Ethernet po kroucené dvojlince

Tento článek se bude věnovat tématu Ethernet po kroucené dvojlince, které bylo předmětem zájmu a debat v různých oblastech. Ethernet po kroucené dvojlince je téma, které zaujalo pozornost akademiků, odborníků a společnosti obecně díky své aktuálnosti a dopadu v dnešní době. V průběhu let se Ethernet po kroucené dvojlince stal předmětem studií, výzkumu a analýz, které vrhly světlo na jeho implikace a důsledky v různých aspektech každodenního života. V tomto smyslu je záměrem důkladně prozkoumat význam, původ, dopad a možná řešení související s Ethernet po kroucené dvojlince s cílem poskytnout ucelenou a obohacující vizi na toto téma.

Propojovací kabel používaný pro Ethernet po kroucené dvojlince
Zakončení kabelu konektorem 8P8C

Ethernet po kroucené dvojlince (anglicky Ethernet over twisted pair) je v současnosti dominantní technologie počítačových sítí Ethernet, která jako přenosové médium fyzické vrstvy používá kabel s kroucenými páry, česky stručně nazývaný kroucená dvojlinka, případně strukturovaná kabeláž.

Starší sítě Ethernet používaly dva typy koaxiálních kabelů, ale síť StarLAN z roku 1984 ukázala možnost použití jednoduché nestíněné kroucené dvojlinky a vedla k vývoji technologie 10BASE-T a jejích následníků 100BASE-TX, 1000BASE-T a 10GBASE-T podporujících postupně rychlosti 10, 100 Mbit/s a 1 a 10 Gbit/s.[Pozn 1][1]:s.123

Uvedené technologie používají kabely od Cat 3 po Cat 8 zakončené modulárním konektorem 8P8C[Pozn 2] obsahující čtyři páry vodičů, první verze Ethernetu však vystačily s dvěma páry.

Historie

První dva návrhy použití kabelů s kroucenou dvojlinkou pro sítě Ethernet, StarLAN s rychlostí 1 Mbit/s standardizovaný v roce 1986 Sdružením IEEE standardů jako IEEE 802.3e[2] a LattisNet s rychlostí 10 Mbit/s standardizovaný v lednu 1987,[3][4] používaly jiné metody signalizace než později rozšířený standard 10BASE-T (publikovaný v roce 1990 jako IEEE 802.3i), takže nebyly vzájemně přímo kompatibilní.[5]

V roce 1988 firma AT&T přišla se standardem StarLAN 10, jehož označení odkazuje na rychlost 10 Mbit/s,[6] v němž použitá signalizace posloužila jako základ pro 10BASE-T; měla však navíc link beat pro rychlou detekci stavu linky.[Pozn 3][7]

Použití kabelů s kroucenou dvojlinkou v hvězdicové topologii pro Ethernet odstranilo několik slabin předchozích standardů a přineslo následující výhody:

  • Kabely s kroucenými páry byly v mnoha kancelářských budovách již nainstalované pro připojování telefonů, což snižovalo cenu budování síťových rozvodů.
  • Centralizovaná hvězdicová topologie používaná pro telefonní rozvody byla obvyklejším přístupem k budování kabeláže než sběrnicová topologie používaná ve starších standardech Ethernetu, a byla snazší na správu.
  • Použití dvoubodových spojů snižuje v porovnání se sdílenou sběrnicí nebezpečí selhání větší části sítě a značně zjednodušuje hledání závad.
  • Přechod na novější technologii bylo možné realizovat nahrazením levných rozbočovačů pokročilejšími síťovými přepínači.
  • Při použití dostatečně kvalitní kabeláže lze provést přechod na Fast Ethernet nebo Gigabitový Ethernet nebo rychlejší technologii pouhou výměnou síťových přepínačů.
  • Od zavedení Fast Ethernetu bylo možné v jedné síti používat karty s různou rychlostí přenosu.

