O Padrão Ethernet (IEEE 802.3)

Gil Pinheiro

UERJ-FEN-DETEL

Interface Física – 10/100Mbps• O acoplamento indutivo melhora a rejeição de ruído (ruído

de modo comum)

• Também elimina a componente DC

• Interface Ethernet 10/100 Mbps (10BaseT e 100BaseT), par trançado UTP com impedância característica de 100 Ohms, conector RJ-45

DTE e DCE

• Os nós de uma rede podem ser de dois tipos:

– Data terminal equipment (DTE)—São dispositivos geradores ou destinatários finais dos pacotes de dados. DTEs são tipicamente PCs, estações de trabalho, servidores de arquivos, impressoras de rede, etc. Todos com a característica de estação destinatária.

– Data communication equipment (DCE)— Dispositivos intermediários de rede, que recebem e retransmitem pacotes de dados ao longo da rede. DCEs podem ser dispositivos autônomos tais como repetidores, comutadores (switches) ou roteadores ou interfaces de comunicação tais como placas de rede, modens.

Cabo Normal x Cruzado

• Cabo Normal:

– DTE x DCE

• Cabo Cruzado (crossed):

– DCE x DCE

– DT x DTE

A Sub-Camada MAC

• Os clientes da sub-camada MAC podem ser:– A sub-camada LLC: se o nó é um DTE, a sub-camada LLC permite

interfacear com as camadas superiores do nó DTE A sub-camada LLC édefinida pelo padrão IEEE802.2

– Uma bridge: se o nó for um DCE, as bridges provêem interligação entre redes que usam o mesmo protocolo na camada de enlace, comoduas redes Ethernet ou entre Ethernet e outros protocolos previstos no padrão IEEE802, por exemplo Token Ring.

A Interface Padrão Ethernet

A Sub-Camada MAC

• Responsável por:

– Encapsulamento dos dados: montagem do quadro, interpretação do quadro, detecção de erros durante e após a recepção

– Controle de acesso ao meio: incluindo delimitação dos quadros, recuperação de uma falha de transmissão

O Quadro Ethernet

• Preâmbulo (PR) – consiste em 7 bytes, com uma seqüência alternada de 0 e 1, que avisa que um quadro está chegando e provê a sincronização dos relógios de transmissão e recepção

• Start of Frame Delimiter (SFD) – Consiste em 1 byte, com uma seqüência alternada de bits 0 e 1 e dois últimos bits iguais a 1. Indicando que o próximo byte é o início do endereço de destino

• Destination Address (DA) – Consiste em 6 bytes, identificando o endereço de destino do quadro. O bit mais significativo (se igual a 0) indica se o endereço é individual ou de grupo (igual a 1). O bit seguinte indica se o endereço églobalmente (=0) ou localmente administrado (=1). O restante 46 bits forma um endereço único de uma estação, um grupo de estações, ou todas as estações da rede

O Quadro Ethernet• Source Address (DA) – Consiste em 6 bytes, identificando o

endereço de origem, sempre um endereço individual, com o bit mais significativo sempre 0

• Length/ Type – Consiste em 2 bytes, indicando a quantidade de bytes no campo de dados ou a identificação do tipo de quadro. Se o valor for igual ou menor que 1500, indica o tamanho do campo de dados, se for maior que 1536 indica um tipo do quadro opcional

• Data – É uma seqüência de bytes de qualquer valor, com até1500 bytes de comprimento. Se a quantidade de bytes a ser enviada for inferior a 46 bytes, este campo deve ser preenchido até completar 46 bytes.

• Frame Check Sequence (FCS) – Consiste em 4 bytes, contendo uma sequência de 32 bits de CRC, calculado incluindo DA, SA, Length/Type e Data

O Quadro Ethernet

O Controle de Acesso CSMA/CD

• O CSMA/CD é um protocolo de acesso ao meio, conforme a seguir:

– Carrier Sense – Verificação de portadora, cada estação escuta o meio antes de iniciar a sua transmissão, para verificar se há outra transmitindo

– Multiple Access – Acesso múltiplo, cada estação pode transmitir a qualquer momento, se a rede estiver livre

– Collision Detection – Detecção de colisão, se duas estações transmitirem ao mesmo, o sinal na rede ficaráininteligível. Para detectar a colisão, durante a transmissão, cada estação compara o seu sinal transmitido com o recebido, se forem diferentes está havendo colisão

A Detecção de Colisão

• Quando ocorre uma colisão entre duas estações distantes na rede, podemos analisar os eventos imediatamente antes dessa colisão ocorrer:– Uma estação A inicia a sua transmissão

