Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet
Jákó András
BME EISzK
Networkshop 2002., Eger
Napjaink lokális hálózataiban (LAN, Local Area Network) egyértelműen az Ethernet a legelterjedtebb technológia a fizikai és az adatkapcsolati rétegben. Jelenleg átviteli sebessége alapján 4 féle Ethernetet különböztetünk meg egymástól: a 10 Mbps sebességű Ethernetet, a 100 Mbps sebességű Fast Ethernetet, az 1 Gbps sebességű Gigabit Ethernetet, valamint a 10 Gbps sebességű 10 Gigabit Ethernetet.
Ebben a fejezetben az Ethernet "őseiről" valamint a legfeljebb 100 Mbps sebességű változatairól lesz szó – hiszen ezek ismerete nélkül értelmetlen a Gigabit Ethernet és a 10 Gigabit Ethernet újdonságairól beszélni.
Az 1970-es évek legelején a Hawaii Egyetem egyik kutatási projektjéhez szükség volt egy több résztvevős, elosztott, közös rádiófrekvencián működő adatkommunikációs hálózat kialakítására. Így született meg 1971-ben az Aloha Packet Radio.
Az állomások kereteket adtak egy közös rádiófrekvencián, minden állomás akkor, amikor épp volt küldenivaló adata. A leadott keretet az összes állomás vette, de csak az foglalkozott vele, amelyiknek szólt, azaz amelyik a saját címét látta a keret fejlécében.
A keretekben ellenőrző összeget használtak, így a vevő megbizonyosodhatott róla, hogy ép keretet vesz-e vagy sem. A keretek két okból hibásodhattak meg: valamilyen külső zavar miatt, vagy azért, mert több állomás is adott egyszerre. Ez utóbbit ütközésnek nevezzük. Ha a keret épen megérkezett a vevőhöz, akkor az rövid nyugtát küldött vissza.
Az adó a keret elküldése után a maximális körülfordulási időnél valamivel tovább várt a nyugta megérkezésére. Ha ez nem történt meg, akkor véletlen idejű késleltetés után újra leadta a keretet. Ha néhány próbálkozás után sem érkezett nyugta, akkor az adó állomás feladta a próbálkozást, a keretet nem sikerült továbbítani.
Ez a közeg-hozzáférési módszer a réseletlen Aloha protokoll.
Az Aloha protokoll egy másik, jóval hatékonyabb változata a réselt Aloha. Itt a rendszer összes tagja közös órát használ, ezáltal az idő mindenki által ismert szeletekre, időrésekre van felosztva, és adást kezdeni csak az időrés kezdetén szabad. Ez a megkötés nagy mértékben csökkenti az ütközések valószínűségét, ezáltal növeli a rendszer hatékonyságát.
1972-73-ban a Xerox Palo Alto Research Centerben (PARC) Robert M. Metcalfe és David R. Boggs egy új kísérleti hálózatot készített az Alto számítógépek, szerverek és nyomtatók összekapcsolására. Ez a hálózat – az Alto Aloha Network – az Aloha protokoll továbbfejlesztett változatát használta, átviteli közegként pedig az "éter" helyett koaxiális kábelt. Az Alto Aloha Network 1973-ban új nevet kapott: Ethernet.
A 2.94 Mbps sebességű Ethernet sikerén felbuzdulva a DEC és az Intel csatlakozott a Xeroxhoz, hogy közösen fejlesszék ki a 10 Mbps sebességű változatot – amely később DIX Ethernet néven vált ismertté. Ez volt az első kereskedelmi Ethernet termék. A DIX Ethernet 1-es verziójának specifikációját 1980-ban, a 2-es verzióét pedig 1982-ben adták ki.
Az IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) szabványosította az Ethernetet: a 802.3-as szabvány első változata 1985-ben jelent meg.
A réselt Aloha protokollon alapul az Ethernet MAC (Medium Access Control) protokollja, a CSMA/CD. A CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) számos újdonsággal egészíti ki az Aloha protokollt, ezáltal sokkal hatékonyabb annál, a sávszélesség jobb kihasználását teszi lehetővé.
A carrier sense, azaz vivő érzékelés annyit jelent, hogy ha egy állomás adni szeretne, akkor először belehallgat a csatornába, hogy nem ad-e éppen valaki más. Ha nem érzékel vivőjelet, akkor elkezdi a keret adását, ha pedig igen, akkor megvárja az adás alatt álló keret végét, és csak utána kezd adni.