I když se v současnosti technologie 10BASE-T používá pro normální počítače spíše výjimečně, stále se používá pro síťové karty v režimu Wake on LAN s redukovaným příkonem a pro speciální aplikace s nízkou spotřebou nevyžadující velké přenosové rychlosti. 10BASE-T je proto stále podporováno většinou Ethernetových portů pro kroucené páry včetně Gigabitového Ethernetu.

Pojmenování

Jména jednotlivých ethernetových technologií vycházejí z vlastností fyzického média. Číslo (např. 10 v 10BASE-T) znamená přenosovou rychlost v Mbit/s. BASE znamená, že se používá přenos v základním pásmu. T znamená, že se používá kabel s kroucenými dvojlinkami. Pokud existuje několik standardů pro stejnou přenosovou rychlost, jsou rozlišeny dalším písmenem nebo číslicí za písmenem T, např. TX nebo T4, které vyjadřují metodu kódování nebo počet okruhů.[8]

Kabeláž

Zapojení modulárního konektoru 8P8C
TIA/EIA-568 zapojení T568A
Pin Pár Vodič[Pozn 4] Barva
1 3 tip Pár 3 vodič 1 bílá/zelená
2 3 ring Pár 3 vodič 2 zelená
3 2 tip Pár 2 vodič 1 bílá/oranžová
4 1 ring Pár 1 vodič 2 modrá
5 1 tip Pár 1 vodič 1 bílá/modrá
6 2 ring Pár 2 vodič 2 oranžová
7 4 tip Pár 4 vodič 1 bílá/hnědá
8 4 ring Pár 4 vodič 2 hnědá
TIA/EIA-568 zapojení T568B
Pin Pár Wire[Pozn 4] Barva
1 2 tip Pár 2 vodič 1 bílá/oranžová
2 2 ring Pár 2 vodič 2 oranžová
3 3 tip Pár 3 vodič 1 bílá/zelená
4 1 ring Pár 1 vodič 2 modrá
5 1 tip Pár 1 vodič 1 bílá/modrá
6 3 ring Pár 3 vodič 2 zelená
7 4 tip Pár 4 vodič 1 bílá/hnědá
8 4 ring Pár 4 vodič 2 hnědá

Většina Ethernetových kabelů je propojena „přímo“ (špička 1 na špičku 1, špička 2 na špičku 2 atd.). V některých případech může stále být požadován „křížený“ kabel (propojující pár pro příjem na vysílač a pár pro vysílání na přijímač).

Kabely pro Ethernet mohou být na obou koncích kabelu zapojeny buď podle standardů ukončení T568A anebo T568B. Protože tyto standardy se liší pouze v tom, že prohazují pozice dvou párů používaných pro vysílání a příjem, kabel, který má na jednom konci vodiče zapojené podle T568A a na druhém konci podle T568B, je křížený kabel.

Počítače s rozhraním 10BASE-T nebo 100BASE-TX používají zapojení vodičů ke konektor nazývaný medium dependent interfaces (MDI), přičemž se na síťových zařízeních používají špičky 1 a 2 pro vysílání a špičky 3 a 6 pro příjem. Infrastrukturní uzly (ethernetový hub nebo přepínače) používají propojení vodičů nazývané MDI-X, u kterého se pro vysílání používají špičky 3 a 6 a pro příjem špičky 1 a 2. Tyto porty jsou propojeny pomocí přímého kabelu tak, že každý vysílač komunikuje s přijímačem na opačném konci kabelu.

Existují dva typy portů: MDI (uplink port) nebo MDI-X (normální port, 'X' pro interní křížený). Huby a přepínače mají normální porty. Routery, servery a koncové stanice (například osobní počítače) mají uplink porty. Když se mají propojit dvě zařízení, které mají stejný typ portů, je u starších zařízení potřeba křížený kabel. Pro propojení uzlů, které mají různý typ portů (tj. MDI na MDI-X) je třeba přímý kabel. Propojení koncového serveru na rozbočovač nebo přepínač vyžaduje přímý kabel. Některé starší přepínače a rozbočovače mají tlačítko, které umožňuje přepínat port, aby fungoval buď jako normální nebo jako uplink port, tj. se zapojením vývodů MDI-X nebo MDI.

