Notas de Aula do Prof Marcelo Barreto- Universidade Estácio de Sá

1. UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
CURSO DE REDES III
PROFESSOR MARCELO BERRÊDO REVISÃO 13/08/2000
NOTAS DE AULA – GIGABIT ETHERNET
IEEE 802.3z/ab – 1000BASE-X/T
1. INTRODUÇÃO
Em 1998, 86% do total de fornecimentos de portas e NIC’s no mercado de LAN’s foram Ethernet/
Fast Ethernet/Gigabit Ethernet. Observa-se, portanto, uma liderança absoluta e incontestável da
tecnologia Ethernet, e de suas evoluções de alta velocidade.
Existem diversos fatores que justifiquem esta liderança, e façam prever que esta tendência
continuará nos próximos anos, quais sejam:
• Confiabilidade – A Ethernet é uma tecnologia madura, disponível desde 1986.
• Disponibilidade de Ferramentas de Gerenciamento e eliminação de falhas – o padrão SNMP
para Ethernet é largamente adotado, existe uma ampla oferta de ferramentas de gerência para
Ethernet, e um grande número de pessoal treinado para manutenção e gerência de redes
Ethernet.
• Escalabilidade – A aprovação do Fast Ethernet em 1995, e do Gigabit Ethernet em 1998,
estabeleceram a Ethernet como uma tecnologia escalável, evolutiva e longe da obsolescência.
• Baixo Custo – Grande escala de produção, simplicidade as sua implementação, grande número
de empresas concorrentes, são fatores que impõem preços mais competitivos em relação a
tecnologias afins. Observa-se também uma redução nos preços por porta, com o passar dos
anos.
Equipamento Tecnologia 96 98 (-)%
Hub Ethernet 53 46 15
Fast Ethernet 160 73 115
Relação 3,0 1,6
Gigabit 1.600
Switch Ethernet 421 212 98
Fast Ethernet 716 432 65
Relação 1,7 1,7
Gigabit 2.500
NIC Ethernet 107 59 61
Fast Ethernet 137 71 53
Relação 1,3 1,2
Gigabit 1.000
Tabela 1 – “Market share” do mercado Ethernet
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2. 2. DEMANDA POR MAIS BANDA – EVOLUÇÃO DAS APLICAÇÕES:
Assim como a evolução das aplicações demandam uma evolução tecnológica do hardware das
estações de trabalho, novas aplicações em rede, bem como a evolução de sistemas mais antigos
feitos para funcionamento em rede, geram uma necessidade cada vez maior de banda passante de
rede para poderem funcionar a contento:
Como alguns exemplos, temos sistema de engenharia e modelagem científica, transferência
eletrônica de documentos (EDI), Intranet, Backup em rede, Data Warehousing, Vídeo Conferência.
Alguns destes sistemas/tecnologias são relativamente recentes, e, dependendo da configuração dos
sistemas e do seu tamanho, não podem funcionar a contento em redes de 10 ou 16 Mbits/s.
3. VANTAGENS DA GIGABIT ETHERNET EM RELAÇÃO A OUTRAS TECNOLOGIAS DE
ALTA VELOCIDADE:
• Facilidade de Migração – o Gigabit Ethernet mantém o mesmo formato de quadro, método de
acesso, operação Full Duplex e controle de fluxo, e dispõe dos mesmos objetos de gerência de
rede dos protocolos predecessores.
• Operação Full e Half Duplex – quase todos os dispositivos Gigabit Ethernet do mercado
suportam o modo Full Duplex.
• Controle de Fluxo – Mesmo controle de fluxo da Ethernet para evitar congestionamento e
sobrecarga da rede. A técnica de retransmissão é a mesma (algoritmo de recuo binário
exponencial). O CSMA/CD foi modificado para se manter o diâmetro de colisão a 200 metros,
com exceção da operação no modo FULL DUPLEX, em que o método de acesso não sofreu
modificações.
• Custo da Evolução – Preços bastante competitivos, como mostra a tabela abaixo:
Tecnologia Preço médio por porta – 1999
--------------------------------------------------------------------------------
Fast Ethernet Compartilhado 85.00
Fast Ethernet Comutado 390.00
FDDI Compartilhado 650.00
FDDI Comutado 1850.00
ATM 622 Mbps Multimodo 4800.00
Gigabit Ethernet Compartilhado 470.00 a 700.00
Gigabit Ethernet Comutado 1070.00 a 1610.00
Tabela 2 – Preços por porta - 1999
4. TRÁFEGO MULTIMÍDIA
Anteriormente considerava-se que aplicações que agregavam voz e vídeo não poderiam ser
implementadas em redes Ethernet, necessitando de tecnologias de redes construídas
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3. especificamente para este fim. Atualmente já é possível combinar dados e vídeo em uma rede
Ethernet, embora existam tecnologias que são mais apropriadas para este tipo de aplicação.