A collision detection, azaz ütközés detektálás az Aloha protokoll nyugtái helyett van. Az adó állomás folyamatosan hallgatja adás közben a hálózatot, és figyeli, hogy azt hallja-e vissza, amit ad. Ha nem (SQE, Signal Quality Error), akkor ezt ütközésként értelmezi. Ütközés esetén az adó állomások 32 bit hosszú úgynevezett jam jelet adnak, hogy az ütközést minden érintett állomás biztosan detektálhassa, majd megszakítják az adást. Ezután minden adó állomás egy véletlen idejű várakozás után újra megpróbálja leadni a keretet. Maximum 16-szor próbálkozik egy kerettel (beleértve az első, ütközés miatt nem késleltetett próbálkozást is), exponenciálisan (2 hatványai szerint, maximum 210-ig) növekvő várható értékű, egyenletes eloszlású véletlen késleltetésekkel (truncated binary exponential backoff). Ha a keretet így sem sikerül leadni (excess collision), akkor ezt a hibát a felsőbb rétegek protokolljainak kell kezelniük.
Az tehát, hogy a CSMA/CD az Aloha protokoll réselt változatán alapul, az ütközések utáni újrapróbálkozásoknál, valamint az első belehallgatáskor foglalt csatornánál nyilvánul meg. Egy "régóta" csendes csatornán ugyanis nincsenek időrések, hanem tetszőleges pillanatban kezdhetnek adni az állomások. Ha viszont a csatorna adás miatt foglalt, akkor az adott keret vége által definiált pillanatban kezd minden várakozó állomás adni, ütközés után pedig egy fix hosszúságú idő véletlen egészszámú többszöröséig várakoznak az állomások a keret újabb adási kísérletével.
Minden Ethernet hálózat felosztható egy vagy több collision domainre, azaz olyan részekre, amiben két állomás együttes adása ütközéshez vezet. Ez jó közelítéssel azt jelenti, hogy a collision domain bármely két pontja elérhető egymásból kizárólag az OSI fizikai rétegbe tartozó elemeken keresztül. A CSMA/CD protokoll tehát a collision domainben működik. Tipikusan bridge-ek, switchek vagy routerek választják el egymástól a collision domaineket.
A CSMA/CD protokoll half duplex működést ír le, azaz minden állomás tud adni és venni is, de nem egyszerre. Viszont bizonyos Ethernet fizikai rétegek tulajdonságai lehetővé teszik a full duplex átvitelt. Ezek mind pont-pont összeköttetések, vagy csavart érpárokon, vagy optikai szálakon. Abban az esetben, ha a hálózatban csak két állomás van egy collision domainben, megfelelő pont-pont összeköttetéssel, lehetőség van full duplex átvitelre is.
Ilyenkor teljesen felesleges a CSMA/CD protokoll használata, mert nincs osztott közeg, amihez szabályozni kellene a hozzáférést, hiszen csak két állomás van összekötve olyan módon, hogy a médiumon egyszerre mehet az átvitel mindkét irányban. Ebben az esetben az Ethernet MAC tehát sokkal egyszerűbb: szinte csak a keretezésbol áll.
Az DIX Ethernet keretek felépítése a következő:
| Hossz [byte]: | 6 | 6 | 2 | 0-1500 | 0-46 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tartalom: | DA | SA | Type | Data | Pad | FCS |
A keret a cél címmel (DA, Destination Address) kezdődik, amely lehet egy konkrét állomás unicast MAC címe, a broadcast cím, vagy valamilyen multicast cím. Ezt követi az adó állomás unicast MAC címe (SA, Source Address).
A 2 byte hosszú típus mező az adatrész típusát jelöli (pl. ARP, IP, IPX). Az első IEEE 802.3 szabvány ennek a mezőnek más jelentést adott: a keret hosszát jelölte vele. Később a szabványba belekerült a DIX specifikáció szerinti típus is. A kétértelműség elkerülése érdekében a definiált típus értékek 1535-nél (és így a maximális kerethossznál is) nagyobbak, ezáltal eldönthető, hogy a mező tartalma típus-e vagy hossz.
A keretet záró FCS (Frame CheckSum) mező egy 32 bites CRC értéket tartalmaz. A keretek adása elott 7 byte preamble-t (10101010 bitminta) és egy SFD (Start of Frame Delimiter) byte-ot (10101011 bitminta) küld az adó. A váltakozó 1 és 0 bitek a vevők órajelének szinkronizálására szolgálnak, míg az SFD a keret kezdetét jelöli ki.