Většina moderních prvků sítě Ethernet umí detekovat, že k portu je počítač připojený přímým kabelem a v případě potřeby automaticky zavést požadované křížení; jestliže žádná z karet tuto funkčnost nemá, pak musí být použit křížený kabel. Většina novějších přepínačů má auto MDI-X na všech portech, což dovoluje, aby přímé kabely mohly být použity pro všechna propojení. Pokud obě propojená zařízení podporují standard 1000BASE-T, budou komunikovat, bez ohledu na to, zda je použit přímý nebo křížený kabel.[9]

Vysílač 10BASE-T používá dvě diferenciální napětí, +2.5 V a −2.5 V. Vysílač 100BASE-TX používá tři diferenciální napětí, +1 V, 0 V a −1 V.[10] Na rozdíl od dřívějších Ethernetových standardů 10Base5 (thicknet) a 10Base2 (thinnet), které používaly koaxiální kabely, 10BASE-T neudává přesné parametry kabelů, které lze použít, ale stanovuje určité charakteristiky, které musí kabel splňovat. Je to důsledkem očekávání, že pro 10BASE-T budou použity stávající rozvody kabelů s kroucenými páry, které formálně nesplňují žádnou normu. K definovaným charakteristikám ptří útlum, charakteristická impedance, rozptyl periody (jitter)[Pozn 5] zpoždění šíření a několik typů odstupu signálu od šumu a přeslechů. Pro kontrolu, zda kabel vyhovuje požadavkům pro 10BASE-T, se používají testery kabelů. Předpokládá se, že tyto charakteristiky bude splňovat i čtyřiadvacetivodičový nestíněný kabel s kroucenými páry o délce 100 metrů. Při použití vysoce kvalitní kabeláže lze často dosáhnout vzdálenosti větší než 150 metrů.

100BASE-TX používá stejné zapojení vodičů jako 10BASE-T, ale je citlivější na kvalitu a délku kabelů kvůli vyšší přenosové rychlosti.

1000BASE-T používá všechny čtyři páry obousměrně s využitím hybridních obvodů a obvodů potlačování ozvěny.[11] Data jsou kódována pomocí 4D-PAM5; čtyřrozměrné PAM (pulzně amplitudová modulace) s pěti úrovněmi napětí, −2 V, −1 V, 0 V, +1 V a +2 V.[12] Na výstupech linkového budiče mohou být napětí +2 V až −2 V, nominální napětí na kabelu je +1 V, +0.5 V, 0 V, −0.5 V a −1 V.[13]

Standardy 100BASE-TX a 1000BASE-T byly navrženy tak, aby fungovaly s kabely kategorie 5, pro které se uvádí maximální délka kabelů 100 metrů. Nově již nejsou kabely kategorie 5 doporučované, a pro nové instalace se používají kabely kategorie 5e.

Sdílený kabel

Normy 10BASE-T a 100BASE-TX používají pouze dva páry vodičů (špičky 1–2, 3–6). Protože obvyklý kabel kategorie 5 obsahuje čtyři páry, je možné dva volné páry (špičky 4–5, 7–8) použít pro jiné účely; může to být pro Power over Ethernet (PoE), pro dvě linky tradičního analogového telefonního systému nebo pro druhé 10BASE-T nebo 100BASE-TX spojení. V praxi musí být věnována pozornost, aby tyto páry byly odděleny, protože Ethernetové karty 10/100-Mbit/s nepoužité páry elektricky zakončují. U gigabitového Ethernetu není sdílené použití kabelu možné, protože 1000BASE-T vždy používá všechny čtyři páry.

