Warstwa fizyczna
Warstwa fizyczna określa takie parametry jak medium transmisyjne, postać fizyczną sygnałów oraz złącza. Standard określa wiele odmian sieci Ethernet, różniących się m.in. prędkością bitową: 10Mbit/s, 100Mbit/s, 1Gbit/s oraz 10Gbit/s. Stosowane są również trzy rodzaje medium transmisyjnego: kabel koncentryczny miedziany (rozwiązanie przestarzałe), skrętka miedziana i światłowód. Rejestrator będący przedmiotem tej pracy komunikuje się z komputerem przy użyciu łącza Ethernet z prędkością bitową 100Mbit/s zrealizowanego na skrętce miedzianej. Z tego względu nie zostanie tu omówiona warstwa fizyczna w wersji dla większych prędkości oraz dla kabla światłowodowego.
Kabel koncentryczny
Początkowo Ethernet budowany był w oparciu kabel koncentryczny i działał z prędkością bitową 10Mbit/s. Istnieją dwa warianty tego rozwiązania różniące się grubością kabla, tzw. 10Base-5 („gruby Ethernet”) i 10Base-2 („cienki Ethernet”). Sieć oparta na tym medium ma topologię magistrali, czyli każde urządzenia w sieci jest połączone fizycznie z każdym innym. Oznacza to, że podczas gdy jedno urządzenie nadaje dane, docierają one do wszystkich pozostałych urządzeń. Dopiero na podstawie porównania adresu docelowego MAC zawartego w ramce warstwy łącza danych ze swoim adresem urządzenie decyduje o przesłaniu danych do wyższej warstwy bądź ich odrzuceniu. Z tej własności wynika, że tylko jedno urządzenie może nadawać w danym momencie oraz że nie jest możliwy tryb full duplex, czyli równoczesna transmisja w dwóch kierunkach. Jeżeli zdarzy się, że dwa lub więcej urządzeń nadają jednocześnie, dochodzi do tzw. kolizji i dane ulegają zniszczeniu. Takie sytuacje obsługuje protokół CSMA/CD opisany w podrozdziale 3.2.
Skrętka
Nowszym rozwiązaniem jest tzw. skrętka, czyli kabel złożony z dwóch par skręconych przewodów miedzianych. Jest ona stosowana zarówno przy prędkości 10MBit/s (10Base-T), jak i 100Mbit/s (100Base-TX). W odróżnieniu od wersji z kablem koncentrycznym, jeden odcinek kabla typu skrętka łączy ze sobą tylko dwa urządzenia w sieci. Każda z par przewodów służy do transmisji w jednym kierunku, co pozwala na zrealizowanie trybu full-duplex. W celu połączenia ze sobą większej liczby urządzeń stosuje się tzw. huby (koncentratory) lub switche (przełączniki). Oba typy urządzeń mają wiele gniazd na kabel typu skrętka, zwanych portami. Sieć realizuje się poprzez podłączenie urządzeń końcowych do poszczególnych portów huba lub switcha, przez co powstaje fizyczna topologia gwiazdy. W celu budowy większych sieci można łączyć ze sobą większą liczbę hubów lub switchów.
Huby i switche
Działanie huba polega na tym, że gdy wykryje on dane przychodzące na dowolnym z portów, przesyła je na wszystkie porty. W efekcie każda ramka w sieci dociera do każdego urządzenia, tak jak w przypadku użycia kabla koncentrycznego. Można tu więc mówić o logicznej topologii magistrali. Nieco inaczej funkcjonuje switch, który zapamiętuje, na których jego portach znajdują się urządzenia o określonych adresach MAC i na podstawie tej informacji wysyła ramki tylko do właściwego odbiorcy. Pozwala to na unikanie kolizji na poziomie warstwy fizycznej oraz na zwiększenie przepustowości poprzez fakt, że w sieci może odbywać się więcej niż jedna transmisja jednocześnie.
Kody transmisyjne
Przy transmisji na znaczącą odległość pożądane jest, aby sygnał miał pewne własności ułatwiające jego prawidłowe odbieranie. W szczególności ważne jest, aby sygnał nie zawierał składowej stałej. Poza tym, aby nie było konieczne przesyłanie sygnału taktującego osobną linią, musi istnieć możliwość odzyskania tego sygnału z przebiegu przenoszącego dane. Oznacza to, że niezależnie od tego, jakie dane są przesyłane, nie mogą wystąpić długie odcinki czasu, w których sygnał się nie zmienia. Z tych względów sygnału cyfrowego nie podaje się bezpośrednio na linię transmisyjną, ale poddaje się go odpowiedniemu kodowaniu.
W Ethernecie z prędkością bitową 10Mbit/s jest to tzw. kod Manchester, przedstawiony na rysunku 3.1. W tym kodzie każda jedynka logiczna zamieniana jest na sygnał, który w pierwszej połowie czasu trwania ma wartość dodatnią, a w drugiej ujemną. Zero kodowane jest przez analogiczny sygnał, ale z odwróconą polaryzacją.
W
Rys. 3.1. Kody Manchester i MLT3
adą kodu Manchester jest jego szerokie pasmo w stosunku do prędkości transmisji, przez co nie znalazł on zastosowania w Ethernecie z szybkością 100Mbit/s. W tym przypadku stosuje się kodowanie podwójne, złożone z kodów 4B5B i MLT3. Kod 4B5B polega na tym, że każda czwórka bitów zamieniana jest na ciąg 5-bitowy według odpowiedniej tabeli kodowania. Ponieważ ciąg 5-bitowy pojawia się na wyjściu kodera w czasie, w którym na wejście zostają dostarczone 4 bity, powoduje to zwiększenie prędkości bitowej w stosunku 5/4, a zatem dla danych przychodzących z prędkością 100Mbit/s otrzymuje się na wyjściu 125Mbit/s. Jest to oczywiście zjawisko niekorzystne, ponieważ zwiększa się szerokość pasma wymagana do przesłania sygnału. Z drugiej strony warto zauważyć, że podczas, gdy wszystkich możliwych ciągów 4-bitowych jest tylko 16, ciągów 5-bitowych jest dwa razy tyle. Pozwala to wybrać zestaw 16 takich ciągów 5-bitowych, że każdy z nich będzie zawierał zmianę wartości sygnału. Dzięki temu nie wystąpią długie ciągi tych samych symboli, co uniemożliwiłoby odzyskanie sygnału zegarowego.
Sygnał wychodzący z kodera 4B5B poddawany jest kodowaniu MLT3. Jest to kod trójpoziomowy, tzn. dający na wyjściu trzy różne poziomy napięcia: dodatni, ujemny i zerowy. Idea kodowania jest prosta: gdy nadawane jest zero, sygnał na wyjściu nie ulega zmianie, a w przypadku jedynki sygnał przyjmuje kolejną wartość z sekwencji 0, +, 0, –. Kodowanie to zilustrowane zostało na rysunku 3.1.
komentarze
Copyright © 2008-2010 EPrace oraz autorzy prac.