Fast Ethernet, znany także jako 100Base-T – standard szybkiej sieci lokalnej o prędkości przesyłu danych – 100 Mb/s będący modyfikacją oraz zgodnego z nim, wcześniejszego standardu Ethernet o szybkości 10 Mb/s.

Jest to technologia bardzo podobna do 10Base-T. Zachowana bowiem była metoda zarządzania dostępem do wspólnego medium transmisyjnego – CSMA/CD, co uczyniło nader znaczne ograniczenie dopuszczalnej rozpiętości sieci przy dziesięciokrotnym zwiększeniu szybkości transmisji. Zmianie natomiast nie uległ format ramek, ich długość oraz metoda kontroli błędów. Zmieniły się jednak techniki kodowania sygnałów oraz rodzaje mediów, z którymi standard współpracuje. Jeśli chodzi o kodowanie, wyróżniono dwa jego etapy. W pierwszym kroku sygnał jest kodowany za pomocą techniki 4B5B, czyli czterobitowe ciągi z podwarstwy MAC kodowane są na pięciu bitach. W drugim etapie wykorzystuje się kodowanie linii, zależne od używanego medium, np. NRZI (ang. Nonreturn to Zero Inverted) dla 100BASE-FX albo MLT-3 (ang. Multi Level-Three Levels) dla 100Base-TX. Założono jednak, że zmiany te nie potrafią wykluczać możliwości współpracy obu rodzajów Ethernetu. Od urządzeń fastethernetowych wymaga się możliwości współpracy z innymi urządzeniami ethernetowymi, a do dodatkowych funkcji, w porównaniu z 10Base-T, realizowanych przez koncentrator fastethernetowy trzeba proces Auto-Negocjacji (ang. Auto-Negotiation) umożliwiający automatyczne rozpoznawanie trybu pracy urządzeń podłączonych do koncentratora. Standard 100Base-T przewiduje możliwość współpracy z trzema rodzajami medium transmisyjnego.

Poszczególne wersje Fast Ethernetu to:

• system 100Base-TX używający dwóch par skrętek kategorii 5 (najbardziej popularny),
• system 100Base-T4 wykorzystujący cztery pary skrętek kategorii 3, 4 albo 5,
• system 100BASE-T2 w założeniach miał wykorzystywać dwie pary skrętek kategorii 3,
• system 100BASE-FX opierający się na włóknach światłowodowych.

Geneza

Wraz z rozwojem systemów komunikacji czasu rzeczywistego oraz pojawieniem się różnorodnych, coraz to lepszych aplikacji multimedialnych rosło zapotrzebowanie na zwiększenie przepustowości w sieciach lokalnych. Stosowane do tej pory standardy 10 megabitowego Ethernetu (IEEE 802.3), czy token ringu (IEEE 802.5) stawały się niewystarczające. Ważnym kryterium, którym kierowano się przy projektowaniu ówczesnych systemów sieci lokalnych, było zapewnienie możliwości funkcjonowania ogromnej liczby stacji końcowych połączonych skrętką (10Base-T oraz częściowo sieci typu token ring). W następnych latach dobrze opanowana technologia ethernetowa sprawiła, że podjęto się modyfikacji tego standardu w taki sposób, aby stało się możliwe wykorzystanie go do przesyłania informacji z większymi szybkościami. W wyniku tego opracowano dwa standardy wykorzystujące częściowo albo w pełni idee Ethernetu:

• standard IEEE 802.12 (wersja komercyjna – 100VG-AnyLAN), który bywa zaimplementowany w dotychczasowej infrastrukturze (okablowaniu) sieci lokalnej,
• standard Fast Ethernet oparty na rozwiązaniu IEEE 802.3.

Fast Ethernet stał się opracowany przez firmy: Grand Junction Networks, 3Com, SynOptics, Intel oraz kilku innych producentów sprzętu oraz oprogramowania komputerowego. Standard rozwijany jest przez Komitet 3 IEEE 802, który w połowie czerwca 1995 roku zatwierdził rozszerzenie standardu 802.3 pod nazwą IEEE 802.3u. Został on także zaakceptowany przez ISO jako ISO 8802.3u.

Ramka sieci Fast Ethernet

• preambuła – składa się z siedmiu bajtów. Każdy ma następujący układ bitów: 10101010. Preambuła informuje stację odbiorczą, że przez medium jest transmitowana ramka, dopuszcza synchronizację odbiornika,
• pole startu ramki SFD (ang. Start of Frame Delimiter) – jednobajtowe pole informujące, iż rozpoczyna ramka. Układ bitów to 10101011,
• adres docelowy (ang. Destination Address) – pole adresu docelowego składa się z 48 bitów. Informuje o tym, która stacja powinna odebrać ramkę,
• adres źródłowy (ang. Source Address) – identyfikuje stację nadawczą,
• pole Długość/Typ (ang. Type/Length Value) – wyznacza długość pola danych albo typ ramki,
• pole danych podwarstwy LLC oraz pole rozszerzenia – sekwencja n bajtów dowolnej wartości.

