Seção: Tutoriais Banda Larga
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No padrão 10 Gigabit Ethernet, definido pela recomendação IEEE 802.3an, a largura de banda pode ser escalada de 1 até 10 Gbit/s sem sacrificar nenhum dos serviços inteligentes de rede, tais como o Multiprotocol Label Switching (switching de camada 3), o ajuste de qualidade de serviço (QoS - Quality of Service), o balanceamento de carga de servidores e qualquer outra política prévia que altera o roteamento desta rede. Esses serviços podem ser entregues a uma taxa de 10 Gbit/s em uma rede Ethernet e podem suportar quase todas as infraestruturas e tecnologias de rede física em LAN’s, MAN’s e WAN’s.
A recomendação IEEE 802.3an define também o controle de acesso ao meio (MAC - Media Access Control) e o formato e tamanho do quadro. O padrão 10 Gigabit Ethernet suporta somente o modo de operação full duplex, diferente neste sentido dos modos Gigabit e Fast Ethernet que suportam os dois modos (half - CSMA/CD - e full-duplex). O grande trunfo desse padrão é poder implementar LAN, MAN e WAN (internetworking) e, além disso, suportar a tecnologia legada.
Além das vantagens acima descritas, o objetivo do Task Force do 10 Gigabit Ethernet foi o de aumentar em 10 vezes a performance a um custo somente três vezes maior. A figura a seguir ilustra um exemplo de utilização do novo padrão em uma rede metropolitana.
Figura 3: Exemplo de Utilização da tecnologia 10G BaseT Fonte: Cisco Systems.
Princípio de Funcionamento
Para suportar distâncias entre 50 e 100 m, os projetistas do padrão 802.3an desenvolveram uma nova entidade, na camada física (PHY), que faz a interface entre as já existentes camadas de controle de acesso ao meio (MAC) e a Gigabit Media Independente Interface (XGMII) do modelo IEEE. Essa nova entidade possui a funcionalidade de transmitir, receber e gerenciar sinais codificados que são retirados e injetados na infraestrutura de cabeamento.
A figura a seguir mostra o princípio de funcionamento do padrão 802.3an (10G Base-T).
Figura 4: 10 Gigabit Ethernet Fonte: Fusion Network
Arquitetura
A figura a seguir mostra a arquitetura do padrão 10 Gigabit Ethernet comparado ao modelo OSI.
Figura 5: Arquitetura 10 Gigabit Ethernet Fonte: Teranetics
A camada Reconciliation atua mapeando os sinais enviados pelo MAC (serial) reinserindo estes sinais em paralelo com os formatos elétricos apropriados para as demais entidades da camada física (XGMII, PCS, PMA, PMD, MDI, WIS e MEDIUM).
A entidade Media Independent Interface (XGMII ou 10GMII) fornece uma interface padrão entre a camada MAC e a camada física. Ela isola a camada MAC das várias implementações utilizadas para a transmissão do sinal na camada física (fibra óptica ou cabo coaxial, por exemplo).
A sub-camada Physical Coding Sublayer (PCS) é responsável pela codificação e decodificação do fluxo de e para a camada MAC.
A sub-camada Physical Medium Attachment (PMA) é responsável pela serialização dos grupos de código em fluxo de bits (e vice-e-versa) utilizados em equipamentos orientados a transmissão de bits seriais. A sincronização é efetuada para prover a decodificação nesta sub-camada.
A sub-camada Physical Médium Dependent (PMD) é responsável pela transmissão do sinal. A funcionalidades típicas desta sub-camada incluem amplificação, modulação e o modelamento da onda (wave shaping). Diferentes equipamentos PMD suportam diferentes mídias.
A sub-camada Wan Interface Sublayer (WIS) fornece uma interoperabilidade entre as tecnologias 10Gigabit Ethernet e Sonet/SDH. Esta sub-camada suporta o enquadramento Sonet/SDH a uma taxa de paylod de 9.58 Gbit/s.
