається пакет протоколу IPX. Перші два байта заголовка протоколу IPX містять контрольну суму датаграми IPX. Однак, за замовчуванням це поле не використовується і має значення 0xFFFF.

Тип кадру 802.3.LLC

За полем адреси джерела йде 16-бітове поле довжини, що визначає число байт, наступне за цим полем (без урахування поля контрольної суми) за ним слід заголовок LLC. Заголовок кадру 802.3 / LLC є результатом об'єднання полів заголовків кадрів, визначених у стандартах 802.3 і 802.2.

Стандарт 802.3 визначає вісім полів заголовка:

поле преамбулискладається з семи байтів синхронизирующих даних. Кожен байт містить одну і ту ж послідовність бітів - 10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвильовим сигналом. Преамбула використовується для того, щоб дати час і можливість схемами приймачів (transceiver) прийти в стійкий синхронізм з прийнятими тактовими сигналами.

початковий обмежувач кадру складається з одного байта з набором бітів 10101011. Поява цієї комбінації є зазначенням на майбутній прийом кадру.

Адреса одержувача- може бути довжиною 2 або 6 байтів (MAC-адресу одержувача). Перший біт адреси одержувача - це ознака того, є адреса індивідуальним або груповим: якщо 0, то адреса вказує на певну станцію, якщо 1, то це груповий адресу кількох (можливо всіх) станцій мережі. При широкомовної адресації все біти поля адреси встановлюються в 1. Загальноприйнятим є використання 6-байтових адрес.

Адреса відправника - 2-х або 6-ти байтовое поле, що містить адресу станції відправника. Перший біт - завжди має значення 0.

двухбайтовое поле довжини визначає довжину поля даних в кадрі.

поле даних може містити від 0 до 1500 байт. Але якщо довжина поля менше 46 байт, то використовується наступне поле - поле заповнення, щоб доповнити кадр до мінімально допустимої довжини.

поле заповнення складається з такої кількості байтів заповнювачів, яке забезпечує певну мінімальну довжину поля даних (46 байт). Це забезпечує коректну роботу механізму виявлення колізій. Якщо довжина поля даних достатня, то поле заповнення в кадрі не з'являється.

Поле контрольної суми- 4 байта, містять значення, яке обчислюється за певним алгоритмом (полиному CRC-32). Після отримання кадру робоча станція виконує власне обчислення контрольної суми для цього кадру, порівнює отримане значення зі значенням поля контрольної суми і, таким чином, визначає, чи не спотворений чи отриманий кадр.

Кадр 802.3 є кадром MAС-підрівні, відповідно до стандарту 802.2 в його поле даних вкладається кадр підрівня LLC з віддаленими прапорами початку і кінця кадру.

Результуючий кадр 802.3 / LLC зображений вниз. Так як кадр LLC має заголовок довжиною 3 байти, то максимальний розмір поля даних зменшується до 1497 байт.

Тип кадру Ethernet SNAP

Кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступу до подсетям) є розширенням кадру 802.3 / LLC за рахунок введення додаткового заголовка протоколу SNAP. Тема складається з 3-байтового поля ідентифікатора організації (OUI) і 2-байтового поля типу (Type, Ethertype). Тип ідентифікує протокол верхнього рівня, А поле OUI визначає ідентифікатор організації, яка контролює призначення кодів типу протоколу. Коди протоколів для стандартів IEEE 802 контролює IEEE, що має код OUI рівний 0х000000. Для цього коду OUI поле типу для Ethernet SNAP збігається зі значенням типу Ethernet DIX.

Зведена таблиця по використанню Різних типів кадрів протоколами вищого рівня.

Типкадру	Ethernet II	Ethernet Raw 802.3	Ethernet 802.3 / LLC	Ethernet SNAP
Мережевіпротоколи	IPX, IP, AppleTalk Phase I			IPX, IP, AppleTalk Phase II

Fast Ethernet

Відмінність технології Fast Ethernet від Ethernet

Всі відмінності технології Ethernet і Fast Ethernet зосереджені на фізичному рівні. метою технології Fast Ethernet є отримання значно, на порядок більшою, швидкості в порівнянні з 10 Base T Ethernet - IEEE 802.3, зберігаючи, в той же час, колишні метод доступу, формат фрейма і систему запісі.Уровні МАС і LLC у Fast Ethernet залишилися абсолютно тими ж.

Організація фізичного рівня технології Fast Ethernet є більш складною, оскільки в ній використовуються три варіанти кабельних систем:

• Волоконно-оптичний багатомодовий кабель (два волокна)
• Вита пара категорії 5 (дві пари)
• Вита пара категорії 3 (чотири пари)

Коаксіальний кабель в Fast Ethernet не використовується. Мережі Fast Ethernet на яку поділяє середовищі подібно мереж 10Base-T / 10Base-F має ієрархічну деревоподібну структуру, побудовану на концентраторах. Основною відмінністю конфігурації мереж Fast Ethernet є скорочення діаметра до 200 метрів, що пояснюється скороченням часу передачі кадру мінімальної довжини в 10 разів у порівнянні з 10-мегобайтной мережею Ethernet.

Але при використанні комутаторів протокол Fast Ethernet може працювати в дуплексному режимі, в якому немає обмеження на загальну довжину мережі, а тільки на окремі фізичні сегменти.

Специфікація фізичного середовищаEthernet

• 100BASE-T - Загальний термін для позначення одного з трьох стандартів 100 Мбіт / с Ethernet, що використовує як середовище передачі даних виту пару. Довжина сегмента до 200-250 метрів. Включає в себе 100BASE-TX, 100BASE-T4 і 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u - Розвиток технології 10BASE-T, використовується топологія зірка, задіяний кабель вита пара категорії-5, в якому фактично використовуються 2 пари провідників, максимальна швидкість передачі даних 100 Мбіт / с.
• 100BASE-T4 - 100 Мбіт / с Ethernet по кабелю категорії-3. Задіяні всі 4 пари. Зараз практично не використовується. Передача даних йде в напівдуплексному режимі.
• 100BASE-T2 - Не використовується. 100 Мбіт / с Ethernet через кабель категорії-3. Використовується тільки 2 пари. Підтримується повнодуплексний режим передачі, коли сигнали поширюються в протилежних напрямки по кожній парі. Швидкість передачі в одному напрямку - 50 Мбіт / с.
• 100BASE-FX - 100 Мбіт / с Ethernet за допомогою оптоволоконного кабелю. Максимальна довжина сегмента 400 метрів в напівдуплексному режимі (для гарантованого виявлення колізій) або 2 кілометри в повнодуплексному режимі по многомодовому оптичного волокна і до 32 кілометрів по одномодовому.

Gigabit Ethernet

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - Стандарт Ethernet 1 Гбіт / с. Використовується кручена пара категорії 5e або категорії 6. У передачі даних беруть участь всі 4 пари. Швидкість передачі даних - 250 Мбіт / с по одній парі.
• 1000BASE-TX, - Стандарт Ethernet 1 Гбіт / с, що використовує тільки кручену пару категорії 6. Практично не використовується.
• 1000Base-X - загальний термін для позначення технології Гигабит Ethernet, що використовує в якості середовища передачі даних оптоволоконний кабель, включає в себе 1000BASE-SX, 1000BASE-LX і 1000BASE-CX.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - 1 Гбіт / с Ethernet технологія, використовує багатомодове волокно дальність проходження сигналу без повторювача до 550 метрів.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - 1 Гбіт / с Ethernet технологія, використовує багатомодове волокно дальність проходження сигналу без повторювача до 550 метрів. Оптимізована для далеких відстаней, при використанні одномодового волокна (до 10 кілометрів).
• 1000BASE-CX - Технологія Гигабит Ethernet для коротких відстаней (до 25 метрів), використовується спеціальний мідний кабель (Екранована кручена пара (STP)) з хвильовим опором 150 Ом. Замінений стандартом 1000BASE-T, і зараз не використовується.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - 1 Гбіт / с Ethernet технологія, використовує одномодовий оптичний кабель, дальність проходження сигналу без повторювача до 100 кілометрів.

Проблеми Gigabit Ethernet

• Забезпечення прийнятного діаметра мережі для роботи на поділюваного середовища. У зв'язку з обмеженнями, що накладаються методом CSMA / CD на довжину кабелю, версія Gigabit Ethernet для середовища, що розділяється допускала б довжину сегмента усього в 25 метрів. Необхідно було вирішити цю проблему.
• Досягнення бітової швидкості 1000Мбіт / с на оптичному кабелі. Технологія Fibre Channel, фізичний рівень якої був узятий за основу для оптоволоконної версії Gigabit Ethernet, забезпечує швидкість передачі даних за все 800Мбіт / с.
• Використання в якості кабелю кручений пари.

Для вирішення цих завдань довелося внести зміни не тільки в фізичний рівень, але і в рівень МАС.