Jediný pár

Kromě variant používaných pro propojení počítačů pomocí dvou a čtyř kroucených párů existují také varianty 100BASE-T1 a 1000BASE-T1 vyžívající jediný kroucený pár používané v automobilových aplikacích[14] a pro nepovinné datové kanály v jiných propojovacích aplikacích.[15] Pro komunikaci se používá plně duplexní režim a má maximální dosah 15 m (100BASE-T1, 1000BASE-T1 linkový segment typ A) nebo až 40 m (1000BASE-T1 linkový segment typ B) s až čtyřmi konektory in-line. Oba standardy vyžadují symetrickou kroucenou dvojlinku s impedancí 100 Ω, která musí být schopna přenášet frekvence 600 MHz pro 1000BASE-T1 nebo 66 MHz pro 100BASE-T1.

Pro Ethernet po jednom krouceném páru existuje standard IEEE 802.3bu-2016 Power over Data Lines (PoDL), který umožňuje napájení připojených zařízení podobně jako Power over Ethernet (PoE). Na rozdíl od PoE umožňuje napájení až 50 W na zařízení.[16]

Automatické vyjednávání a duplex

Normy pro Ethernet po kroucené dvojlince po gigabitový Ethernet definují plně duplexní i poloduplexní komunikaci. Poloduplexní režim pro gigabitovou rychlost však není podporován žádným existujícím hardwarem.[17][18] Normy pro vyšší rychlosti, 2.5GBASE-T až 40GBASE-T[19] 2,5 až 40 Gbit/s už definují pouze plně duplexní dvoubodové spoje, které jsou obecně propojovány síťovými přepínači a nepodporují tradiční přístup CSMA/CD se sdíleným mediem.[20]

Pro Ethernet po kroucené dvojlince existuje mnoho různých režimů fungování (10BASE-T poloduplex, 10BASE-T plný duplex, 100BASE-TX poloduplex, aj.), a většina síťových karet podporuje více režimů. Pro navázání spojení na lince 1000BASE-T bylo proto zavedeno povinné automatické vyjednávání.

Pokud jsou dvě rozhraní nastavena na různé duplexní režimy, bude propojení kvůli duplexní neshodě fungovat mnohem pomaleji, než je jeho nominální rychlost. Duplexní neshoda může být způsobená neúmyslně, když správce nastaví jedno rozhraní na určitý režim (například 100 Mbit/s s plným duplexem) a vzdálené rozhraní nezkonfiguruje, takže rozhraní použije automatické vyjednávání. Pokud proces automatického vyjednání selže, ta strana spoje, která automatické vyjednávání zahájila, použije poloduplex.