Minimalna długość ramki (bez preambuły oraz pola startu) musi wynosić 64 bajty, zatem jeśli pole danych jest mniejsze niż 46 bajtów, zostaje ono wydłużone przez dodanie w polu rozszerzenia odpowiedniej liczby oktetów,

• sekwencja sprawdzająca ramki FCS (ang. Frame Check Sequence) – sekwencja ta zawiera 4-bajtową wartość ciągu kontrolnego CRC (ang. Cyclic Redundancy Check). Zabezpieczenie nie zawiera w sobie preambuły oraz ciągu startowego.

W przypadku przesyłania ramek pomiędzy przełącznikami w sieci, w której zostały zbudowane sieci wirtualne, dodawany jest czterobajtowy znacznik VLAN pomiędzy pole Adres Źródłowy oraz pole Długość/Typ.

Topologia sieci

Rysunek 1. Topologia fizyczna sieci Fast Ethernet

Rysunek 2. Topologia logiczna sieci Fast Ethernet

W przypadku topologii sieci Ethernet trzeba rozróżnić pojęcia topologii fizycznej (tzn. rozmieszczenia przestrzennego kabli) od topologii logicznej. W sieci Fast Ethernet stosowana jest topologia fizyczna typu gwiazdy, w której, tak jak w sieciach 10Base-T, wszystkie przewody biegną, zgodnie z ilustracją zamieszczoną na Rysunku 1, do centralnego koncentratora. Osią logiczną każdej sieci ethernetowej jest magistrala, do której dołączone są wszystkie stacje. W przypadku klasycznej sieci ethernetowej logiczna magistrala odpowiada magistrali fizycznej. Kilka segmentów sieci (formalnie segment zdefiniowany jest jako połączenie punkt-punkt łączące dwa oraz tylko dwa interfejsy MDI (ang. Media Dependent Interface), co oznacza, że tworząc sieć liczącą parę stacji musimy użyć koncentratora) bywa połączonych razem za pomocą tzw. regeneratorów w celu utworzenia większej oraz bardziej elastycznej sieci. Istotne jest, aby każdy segment posiadał dwa końce, albowiem segmenty nie potrafią tworzyć pętli. Przykładową konfigurację sieci ethernetowej przedstawia Rysunek 2. Konfiguracja taka bywa zrealizowana w klasycznym ethernecie (tzn. z fizycznie istniejącą magistralą). W rozwiązaniach 10Base-T oraz 100Base-T logiczna magistrala oraz regenerator przyjmują fizycznie osoba tzw. regenerującego koncentratora (ang. repeating hub) co zmienia topologię z magistralowej na gwieździstą.

Podstawową wadą technologii Fast Ethernet (podobnie jak standardowego Ethernetu) jest to, że topologia sieci nie bywa zbyt rozbudowana. Ograniczenie dotyczy maksymalnej odległości pomiędzy dwiema skrajnymi stacjami w sieci, nie mogącej, w wypadku stosowania skrętki nieekranowanej, przekroczyć 200 metrów. Odległość ta jest ograniczana przez minimalną długość ramki, szybkość propagacji sygnałów w medium oraz opóźnienia wnoszone przez urządzenia sieciowe, w szczególności koncentratory.

Możemy wyróżnić dwa główne rodzaje koncentratorów:

• koncentratory regenerujące (ang. repeating hubs),
• koncentratory przełączające (ang. switching hubs).

Pierwszy odmiana koncentratorów służy do łączenia poszczególnych segmentów sieci, a drugi do łączenia odrębnych sieci lokalnych.

Fast Ethernet wykorzystuje dwie klasy koncentratorów regenerujących nazywanych regeneratorami – I oraz II klasy. Regenerator klasy I bywa wykorzystywany do łączenia segmentów stworzonych w oparciu o zróżnicowane media (np. do łączenia TX z T4). Musi on przy tym sam przetwarzać sygnały odebrane z jednego segmentu do postaci cyfrowej akceptowanej w drugim segmencie. Proces translacji wykonywany jest zawsze, bez względu na to czy jest on potrzebny, czy nie. Wprowadza on przez to duże opóźnienia. Dlatego stosowany bywa tylko jeden w pojedynczej domenie kolizyjnej, jeżeli wykorzystywana jest maksymalna długość kabla. Regenerator klasy II może współpracować tylko z tym samym rodzajem medium. Nie dokonuje on przetwarzania odbieranych sygnałów do określonej postaci cyfrowej, a tylko powiela odebrane sygnały, wzmacniając je oraz przesyłając na inne porty. Dzięki temu wprowadza mniejsze opóźnienia. Oznacza to, że da się użyć dwóch regeneratorów klasy II w jednej domenie kolizyjnej przy wykorzystaniu maksymalnej długości kabla.

Poza różnymi szybkościami działania pracy, do istotnych różnic pomiędzy 10Base-T oraz 100Base-T trzeba też zaliczyć zmianę metody kodowania, zastosowaną w celu lepszego wykorzystania przepustowości łącza. W przypadku 10Base-T używa się kodu Manchester. Dla szybkości przesyłania informacji, wynoszącej 10 Mb/s, mamy wówczas szybkość modulacji 20 Mbodów. Umożliwia to na zaledwie 50% wykorzystanie całkowitej przepustowości łącza. W standardzie 100Base-T stosuje się kodowanie 4B/5B pozwalające na 80% wykorzystanie przepustowości łącza.