Засоби забезпечення діаметру мережі в 200 м на поділюваного середовища

Для розширення максимального діаметра мережі Gigabit Ethernet в напівдуплексному режимі до 200 м розробники технології зробили досить природні заходи, що грунтуються на відомому співвідношення часу передачі кадру мінімальної довжини і часом подвійного обороту.

Мінімальний розмір кадру був збільшений (без урахування преамбули) з 64 до 512 байт або до 4096 bt. Відповідно, час подвійного обороту тепер також можна було збільшити до 4095 bt, що робить допустимим діаметр мережі близько 200 м при використанні одного повторювача. При подвійний затримки сигналу в 10 bt / m оптоволоконні кабелі довжиною 100 м вносять вклад під час подвійного обороту по 1000 bt, і якщо повторювач і мережеві адаптери будуть вносити такі ж затримки, як в технології Fast Ethernet (дані для яких наводилися в попередньому розділі) , то затримка повторювача в 1000 bt і пари мережевих адаптерів в 1000 bt дадуть в сумі час подвійного оберти 4000 bt, що задовольняє умові розпізнавання колізій. Для збільшення довжини кадру до необхідної в новій технології величини мережевий адаптер повинен доповнити поле даних до довжини 448 байт так званий розширенням (extention), що представляє собою поле, заповнене забороненими символами коду 8В / 10В, які неможливо прийняти за коди даних.

Для скорочення накладних витрат при використанні занадто довгих кадрів для передачі коротких квитанцій розробники стандарту дозволили кінцевим вузлам передавати декілька кадрів підряд, без передачі середовища інших станціях. Такий режим отримав назву Burst Mode - монопольний пакетний режим. Станція може передати підряд кілька кадрів із загальною довжиною не більше 65 536 біт або 8192 байт. Якщо станції потрібно передати кілька невеликих кадрів, то вона може не доповнювати їх до розміру в 512 байт, а передавати поспіль до вичерпання межі в 8192 байт (в цю межу входять всі байти кадру, в тому числі преамбула, заголовок, дані і контрольна сума) . Межа 8192 байт називається BurstLength. Якщо станція почала передавати кадр і межа BurstLength був досягнутий в середині кадру, то кадр дозволяється передати до кінця.

Збільшення "суміщеного" кадру до 8192 байт кілька затримує доступ до середовища інших станцій, але при швидкості 1000 Мбіт / с ця затримка не настільки істотна

література

1. В.Г.Оліфер, Н.А.Оліфер Комп'ютерні мережі

1000Base-X

Специфікація 1000BASE-X передбачає використання середовища у вигляді оптичних волокон. В основі цього стандарту лежить технологія заснована на стандарті ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11).

Технологія 1000BASE-X допускає використання трьох різних середовищ передачі, звідси три різновиди: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX і 1000BASE-CX.

1000Base-SX

Найбільш часто використовувана і найдешевша технологія на основі стандартного многомодового волокна. Максимальна відстань для 1000BASE-SX становить 220 метрів. Використовується довжина хвилі 850 нм, S означає Short Wavelength - коротка хвиля.

Очевидно, що це значення може досягатися тільки при полнодуплексной передачі даних, так як час подвійного обороту сигналу на двох відрізках по 220 метрів одно 4400 bt, що перевищує ліміт 4095 bt навіть без урахування повторювача і мережевих адаптерів. Для полудуплексной передачі максимальні значення сегментів оптоволоконного кабелю завжди повинні бути менше 100 метрів.

1000Base-LX

Технологія 1000BASE-LX зазвичай використовується з одномодовими волокнами, тут допустима відстань складає 5 кілометрів. Специфікація 1000Base-LX може працювати і на многомодовому кабелі. У цьому випадку гранична відстань виходить невеликим - 550 метрів.

Для специфікації 1000Base-LX в якості джерела випромінювання завжди застосовується напівпровідниковий лазер з довжиною хвилі 1300 нм.

1000Base-СX

Технологія 1000BASE-CX використовує найбільш своєрідне середовище з трьох. Це засноване на застосуванні рішення, в якому використовуються кабелі, виконані на основі попередньо закручених (precrimped) екранованих кручених пар.

З'єднувач - не простий RJ-45, що часто використовується в 10/100 / 1000Base-T. Замість нього використовується DB-9 або HSSDS, завершальні ці дві пари проводів. Технологія 1000BASE-CX працює на відстанях до 25 м, що обмежує її застосування невеликими площами.

1000Base-T

Специфікація 1000Base-T працює по кручений парі категорії 5.

Кожна пара кабелю категорії 5 має гарантовану смугу пропускання до 100 МГц. Для передачі по такому кабелю даних зі швидкістю 1000 Мбіт / с було вирішено організувати паралельну передачу одночасно по всьому 4 парам кабелю.

Це відразу зменшило швидкість передачі даних по кожній парі до 250 Мбіт / с.

Для кодування даних був застосований код РАМ5, який використовує 5 рівнів потенціалу: -2, -1, 0, +1, +2. Тому за один такт по одній парі передається 2,322 біт інформації. Отже, тактову частоту замість 250 МГц можна знизити до 125 МГц. При цьому, якщо використовувати не всі коди, а передавати 8 біт за такт (по 4 парам), то витримується необхідна швидкість передачі в 1000 Мбіт / с і ще залишається запас невикористовуваних кодів, так як код РАМ5 містить 5 4 \u003d 625 комбінацій, а якщо передавати за один такт по всіх чотирьох парах 8 біт даних, то для цього потрібно всього 2 8 \u003d 256 комбінацій. Решта комбінації приймач може використовувати для контролю інформації, що приймається і виділення правильних комбінацій на тлі шуму. Код РАМ5 на тактовій частоті 125 МГц укладається в смугу 100 МГц кабелю категорії 5.

Для розпізнавання колізій і організації полнодуплексного режиму в специфікації застосовується техніка, при якій обидва передавачі працюють назустріч один одному по кожній з 4-х пар в одному і тому ж діапазоні частот, так як використовують один і той же потенційний код РАМ5 (рис. 12) . Схема гібридної розв'язки Н дозволяє приймачу і передавача одного і того ж вузла використовувати одночасно виту пару і для прийому і для передачі.

Малюнок 12. Двунаправленная передача по 4 парам UTP cat5 в Gigabit

Для відділення сигналу від свого власного приймач віднімає з результуючого сигналу відомий йому свій сигнал. Це не проста операція і для її виконання використовуються спеціальні цифрові сигнальні процесори - DSP ( Digital Signal Processor).

Розвиток мультимедіа технологій призвело до необхідності підвищення пропускної здатності ліній зв'язку. У зв'язку з цим була розроблена технологія Gigabit Ethernet, що передбачає передачу даних зі швидкістю 1 Гбіт / с. У даній технології, також як в Fast Ethernet, була збережена спадкоємність з технологією Ethernet: практично не змінилися формати кадрів, зберігсяметод доступу CSMA/ CD в напівдуплексному режимі. На логічному рівні використовується кодування 8 B/10 B. Оскільки швидкість передачі збільшилася в 10 разів у порівнянні з Fast Ethernet, то було необхідно або зменшити діаметр мережі до 20 - 25 м, або збільшити мінімальну довжину кадру. В технології Gigabit Ethernet пішли іншим шляхом, збільшивши мінімальну довжину кадру до 512 байт, замість 64 байт в технології Ethernet і Fast Ethernet. Діаметр мережі дорівнює 200 м, так само як в Fast Ethernet. Збільшення довжини кадру може відбуватися двома способами. Перший спосіб передбачає заповнення поля даних короткого кадру символами заборонених кодових комбінацій, при цьому буде непродуктивна завантаження мережі. За другим способом дозволяється передавати кілька коротких кадрів поспіль із загальною довжиною до 8192 байт.

Сучасні мережі Gigabit Ethernet, як правило, будуються на основі комутаторів і працюють в повнодуплексному режимі. В цьому випадку говорять не про діаметр мережі, а про довжину сегмента, яка визначається технічними засобами фізичного рівня, перш за все, фізичним середовищем передачі даних. Gigabit Ethernet передбачає використання:

одномодового оптоволоконного кабелю; 802.3 z

многомодового оптоволоконного кабелю; 802.3 z

симетричного кабелю UTP категорії 5; 802.3 ab

коаксіальногокабелю.

При передачі даних по оптоволоконному кабелю в якості випромінювачів використовуються або світлодіоди, що працюють на довжині хвилі 830 нм, або лазери - на довжині хвилі 1300 нм. У відповідність з цим стандарт 802.3 z визначив дві специфікації 1000 Base- SX і 1000 Base- LX. Максимальна довжина сегмента, реалізованого на многомодовому кабелі 62,5 / 125 специфікації 1000Base-SX, становить 220 м, а на кабелі 50/125 - не більше 500 м. Максимальна довжина сегмента, реалізованого на одномодовом специфікації 1000Base-LX, становить 5000 м. Довжина сегмента на коаксіальному кабелі не перевищує 25 м.

