Seção: Tutoriais Banda Larga

 

Gbit Ethernet sobre Cobre: 10G Base-T

 

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

 

  • A camada Media Access Control (MAC) 802.3 10G e a Gigabit Media Independent Interface (XGMII), desenvolvidas para 10 Gigabit operando sobre fibra, são as mesmas utilizadas para entregar pacotes para a entidade Physical Layer (PHY), que é a camada dependente do meio, reprojetada para operar no par trançado.
  • A entidade 10 Gigabit - PHY codifica os dados a serem transmitidos sobre os quatro pares trançados de fios de cobre do cabo.
  • O canal de transmissão (Channel) inclui os conectores, o cabo e os cords conectados a dois switches.
  • O receptor equaliza e decodifica o sinal recebido em dados.
  • A camada Media Access Control (MAC) recebe os dados da entidade PHY para serem processados e entregues como pacotes recebidos.

 

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:

  • O padrão faz referência somente à entidade PHY da camada física;
  • Opera com XGMII (Gigabit Media Independent Interface) para atender à camada MAC;
  • O elemento XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface) possui seu próprio MDI (Media Dependent Interface);
  • Conector a ser utilizado deve ser o RJ45, embora ainda não esteja definido;
  • Estuda-se a possibilidade de desenvolver um novo conector para o cabeamento categoria 7.

 

Existe um elemento opcional, chamado Optional XGMII Extender, composto principalmente do elemento XGXS (XGMII Extender Sublayer). Este elemento possui as seguintes funções:

  • Utiliza a codificação 8B/10B (a cada 8 bits recebido das camadas superiores, o PCS na codificação envia 10 bits) ;
  • Efetua a transmissão do sinal em 4 canais seriais independentes, identificados como lane0, lane1,lane2 e lane3;
  • Efetua a sincronização do canal e da interface XAUI ;
  • Realiza a compensação da tolerância do clock;
  • Realiza a delimitação de pacotes;
  • Realiza o controle de erros para evitar a propagação destes erros;
  • Realiza a adequada inicialização do link;
  • Realiza o controle dos canais seriais de transmissão.

 

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:

  • IDLE: utilizado na sinalização durante o inter-packet gap e quando não há dado a ser transmitido;
  • SOP (Start of Packet): utilizado para sinalizar o início de cada pacote;
  • EOP (End of Packet): utilizado para sinalizar o final de cada pacote;
  • ERROR: utilizado na sinalização quando um erro é detectado no sinal recebido ou quando é necessário introduzir uma sinalização de erro no sinal a ser transmitido.

 

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:

  • Preamble: um campo de 7 Bytes constituído de 0s e 1s alternados com o propósito de ajudar na recepção em nós sincronizados;
  • SFD (Start of Frame Delimiter): formado pela seqüência 10101011 e utilizado para indicar o início do quadro;
  • Address Fields: contém os endereços MAC de origem e de destino, com tamanho 48 bits cada;
  • Lenght/Type: campo de 16 bits que identifica o tipo de informação que está sendo transportada no quadro; se o número é igual ou superior a 1536, em decimal, ele representa o tipo de protocolo MAC do cliente;
  • Data and Padding: o campo Padding é opcional e só é necessário quando o tamanho do pacote for inferior a 38 octetos; é utilizado para garantir o tamanho mínimo de 64 bytes do quadro;
  • Frame Cecking Sequence (FCS): este campo contém um controle de erro chamado CRC (Cyclic Redundancy Check) que considera todos os campos do quadro com exceção dos campos Preamble, SFD e CRC.

 

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

40 dB SIR

Comentários

625 M

Simbolos/s

PAM-16

625 Msim/s x 4 bit/sim = 2,5 Gbit/s

2,5 Gbit/s x 4 linhas = 10 Gbit/s

SER: 1,08 x 10**-3

833 M

Simbolos/s

PAM-8

833 Msim/s x 3 bit/sim = 2,5 Gbit/s

2,5 Gbit/s x 4 linhas = 10 Gbit/s

SER: 7,8 x 10**-6

833 M

Simbolos/s

PAM-10

833 Msim/s x 3 bit/sim = 2,5 Gbit/s

2,5 Gbit/s x 4 linhas = 10 Gbit/s

SER: 3,9 x 10**-4

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