Varianty

Porovnání Ethernetových technologií používajících kabely s kroucenou dvojlinka

Porovnání Ethernetových fyzických vrstev používajících kabely s kroucenou dvojlinka (TP-PHYs)[21]
Jméno Norma Status Rychlost (Mbit/s)[T 1] Požadovaný počet párů Spojů pro 1 směr Bitů na hertz[T 2] Linkový kód Modulační rychlost na pár (MBd) Šířka pásma[T 3] (MHz) Max. délka (m) Kabel[T 4] Třída kabelu (MHz) Použití
StarLAN-1 1BASE5 802.3e-1987 zastaralý 1 2 1 1 PE 1 1 250 telefonní ~12 LAN
StarLAN-10 802.3e-1988 zastaralý 10 2 1 1 PE 10 10 ~100 telefonní ~12 LAN
LattisNet pre 802.3i-1990 zastaralý 10 2 1 1 PE 10 10 100 telefonní ~12 LAN
10BASE-T 802.3i-1990 (CL14) starý používaný 10 2 1 1 PE 10 10 100 Cat 3 16 LAN [22]
10BASE-T1S 802.3cg-2019 plánovaný 10 1 1 ? ? ? ? 15 ? ? Autombily, IoT, M2M
10BASE-T1L 802.3cg-2019 plánovaný 10 1 1 ? ? ? ? 1000 ? ? Autombily, IoT, M2M
100BASE-T1 802.3bw-2015 (CL96) používaný 100 1 1 2,66 PAM-3 4B/3B 75 37,5 15 Cat 5e 100 Autombily, IoT, M2M
100BASE-T2 802.3y-1997 zastaralý 100 2 2 4 LFSR PAM-5 25 12,5 100 Cat 3 16 Obchodně neúspěšný
100BASE-T4 802.3u-1995 zastaralý 100 4 3 2,66 8B6T PAM-3 jen poloduplex 25 12,5 100 Cat 3 16 Obchodně neúspěšný
100BaseVG 802.12-1995 zastaralý 100 4 4 1,66 5B6B jen poloduplex 30 15 100 Cat 3 16 Obchodně neúspěšný
100BASE-TX 802.3u-1995 používaný 100 2 1 3,2 4B5B MLT-3 NRZI 125 31,25 100 Cat 5 100 LAN
1000BASE‑T 802.3ab-1999 (CL40) používaný 1000 4 4 4 TCM 4D-PAM-5 125 62,5 100 Cat 5e 100 LAN
1000BASE‑TX TIA/EIA-854 (2001) zastaralý 1000 4 2 4 PAM-5 250 125 100 Cat 6 250 Obchodně neúspěšný
1000BASE-T1 802.3bp-2016 používaný 1000 1 1 2,66 PAM-3 80B/81B RS-FEC 750 375 40 Cat 6A 500 Autombily, IoT, M2M
2.5GBASE-T 802.3bz-2016 používaný 2500 4 4 6,25 64B65B PAM-16 128-DSQ 200 100 100 Cat 5e 100 LAN
5GBASE-T 802.3bz-2016 používaný 5000 4 4 6,25 64B65B PAM-16 128-DSQ 400 200 100 Cat 6 250 LAN
10GBASE-T 802.3an-2006 používaný 10000 4 4 6,25 64B65B PAM-16 128-DSQ 800 400 100 Cat 6A 500 LAN
25GBASE-T 802.3bq-2016 (CL113) nasazovaný 25000 4 4 6,25 PAM-16 RS-FEC (192, 186) LDPC 2000 1000 30 Cat 8 2000 Datová centra
40GBASE-T 802.3bq-2016 (CL113) nasazovaný 40000 4 4 6,25 PAM-16 RS-FEC (192, 186) LDPC 3200 1600 30 Cat 8 2000 Datová centra
  1. ↑ Přenosová rychlost = lanes × bitů na hertz × spektrální šířka pásma.
  2. ↑ Efektivní rychlost bitů na hertz na pár po odpočtu režie pro kódování.
  3. ↑ Spektrální šířka pásma je maximální rychlost, při níž signál dokončí jeden kmit. Typicky je to polovina symbolové rychlosti, protože je možné poslat symbol v kladném i záporném části kmitu. Výjimkou je 10BASE-T, kde se šířka pásma rovná symbolové rychlosti, protože používá kódování Manchester, a 100BASE-TX, kde je šířka pásma rovna čtvrtině symbolové rychlosti, protože používá kódování MLT-3.
  4. ↑ Při použití kratšího kabelu je možné používat kabely nižší kvality než požadovaný pro 100 m. Aby toto příklad je možné používat 10GBASE-T na Cat 6 kabel délky 55 m nebo méně. Obdobně se očekává, že 5GBASE-T bude ve většině případů fungovat s Cat 5e.

Odkazy

Poznámky

  1. ↑ Obecně implementace vyšší rychlosti podporuje standardy nižších rychlostí, což umožňuje kombinovat zařízení různých generací; včetně funkčnosti navržené pro rychlosti 10/100 nebo 10/100/1000, pro spojení, které takové kombinace podporují.
  2. ↑ Modulární konektor 8P8C se často nazývá RJ45 podle telefonního průmyslového standardu.
  3. ↑ Zapnutím nebo vypnutím link beat může pracovat několik síťových komunikačních karet současně buď se StarLAN 10 anebo s 10BASE-T.
  4. ↑ a b Pojmenování vodičů tip a ring vychází ze jmen kontaktů dříve používaných konektorů Jack.
  5. ↑ Jitter obvykle souvisí se šumem, který je zadán odděleně

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Ethernet over twisted pair na anglické Wikipedii.