Для використання вже наявних симетричних кабелів UTP категорії 5 був розроблений стандарт 802.3 ab. Оскільки в технології Gigabit Ethernet дані повинні передаватися зі швидкістю 1000 Мбіт / с, а кручена пара 5 категорії має смугу пропускання 100 МГц, то було вирішено передавати дані паралельно по 4 крученим парам і використовувати UTP категорії 5 або 5е з шириною смуги 125 МГц. Таким чином, по кожній кручений парі необхідно передавати дані зі швидкістю 250 Мбіт / с, що в 2 рази перевищує можливості UTP категорії 5е. Для усунення цього протиріччя використовується код 4D-PAM5 з п'ятьма рівнями потенціалу (-2, -1, 0, +1, +2). По кожній парі проводів одночасно проводиться передача і прийом даних зі швидкістю 125 Мбіт / с в кожну сторону. При цьому відбуваються колізії, при яких формуються сигнали складної форми п'яти рівнів. Поділ вхідного і вихідного потоків проводиться за рахунок використання схем гібридної розв'язки H (Рис.5.4). В якості таких схем використовуються сигнальні процесори. Для виділення сигналу приймач віднімає з сумарного (переданого і прийнятого) сигналу власний передається сигнал.

Таким чином, технологія Gigabit Ethernet забезпечує високошвидкісний обмін даними і застосовується, головним чином, для передачі даних між підмережами, а також для обміну мультимедійною інформацією.

Мал. 5.4. Передача даних по 4 парам UTP категорії 5

Стандарт IEEE 802.3 рекомендує, що технологія Gigabit Ethernet з передачею даних по волокну повинна бути магістральної (backbone). Тимчасові інтервали, формат кадру і передача є загальними для всіх версій 1000 Мбіт / с. Фізичний рівень визначають дві схеми кодування сигналу (рис.5.5). схема 8 B/10 B використовується для оптичного волокна і мідних екранованих кабелів. Для симетричних кабелів UTP використовується модуляція амплітуди імпульсів (код PAM5 ). технологія 1000 BASE- X використовує логічне кодування 8 B/10 B і лінійне кодування ( NRZ).

Рис.5.5. Специфікації технології Gigabit Ethernet

сигнали NRZ передаються по волокну, використовуючи або короткохвильові ( short- wavelength), Або довгохвильові ( long- wavelength) Джерела світла. Як короткохвильових джерел використовуються світлодіоди з довжиною хвилі 850 нм для передачі по многомодовому оптичного волокна (1000BASE-SX). Цей менш дорогий варіант використовується для передачі на короткі відстані. Довгохвильові лазерні джерела ( 1310 нм) використовують одномодовое або многомодовое оптичне волокно (1000BASE-LX). Лазерні джерела з одномодовим волокном здатні передавати інформацію на відстань до 5000 м.

У з'єднаннях точка - точка ( point- to- point) для передачі ( Tx) І прийому ( Rx) Використовуються роздільні волокна, тому реалізується полнодуплексная зв'язок. Технологія Gigabit Ethernet дозволяє встановлювати тільки єдиний ретранслятор між двома станціями. Нижче наведені параметри технологій 1000BASE (табл. 5.2).

Таблиця 5.2

Порівняльні характеристики специфікацій Gigabit Ethernet

Мережі Gigabit Ethernet будуються на основі комутаторів, коли відстань повнодуплексних з'єднань обмежена тільки середовищем, а не часом подвійного обороту. При цьому, як правило, використовуються топологія « зірка»Або« розширена зірка», А проблеми визначаються логічною топологією і потоком даних.

Стандарт 1000BASE-T передбачає використання практично такого ж кабелю UTP, як і стандарти 100BASE-T, і 10BASE-T. Кабель UTP технології 1000BASE-T такий же, як кабель 10BASE-T і 100BASE-TX, за винятком того, що рекомендовано використовувати кабель категорії 5e. При довжині кабелю 100 м апаратура 1000BASE-T працює на межі своїх можливостей.

Виділимо три головні елементи стандарту: формат кадру, систему сигналізації між робочими станціями при здійсненні передачі даних по протоколу CSMA / CD і набір фізичних середовищ: коаксіальний кабель, кручена пара, волоконно-оптичний кабель.

Формат кадру Ethernet

На рис. 7-2 показаний формат кадру Ethernet. Поля мають наступні призначення:
- Преамбула: 7 байт, кожен з яких представляє чергування одиниць і нулів 10101010. Преамбула дозволяє встановити бітову синхронізацію на приймальній стороні.
- Обмежувач початку кадру (SFD, start frame delimiter): 1 байт, послідовність 10101011. вказує, що далі послідують, інформаційні поля кадру. Цей байт можна відносити до преамбулі.
- Звідки призначення (DA, destination address): 6 байт, вказує МАС-адреса станції (МАС-адреси станцій), для якої (яких) призначений цей кадр. Це може бути єдиний фізичну адресу (unicast), груповий адреса (multicast) або широкомовна адреса (broadcast).
- Адреси відправника (SA, source address): б байт, вказує МАС-адреса станції, яка посилає кадр.
- Поле типу або довжини кадру (Т or L, type or length): 2 байта. Існують два базових формату кадру Ethernet (в англійській термінології raw formats -сир формати) -EthernetII і IEEE 802.3 (рис. 7.2), причому різне призначення у них має саме розглядається поле. Для кадру EthernetII в цьому полі міститься інформація про тип кадру. Нижче наведені значення в шістнадцятковій системі цього поля для деяких поширених мережевих протоколів: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, і 0х8137 для IPX / SPX. Із зазначенням в цьому полі конкретного значення (одного з перерахованих) кадр набуває реальний формат, і в такому форматі кадр вже може поширюватися по мережі.
- Для кадру IEEE 802,3 в цьому полі міститься виражений в байтах розмір наступного поля - поля даних (LLC Data). Якщо ця цифра призводить до загальної довжини кадру менше 64 байт, то за полем LLC Data додається поле Pad. Для протоколу більш високого рівня не виникає плутанини з визначенням типу кадру, так як для кадру IEEE 802.3 значення цього поля не може бути більше 1500 (0x05DC). Тому, в одній мережі можуть вільно співіснувати обидва формати кадрів, більш того, один мережевий адаптер може взаємодіяти з обома типами за допомогою стека протоколів.
- Дані (LLC Data): поле даних, яке обробляється подуровнем LLC. Сам по собі кадр IEEE 802.3 ще не остаточний. Залежно від значень перших декількох байт цього поля, можуть бути три остаточних формату цього кадру IEEE 802.3:
- Ethernet_802.3 (не стандартний, в даний час застаріваючий формат, який використовується Novell) - перші два байта LLC Data рівні 0xFFFF;
- EthernetSNAP (стандартний IEEE 802.2 SNAP формат, якому віддається найбільша перевага в сучасних мережах, особливо для протоколу TCP / IP) - перший байт LLC Data дорівнює 0хАА;
- Ethernet_802.2 (стандартний IEEE 802.2 формат, використовується фірмою Novell в NetWare 4.0) - перший байт LLC Data НЕ дорівнює ні 0xFF (11111111), ні 0хАА (10101010).

Додаткове поле (pad - наповнювач) - заповнюється тільки в тому випадку, коли поле даних невелика, з метою подовження довжини кадру до мінімального розміру 64 байта - преамбула до уваги береться. Обмеження знизу на мінімальну довжину кадру необхідно для правильного вирішення колізій.

Контрольна послідовність кадру (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в якому вказується контрольна сума, Обчислена з використанням циклічного надлишкового коду по полях кадру, за винятком преамбул SDF і FCS.

Мал. 7.2. Два базових MAC формату кадру Ethernet

Основні варіанти алгоритмів випадкового доступу до середовища

Протокол CSMA / CD визначає характер взаємодії робочих станцій в мережі з єдиною загальною для всіх пристроїв середовищем передачі даних. Всі станції мають рівноправні умови з передачі даних. Немає певної послідовності, відповідно до якої станції можуть отримувати доступ до середовища для здійснення передачі. Саме в цьому сенсі доступ до середовища здійснюється випадковим чином. Реалізація алгоритмів випадкового доступу представляється значно більше простим завданням, ніж реалізація алгоритмів детермінованого доступу. Оскільки в останньому випадку потрібно або спеціальний протокол, який контролює роботу всіх пристроїв мережі (наприклад, протокол звернення маркера, властивий мереж Token Ring і FDDI), або спеціальне виділене пристрій-майстер концентратор, який в певній послідовності надавав би всім іншим станціям можливість передавати (мережі Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однак мережу з випадковим доступом має один, мабуть головний, недолік - це не зовсім стійка робота мережі при великій завантаженості, коли може проходити досить великий час, перш ніж даної станції вдається передати дані. Виною тому-колізії, які виникають між станціями, що почали передачу одночасно або майже одночасно. При виникненні колізії передані дані не доходять до одержувачів, а передавальним станціям доводиться повторно відновлювати передачу.