Auto-Negocjacja

W standardzie Fast Ethernet interfejsy sieciowe potrafią pracować w wielu trybach, w zależności od rodzaju wykorzystywanego w sieci medium. Celem realizacji procedur Auto-Negocjacji jest umożliwienie współpracy wielorakich urządzeń w trybie o najwyższym, akceptowalnym przez wszystkie urządzenia, priorytecie. Przypisanie priorytetów mediom a tym samym trybom pracy, od najwyższego do najniższego, przedstawia poniższa tabelka:

Proces Auto-Negocjacji generuje oraz wykorzystuje sygnały zwane FLP (ang. Fast Link Pulse). Sygnały te składają się na paczki (ang. burst) składające się z 33 impulsów, z których 16 o numerach parzystych przenosi informację, zaś 17 o numerach nieparzystych wykorzystywanych jest do celów synchronizacji. Odstęp czasu pomiędzy poszczególnymi impulsami wynosi 62.5μs +/- 7μs, a pomiędzy całymi słowami 16ms +/- 8ms, zgodnie z poniższym rysunkiem:

Długość trwania słów FLP oraz NLP

Brak impulsu informacyjnego pomiędzy kolejnymi impulsami synchronizacji (w paczce) oznacza logiczne zero, a jego pojawienie się – logiczną jedynkę. Sygnały FLP są zmodyfikowaną wersją sygnałów NLP (ang. Normal Link Pulse) stosowanych w 10Base-T. Tak więc urządzenia standardu 10Base-T nie posiadają trudności z nawiązywaniem współpracy z urządzeniami Fast Ethernet. System Auto-Negocjacji zezwala także na ręczne wymuszenie wymaganego trybu pracy na wybranym porcie koncentratora.

Na poniższym rysunku przedstawiono strukturę ramek protokolarnych (będących wspomnianymi powyżej ciągami 16 impulsów o numerach parzystych) wykorzystanych w procesie Auto-Negocjacji.

Pole selekcji (ang. Selector Field) wyznacza odmiana standardu oraz aktualnie może przyjmować tylko wartości 10000 dla IEEE 802.3 oraz 01000 dla IEEE 802.9 (standard Iso Ethernet). Odmienne kombinacje są na razie zastrzeżone do przyszłego wykorzystania. Pole wyboru technologii (ang. Technology Ability Field) zawiera informacje o możliwości współpracy z poszczególnymi trybami. Ustawienie bitu Ai dla i=0,1,...,7 oznacza:

• A0 – 10Base-T
• A1 – 10Base-T Full Duplex
• A2 – 100Base-TX
• A3 – 100Base-TX Full Duplex
• A4 – 100Base-T4

Bity A5, A6, A7 są zarezerwowane dla przyszłych technologii. Bit RF (ang. Remote Fault) informuje o błędzie w oddalonej stacji, a bit Ack (ang. Acknowledge) ustawiany jest przez stację po wykryciu trzech pełnych słów protokołu (od swojego "rozmówcy"). Zaś bit NP (ang. Next Page) oznacza, że stacja chce przejść do następnego etapu negocjacji. Proces negocjacji obejmuje:

• wymianę, przez obu partnerów, słów FLP bez ustawionego bitu Ack,
• ustawienie bitu Ack przez stację, która pierwsza wykryła trzy pełne słowa FLP od partnera,
• nadanie od 6 do 8 słów oraz uznanie przez stację procesu Auto-Negocjacji jako przeprowadzonego z sukcesem, po wykryciu przez stację kolejnych trzech pełnych słów FLP z ustawionym bitem Ack; w przeciwnym wypadku przejście stacji do następnego etapu negocjacji.

Jeśli urządzenia nie uzgodnią wspólnego trybu, to połączenie nie zostanie ustalone.

Pomimo, że protokół Auto-Negocjacji dopuszcza pracę w wielorakich trybach to jednak wszystkie porty regenerującego koncentratora muszą pracować z tą samą szybkością. Nie jest więc możliwe stworzenie sieci ethernetowej pracującej równocześnie z szybkością 10Mb/s oraz 100Mb/s. Oznacza to, że jeden koncentrator obsługiwać może jedynie urządzenia pracujące albo z szybkością 100Mb/s albo też 10Mb/s. Ograniczenie to nie jest w przypadku koncentratora przełączającego.

Sprawdź też

• Sieć komputerowa
• Sieć lokalna
• Ethernet

Bibliografia

• Józef Woźniak, Krzysztof Nowicki – "Sieci LAN, MAN oraz WAN – protokoły komunikacyjne", wydawnictwo Fundacji Postępu Telekomunikacji, Kraków 2000
• Charles E. Spurgeon – "Ethernet – podręcznik administratora", tłumaczenie Krzysztof Banaszek oraz Maciej Dąbrowski, wydawnictwo RM, Warszawa 2000
• Standard IEEE 802.3 – 2008