Fatores que possibilitaram operação de sistemas multimidia em redes com método de acesso
CSMA/CD:
• Aumento da banda passante oferecido pelo Fast Ethernet e pelo Gigabit Ethernet;
• Utilização de switches e tecnologia Full Duplex, possibilitando comunicações ponto a ponto
sem colisão;
• Surgimento de protocolos que provêem reserva de banda passante, como RSVP e RTTP;
• Surgimento de novos padrões que permitem a criação de redes virtuais (IEEE 802.1Q) e
prioridade dos pacotes, em rede (802.1p);
• Evolução das tecnologias de compressão de vídeo, tal como o MPEG-2.
O Gigabit Ethernet suporta ou deverá suportar todas as tecnologias descritas acima, o que o torna
capaz de transportar tráfego multimidia.
5. AJUSTE DO GIGABIT:
A fim de ser possível manter as distâncias máximas do 100BASE-T, (200 metros entre duas
estações, com 1 repetidor entre elas), uma vez que o tempo de bit teria que ser dez vezes menor para
que se pudesse chegar ao gigabit/s, foi necessário modificar a camada MAC. Se mantivesse o
tamanho do quadro, 2 estações a 200 metros de distância não poderiam detectar a colisão, se ambas
transmitissem simultâneamente um quadro de 64 bytes, o que causaria uma certa instabilidade na
rede.
Foi, então, desenvolvido um mecanismo que permite distâncias de 200 metros, chamado “Carrier
Extension” (Extensão de Portadora).
6. CAMADA FÍSICA:
Utiliza tecnologias aprovadas pela Ethernet original e pelas especificações ANSI X3T11 – Fiber
Channel;
Existem duas extensões à norma IEEE 802.3, para Gigabit Ethernet, quais sejam:
• IEEE 802.3z – 1000BASE-X (aprovado em março de 1998)
• IEEE 802.3ab – 1000BASE-T (aprovado em junho de 1999)
O padrão 1000BASE-X está baseado no padrão ANSI X3T9.3 Fiber Channel Physical Layer. O
padrão Fiber Channel especifica os meios para interconexão de dispositivos de informática (DTE’s,
sistemas de armazenamento, periféricos, mainframes, etc, a uma velocidade de 800 Mbps.), e prevê
uma arquitetura em 4 camadas. As duas camadas inferiores (FC-0 – Interface e meio, e FC-1 –
Codificação/Decodificação), modificadas para permitir a transmissão a 1000 Mbps, são usadas no
Gigabit Ethernet.
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4. A 1000BASE-X é dividida em 3 formas de implementação:
• 1000BASE-SX
- Fibra ótica Multimodo 62,5/125 micron (2 fibras);
- Implementação de backbones mais curtos e cabeamento horizontal;
- Comprimento de onda de 850 nanometros;
- Método de sinalização: 8B/10B;
- Distância máxima de 220 metros ou 500 metros, dependendo do tipo de fibra ótica
multimodo;
- Menor custo;
• 1000BASE-LX
- Implementação com fibra ótica monomodo:
 Fibra ótica monomodo com diâmetro de 9 microns (2 fibras);
 Implementação de backbones;
 Comprimento de onda de 1300 nanometros;
 Método de sinalização: 8B/10B;
 Distância máxima de 5000 metros;
- Implementação com fibra ótica multimodo:
 Fibra ótica multimodo com diâmetro interno de 50 microns (2 fibras);
 Implementação de backbones;
 Comprimento de onda de 1300 nanometros;
 Método de sinalização: 8B/10B;
 Distância máxima de 550 metros;
• 1000BASE-CX
- Cabo de cobre “twinax” STP de 150 ohm (2 pares);
- Interligação de equipamentos no mesmo bastidor – patch cables;
- Método de sinalização: 8B/10B;
- Distância máxima de 25 metros.
A 1000Base-T é a especificação de Gigabit Ethernet sobre par trançado não blindado, (UTP), e
possui atualmente somente uma única forma de implementação:
• 1000BASE-T:
- Cabo de cobre UTP categoria 5 em diante, 100 ohms (4 pares) a Gigabit Ethernet Alliance
recomenda a utilização de cabeamento especificado como Categoria 5E (categoria 5
Enhanced), também conhecido como Categoria 5+.;
- Transmissão simultânea nos quatro pares (Dual Duplex)
- Método de codificação: PAM5 (Pulse Amplitude Modulation – 5 Níveis), permitindo
frequências de sinalização de 125 Mhz. Bastante similar ao MLT-3 do Fast Ethernet,
utiliza, entretanto, 5 níveis de voltagem diferentes.