Дамо визначення: безліч всіх станцій мережі, одночасна передача будь-якої пари з яких призводить до колізії, називається колізійним доменом (collision domain). Через колізії (конфлікту) можуть виникати непередбачувані затримки при поширенні кадрів по мережі, особливо при великій завантаженості мережі (багато станцій намагаються одночасно передавати всередині колізійного домену,\u003e 20-25), і при великому діаметрі колізійного домену (\u003e 2 км). Тому при побудові мереж бажано уникати таких екстремальних режимів роботи.

Проблема побудови протоколу, здатного найбільш раціонально вирішувати колізії, і оптимизирующего роботу мережі при великих завантаженнях, Була однією з ключових на етапі формування стандарту Ethernet IEEE 802.3. Спочатку розглядалися три основні підходи в якості кандидатів для реалізації стандарту випадкового доступу до середовища (рис. 7.3): непостійний, 1-постійний і р-постійний.

Мал. 7.3. Алгоритми множинного випадкового доступу (CSMA) і витримка часу в конфліктній ситуації (collision backoff)

Непостійний (nonpersistent) алгоритм. При цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. прослуховувати середу, і, якщо середовище вільна (тобто якщо немає іншої передачі чи ні сигналу колізії), передає, в іншому випадку - середовище зайнята -переходить до кроку 2.
2. Якщо середовище зайнята, чекає випадкове (відповідно до певної кривої розподілу ймовірностей) час і повертається до кроку 1.

Використання випадкового значення очікування при зайнятій середовищі зменшує ймовірність утворення колізій. Дійсно, припустимо в іншому випадку, що дві станції практично одночасно зібралися передавати, в той час, як третя вже здійснює передачу. Якщо перші дві не мали б випадкового часу очікування перед початком передачі (в разі, якщо середовище виявилася зайнятою), а тільки прослуховували середу і чекали, коли вона звільниться, то після припинення передачі третьою станцією перші дві почали б передавати одночасно, що неминуче призводило б до колізій. Таким чином, випадкове очікування усуває можливість утворення таких колізій. Однак незручність цього методу проявляється в неефективному використанні смуги пропускання каналу. Оскільки може статися, що до того моменту, коли середовище звільниться, станція, яка бажає передавати, ще буде продовжувати чекати деяке випадкове час, перш ніж зважиться прослуховувати середу, оскільки перед цим вже прослуховувала середу, яка виявилася зайнятою. В результаті канал буде простоювати якийсь час, навіть якщо тільки одна станція очікує передачі.

1-постійний (1-persistent) алгоритм. Для скорочення часу, коли середовище не зайнята, міг би використовуватися 1-постійний алгоритм. При цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. прослуховувати середу, і, якщо середовище не зайнята, передає, в іншому випадку переходить до кроку 2;
2. Якщо середовище зайнята, продовжує прослуховувати середу до тих пір, поки середовище не звільниться, і, як тільки середовище звільняється, відразу ж починає передавати.

Порівнюючи непостійний і 1-постійний алгоритми, можна сказати, що в 1-постійному алгоритмі станція, яка бажає передавати, поводиться більш «егоїстично». Тому, якщо дві або більше станцій очікують передачі (чекають, поки не звільниться середовище), колізія, можна сказати, буде гарантована. Після колізії станції починають вирішувати, що їм робити далі.

Р-постійний (p-persistent) алгоритм. Правила цього алгоритму наступні:
1. Якщо середу вільна, станція з ймовірністю р відразу ж починає передачу або з ймовірністю (1-р) очікує протягом інтервалу часу Т. Інтервал Т зазвичай береться рівним максимальному часу поширення сигналу від краю до краю мережі;
2. Якщо середовище зайнята, станція продовжує прослуховування до тих пір, поки середовище не звільниться, потім переходить до кроку 1;
3. Якщо передача затримана на один інтервал Т, станція повертається до кроку 1.

І тут виникає питання вибору найбільш ефективного значення параметра р. Головна проблема, як уникнути нестабільності при високих завантаженнях. Розглянемо ситуацію, при якій n станцій мають намір передати кадри, в той час, як вже йде передача. По закінченню передачі очікувана кількість станцій, які спробують передавати, буде дорівнює добутку кількості бажаючих передавати станцій на ймовірність передачі, тобто пр. Якщо np\u003e 1, то в середньому кілька станцій намагатимуться передати відразу, що викличе колізію. Більш того, як тільки колізія буде виявлена, все станції знову перейдуть до кроку 1, що викличе повторну колізію. У гіршому випадку, нові станції, які бажають передавати, можуть додатися до n, що ще більше погіршить ситуацію, привівши, в кінцевому підсумку, до безперервної колізії і нульовий пропускної здатності. Для уникнення такої катастрофи тощо повинно бути менше одиниці. Якщо ж мережа схильна до виникнення станів, коли багато станцій одночасно бажають передавати, то необхідно зменшувати р. З іншого боку, коли р ставати занадто малим, навіть окрема станція може прочекати в середньому (1 - р) / р інтервалів Т, перш ніж здійснить передачу. Так якщо р \u003d 0,1, то середній простій, що передує передачі, складе 9Т.

Стандарт Gigabit Ethernet з використанням в якості середовища передачі даних кабелю 5-ї категорії (неекранована кручена пара), описаний в розділі IEEE 802.3ab, був остаточно затверджений 28 червня 1999 року.

Минув час, і зараз вже можна говорити, що гігабітний Ethernet по «міді» міцно увійшов в історію розвитку локальних мереж. Різке падіння цін як на гігабітні мережеві адаптери 1000Base-T, так і на гігабітні модулі до комутаторів поступово призвело до того, що установка подібних адаптерів в сервери стає стандартом де-факто. Наприклад, деякі виробники серверів вже стали інтегрувати гігабітні адаптери 1000Base-T на серверні материнські плати, А кількість компаній, які виробляють такі адаптери, на початку цього року досягло 25. Крім того, стали випускатися і адаптери, призначені для установки в робочі станції (вони відрізняються тим, що розраховані на 32-бітну 33-мегагерцевого PCI-шину). Все це дозволяє з упевненістю говорити, що через рік-два гігабітні мережеві адаптери стануть настільки ж поширеними, як зараз адаптери Fast Ethernet.

Розглянемо принципові нововведення, втілені в стандарті IEEE 802.3ab і дозволили досягти такої високої швидкості передачі, при збереженні незмінним максимальної відстані між двома комп'ютерами в 100 м, як це було в стандарті Fast Ethernet.

Перш за все нагадаємо, що мережеві адаптери працюють на фізичному і канальному рівнях семиуровневой моделі OSI (Open System Interconnection). Канальний рівень прийнято розділяти на два підрівні: MAC і LCC. Підрівень MAC (Media Access Control) - це підрівень управління доступом до середовища передачі даних, що забезпечує коректне спільне використання загального середовища передачі даних, надаючи її в відповідно до певного алгоритму в розпорядження тієї чи іншої станції. Підрівень LCC (Logical Link Control) відповідає за передачу кадрів між вузлами з різним ступенем надійності, а також реалізує функції інтерфейсу з прилеглим до нього третім (мережевим) рівнем.

Всі відмінності між Ethernet і Fast Ethernet зосереджені тільки на фізичному рівні. При цьому MAC і LCC не зазнали жодних змін.

Фізичний рівень можна умовно розділити на три елементи: рівень узгодження, незалежний від середовища інтерфейс (Media Independent Interface, MII) і пристрій фізичного рівня (Physical layer device, PHY). Пристрій фізичного рівня також можна поділити на кілька підрівнів: підрівень фізичного кодування, підрівень фізичного приєднання (Physical Medium Attachment), підрівень залежності фізичного середовища (Physical Medium Dependent) і підрівень автопереговорів про швидкість передачі даних (Auto-Negotiation).

Якщо відмінності між Ethernet і Fast Ethernet мінімальні і не зачіпають MAC-рівня, то при розробці стандарту Gigabit Ethernet 1000Base-T розробникам довелося не тільки внести зміни в фізичний рівень, а й торкнутися MAC-рівень (рис. 1).

Проте між усіма трьома технологіями залишилося багато спільного. Перш за все це метод доступу до середовища передачі даних CSMA / CD, напівдуплексний і повнодуплексний режими роботи, а також формати кадрів Ethernet. У той же час використання кручений пари кабелю 5-ї категорії зажадало внести серйозні зміни в реалізацію фізичного рівня адаптера.