  1. ↑ SPURGEON, Charles E. Ethernet: The definitive guide. : OReilly Media, 2000. Dostupné online. ISBN 978-1-56592-660-8. 
  2. ↑ Urs von Burg. The triumph of Ethernet: technological communities and the battle for the LAN standard. : Stanford University Press, 2001. Dostupné online. ISBN 978-0-8047-4095-1. S. 175–176, 255–256. 
  3. ↑ Paula Musich. User lauds SynOptic system: LattisNet a success on PDS. Network World. 1987-08-03, roč. 4, čís. 31, s. 2, 39. Dostupné online . 
  4. ↑ W.C. Wise, Ph.D. Yesterday, somebody asked me what I think about LattisNet. Here's what I told him in a nutshell. books.google.com. Březen 1989, roč. 2, čís. 6, s. 13. Dostupné online .  (Advertisement)
  5. ↑ Network Maintenance and Troubleshooting Guide. : Fluke Networks, 2002. Dostupné online. ISBN 1-58713-800-X. S. B-4. 
  6. ↑ StarLAN Technology Report. 4. vyd. : Architektura Technology Corporation, 1991. Dostupné online. ISBN 9781483285054. 
  7. ↑ OHLAND, Louis. 3Com 3C523 . . Dostupné online. 
  8. ↑ IEEE 802.3 1.2.3 Physical Layer and media notation
  9. ↑ IEEE Std 802.3, 2000 Edition . USA: IEEE Computer Society, 2000-10-16 . Kapitola 40.1.4 Signaling. Dostupné online. 
  10. ↑ David A. Weston. Electromagnetic Compatibility: principles and applications. : CRC Press, 2001. Dostupné online. ISBN 0-8247-8889-3. S. 240–242. 
  11. ↑ IEEE 802.3 40.1.3 Operation of 1000BASE-T
  12. ↑ Steve Prior. 1000BASE-T Duffer's Guide to Basics and Startup . . Dostupné online. 
  13. ↑ Nick van Bavel, Phil Callahan a John Chiang. Voltage-mode line drivers save on power . 2004-10-25 . Dostupné online. 
  14. ↑ New 802.3bw Ethernet Auto Standard Leaves LVDS Cables in the Dust . Dostupné online. [nedostupný zdroj]
  15. ↑ IEEE 802.3bw Clause 96 a 802.3bp Clause 97
  16. ↑ IEEE 802.3bu-2016 104. Power over Data Lines (PoDL) of Single Balanced Twisted-Pair Ethernet
  17. ↑ SEIFERT, Rich. Gigabit Ethernet: Technology and Applications for High-Speed LANs. : Addison Wesley, 1998. Dostupné online. ISBN 0-201-18553-9. Kapitola 10. 
  18. ↑ Configuring and Troubleshooting Ethernet 10/100/1000Mb Half/Full Duplex Auto-Negotiation . Cisco, 2009-10-28 . Dostupné online. 
  19. ↑ IEEE P802.3bq 40GBASE-T Task Force . Dostupné online. 
  20. ↑ Michael Palmer. Hands-On Networking Fundamentals. 2. vyd. : Cengage Learning, 2012-06-21. Dostupné online. ISBN 978-1-285-40275-8. S. 180. 
  21. ↑ Charles E. Spurgeon. Ethernet: The Definitive Guide. 2. vyd. : O'Reilly Media, 2014. ISBN 978-1-4493-6184-6. 
  22. ↑ Introduction To Fast Ethernet . Contemporary Control Systems, Inc., 2001-11-01 . Dostupné online. 

Externí odkazy