– Alguns instantes depois, uma outra estação Btambém inicia a sua transmissão, mas logo detecta que houve uma colisão

– A estação A só detecta a colisão instantes após da estação B

A Detecção de Colisão

• A estação B detecta a colisão e logo pára de transmitir, sabendo que seu quadro colidiu, mas o sinal na rede já está corrompido

• A “colisão” (seqüência de bits não inteligíveis) se propaga na rede até a estação A

• A estação A somente saberá que o seu quadro gerou uma colisão, se detectar que a colisão ocorreu enquanto estava transmitindo o seu quadro

• Então, existe um comprimento (ou duração) de quadro mínima, que possibilita a detecção da colisão. Abaixo desse limite, a colisão não serádetectada pela estação, mais distante, que a gerou

• Este comprimento de quadro mínimo está associado a um comprimento máximo da rede e quantidade máxima de repetidores R

A B

ColisãoQuadro da estação A

Rede de comprimento L

Quadro da estação B

R R R

Os Limites para a Operação em Half Duplex

O Quadro GigaBit Ethernet

• O quadro deve ser aumentado, através do campo Extension, para possibilitar a detecção de colisão. Após a recepção, o campo é retirado pela camada de enlace

Evolução do Padrão 802.3

10Base5

• 1º Padrão Ethernet• 10Base5 significa 10 Mbps de velocidade de transmissão, banda BASE,

segmento de 500 m• Sinal com codificação Manchester• Meio físico - cabo coaxial grosso de 50 Ohms• Conectores coaxiais do tipo N• Opera em Half-duplex, podendo haver colisões entre estações no meio• Vantagem: bastante confiável, devido a robustez do meio físico, novas

estações são acrescentadas através de derivações (conector “vampiro”)• Desvantagens: meio físico pesado e pouco flexível, meio físico

compartilhado dificulta o isolamento de problemas, taxa de transmissão limitada, half-duplex, a colisão limita o desempenho em altas demandas de tráfego (protocolo não determinístico – CMSA/CD)

Instalação 10Base5

• Utiliza um transceptor (MAU) por nó de rede

AUI (Attachment Unit Interface)

• Conecta uma placa de rede a um transceptor

• Comprimento máximo de 50m

• Usada extensivamente no padrão 10Base5

10Base2

• 2º Padrão Ethernet• 10Base2 significa 10 Mbps de velocidade de transmissão, banda BASE,

segmento de 185 m• Sinal com codificação Manchester• Meio físico - cabo coaxial fino (RG-59) de 50 Ohms• Conectores coaxiais do tipo BNC• Opera em Half-duplex, podendo haver colisões entre estações no meio• Vantagem: meio físico bastante flexível e de fácil instalação, menor custo

que 10Base5 ao dispensar transceptores• Desvantagens: meio físico compartilhado dificulta o isolamento de

problemas, taxa de transmissão limitada, half-duplex, a colisão limita o desempenho em altas demandas de tráfego (protocolo não determinístico – CMSA/CD), topologia de conexões em série limita o cabeamento na instalação, expansão mais difícil que 10Base5 pois precisa parar a rede

Camada Física do Padrão IEEE802.3 -Subcamadas

• Subcamadas do padrão IEEE 802.3 para os modos 10BaseT, 100BaseT e 1000BaseT

• Os modos de 10, 100 e 1000 Mbps também são conhecidos como:

– 10 Mbps – Ethernet

– 100 Mbps – Fast Ethernet

– 1000 Mbps – Gigabit Ethernet

• O padrão mais recente (2002): 10 Gbps – 10 Gigabit Ethernet

GMII - Gigabit medium independent interface

Códigos de Linha

• São códigos utilizados para a transmissão direta na linha de transmissão– RZ (Return to Zero)

– NRZ (Non Return to Zero)

– MLT-3 (Multi Level – 3)

• O objetivo é trabalhar com uma boa relação sinal x ruído e obter uma distribuição espectral do sinal sem componentes DC em sistemas mais complexos

Código de Linha NRZ (Non Return to Zero)

• É o código mais simples, consiste num sinal de linha (+E,0) que corresponde ao nível lógico (0 ou 1)

• Só ocorre transição na linha se o bit a ser transmitido mudar• A sincronização dos relógios é mais difícil em longas seqüências de bits, pela

ausência de transições intermediárias• Não há diferença entre uma seqüência de bits 0 e a linha em repouso (Idle)• Possui um valor DC diferente de zero, isso é ruim quando é necessário

isolamento galvânico, usual em redes Ethernet• Codificação pouco eficiente em termos de espectro de freqüência