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5. - Cabeamento horizontal, interligação de hubs - DTE’s;
- Distância máxima de 100 metros Hub - DTE, 200 metros DTE - Hub - DTE;
Observação:Categoria 5E:
A EIA/TIA chama oficialmente de “Additional Trasmition Perfomance Guidelines for 4-
Pair 100 Ω Enhanced category 5 Cabling” publicado no Adendo 5 da norma EIA/TIA 569-A
standard-5.
A categoria 5E, assim como a Categoria 5, define as frequências máximas no cabo a 100
MHz, mas exige pequenas melhoras em relação ao cabo Categoria 5 nos índices de crosstalk
NEXT, ELFEXT e Perda de Retorno.
Na realidade, diversos cabos categoria 5 tradicionais hoje vendidos já atendem o Adendo 5,
mesmo que os fabricantes não o classifiquem como Categoria 5E!. Evidentes todos aqueles
classificados como Categoria 5E atendem ao Adendo 5.
O IEEE 802.3z não exige o uso e cabos categoria 5E. A recomendação do uso de cabos
categoria 5E provém do Gigabit Ethernet Alliance, uma associação de indústrias interessadas no
estabelecimento dos padrões Gigabit Ethernet.
RESUMO DAS FORMAS DE IMPLEMENTAÇÃO DE GIGABIT ETHETNET:
Padrão Comprimento de Tipo de cabo Sinalização Conector Distância
onda (frequência) Máxima *
1000Base-SX 850 ηm FO multimodo 65/125 µm 8B/10B SC 220 m
FO multimodo 50/125 µm 8B/10B SC 500 m
1000Base-LX 1300 ηm FO multimodo 65/125 µm 8B/10B SC 550 m
FO multimodo 50/125 µm 8B/10B SC 550 m
FO monomodo 10/125 µm 8B/10B SC 5000 m
1000Base-CX 1250 Mhz STP “twinax” 150 Ω 8B/10B HSSC ou DB-9 25 m
1000Base-T 125 Mhz UTP categoria 5 PAM5 RJ-45 100 m
* Observação: as distâncias máximas são para operação no modo full duplex. A implementação em
half duplex não é comum, uma vez que praticamente todos os produtos Gigabit Ethernet disponíveis
suportam full duplex. Devido ao Round Trip Delay, as distâncias máximas no modo half duplex
caem para 316 metros (1000Base-LX) e para entre 220 e 316 metros (1000Base-SX).
Tabela 3 – Características dos padrões Gigabit Ethernet
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6. Figura 1 – Estrutura de camadas do Gigabit Ethernet
6.1. GIGABIT MEDIA INDEPENDENT INTERFACE (GMII):
GMII é uma extensão da MII da Fast Ethernet, provendo uma interface única entre a sub-camada
MAC e a camada física, possibilitando desta forma que qualquer dos meios físicos padronizados
possa se comunicar de uma forma única e padrão com a sub-camada MAC.
A GMII é dividida em três sub-camadas: PCS, PMA e PMD
• PCS – PHYSICAL CODING SUBLAYER
- Utiliza codificação 8B/10B (igual ao do Fibre Channel); Grupos de 8 bits são representados
por grupos de código (code groups) de 10 bits.
- Gera indicações de detecção da portadora e detecção de colisão;
- Gerencia o mecanismo de auto-negociação (10/100/1000, half/full duplex).
• PMA – PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT
- Provê uma maneira independente do meio físico, para que o PCS interaja com o meio físico
através da sinalização sequencial binária;
- Serializa os code groups para transmissão, e deserializa os bits recebidos do meio em code
groups.
• PMD – PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT
- Mapeia o meio físico para o PCS;
- Define a sinalização da camada física usada por vários meios;
- Engloba a MDI (Medium Dependent Interface). Portanto esta sub-camada define a conexão
física adotada (diversos conectores)
L L C
Camada
de Enlace M A C
Sub-camada de Reconciliação
Camada PCS - Physical Coding Sublayer
Física
PMA _ Physical Medium Attachment
PMD _ Physical Medium Dependent
Midia
Física, a
1000 Mbps
Figura 2 – Arquitetura de protocolos da Gigabit Ethernet
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7. 7. CAMADA MAC:
O tempo mínimo para se detectar uma colisão é o tempo que um sinal de desloca de um extremo ao
outro do cabo. Na Ethernet e na Fast Ethernet, o tempo de bit (bit time) é de 64 bytes – tempo
mínimo para se detectar uma colisão.