A keretek adása között legalább 96 bit idejű szünet van (inter-frame gap), az Ethernet controllerek egyszerűbb implementálhatósága érdekében.
A minimális Ethernet keretméret 64 byte. Ha az adatrész 46 byte-nál rövidebb, akkor ezt az ellenőrző összeg elé beillesztett paddinggel kell kiegészíteni. (A fejléc harmadik mezőjének típusként való felhasználása esetén a 46 byte-nál rövidebb adatrészekről a vevő oldalon a magasabb szintű protokoll feladata leválasztani a paddinget, hiszen a MAC alrétegben nem áll rendelkezésre ehhez semmilyen információ.)
A minimális keretméret, a CSMA/CD protokoll, és a hálózatban adódó különböző késleltetések – ezáltal a hálózat fizikai kiterjedése – szoros összefüggésben állnak egymással. Az ütközést ugyanis az adó állomásnak a keret adása közben detektálnia kell, minimális méretű keret esetén is. Ez azt jelenti, hogy egy collision domain bármely két pontja között az elektromos (vagy optikai) jelek terjedési sebességéből és a hálózat egyéb elemein adódó késleltetésekből összeálló körülfordulási idő nem lehet nagyobb a minimális 512 bites keret adásának idejénél, ami 51.2 µs 10 Mbps sebesség mellett, 100 Mbps esetén pedig mindössze 5.12 µs.
A megengedett maximális keretméret először 1518 byte volt. Később, a 802.1q VLAN tagek bevezetésével ez 1522-re emelkedett.
Full duplex működési módban lehetőség van forgalomszabályozásra a pont-pont összeköttetésen. Az állomás jelezheti a szomszédjának, hogy egy megadott időre szüneteltesse az adást, ha nem tudja megfelelő sebességgel feldolgozni a vett kereteket. A jelzés MAC Control keretek küldésével történik. Ezek közönséges Ethernet keretek, speciális típus mezővel és cél multicast címmel. Ha egy DTE-hez ilyen pause keret érkezik, akkor azt nem továbbítja sem a felsőbb rétegek felé, sem más szegmensre, hanem a MAC Control réteg dolgozza fel.
A 10 és 100 Mbps sebességű csavart érpárt használó Ethernet fizikai rétegek tartalmazhatják az Auto-Negotiation funkciót. Ennek segítségével a kábel két végéhez csatlakozó berendezés automatikusan el tudja dönteni, hogy mekkora sebességgel és milyen duplexitással működjön. Mindkét berendezés a link detektálásához használt, adatforgalom hiányában adott NLP (Normal Link Pulse) sebességének többszörösével FLP (Fast Link Pulse) jeleket küld, ebbe kódolva adja meg saját képességeit. A két eszköz egy közös, előre meghatározott preferencia sorrend alapján választja ki a leghatékonyabb, mindkét oldal által támogatott működési módot.
Az Ethernet PHY-k, azaz fizikai rétegek neve három részből áll. A PHY megnevezése a Mbps-ban kifejezett adatsebességgel kezdődik. Utána a "Base" vagy a "Broad" szó jelzi az átvitel alap- vagy szélessávú mivoltát. Az ezt követő betűk és számok pedig a fizikai médium különféle tulajdonságaira vonatkozó jelentéssel bírnak.
A hétköznapi nevén "vastag Ethernet"-ként ismert 10Base5 és a "vékony Ethernet" néven elterjedt 10Base2 alapsávú átvitelt használ koaxiális kábelen.
A koaxiális kábel valóságosan osztott közeget biztosít, hiszen az arra kapcsolódó állomások által kibocsátott elektromos jelek egy közeget használnak és az összes többi állomáshoz eljutnak azon a közegen. A bitek Manchester kódolással kerülnek a koaxiális kábelre.
A koaxiális kábelhez közvetlenül MAU (Medium Attachment Unit) csatlakozik. Vékony Ethernet esetén a MAU általában rá van építve a hálózati csatolókártyára. Vastag Etherneten viszont a MAU mindig külön áll a hálózati csatolókártyától, hiszen a koaxiális kábel merev, ezért nagyon nehézkes lenne minden számítógéphez odavezetni. A csatolókártyán AUI (Attachment Unit Interface) van, ezt egy hajlékony kábel köti a MAU-hoz.