Першою проблемою реалізації швидкості 1 Гбіт / с стало забезпечення прийнятного діаметра мережі при роботі в напівдуплексному режимі роботи. Як відомо, мінімальний розмір кадру в мережах Ethernet і Fast Ethernet становить 64 байта. Однак розмір кадру в 64 байта при швидкості передачі в 1 Гбайт / с призводить до того, що для надійного розпізнавання колізій необхідно, щоб максимальний діаметр мережі (відстань між двома найбільш віддаленими один від одного комп'ютерами) становив не більше 25 м. Справа в тому, що успішне розпізнавання колізій можливо тільки в тому випадку, якщо час між посилкою двох послідовних кадрів мінімальної довжини більше, ніж подвійний час поширення сигналу між двома максимально віддаленими одна від одної вузлами в мережі. Тому, щоб забезпечити максимальний діаметр мережі в 200 м (два кабелі по 100 м і комутатор), мінімальна довжина кадру в стандарті Gigabit Ethernet була збільшена до 512 байт. Для збільшення довжини кадру до необхідної мережевий адаптер доповнює поле даних до довжини 448 байт так званим розширенням (extention). Поле розширення - це поле, заповнене забороненими символами, які неможливо прийняти за коди даних (рис. 2). У той же час збільшення мінімальної довжини кадру негативно позначається при передачі коротких службових повідомлень, наприклад квитанцій, так як корисна інформація, що передається стає істотно менша, ніж загальна переданої інформації. З метою скорочення накладних витрат при використанні довгих кадрів для передачі коротких квитанцій стандартом Gigabit Ethernet допускається можливість передачі декількох кадрів підряд в режимі монопольного захоплення середовища, тобто без передачі середовища інших станціях. Такий монопольний режим захоплення називається Burst Mode. В цьому режимі станція може передавати поспіль кілька кадрів із загальною довжиною не більше 8192 байт (BurstLength).

Як уже зазначалося, поряд зі зміною MAC-рівня, досягнення гігабітних швидкостей передачі стало можливим завдяки суттєвій зміні фізичного рівня, тобто самої технології подання даних (кодування) при передачі даних по кручений парі.

Для того щоб розібратися з тими змінами, які були зроблені на фізичному рівні, згадаємо, що представляє собою кабель для передачі даних і які перешкоди виникають при передачі сигналів.

Неекранований кабель 5-ї категорії складається з чотирьох пар проводів, причому кожна пара перекручена між собою. Такий кабель розрахований для роботи на частоті 100 МГц (рис. 3).

З курсу фізики відомо, що будь-який кабель має, крім активного, також ємнісним і індуктивним опорами, причому два останніх залежать від частоти сигналу. Всі три типи опору визначають так званий імпеданс ланцюга. Наявність імпедансу призводить до того, що при поширенні сигналу по кабелю він поступово згасає, втрачаючи частину своєї початкової потужності.

Якщо взаємна індукція обчислюється на початку кабелю, то відповідний тип перешкод буде називатися NEXT (Near-end crosstalk loss). Якщо ж перешкоди, викликані взаємної індукцією, розглядаються в кінці кабелю, то вони називаються FEXT (Far-end crosstalk loss - рис. 4).

Крім того, при поширенні сигналу виникає і інший тип перешкод, пов'язаний з неузгодженістю вхідного імпедансу мережевого адаптера і кабелю. В результаті подібного неузгодженості виникає відображення сигналу, що також призводить до утворення шуму.

Передача сигналів в описаних вище умовах перешкод вимагає використання хитромудрих способів, що дозволяють забезпечити необхідну швидкість передачі і в той же час гарантувати безпомилкове розпізнавання сигналів, що передаються.

Перш за все нагадаємо, які методи застосовуються для подання інформаційних сигналів.

При цифровому кодуванні бітових «нулів» і «одиниць» використовують або потенційні, або імпульсні коди. У потенційних кодах (рис. 5) для представлення логічних нулів і одиниць використовують тільки значення потенціалу сигналу. Наприклад, одиницю представляють у вигляді потенціалу високого рівня, а нуль - у вигляді потенціалу низького рівня. Імпульсні коди дозволяють представляти біти перепадом потенціалу певного напряму. Так, перепад потенціалу від низького рівня до високого може відповідати логічному нулю.

При використанні прямокутних імпульсів для передачі даних необхідно вибрати такий спосіб кодування, який би одночасно задовольняв кільком вимогам.

По-перше, мав би при одній і тій же бітової швидкості найменшу ширину спектра результуючого сигналу.

По-друге, мав би здатністю розпізнавати помилки.

По-третє, забезпечував би синхронізацію між приймачем і передавачем.

код NRZ

У найпростішому випадку потенційного кодування логічну одиницю можна представляти високим потенціалом, а логічний нуль - низьким. Подібний спосіб представлення сигналу отримав назву «кодування без повернення до нуля, або кодування NRZ (Non Return to Zero)». Під терміном «без повернення» в даному випадку розуміється то, що протягом усього тактового інтервалу не відбувається зміни рівня сигналу. Метод NRZ простий в реалізації, має гарну распознаваема помилок, але не має властивість самосинхронизации. Відсутність самосинхронизации призводить до того, що при появі довгих послідовностей нулів або одиниць приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу ті моменти часу, коли потрібно в черговий раз зчитувати дані. Тому незначне неузгодженість тактових частот приймача і передавача може призводити до появи помилок, якщо приймач зчитує дані не в той момент часу, коли це потрібно. Особливо критично таке явище при високих швидкостях передачі, коли час одного імпульсу надзвичайно мало (при швидкості передачі 100 Мбіт / с час одного імпульсу становить 10 нс). Іншим недоліком коду NRZ є наявність низькочастотної складової в спектрі сигналу при появі довгих послідовностей нулів або одиниць. Тому код NRZ не використовується в чистому вигляді для передачі даних.

код NRZI

Іншим типом кодування є дещо видозмінений NRZ-код, званий NRZI (Non Return to Zero with one Inverted). Код NRZI є найпростішою реалізацією принципу кодування зміною рівня сигналу або диференціального кодування. При такому кодуванні при передачі нуля рівень сигналу не змінюється, тобто потенціал сигналу залишається таким же, як і в попередньому такті. При передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Порівняння кодів NRZ і NRZI показує, що код NRZI має кращу самосинхронізацією в тому випадку, якщо в кодируемой інформації логічних одиниць більше, ніж логічних нулів. Таким чином, цей код дозволяє «боротися» з довгими послідовностями одиниць, але не забезпечує належної самосинхронизации при появі довгих послідовностей логічних нулів.

Манчестерський код

У манчестерському коді для кодування нулів і одиниць використовується перепад потенціалу, тобто кодування здійснюється фронтом імпульсу. Перепад потенціалу відбувається на середині тактового імпульсу, при цьому одиниця кодується перепадом від низького потенціалу до високого, а нуль - навпаки. На початку кожного такту в разі появи кількох нулів або одиниць поспіль може виникати службовий перепад потенціалу.

З усіх розглянутих нами кодів манчестерський має кращу самосинхронізацією, оскільки перепад сигналу відбувається як мінімум один раз за такт. Саме тому манчестерський код використовується в мережах Ethernet зі швидкістю передачі 10 Мбіт / с (10Ваsе 5, 10Ваsе 2, 10Bаsе-Т).

Код МLТ-3

Код МLТ-3 (Multi Level Transmission-3) реалізується аналогічно коду NRZI. Зміна рівня лінійного сигналу відбувається тільки в тому випадку, якщо на вхід кодера надходить одиниця, проте на відміну від коду NRZI алгоритм формування обраний таким чином, щоб два сусідніх зміни завжди мали протилежні напрямки. Недолік коду MLT-3 такий же, як і у коду NRZI, - відсутність належної синхронізації при появі довгих послідовностей логічних нулів.

Як вже зазначалося, різні коди відрізняються один від одного не тільки ступенем самосинхронизации, але і шириною спектра. Ширина спектра сигналу визначається в першу чергу тими гармоніками, які дають основний енергетичний внесок у формування сигналу. Основну гармоніку легко розрахувати для кожного типу коду. У коді NRZ або NRZI максимальна частота основної гармоніки (рис. 6) відповідає періодичної послідовності логічних нулів і одиниць, тобто коли не зустрічається поспіль кількох нулів або одиниць. У цьому випадку період основної гармоніки дорівнює часового інтервалу двох бітів, тобто при швидкості передачі 100 Мбіт / с частота основної гармоніки повинна бути 50 Гц.

У манчестерському коді максимальна частота основної гармоніки відповідає ситуації, коли на вхід кодера надходить довга послідовність нулів. У цьому випадку період основної гармоніки дорівнює часового інтервалу одного біта, тобто при швидкості передачі 100 Мбіт / с максимальна частота основної гармоніки буде 100 Гц.

У коді MLT-3 максимальна частота основної гармоніки (рис. 7) досягається при подачі на вхід кодера довгих послідовностей логічних одиниць. У цьому випадку період основної гармоніки відповідає часового інтервалу чотирьох бітів. Отже, при швидкості передачі 100 Мбіт / с максимальна частота основної гармоніки буде дорівнює 25 МГц.

Як уже зазначалося, манчестерське кодування використовується в мережах Ethrnet 10 Мбіт / с, що пов'язано і з хорошими самосінхронізірующіхся властивостями коду, і з дозволеною максимальною частотою основної гармоніки, яка при роботі на швидкості 10 Мбіт / с складе 10 МГц. Цього значення досить для кабелю не тільки 5-й, але і 3-ї категорії, яка розрахована на частоту 20 МГц.

У той же час використання манчестерського кодування для більш високошвидкісних мереж (100 Мбіт / с, 1 Гбіт / с) є неприйнятним, оскільки кабелі не розраховані на роботу при таких високих частотах. Тому використовуються інші коди (NRZI і MLT-3), але для поліпшення самосінхронізірующіхся властивостей коду вони піддаються додатковій обробці.

