1 Wstęp
W historii rozwoju lokalnych sieci komputerowych standard Ethernet od ponad trzydziestu pięciu lat zajmuje czołowe miejsce wśród innych sposobów łączenia komputerów i urządzeń. Przez lata ewoluował w kierunku coraz większej zdolności do przesyłania rokrocznie zwiększającej się ilości przetwarzanych przez komputery danych. Postęp ten owocował wprowadzaniem co kilka lat nowych standardów, oferujących coraz większą przepustowość i pojemność sieci. Rozwój ten spowodował również sięgnięcie po inne media transmisyjne, niż pierwotnie stosowany kabel koncentryczny, pozwalające przesyłać większe ilości informacji w jednostce czasu, a także, w niektórych rozwiązaniach, przesłać dane na większą odległość.
Różnorodność urządzeń, ich interfejsów i możliwości przesyłowych, w połączeniu z koniecznością współistnienia w sieciach urządzeń starszych i nowszych generacji wymusiła na twórcach nowszych odsłon standardu Ethernet konieczność zapewnienia mechanizmów pozwalających na sprawne łączenie ich ze sobą. Rozwiązanie takie, zwane autonegocjacją, zostało opracowane i jest rozwijane do dziś. Zakres zdolności adaptacyjnych tego rozwiązania w obecnej dobie pozwala na współpracę urządzeń o prędkościach różniących się o trzy rzędy wielkości1 począwszy od 10Mb/s skończywszy na 10 Gb/s, wykorzystujące tryby pracy zróżnicowane pod względem wykorzystywanej ilości par, stosowania dupleksu czy pauzy w czasie transmisji2. Rozwiązanie to, w formie dostosowanej do specyfiki medium, znalazło zastosowanie również w sieciach światłowodowych.
Zakres warstwy fizycznej3 (PHY, ang. Physical Layer) sieci Ethernet będącej obszarem problemowym niniejszego opracowania, zgodnie z modelem OSI (Rys. 1), zawiera specyfikacje czterech obszarów, niezbędnych dla przekazywania sygnałów niosących informację pomiędzy urządzeniami komputerowymi. Zdefiniowane są w nim parametry mechaniczne złącz i adapterów sieciowych, elektryczne – opisujące sygnały, ich napięcie, częstotliwość, sposób modulacji wraz z dopuszczalnymi tolerancjami, jak również wymagania funkcjonalne i proceduralne, które muszą zostać spełnione. Część funkcjonalna określa zakres wymaganych bloków potrzebnych do przygotowania porcji informacji otrzymanej z warstwy łącza danych do przesłania strumieniem binarnym przez nośnik (kabel miedziany, światłowód) w postaci impulsów elektrycznych bądź świetlnych. Odpowiada również za wykrywanie dostępności nośnika, odbieranie strumienia bitowego, złożenia w całość ramki zawierającej dane i przekazanie warstwie łącza danych informacji przeznaczonych dla określonej stacji. Część proceduralna określa drogę sygnału przez kolejne etapy obróbki (kodowanie, modulacja, zabezpieczanie integralności), jak również sposób reakcji na uszkodzenia nośnika czy określenia parametrów kanału i wyboru najlepszego z dostępnych dla obu stron sposobu transmisji.
Rys. 1 Podział warstwy fizycznej na podwarstwy4
W warstwie fizycznej wyraźnie zaznacza się podział na dwie podwarstwy: jedną niezależną od medium (PMI, ang. Physical Medium Independent) i drugą zależną (PMD5, ang. Physical Medium Dependent), której cechy dość istotnie różnią się w zależności od zastosowanego nośnika. „Podwarstwa PMD odpowiada za transmitowanie sygnałów (...) zawiera wzmacniacz, modulator, i układ, który kształtuje w odpowiedni sposób sygnały.”6 Pomiędzy warstwą fizyczną, a warstwą łącza danych (ang. Media Access Control) znajduje się interfejs niezależny od medium MII (ang. Medium Independent Interface), zaś pomiędzy podwarstwą a PMD, a specyficznym medium adapter stykowy (złącze wraz z osprzętem) o konstrukcji zależnej od właściwości nośnika (MDI, ang. Medium Dependent Interface)7. W ramach podwarstwy niezależnej od medium wyróżnia się kolejne podwarstwy (Rys. 1): PCS (ang. Physical Coding Sublayer) i PMA (ang. Physical medium attachment). „Podwarstwa PCS odpowiada za kodowanie i dekodowanie strumieni danych, przesyłanych do warstwy MAC i odbieranych z niej. (...) Podwarstwa PMA odpowiada za odpowiednie formowanie (szeregowanie) poszczególnych grup sygnałów, tak aby przybrały postać strumienia bitów zrozumiałego dla urządzenia podwarstwy PMD obsługującego transmisje szeregową. Podwarstwa ta zawiera też mechanizm odpowiedzialny za synchronizowanie przesyłanych sygnałów.”8 W zakres warstwy fizycznej nie wchodzi okablowanie, które znajduje się poza jej specyfikacją, stanowiąc odrębną warstwę, nazywaną często warstwą zerową, i jako takie nie będzie przedmiotem rozważań w niniejszejszego opracowania, jednakże zostanie ono wspomniane jako nieodzowna część sieci, mająca wielki wpływ na podwarstwę PMD.
2 Rys historyczny rozwoju sieci Ethernet
-
Proces autonegocjacji pozwala wykryć urządzenia starszej generacji i wymusić, by urządzenie o większych możliwościach pracowało w starszym trybie (np. o niższej prędkości) w celu dostosowania się do maksymalnych możliwości korespondującego urządzenia. Proces autonegocjacji zostanie szczegółowo omówiony w rozdziale czwartym niniejszej pracy - przyp. aut.
-
Pomimo, że w teorii łączenie urządzeń o prędkościach 10Mb/s i 10Gb/s jest możliwe ze względu na uwzględnione w standardzie mechanizmy, producenci kart sieciowych 10GBASE-T, dostrzegając małą zasadność łączenia tych standardów, wyposażają je w układy liniowe nie współpracujące z standardem 10BASE-T. Związane jest to z niższą przenikalnością magnetyczną rdzeni, mniejszą ilością zwojów w transformatorach dostosowanych do przenoszenia pasma do 500MHz i wynikającym z tym znacznym tłumieniem niskich częstotliwości. Patrz: „Updates on Magnetics for 10GBASE-T” (30).
-
Złożoność zagadnień sieci komputerowych spowodowała, że poszczególne funkcjonalności sprzętu i oprogramowania niezbędnego do realizacji połączeń sieciowych rozpatruje się w rozdzieleniu na warstwy. Podział ten został usystematyzowany i stanowi punkt odniesienia dla wszystkich realizacji sieci komputerowych. Patrz: „ISO/IEC 7498-1:1994(E) Information Technology – Open System Interconnection – Basic reference Model: The Basic Model” (1).
-
Rysunek zaczerpnięty z dokumentów standaryzacyjnych. Por. „IEEE Std 802.3™-2005 Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks - Specific Requirements” (97).
-
Więcej informacji o PMD por. „100BASE-TX Physical Medium Dependent” (63).
-
„Vademecum teleinformatyka” (106 str. 209).
-
Na podstawie: „Przewodowe i bezprzewodowe sieci LAN" (43 strony 54-56).
-
„Vademecum teleinformatyka” (106 str. 209).