A maximális kábelhossz 10Base5 esetén 500 m, 10Base2 esetén pedig 185 m (majdnem 200, amire a megnevezés kettese utal). Ezek a korlátok a rendszer elektromos tulajdonságaiból adódnak. A collision domain mérete repeaterek használatával növelhető. A repeater bármelyik portján vett jelet az összes többi portján kiadja, újraformálva azokat. Ezáltal több kábelszegmens összekapcsolható, és működhet rajtuk együtt a CSMA/CD protokoll. Az így kialakított nagyobb collision domain méretét természetesen korlátozza (más használhatósági és üzemeltethetőségi korlátokon túl) a körülfordulási idő 512 bitnyi időben meghatározott maximuma.
Az IEEE 802.3 szabványba 1990-ben került bele a 10 Mbps adatsebességű, csavart érpárokat használó 10Base-T specifikációja.
Az eddigi busz topológiával szemben a 10Base-T hálózat csillag vagy pont-pont topológiájú. A csillag csúcsain az állomások, a közepén pedig egy aktív eszköz, a hub található – ami nem más, mint egy repeater. Az osztott közeget tulajdonképpen a hub valósítja meg ("bus-in-a-box").
Az átvitel 100 Ω-os Cat3-as minőségű kábel 2 érpárján Manchester kódolással történik. Az érpárokon a jelzés egyirányú – az egyik érpáron adás, a másikon vétel van. A maximális kábelhossz 100 m.
1993-ban került bele az IEEE szabványba az optikai szálakon működő 10Base-FL PHY (802.3j). A 10Base-FL multimódusú szálon, 2 km maximális kábelhosszt enged meg.
A Fast Ethernet szabvány (IEEE 802.3u) 1995-ben jelent meg.
A 100Base-X PHY-k sikeréhez nagyban hozzájárult az, hogy az FDDI fizikai réteg nagy részét vették át kisebb módosításokkal. Innen származik a 4B/5B kódolás, mely 4 adatbitből 5 bites kódszavakat képez, és ezeket adja le a médiumon. A lehetséges 32 kódszó között szerepelnek speciális vezérlő kódszavak is. Ilyen pl. a csomagok közötti szünetben továbbított, csupa 1-esből álló idle kódszó, valamint a keretek elejét és végét jelző kódszavak.
Mindkét 100Base-X PHY a 10Base-T-hez hasonlóan csillag vagy pont-pont topológiájú hálózatot ad meg. A 100Base-TX PHY Cat5 minőségű kábel 2 csavart érpárját használja. Az egyik páron ad, a másikon vesz. A megengedett maximális kábelhossz 100 m. A jelzési sebesség ugyan 125 Mbaud, viszont az alkalmazott 3 jelszintes MLT-3 (Multi Level Transition) kódolás miatt gyakorlatilag legfeljebb csak negyede ekkora frekvenciájú jelek kerülhetnek a kábelre, ami már bőven belül van a Cat5 által megengedett 100 MHz-en.
A 100Base-FX multimódusú optikai szálon működik. A maximális kábelhossz 412 m half-duplex módban, full-duplex módban pedig 2 km. Ebből jól látszik a full-duplex mód egyik nagy előnye: ilyenkor nincs CSMA/CD, tehát nincs 512 bitnyi maximális körülfordulási idő sem, azaz a szegmens maximális méretét csak a médium határozza meg.
A Fast Ethernet specifikáció definiál egy új interfészt: ez a Medium Independent Interface. Az MII a fizikai és az adatkapcsolati réteget köti össze, tehát nem az AUI 100 Mbps megfelelője, hiszen az AUI a fizikai rétegen belül, a PLS (Physical Signaling) és a PMA (Physical Medium Attachment) között helyezkedett el. Az MII adás és vétel irányban is egy-egy 4 bites adatbuszt és néhány jelző vonalat tartalmaz. Az összes 100 Mbps fizikai protokoll MII kompatibilis, így lehetővé vált olyan Fast Ethernet interfész készítése, amihez tetszőleges PHY csatlakoztatható. Az MII képes nem csak 100, hanem 10 Mbps sebességgel is működni.
Az IEEE 802.3 szabványban specifikált fizikai rétegek között számos olyan akad, amit gyakorlatilag sehol sem használnak.