надлишкові коди

Така додаткова обробка полягає в логічному блоковому кодуванні, коли одна група біт за певним алгоритмом замінюється іншою групою. Найбільш поширеними типами подібного кодування є надлишкові коди 4B / 5B, 8B / 6T і 8B / 10T.

У цих кодах вихідні групи біт замінюються на нові, але довші групи. У коді 4B / 5B групі з чотирьох біт ставиться у відповідність група з п'яти біт. Виникає питання - для чого потрібні всі ці ускладнення? Справа в тому, що таке кодування є надмірною. Наприклад, в коді 4B / 5B в вихідної послідовності з чотирьох біт існує 16 різних бітових комбінацій нулів і одиниць, а в групі з п'яти біт таких комбінацій вже 32. Тому в результуючому коді можна вибрати 16 таких комбінацій, які не містять великої кількості нулів (нагадаємо, що у вихідних кодах NRZI і MLT-3 довгі послідовності нулів призводять до втрати синхронізації). При цьому інші не використовуються комбінації можна вважати забороненими послідовностями. Таким чином, крім поліпшення самосінхронізірующіхся властивостей вихідного коду надлишкове кодування дозволяє приймачу розпізнавати помилки, так як поява забороненої послідовності біт свідчить про виникнення помилки. Відповідність вихідних і результуючих кодів наведено в табл. 1.

З таблиці видно, що після використання надлишкового коду 4B / 5B в результуючих послідовності не зустрічається більше двох нулів підряд, що гарантує самосинхронізацію бітової послідовності.

У коді 8B / 6T послідовність восьми біт вихідної інформації замінюється послідовністю з шести сигналів, кожен з яких може приймати три стану. У восьмібітной послідовності є 256 різних станів, а в послідовності шести триповерхових сигналів таких станів вже 729 (3 +6 \u003d 729), тому 473 стану вважаються забороненими.

У коді 8B / 10T кожна восьмібітного послідовність замінюється на десятібітную. При цьому в вихідної послідовності міститься 256 різних комбінацій нулів і одиниць, а в результуючої 1024. Таким чином, 768 комбінацій є забороненими.

Всі розглянуті надлишкові коди знаходять застосування в мережах Ethernet. Так, код 4B / 5B використовується в стандарті 100Base-TX, а код 8B / 6T - в стандарті 100Base-4T, який в даний час практично вже не використовується. Код 8B / 10T використовується в стандарті 1000Base-Х (коли в якості середовища передачі даних використовується оптоволокно).

Крім використання надлишкового кодування широке застосування знаходить і інший спосіб поліпшення вихідних властивостей кодів - це так зване скремблювання.

Скремблирование

Скремблювання (scramble - перемішування) полягає в перемішуванні вихідної послідовності нулів і одиниць з метою поліпшення спектральних характеристик і самосінхронізірующіхся властивостей результуючої послідовності бітів. Здійснюється скремблирование шляхом побітової операції виключає АБО (XOR) вихідної послідовності з псевдовипадковою послідовністю. В результаті виходить «зашифрований» потік, який відновлюється на стороні приймача за допомогою дескремблера.

З апаратної точки зору скремблер складається з декількох логічних елементів XOR і регістрів зсуву. Нагадаємо, що логічний елемент XOR (виключає АБО) здійснює над двома булеві операндами x і y, які можуть приймати значення 0 або 1, логічну операцію на основі таблиці істинності (табл. 2).

З даної таблиці безпосередньо слід основну властивість операції виключає АБО:

Крім того, неважко помітити, що до операції виключає АБО застосуємо сполучний закон:

На схемах логічний елемент XOR прийнято позначати так, як показано на рис. 8.

Як уже зазначалося, іншим складовим елементом скремблера є регістр зсуву. Регістр зсуву складається з декількох послідовно пов'язаних один з одним елементарних запам'ятовуючих осередків, виконаних на основі тригерних схем і передавальних інформаційний сигнал з входу на вихід по керуючому сигналу - тактується імпульсу. Регістри зсуву можуть реагувати як на позитивний фронт тактирующего імпульсу (тобто при переході сигналу зі стану 0 в стан 1), так і на негативний фронт.

Розглянемо найпростішу запоминающую осередок регістразсуву, керовану по позитивному фронту тактового імпульсу С (рис. 9).

У момент зміни тактирующего імпульсу зі стану 0 в стан 1 на вихід осередку передається той сигнал, який був на його вході в попередній момент часу, тобто коли керуючий сигнал С дорівнював 0. Після цього стан виходу не змінюється (осередок замкнені) аж до приходу наступного позитивного фронту тактового імпульсу.

Використовуючи ланцюжок, що складається з декількох послідовно пов'язаних запам'ятовуючих осередків з одним і тим же керуючим сигналом, можна скласти регістр зсуву (рис. 10), в якому інформаційні біти будуть послідовно передаватися від однієї комірки до іншої синхронно по позитивному фронту тактового імпульсу.

Складовим елементом будь-якого скремблера є генератор псевдослучайной послідовності. Такий генератор утворюється з регістра зсуву при створенні зворотного зв'язку між входом і виходами запам'ятовуючих осередків регістра зсуву за допомогою логічних елементів XOR.

Розглянемо генератор псевдослучайной послідовності, зображений на рис. 11. Нехай в початковий момент часу всі чотири запам'ятовують осередки зберігають деякий встановлене стан. Наприклад, можна припустити, що Q1 \u003d 1, Q2 \u003d 0, Q3 \u003d 0 і Q4 \u003d 1, а на вході першого осередку D \u003d 0. Після приходу тактирующего імпульсу все розряди зрушаться на один біт, а на вхід D надійде сигнал, значення якого визначиться за формулою:

Користуючись цією формулою, неважко визначити значення виходів запам'ятовуючих осередків на кожному такті роботи генератора. У табл. 3 показано стан виходів запам'ятовуючих осередків генератора псевдослучайной послідовності на кожному такті роботи. При цьому неважко помітити, що в початковий момент часу і через 15 тактів стан генератора повністю повторюється, тобто 15 тактів роботи - це період повторення нашої псевдослучайной послідовності (саме з наявності періоду повторення послідовність і називається псевдослучайной). У загальному випадку, якщо генератор складається з n-осередків, період повторення дорівнює:

Розглянутий нами генератор використовував якийсь довільне початкове стан осередків, тобто мав попередню. Однак замість такої попередньої установки в скремблера часто використовують саму вихідну послідовність, що піддаються скремблювання. Такі скремблера називаються самосінхронізірующіхся. Приклад подібного скремблера зображений на рис. 12.

Якщо позначити двійкову цифру вихідного коду, що надходить на i-м такті роботи на вхід скремблера, через A i, а двійкову цифру результуючого коду, отриману на i-м такті роботи, через B i, то неважко помітити, що даний скремблер здійснює такий логічний операцію:, де B i -3 і B i -4 - виконавчі цифри результуючого коду, отримані на попередніх тактах роботи скремблера, відповідно на 3 і на 4 такту раніше поточного моменту.

Після розкодування отриманої таким чином послідовності на стороні приймача використовується дескремблер. Найдивовижніше, що схема дескремблера повністю ідентична схемі скремблера. У тому, що це дійсно так, неважко переконатися шляхом простих міркувань. Якщо позначити через B i двійкову цифру вихідного коду, що надходить на i-м такті роботи на вхід дескремблера, а двійкову цифру результуючого коду, отриману на i-м такті роботи, через С i, то дескремблер, працюючи за тією ж схемою, що і скремблер, повинен реалізовувати наступний алгоритм:

Отже, якщо схема дескремблера збігається зі схемою скремблера, то дескреблер повністю відновлює вихідну послідовність інформаційних біт.

Розглянута Чотирирозрядний схема скремблера є однією з найпростіших. В технології 1000Base-T використовується значно складніший скремблер на 33 розряду, що збільшує період повторення до 8 589 934 591 біт (2 33 -1), тобто формуються псевдовипадкові послідовності повторюються через 68,72 с.

Кодування PAM-5

Розібравшись з тим, які коди використовуються для представлення даних, і розглянувши методи поліпшення самосінхронізірующіхся і спектральних властивостей цих кодів, спробуємо з'ясувати, чи достатньо цих заходів, щоб забезпечити передачу даних на швидкості 1000 Мбіт / с з використанням чотирипарного кабелю 5-ї категорії.

Як уже зазначалося, манчестерське кодування володіє хорошими самосінхронізірующіхся властивостями і в цьому сенсі не вимагає яких-небудь доопрацювань, проте максимальна частота основної гармоніки чисельно дорівнює швидкості передачі даних, тобто кількості переданих біт в секунду. Цього достатньо для передачі даних зі швидкістю 10 Мбіт / с, так як кабель 3-ї категорії (а в стандарті 10Base-T може використовуватися такий кабель) обмежений частотами в 16 МГц. Однак манчестерське кодування не годиться для передачі даних зі швидкістю 100 Мбіт / с і вище.