Na Gigabit Ethernet, o slot time foi aumentado para 512 bytes, para compensar o aumento de
velocidade – 10 vezes em relação ao Fast Ethernet.
Manteve-se o tamanho mínimo do quadro – 64 bytes, mas foram incluídos símbolos especiais, fora
do campo de dados, chamados “Carrier Extension” (Extensão de Portadora), para permitir o slot
time de 512 bytes.
7 1 6 6 2 46-1500 4
PRE SFD Dest Addr Sour Addr Length Data/PAD FCS Carrier Extension
64 bytes mínimo
512 bytes mínimo
Figura 3 – Formato do quadro Ethernet com Carrier Extension
O aumento do tempo de slot não foi para 640 bytes, como seria esperável, pelos seguintes motivos:
• Foram eliminadas margens de segurança, implementadas na Ethernet quando seu padrão foi
definido, devido à evolução tecnológica, com equipamentos mais precisos, o que, por outro
lado, torna a fabricação do Gigabit Ethernet muito mais crítica;
• A possibilidade de implementação de 2 repetidores no Fast Ethernet foi reduzida para apenas
um no Gigabit Ethernet, o que trouxe menor latência, e foi dado uma folga para detecção de
colisão.
Como o Carrier Extension vem após o FCS, a verificação de checksum é feita apenas para o quadro
original, e a extensão de portadora não é verificada pelo receptor. A subcamada LLC não trata os
símbolos de extensão.
Se temos o menor quadro possível, 64 bytes de pacote, e 512-64 = 448 bytes de Carrier Extension,
o throughput efetivo do Gigabit Ethernet, seria de 64/512 * 1 Gbps = 125 Mbps, 12,5% da
capacidade total da rede.
Se considerarmos que os tamanhos médios dos quadros nas redes Ethernet fica em torno de 200
bytes, teríamos um throughput médio oferecido pela Gigabit Ethernet de 300 a 400 Mbps.
Cabe, então, aos administradores de rede, calcular o quanto a sua rede ganhará em throughput, em
uma eventual migração para Gigabit Ethernet, e avaliar se será realmente vantajosa esta migração.
Como minimizar, então, as perdas de desempenho provocadas pelo uso do Carrier Extension?
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8. 8. PACKET BURSTING (TRÁFEGO EM RAJADA):
Supondo um pacote de 64 bytes, com 448 bytes de Carrier Extension, teríamos o pacote com o
tamanho total de 512 bytes. Porém o tamanho máximo de um pacote Ethernet pode ser de 1516
bytes. Então ela irá transmitir uma rajada de pacotes, após o Carrier Extension, até o tamanho
máximo do “tempo de rajada”, chamado de limite de rajada de quadros (FBL- Frame Burst Limit),
que o protocolo define em 8192 bytes.
Os pacotes, a partir do segundo, são transferidos com o mínimo interframe-gap, (96 bit times), até
que o “burst time” (tempo de rajada) se expire. No interframe gap são utilizados símbolos de
extensão, a fim de evitar que outra estação possa entender que o canal ficou disponível e tentasse
transmitir, ocorrendo colisão.
Observação: “interframe-gap” é o mínimo intervalo de tempo que uma estação espera para
transmitir, após escutar o meio e perceber que ele foi liberado para transmissão, definido para
Ethernet como 96 bits (9,6 µs para Ethernet, 0,96 µs para Fast Ethernet, 0,096 µs para Gigabit
Ethernet).
Com a Rajada de Quadros, o canal Gigabit Ethernet se torna muito mais eficiente para quadros
pequenos,
9. FULL DUPLEX GIGABIT ETHERNET:
O funcionamento do modo full duplex em Gigabit Ethernet é similar ao Ethernet básico e ao Fast
Ethernet. Utiliza-se o interframe-gap de 96 bits e o tamanho mínimo do pacote de 64 bytes, pois
como vimos, no modo full duplex não há risco de colisão, pois as conexões são ponto a ponto,
transmitindo e recebendo ao mesmo tempo.
A tecnologia 1000BASE-T possibilita a comunicação FULL DUPLEX nos mesmos pares, graças à
implementação dos “Circuitos Híbridos” nas duas pontas de um enlace: os Circuitos Híbridos
conseguem separar o sinal emitido do sinal recebido, através da diferença de suas fases, permitindo
assim a transmissão DUAL DUPLEX.