Az 1Base5 2 pár "telefon-minőségű" sodort rézdróton 1 Mbps sebességű átvitelt tesz lehetővé. Az PHY nevében az 5 az egy hubbal elérhető maximális 500 méteres átmérőt jelenti, mivel maximális kábelhossz 250 m.
A 10 Mbps sebességű optikai PHY-k között szerepel a 10Base-FP, mely olyan csillag topológiájú optikai hálózatot specifikál, melynek középpontjában egy passzív optikai eszköz áll (FP: Fiber, Passive). A 10Base-FB (Backbone) repeaterek optikai összekötését teszi lehetővé, szinkron adatátvitellel.
A 10Broad36 szélessávú adatátvitelt használó fizikai protokoll, mely a kábeltelevíziózáshoz használatos 75 Ω-os koaxiális kábelen működik. Létezik egy- és kétkábeles változata. A hálózatban használható maximális gerinckábel-hossz 3600 m, azaz maximum 1800 m a headendtől.
Csavart érpárra két nem nagyon használatos 100 Mbps sebességu PHY is létezik. Mindkettő maximum 100 m hosszú, legalább Cat3 minőségű kábelt használ. A 100Base-T4 (802.3u) csak half duplex módban működhet, mivel két érpáron mindkét irányban továbbít adatokat. A másik két páron csak egy irányba megy a jel, így mindkét irányban 3 érpár áll rendelkezésre adásra, és eközben 1 érpár mindig megmarad vételre, pontosabban az ütközés detektálására. Érpáronként a 33.3 Mbps adatsebesség eléréséhez a 8B6T kódolás szükséges, mely 8 bitből 6 ternáris szimbólumot képez, ami már csak 25 Mbaud (6/8*33.3) jelzési sebességet ad érpáronként. Ráadásul a 6 ternáris érték 729 kombinációja lehetővé teszi, hogy úgy válasszunk ki közülük 256-ot, hogy a maximális frekvencia 12.5 MHz legyen, ez pedig már belül van a Cat3 által megengedett 16 MHz-en.
Az 1997-ben szabványosított 100Base-T2 (802.3y) a 100Base-TX-hez hasonlóan csak 2 érpárt használ. Viszont mindkét páron egyszerre ad és vesz, valamint 5 jelszintet használ, PAM5x5 kódolással.
A Fast Ethernet után ismét egy nagyságrendes ugrás következett az adatsebességben: 1 Gbps. Az IEEE 802.3 szabvány két lépésben egészült ki a Gigabit Ethernet specifikációjával. A 1000Base-X (802.3z) 1998-ban került bele, míg a 1000Base-T (802.3ab) csak 1999-ben. Érdekes, hogy a szabvány ezen részébe is számos olyan dolog került, amit gyakorlatilag sehol nem használnak.
A Gigabit Ethernet specifikációjában még megvan a CSMA/CD protokoll a half duplex működéshez – rögtön egy példa arra, amit szinte senki sem használ. A nagyobb adatsebesség miatt bizonyos dolgokat meg kellett változtatni a CSMA/CD protokollban. Természetesen nem magával a CSMA/CD-vel van probléma 1 Gbps sebesség mellett, hanem az időzítések és jelterjedési sebességek megváltozott arányával. Ez már korábban, a 100Base-FX esetén is kisebb problémát jelentett, hiszen ott hasonló okokból mindössze 412 m a maximális kábelhossz half duplex módban.
Az Ethernetnél és Fast Ethernetnél használatos 512 bites minimális keretméret a Gigabit Ethernet esetén mindössze 512 ns maximális körülfordulási időt eredményezne. Ez UTP kábelen 2/3 fénysebességgel számolva 51 méteres, optikai szálon fénysebesség mellett pedig mintegy 72 méteres maximális collision domain átmérőt adna – és akkor még nem vettük figyelembe az egyéb késleltetéseket, amelyek magukban az állomásokban valamint a repeateren keletkeznek.
A problémára az a megoldás született, hogy a 4096 bitnél rövidebb kereteket ki kell egészítenie az adó állomásnak 4096 bit hosszúságúra. Így már használható méretű Gigabit Ethernet hálózatokat lehet építeni. A minimálisnál eredetileg kisebb keretek kiegészítése másképp történik, mint a kisebb sebességű Etherneteknél. Mivel a minimális keretméret továbbra is 512 bit maradt, nem a kereteket kell növelni, tehát nem a FCS elé kerül be padding, hanem a keretek vége, azaz a FCS után kell leadni speciális, az adatbitektől megkülönböztethető jelet.