Використання коду NRZI після додаткового доопрацювання за допомогою надлишкового блочного коду 4B / 5B і скремблювання, а також трипозиційного коду MLT-3 (з метою зменшення максимальної частоти основної гармоніки) дозволяє передавати дані зі швидкістю 100 Мбіт / с по кабелю 5-ї категорії. Дійсно, при використанні коду MLT-3 максимальна частота основної гармоніки чисельно дорівнює одній четвертій від швидкості передачі даних, тобто при швидкості передачі 100 Мбіт / с частота основної гармоніки не перевищує 25 МГц, що цілком достатньо для кабелю 5-ї категорії. Однак такий спосіб не годиться для передачі даних на швидкості 1000 Мбіт / с.

Тому в стандарті 1000Base-T використовується принципово інший спосіб кодування. Для зменшення тактової частоти до величин, що дозволяють передавати дані по крученим парам категорії 5, дані в лінії представляються в так званому коді PAM-5 (рис. 13). У ньому передається сигнал має набір з п'яти фіксованих рівнів (-2, -1, 0, +1, +2). Чотири з них використовуються для кодування інформаційних бітів, а п'ятий призначений для корекції помилок. На наборі з чотирьох фіксованих рівнів одним дискретним станом сигналу можна закодувати відразу два інформаційних біта, оскільки комбінація з двох біт має чотири можливі комбінації (так звані дібіт) - 00, 01, 10 і 11.

Перехід до дібіт дозволяє в два рази підвищити бітову швидкість. Щоб розрізняти бітову, або інформаційну, швидкість і швидкість різних дискретних станів сигналу, вводять поняття бодовой швидкості. Бод - це кількість різних дискретних станів сигналу в одиницю часу. Тому, якщо в одному дискретному стані кодується два біта, бітова швидкість в два рази більше бодовой, тобто 1 Бод \u003d 2 біт / с.

Якщо врахувати, що кабель 5-ї категорії розрахований на частоту 125 МГц, тобто здатний працювати з бодовой швидкістю 125 Мбод, то інформаційна швидкість по одній парі складе 250 Мбіт / с. Згадаймо, що в кабелі є чотири кручені пари, тому якщо задіяти всі чотири пари (рис. 14), то можна підвищити швидкість передачі до 250 Мбіт / сх4 \u003d 1000 Мбіт / с, тобто досягти бажаної швидкості.

Як уже зазначалося, в кодуванні PAM-5 є п'ять дискретних рівнів, однак для передачі дібіт використовується тільки чотири рівні. П'ятий надлишковий рівень коду (Forward Error Correction, FEC) використовується для механізму побудови корекції помилок. Він реалізується кодером Трелліса і декодером Вітербо. Застосування механізму корекції помилок дозволяє збільшити стійкість приймача на 6 дБ.

Трелліс-кодування

Розглянемо принципи трелліс-кодування на основі найпростішого кодера, що складається з двох запам'ятовуючих осередків і елементів XOR (рис. 15). Нехай на вхід такого кодера надходить зі швидкістю k біт / с послідовність біт 0101110010. Якщо на виході кодера встановити прочитує осередок, що працює з удвічі більшою частотою, ніж швидкість надходження біт на вхід кодера, то швидкість вихідного потоку буде в два рази вище швидкості вхідного потоку . При цьому зчитує осередок за першу половину такту роботи кодера зчитує дані спочатку з логічного елемента XOR 2, а другу половину такту - з логічного елемента XOR 3. В результаті кожному вхідному біту ставиться у відповідність два вихідних бита, тобто дібіт, перший біт якого формується елементом XOR 2, а другий - елементом XOR 3. За тимчасової діаграмі стану кодера неважко простежити, що при вхідній послідовності біт 0101110010 вихідна послідовність буде 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10.

Відзначимо одну важливу особливість принципу формування дібіт. Значення кожного формованого дібіт залежить не тільки від вхідного інформаційного біта, але і від двох попередніх біт, значення яких зберігаються в двох запам'ятовуючих осередках. Дійсно, якщо прийнято, що A i - вхідний біт, то значення елемента XOR 2 визначиться виразом, а значення елемента XOR 3 - виразом. Таким чином, дібіт формується з пари бітів, значення першого з яких одно, а другого -. Отже, значення дібіт залежить від трьох станів: значення вхідного біта, значення першої пам'ятною осередки і значення другий пам'ятною осередки. Такі кодери отримали назву згортальних кодеров на три стани (K \u003d 3) з вихідною швидкістю ½.

Роботу кодера зручно розглядати на основі не тимчасових діаграм, а так званої діаграми стану. Стан кодера будемо вказувати за допомогою двох значень - значення першої і другої запам'ятовуючих осередків. Наприклад, якщо перша осередок зберігає значення 1 (Q1 \u003d 1), а друга - 0 (Q2 \u003d 0), то стан кодера описується значенням 10. Всього можливо чотири різних стану кодера: 00, 01, 10 і 11.

Нехай в деякий момент часу стан кодера одно 00. Нас цікавить, яким стане стан кодера в наступний момент часу і який дібіт буде при цьому сформований. Можливі два результати в залежності від того, який біт надійде на вхід кодера. Якщо на вхід кодера надійде 0, то наступний стан кодера також буде 00, якщо ж надійде 1, то наступний стан (тобто після зсуву) буде 10. Значення формуються при цьому дібіт розраховується за формулами і. Якщо на вхід кодера надходить 0, то буде сформований дібіт 00 (), якщо ж на вхід надходить 1, то формується дібіт 11 (). Наведені міркування зручно представити наочно за допомогою діаграми станів (рис. 16), де в гуртках позначаються стану кодера, а що входить біт і формується дібіт пишуться через косу риску. Наприклад, якщо вхідний біт 1, а формується дібіт 11, то записуємо: 1/11.

Продовжуючи аналогічні міркування для всіх інших можливих станів кодера, легко побудувати повну діаграму станів, на основі якої легко обчислюється значення формованого кодером дібіт.

Використовуючи діаграму станів кодера, нескладно побудувати тимчасову діаграму переходів для вже розглянутої нами вхідної послідовності біт 0101110010. Для цього будується таблиця, в шпальтах якої відзначаються можливі стану кодера, а в рядках - моменти часу. Можливі переходи між різними станами кодера відображаються стрілками (на основі повної діаграми станів кодера - рис. 17), над якими позначаються вхідний біт, який відповідає цьому переходу, і відповідний дібіт. Наприклад, для двох перших моментів часу діаграма стану кодера виглядає так, як показано на рис. 18. Червоною стрілкою відображений перехід, відповідний даної послідовності біт.

Продовжуючи відображати можливі і реальні переходи між різними станами кодера, які відповідають різним моментам часу (рис. 19,,), отримаємо повну тимчасову діаграму станів кодера (рис. 22).

Основною перевагою викладеного вище методу трелліс-кодування є його стійкість. Як буде показано в подальшому, завдяки надмірності кодування (згадаємо, що кожному інформаційному біту ставиться у відповідність дібіт, тобто надмірність коду дорівнює 2) навіть у разі виникнення помилок прийому (наприклад, замість дібіт 11 помилково прийнятий дібіт 10) вихідна послідовність біт може бути безпомилково відновлена.

Для відновлення початкової послідовності біт на стороні приймача використовується декодер Вітербо.

декодер Вітербо

Декодер Вітербо в разі безпомилкового прийому всієї послідовності дібіт 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 буде володіти інформацією про цю послідовності, а також про будову кодера (тобто про його діаграмі станів) і про його початковому стані (00). Виходячи з цієї інформації він повинен відновити вихідну послідовність біт. Розглянемо, яким чином відбувається відновлення вихідної інформації.

Знаючи початковий стан кодера (00), а також можливі зміни цього стану (00 і 10), побудуємо тимчасову діаграму для перших двох моментів часу (рис. 22). На цій діаграмі зі стану 00 існує тільки два можливих шляхи, що відповідають різним вхідним дібіт. Оскільки вхідним дібіт декодера є 00, то, користуючись діаграмою станів кодера Трелліса, встановлюємо, що наступним станом кодера буде 00, що відповідає початковому біту 0.

Однак у нас немає 100% гарантії того, що прийнятий дібіт 00 є правильним, тому не варто поки відмітати і другий можливий шлях зі стану 00 в стан 10, відповідний дібіт 11 і вихідного біту 1. Два шляхи, показані на діаграмі, відрізняються один від друга так званої метрикою помилок, яка для кожного шляху розраховується наступним чином. Для переходу, відповідного до прийнятого дібіт (тобто для переходу, який вважається вірним), метрика помилок приймається рівною нулю, а для інших переходів вона розраховується за кількістю відрізняються бітів в прийнятому дібіте і дібіте, що відповідає розглянутому переходу. Наприклад, якщо прийнятий дібіт 00, а дібіт, що відповідає розглянутому переходу, дорівнює 11, то метрика помилок для цього переходу дорівнює 2.