T 250 Mbps T
H H
R R
T 250 Mbps T
H H
R R
T 250 Mbps T
H H
R R
T 250 Mbps T
H H
R R
Figura 3 – Circuitos Híbridos
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9. 10. AUTO-NEGOCIAÇÃO:
O esquema de auto-negociação é similar ao do Fast Ethernet. De maior prioridade que o Ethernet a
100 Mbps, diversos fabricantes já implementam interfaces “auto-negociation” 1000Base-
T/100Base-TX/10Base-T, ou 1000Base-SX/100Base-FX/10Base-FL.
A maior prioridade será a 1 Gbps, Full Duplex, seguindo-se o 1 Gbps, Half Duplex, 100 Mbps FD,
100 Mbps HD, 10 Mbps FD e 10 Mbps HD.
11. BUFFERED DISTRIBUTOR (FULL DUPLEX REPEATER):
O distribuidor bufferizado, também chamado de repetidor bufferizado, nada mais é do que um
repetidor multi-porta com links full duplex.
Cada porta possui uma fila de entrada e uma fila de saída, ambas FIFO (first in, first out). Um
quadro que chega a uma fila de entrada é enviado a todas as filas de saída, exceto para a fila de
saída da mesma porta da fila de entrada.
O próprio distribuidor evita colisões, fazendo uma arbitragem CSMA-CD e bufferizando pacotes
para que não ocorra colisão.
Não ocorrem colisões no meio físico, de modo que as restrições de distância são impostas pelas
características de atenuação do meio físico, e não ao round trip timing do protocolo CSMA/CD.
O distribuidor bufferizado implementa uma funcionalidade rudimentar da camada MAC em suas
porta, assegurando que o quadro foi completamente recebido, fazendo o teste do FCS e
armazenando o mesmo em seus buffers. Porém este equipamento não possui nenhuma outra
funcionalidade de camada MAC comum a switches, tais como análise de endereços e o envio do
quadro apenas para a porta correspondente ao endereço de destino.
As especificações IEEE 802.3x definem as formas de implementação do modo de operação em Full
Duplex. Existem mecanismos de controle de fluxo entre a porta do hub (distribuidor) e a estação de
origem, a fim de evitar que as filas FIFO extrapolem suas capacidades. Estes mecanismos já são
implementados nos switches Ethernet.
A maior vantagem do distribuidor bufferizado está no seu menor custo comparado com a tecnologia
de Gigabit Ethernet Switch. Ele na realidade é apenas uma extensão de um repetidor.
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10. TX RX TX RX TX RX TX RX
MAC MAC MAC MAC
PHY PHY PHY PHY
Figura 5 – Esquema do Distribuidor Bufferizado
12. EMPREGO DA TECNOLOGIA GIGABIT ETHERNET:
O Gigabit Ethernet pode ser empregado para backbones a curta distância, backbones de campus,
para conectar servidores, compondo “server farms”, ou mesmo para conectar workstations
poderosas, quando se mostrar necessário.
Existem basicamente quatro dispositivos que se fazem necessários para se fazer eu upgrade de uma
rede Ethernet/Fast Ethernet para Gigabit Ethernet:
• Gigabit Ethernet Network Interface Cards (NIC’s);
• Switches agregados Ethernet/Fast Ethernet/Gigabit Ethernet;
• Switches Gigabit Ethernet;
• Repetidores Gigabit Ethernet (Ou Distribuidores Bufferizados).
Server
1000 Mbps
Switch 100/1000
100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps
Hub 100
Figura 6 – Aumento de banda para o servidor, utilizando Gigabit Ethernet;
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11. Server Farm
Server
1000 Mbps 100 Mbps
Switch 100/1000
100 Mbps 100 Mbps
100 Mbps
Hub Switch 10/100 Switch 10/100
Figura 7 – Aumento de banda do cabeamento do backbone (link entre switches);
Outras aplicações:
• Migração de um backbone em anel FDDI para backbone de switches Gigabit Ethernet;
• Substituição de backbone que envolvem múltiplos switches 10/100 por um ou mais switches
100/1000;
• Upgrade de conexão de workstations de alto desempenho.
BIBLIOGRAFIA:
• Tanembaum, Andrew S. – REDES DE COMPUTADORES (3a Edição)
Editora Campus, 1997
• Soares, Luiz F. G. – REDES DE COMPUTADORES - DAS LANs, MANs, e WANs às
REDES ATM (2a Edição)
Editora Campus, 1995
• Breyer, Robert – SWITCHED, FAST , AND GIGABIT ETHERNET (3a Edição)
Mcmillan Techincal Publishing, 1999
• Derfler Jr, Frank J – TUDO SOBRE CABEAMENTO DE REDES (6a Edição)
Editora Campus, 1994
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