A megnövelt minimális keretméret komoly hatékonyság romlást okozna az Internet tipikus összetételű forgalmának átvitelében, mivel a sok kicsi, mindössze néhányszor 10 byte hosszú csomagot keretezés után 4096 bitre, azaz 512 byte hosszúságura kellene kiegészíteni. Ez a half duplex Gigabit Ethernet kb. 400 Mbps effektív sávszélességét szélsőséges esetben akár 50 Mbps-ra is csökkenthetné.
Ezért a Gigabit Ethernet MAC protokoll megengedi, hogy egy állomás egymás után folyamatosan több keretet is küldjön, maximálisan 64 kbit együttes méretig. Az együtt leadott keretek között a 96 bit idejű szünetet változatlanul meg kell tartani.
A Fast Ethernetnél megismert MII megfelelője Gigabit Ethernetnél a GMII (Gigabit Medium Independent Interface). A GMII csak 1 Gbps sebességgel muködik, nem úgy, mint a 100 és 10 Mbps-on egyaránt működni képes MII. Az adatok adása és vétele egy-egy 8 bites buszon történik, 125 Mbaud jelzési sebességgel.
Az 1000Base-X együttesen jelent 3 különböző Gigabit Ethernet PHY-t: az optikai 1000Base-SX-et és 1000Base-LX-et, valamint a rövid csavart érpáron működő 1000Base-CX-et. A 1000Base-X alapja a Fibre Channel fizikai réteg (ANSI X3.230-1994). Innen származik a 8B/10B kódolás, valamint az optikai és elektromos paramétereknek is ez az alapja.
A 8B/10B kódolás biztosítja, hogy a jelfolyamban megfelelő számú szintváltás legyen (10 bites kódszavanként legalább 3), ezáltal lehetővé teszi a helyes órajel szinkron előállítását. Szintén növeli az átvitel során keletkezett bithibák detektálhatóságát. A névleges jelzési sebesség a 8B/10B kódolás eredményeképp 1250 Mbaud.
A 10 bites kódszavak között a 8 bites kódszavak megfelelőin kívül van még néhány érvényes, jelzésre használt kódszó. Ezeket a speciális kódszavakat használja az 1000Base-X PHY a 100Base-X-hez hasonlóan pl. a keretek elejének és végének megjelölésére, és a keretek közti szünetek kitöltésére. Szintén ilyen a speciális szimbólumok használatosak a carrier extensionnél a keretek megtoldására, valamint frame bursting esetén az összetartozó keretek jelzésére is.
A 1000Base-X Auto-Negotiation protokoll nagyon hasonlít a 10/100 Mbps csavart érpáros Auto-Negotiationre. Az információk közlésének formája és a döntési folyamat szinte azonos azzal.
Az egyik lényeges különbség az, hogy itt az átvitt információk nem FLP-kben jutnak el a vonal túlsó végére, hanem a 8B/10B kódolásból adódó speciális kódszavakban. Így ez a funkció nem a PHY legalsó, külön erre a célra szolgáló opcionális rétegébe kerül, hanem a 8B/10B kódolásért is felelős PCS (Physical Coding Sublayer) feladata.
A másik lényeges eltérés értelemszerűen adódik a 1000Base-X tulajdonságaiból. Itt az adatsebesség mindig 1 Gbps, tehát ezt nem kell egyeztetni, csak a duplexitást. A preferált működési mód természetesen a full duplex.
Ezen kívül megbeszéli a két állomás azt is, hogy használnak-e flow controlt. Mindkét állomás közli a másikkal, hogy szándékozik-e pause kereteket küldeni, illetve, hogy támogatja-e az asszimetrikus flow controlt (amikor a két állomás közül csak az egyik küld pause kereteket). Ebből a két paraméterből meghatározható, hogy melyik irányban fognak flow controlt használni. A preferált választás természetesen itt is a flow control használata.
A 1000Base-SX elnevezésben az S a rövid hullámhosszra (short wavelength) utal: ez a PHY 770-860 nm hullámhosszú lézert használ multimódusú szálon. Az optikai szál minőségétől, pontosabban a mag átmérőjétől és modális sávszélességétől függően 220-550 métert képes áthidalni.