Para que taxas de transmissão de 10 Gbit/s sejam compatíveis com taxas de 9.85 Gbit/s, utilizadas na tecnologia Sonet/SDH (padrão OC-192, Optical Carrier), uma pausa na transmissão dos dados, por um período apropriado de tempo, é efetuada. Para fornecer um fluxo de controle ou uma adaptação desta taxa de transmissão, duas técnicas são utilizadas.
A primeira técnica, chamada de word-by-word, consiste em pausas que são implementadas pela camada MAC na transmissão das palavras de 32 bits por um período pré-especificado até a requisição por mais dados efetuada pela camada física. A segunda técnica, chamada de Inter-Frame Gap (IFG) "segura" a transmissão com ou sem a requisição da camada física.
A figura a seguir mostra a arquitetura do padrão 10G BaseCX4, para (cabo coaxial.
Figura 6: Arquitetura 10GBaseCx4 Fonte: Teranetics.
Para o padrão 802.3an ainda não existe uma definição sobre a utilização da codificação do sinal pela sub-camada PCS da camada física. Os padrões PAM8 e PAM12 estão sendo discutidos, porém ainda não existe um consenso em relação ao método a ser utilizado. Segundo o IEEE, a codificação PAM8 suporta 20% mais ruído em relação à codificação PAM12.
O PAM-8 tem 8 (oito) níveis de tensão, o que facilita a identificação no receptor, mas utiliza banda de 1000 Msímbolos/segundo, enquanto o PAM-12 utiliza banda de 825 Msímbolos/segundo, o que é uma vantagem, mas tem 12 (doze) níveis de tensão e a identificação desses níveis, levando em conta os possíveis ruídos existentes, fica mais afetada no receptor. A figura a seguir mostra a arquitetura do padrão802.3an.
Figura 7: Arquitetura do padrão 802.3an Fonte: Teranetics.
Alguns comentários sobre o padrão 802.3an devem ser feitos:
Existe um elemento opcional, chamado Optional XGMII Extender, composto principalmente do elemento XGXS (XGMII Extender Sublayer). Este elemento possui as seguintes funções:
A figura a seguir mostra um exemplo de implementação XGXS.
Figura 8: Exemplo de Implementação XGXS Fonte: 802.3 IEEE Task Force - XGXS Proposa.
Gigabit Media Independent Interface (10GMII)
Corresponde à uma interface entre a camada MAC e a camada física. Essa interface habilita o suporte, para a camada MAC, de várias tecnologias da camada física. A figura a seguir ilustra o funcionamento deste elemento.
Figura 9: 10GMII – Arquitetura Fonte: Ohio University
O TX_word_hold é um mecanismo de controle de fluxo orientado a palavra (word-oriented pacing mechanism). Os caminhos de32 bits possuem funções de transmissão e recepção, cada um com 4 bits de controle (um por byte). Os bits de contole (Control Bits) são definidos como "1", para caracteres especiais e delimitadores, e como "0", para dados. Os caracteres especiais e delimitadores são:
Formato do Quadro MAC
O objetivo principal no desenvolvimento do padrão 10 Gigabit Ethernet é o de utilizar o mesmo quadro MAC especificado em outros padrões Ethernet (802.3u, 802.3z, 802.3ab, e outros). Isso possibilita a integração dessas redes com as redes Ethernet existentes.
Não há a necessidade de fragmentação, remontagem e tradução de endereços, o que implica em um switching de pacotes rápido. Como a operação é só em modo full duplex, portanto a distância do link não afeta o tamanho do quadro MAC (pois não há necessidade em detectar colisões). O tamanho mínimo para o quadro MAC é o mesmo especificado para os outros padrões Ethernet, ou seja, 64 Bytes.
Figura 10: Formato do Quadro MAC Fonte: Ohio University.
O quadro Ethernet é composto pelos seguintes campos:
Comparação entre Tipos de Codificação
A tabela a seguir compara os diferentes tipos de modulação PAM a serem utilizados no padrão 10 Gigabit Ethernet. A sigla SER corresponde a soft error rate.
Tabela 1: Comparação entre os métodos de Codificação
Fonte: IEEE.
A figura a seguir compara o desempenho entre os diversos tipos de modulação.
Figura 11: Gráfico comparativo - Performance das Técnicas de Codificação Fonte: IEEE
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