Для наступного моменту часу, відповідного до прийнятого дібіт 11, можливими будуть два початкових стану кодера: 00 і 10, а кінцевих стану буде чотири: 00, 01, 10 і 11 (рис. 23). Відповідно для цих кінцевих станів існує кілька можливих шляхів, що відрізняються один від одного метрикою помилок. При розрахунку метрики помилок необхідно враховувати метрику попереднього стану, тобто якщо для попереднього моменту часу метрика для стану 10 була рівною 2, то при переході з цього стану в стан 01 метрика помилок нового стану (метрика всього шляху) стане рівною 2 + 1 \u003d 3 .

Для наступного моменту часу, відповідного до прийнятого дібіт 10, відзначимо, що в стану 00, 01 і 11 ведуть по два шляхи (рис. 24). В цьому випадку необхідно залишити тільки ті переходи, яким відповідає менша метрика помилок. Крім того, оскільки переходи зі стану 11 в стан 11 і в стан 01 відкидаються, перехід зі стану 10 в стан 11, що відповідає попередньому моменту часу, не має продовження, тому теж може бути відкинутий. Аналогічно відкидається перехід, який відповідає попередньому моменту часу зі стану 00 в 00.

Продовжуючи подібні міркування, можна обчислити метрику всіх можливих шляхів і зобразити всі можливі шляхи.

При цьому кількість самих можливих шляхів виявляється не таким значним, як може здатися, оскільки більшість з них відкидаються в процесі побудови, як не мають продовження (рис. 25). Наприклад, на шостому такті роботи декодера за описаним алгоритмом залишається всього чотири можливих шляхи.

Аналогічно і на останньому такті роботи декодера є всього чотири можливих шляхи (рис. 26), причому істинний шлях, однозначно відновлює вихідну послідовність бітів 0101110010, відповідає метриці помилок, що дорівнює 0.

При побудові розглянутих тимчасових діаграм зручно відображати метрику накопичених помилок для різних станів кодера у вигляді таблиці. Саме ця таблиця і є джерелом тієї інформації, на основі якої можливо відновити вихідну послідовність біт (табл. 4).

В описаному вище випадку ми припускали, що всі прийняті декодером дібіт не містять помилок. Розглянемо далі ситуацію, коли в прийнятій послідовності дібіт містяться дві помилки. Нехай замість правильної послідовності 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 декодер приймає послідовність 00 11 11 00 11 10 01 11 11 10, в якій третій і п'ятий дебіт є збійними. Спробуємо застосувати розглянутий вище алгоритм Вітербо, заснований на виборі шляху з найменшою метрикою помилок, до даної послідовності і з'ясуємо, чи зможемо ми відновити в правильному вигляді вихідну послідовність бітів, тобто виправити збійні помилки.

Аж до отримання третього (збійного) дібіт алгоритм обчислення метрики помилок для всіх можливих переходів не відрізняється від розглянутого раніше випадку. До цього моменту найменшою метрикою накопичених помилок мав шлях, зазначений на рис. 27 червоним кольором. Після отримання такого дібіт вже не існує шляху з метрикою накопичених помилок, що дорівнює 0. Однак при цьому виникнуть два альтернативних шляхи з метрикою, рівній 1. Тому з'ясувати на даному етапі, який біт вихідної послідовності відповідає отриманому дібіт, неможливо.

Аналогічна ситуація виникне і при отриманні п'ятого (також збійного) дібіт (рис. 28). У цьому випадку буде існувати вже три шляхи з рівною метрикою накопичених помилок, а встановити істинний шлях можливо тільки при отриманні наступних дібіт.

Після отримання десятого дібіт кількість можливих шляхів з різною метрикою накопичених помилок стане досить великим (рис. 29), однак на наведеній діаграмі (з використанням табл. 5, де представлена \u200b\u200bметрика накопичених помилок для різних шляхів) неважко вибрати єдиний шлях з найменшою метрикою (на рис. 29

Розглянутий приклад сверточного кодера мав лише чотири різних стани: 00, 01, 10 і 11. У технології 1000Base-T використовується сверточних кодер вже на вісім різних станів (з трьома елементами затримки), тому він називається восьмипозиційним. Крім того, оскільки символи передаються по всім чотирьом крученим парам кабелю одночасно з використанням п'ятирівневого кодування PAM-5, таке кодування отримало назву чотиривимірного 4D / PAM-5.

Іншим істотною відмінністю кодера Трелліса, використовуваного в технології 1000Base-T, є алгоритм переходу між різними станами кодера. У розглянутому нами простому прикладі стан кодера в наступний момент часу визначалося виключно поточним станом і вхідним бітом. Так, якщо поточний стан 00, а вхідний біт 1, то наступний стан, тобто поле зсуву бітів по запам'ятовуючим осередкам, буде відповідати 10. У реальному Восьмипозиційний кодере Трелліса, керуючих (вхідних) бітів два, а переходи між різними станами визначаються за алгоритмом найбільшої відстані між точками сигнального сузір'я. Як випливає з рис. 30, кодер Трелліса реалізує співвідношення:

де d 6, d 7 і d 8 - відповідно біти даних на лініях 6, 7 і 8.

Пояснимо це на конкретному прикладі.

Згадаймо, що в коді PAM-5 використовується п'ять рівнів для передачі сигналів: -2, -1, 0, +1, +2. При цьому рівнями + 2 / -2 відповідає напруга + 1 / -1 В, а рівнями + 1 / -1 - напруга + 0,5 / -0,5 В. З огляду на, що за чотирма крученим парам одночасно передається чотири рівні сигналу і кожен з цих рівнів може приймати одне з п'яти значень, всього отримуємо 625 (5х5х5х5) різних комбінацій сигналів. Різні можливі стани сигналу зручно зображувати на так званій сигнальної площині. На цій площині кожне можливе стан сигналу зображується сигнальної точкою, а сукупність всіх сигнальних точок називають сигнальним сузір'ям. Природно, що зобразити чотиривимірний простір не представляється можливим, тому розглянемо для наочності двомірне сигнальне сузір'я 5х5. Таке сузір'я формально може відповідати двом крученим парам. Зобразимо уздовж осі Х точки, що відповідають одній парі, а вздовж осі Y - інший. Тоді наше 2D-сузір'я буде виглядати так, як показано на рис. 31.

Звернемо увагу, що мінімальна відстань між двома точками такого сузір'я дорівнює 1.

Під впливом шуму і загасання сигналу сигнальне сузір'я зазнає спотворення (рис. 32), в результаті яких положення кожної сигнальної точки розпливається, а відстань між ними скорочується. Внаслідок цього точки в сигнальному сузір'ї стають трудноразлічимимі і велика ймовірність їх змішування.

Тому одним із завдань кодера Трелліса є таке формування сигнального сузір'я, яке забезпечувало б максимальну відстань між різними сигнальними точками. Для того щоб зрозуміти, як це робиться, позначимо рівні сигналів -1 і +1 через Х, а рівні -2, 0, +2 через Y. Тоді вихідне сузір'я можна зобразити у вигляді, показаному на рис. 33.

Розділивши це сузір'я на два подсозвездія, одне з яких сформовано з точок XX і YY, а інше - з точок XY і YX, можна збільшити відстань між сигнальними точками до (рис. 34).

При використанні двох кручених пар завдання кодера Трелліса полягає в тому, щоб по одній парі посилати тільки символи, що належать якомусь одному з сигнальних сузір'їв, наприклад D0 \u003d XX + YY, а по другий кручений парі - символи, що належать іншій сузір'я, наприклад D1 \u003d XY + YX. Тоді відстань між посилаються символами стане в два рази більше, ніж було у вихідному сузір'ї. В результаті покращується распознаваемость точок в сигнальному сузір'ї, тобто зростає перешкодозахищеність.

Приблизно за такою ж схемою працює і реальний трелліс-кодер, який формує символи, що посилаються по чотирьом крученим парам, проте, оскільки кожній точці сузір'я відповідають чотири координати (по одній на кожну пару) і кожна точка може приймати значення X або Y, то всього існує 16 різних комбінацій, з яких можна сформувати вісім подсозвездій:

В отриманих подсозвездіях мінімальна відстань між точками в два рази більше, ніж у вихідному сузір'ї. Крім того, мінімальна відстань між точками двох різних подсозвездій також дорівнює 2. Саме ці вісім сигнальних сузір'їв формують діаграму станів трелліс-кодера. Наприклад, станом кодера 000 відповідає комбінація точок з сузір'їв D0D2D4D6 в тому сенсі, що за першою парою передаються точки із сузір'я D0, по другій парі - із сузір'я D2 і т.д. Наступному можливого станом кодера буде відповідати така комбінація, при якій мінімальна відстань між посилаються символами по кожній парі дорівнює 2.

Використання трелліс-кодування за описаною схемою дозволяє знизити співвідношення «сигнал / шум» (SNR) на 6 дБ, тобто значно збільшити стійкість при передачі даних.

КомпьютерПресс 2 "2002