A 1000Base-LX (long-wavelength) PHY 1270-1355 nm hullámhosszú lézert használ. Multimódusú szálon 550 m, monomódusú szálon pedig 5 km a megengedett maximális kábelhossz.
Néhány gyártó ezeken kívül nem szabványos, több 10 km távolságot áthidalni képes lézereket is használ. Ezáltal a Gigabit Ethernet már nem csak LAN technológia, hanem MAN (Metropolitan Area Network) környezetben is kiválóan alkalmazható.
A 1000Base-CX (copper) PHY 2 árnyékolt 150 Ω-os csavart érpárt használ. A maximális kábelhossz 25 m. Ez a megoldás közös helységben található eszközök összekötésére alkalmas.
A 1000Base-T 100 Ω-os Cat5 minőségű csavart érpárokon működik, és a megengedett kábelhossz is azonos a 100Base-TX maximumával, azaz 100 m. Ekkora sebességnövekedés eléréséhez gyakorlatilag azonos médiumon számos új technológiát kellett alkalmazni.
Az első triviális lépés az összes érpár használata, ami rögtön kétszeres sebességet eredményez. Hibrid áramkörök alkalmazásával minden érpáron egyszerre két irányba mehet a forgalom. Így egy érpáron egy irányban 250 Mbps adatsebességet kell elérni.
A MAC-től a GMII 8 bites adatokat továbbít 125 Mbaud sebességgel. A PHY 8 bitből a 4D-PAM5 modulációval minden érpárra egy-egy 5 szintű jelet képez. Ez a kódtér bővülés lehetővé teszi egy 4 dimenziós 8 állapotú konvolúciós kódoló és a megfelelő hibajavító Viterbi dekóder használatát, ami az átvitel során keletkező zajok és áthallás (crosstalk) hatásait segít csökkenteni. A 625 lehetséges kódszó között elférnek azok a speciális kódszavak is, amelyek a 8B/10B kódoláshoz hasonlóan pl. a szünetet jelzik. Az 5 jelszint másik fontos következménye, hogy a jelzési sebesség a bináris modulációhoz képest a felére, azaz 250-ről 125 Mbaudra csökkenthető.
A négy érpár, a hibrid áramkörök és a több szintű jelzés használata mellett természetesen sokkal jobb jel/zaj viszonyra van szükség. Ennek elérése érdekében a kábelekre előírt megfelelő paraméterek mellett különböző DSP technológiákat kell alkalmazni. A modemekhez hasonlóan itt is tesztelik a berendezések a kettőjük közötti összeköttetést, és a mért aktuális paramétereknek megfelelően formálják a leadott jeleket úgy, hogy az a várható zavarok mellett a kábel túlsó végén a lehető legjobb minőségű vételt eredményezze. Ezen kívül a DSP-k kiszámítják a különböző komponensek által okozott áthallásokat, és ezt számításba véve értelmezik a vett jeleket.
A 1000Base-T specifikáció megad egy opcionális módszert az automatikus MDI/MDI-X választásra. Ezáltal szükségtelenné válik a cross-over patch kábelek használata, hiszen a PHY maga el tudja dönteni, hogy milyen lábkiosztást kell használnia.
A 1000Base-T összeköttetések kialakításában fontos szerepet tölt be az Auto-Negotiation is. A protokoll azonos a 10/100 Mbps Ethernet Auto-Negotiation protokolljával.
A sebesség és duplexitás egyeztetésén túl a két eszköznek meg kell állapodnia abban is, hogy melyikük a master és melyik a slave. Minden 1000Base-T eszköz képes master és slave funkciót is ellátni. A master/slave funkció kiválasztásánál a legerősebb szempont a kézi beállítás. Ennek hiányában a több portos (pl. hub, switch) berendezéseknek prioritása van az egy portosakhoz (pl. hálózati csatolókártya) képest, illetve ha ez is megegyezik, akkor véletlenszerűen dől el, hogy melyik lesz a master és melyik a slave.
Ez a két funkció a PHY több működési paraméterét is meghatározza. Pl. a master a saját belső órajelét használja az adott és vett jelek időzítésére, míg a slave a vett jelfolyamból állítja elő az órajelet.