Código de Linha NRZI (Non Return to Zero Inverted)

• Só ocorre transição na linha se o bit a ser transmitido for 1, com nível 0 a linha permanece inalterada

• Esse código resolve a questão de uma longa seqüência de bits 1 sem transições

• Não há diferença entre uma seqüência de bits 0 e a linha em repouso (Idle)• Possui um valor DC diferente de zero, isso é ruim quando é necessário

isolamento galvânico, usual em redes Ethernet• Codificação pouco eficiente em termos de espectro de freqüência

Código Manchester

• Os bits de dados são codificados nas transições do sinal (Nível 0 – Transição 0/1, Nível 1 – Transição 1/0)

• Esse código resolve a questão de uma longa seqüência de bits 1 ou 0 sem transições, pois ocorre uma transição a cada bit

• Esquema de codificação da Ethernet de 10Mbps

Código de Linha RZ (Return to Zero)

• A cada bit, o sinal de linha retorna a zero• Há uma transição na linha mesmo se o bit a ser transmitido não

mudar• Possui uma eficiência de codificação de 1 bit/baud, para cada 2 bits

(baud) requer 2 transições• A máxima freqüência de sinalização é igual a taxa de transmissão

(baud rate)• Possui um valor DC diferente de zero, isso é ruim quando é

necessário isolamento galvânico, usual em redes Ethernet

Código MLT-3 (Multi Level – 3)

• Código com 3 níveis de tensão (-1,0,+1)• Utilizado no padrão 100Base-TX• Similar ao código NRZ

– Bit 0 – mantém estado anterior– Bit 1 – inverter estado anterior

• Possui uma eficiência de codificação de 1 bit/baud, porém, requer 4 transições (baud) para completar um ciclo completo (-1/0, 0/+1, +1/0,0/-1)

• A máxima freqüência de sinalização é ¼ da taxa de transmissão (baudrate). Exemplo: sinal de 25MHz numa taxa de 100 Mbps (100BASE-TX)

O Código 4B/5B

• É um código de grupo de bits, que transforma um conjunto de 4 bits de dados num código de 5 bits na transmissão (ou o contrário na recepção)

• Ao adicionar mais 16 códigos aos 16 códigos de dados, possibilita a existência de códigos de controle (início e fim de quadro Ethernet)

• Por exemplo, o byte A5 será codificado como:

– Dado (formato 4B): 1010 0101

– Dado Codificado (formato 5B): 10110 01011

O Código 4B/5B

O Chip Intel 82562ET

• Controlador conforme o padrão IEEE 802.3, modos 10BASE-T e 100BASE-TX• Autonegociação conforme IEEE 802.3u• Controle de equalização digital adaptativa• Operação no modo 100BASE-TX

– Codificação 4B/5B– Os símbolos 5B são serializados e transmitidos a uma taxa de 125 Mbps, utilizando o código

de linha MLT-3, o qual é transmitido no cabo par trançado (UTP ou STP)– Portanto, com o MLT-3, a taxa de sinalização máxima será de 31,25MHz

O Chip Am79C873

Equalização Adaptativa

• Com a transmissão de dados em alta velocidade, a atenuação nos cabos com a freqüência torna-se um problema. Em operação normal, o conteúdo harmônico do sinal pode variar muito, devido a aleatoriedade da forma de onda do sinal

• Esta variação da intensidade do sinal deve ser compensada para assegurar a integridade dos dados recebidos

• Com o aumento do comprimento do cabo de rede a atenuação aumenta. E como o comprimento do cabo depende da instalação, é necessário um circuito auto-adaptativo, que ajuste a intensidade do sinal recebido, compensando a atenuação da cabo

O Circuito Embaralhador (Scrambler)

• O embaralhador (scrambler) é necessário para que a radiação emitida pelo cabo de rede esteja dentro dos limites da legislação de radiação eletromagnética (EMI) aplicável. Isso é feito através do espalhamento da energia do sinal no cabo ao longo do espectro defreqüência

• Após o embaralhamento, a freqüência do sinal fica aleatoriamente distribuída ao longo de um amplo espectro de freqüência

• Sem o embaralhador, o sinal estaria mais concentrado numa faixa de freqüências mais estreita, excedendo o limite da legislação

• Como a radiação eletromagnética não é problemática em fibras óticas, esse circuito é desnecessário no padrão 100BASE-FX