A 1000Base-T működéséhez a Cat5 minőségű kábelezés általában megfelelő. Az ANSI/TIA/EIA-568A Cat5 specifikáció ugyan nem tartalmaz megfelelő küszöbértékeket az impedancia illesztések pontatlanságából adódó visszaverődések miatti veszteség (return loss) és az ELFEXT (Equal Level Far-End Crosstalk) maximális mértékére, de a már installált 100Base-TX fizikai protokollal használt Cat5 kábelek nagy része megfelel ezeknek az elvárásoknak is. Ezeket a paramétereket a Cat5e specifikáció tartalmazza.
2002. nyarára várható, hogy megjelenik az IEEE 802.3ae szabvány, mely a 10 Gigabit Ethernetet írja le. Annak ellenére, hogy a szabvány még nem készült el, már két gyártó (a Cisco Systems és az Extreme Networks) is piacra dobott 10 Gigabit Ethernet termékeket.
Az Ethernet 10 Gbps sebességű változatában kizárólag optikai PHY-k szerepelnek. Csak full duplex működési mód van specifikálva, hiszen a CSMA/CD protokoll használatához ilyen sebességek mellett újabb, felettébb kényelmetlen módosításokra lett volna szükség, ráadásul már a Gigabit Ethernetnél is bebizonyosodott, hogy ezek teljesen felesleges munkák.
Az adatkapcsolati és a fizikai réteget összekötő interfészek sorát (MII, GMII) az XGMII (10 Gigabit Medium Independent Interface) folytatja. Az XGMII mindkét irányban 32 bit széles adatbuszt és néhány bit jelzés csatornát használ. Régi névvel, de új funkcióval bír a XAUI, mely az XGMII kiterjesztésére, meghosszabbítására szolgál. A XAUI négy bites buszokon egyenként 2.5 Gbps sebességgel viszi át az adatokat az XGMII két távoli (max. 50 cm) vége között. A XAUI átviteli módja tulajdonképpen a jól bevált 1000Base-X módosított változata.
A Gigabit Ethernetnél már jól ismert GBIC modulok megfelelője, az XGP (10 Gigabit Pluggable) várhatóan szabványos lesz.
A 10 Gigabit Ethernet PHY-k két csoportba sorolhatók. A LAN PHY 10 Gbps sebességű Ethernet adatfolyamot továbbít, soros vagy WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing) átvitellel. A soros átvitel történhet sötét szálon, vagy sötét lambdán valamilyen WDM rendszerben. A WWDM átvitel azt jelenti, hogy maga az Ethernet PHY több hullámhosszon ad jeleket az optikai szálon, értelemszerűen kisebb jelzési sebességgel. A 4 lambdás WWDM átvitel esetén a Gigabit Ethernetnél megismert 8B/10B kódolás működik minden egyes hullámhosszon, ezáltal a jelzési sebesség 3.125 Gbaud. Soros átvitelnél egy új kódolást, a 64B/66B-t alkalmazzák, ami 10.3125 Gbaud jelzési sebességet eredményez.
A WAN PHY soros átvitelt használ, 64B/66B kódolással, és egy leegyszerűsített SDH/SONET keretezéssel. A vonali sebesség ilyenkor 9.95328 Gbps, az Ethernet adatsebesség pedig 9.58464 Gbps, ami pontosan az OC-192c/VC-4-64c vonali illetve payload sebességeknek felel meg. A WAN PHY tehát lehetővé teszi 10 Gigabit Ethernet forgalom továbbítását a már meglévő SDH vagy SONET hálózaton.
A PHY-k nevének végén az S a 850, az L a 1310, az E pedig a 1550 nm hullámhosszú lézert jelenti. A másik betű soros LAN PHY esetén R, WWDM LAN PHY-nél X, soros WAN PHY esetén pedig W.
A tervezett PHY-k a következők:
| PHY | optikai szál | max. hossz |
|---|---|---|
| 10GBase-SR | MM | 65 m |
| 10GBase-SW | MM | 65 m |
| 10GBase-LX4 | MM SM | 300 m 10 km |
| 10GBase-LR | SM | 10 km |
| 10GBase-LW | SM | 10 km |
| 10GBase-ER | SM | 40 km |
| 10GBase-EW | SM | 40 km |
A maximális 40 kilométeres kábelhosszal, valamint az SDH keretezéssel a 10 Gigabit Ethernet már nem csak LAN és MAN, hanem WAN környezetben is használható. Valószínű, hogy később az optika fejlődésével bele fognak kerülni a szabványba olyan (a mostani megnevezés szerinti) LAN PHY-k, amelyek sokkal nagyobb távolságok áthidalására lesznek képesek.