Последовательность проводов витой пары

Определив каждую отдельную часть, мы можем теперь взглянуть на две важные спецификации для Fast Ethernet (мы рассмотрим две спецификации для Gigabit Ethernet позже в этой статье):

100BASE-T4

100BASE-T4 использует все четыре пары в пучке (все восемь проводов). Одна пара используется исключительно для передачи сигналов (TX). Одна пара используется исключительно для приема сигналов (RX). Оставшиеся две пары можно использовать либо для RX, либо для TX, и обе стороны провода должны договориться, какая из оставшихся пар для чего используется.

T4 — это одна из ранних спецификаций для витой пары, которая не нашла широкого применения в современном мире из-за ненужной сложности конструкции и очень небольшого выигрыша по сравнению с итерацией 100BASE-TX, описанной далее.

100BASE-TX

100BASE-TX использует только две пары, одна предназначена для TX, а другая — для RX. Две другие пары на проводе не используются. Вы вполне можете построить провод 100BASE-TX, в котором только 4 из 8 проводов находятся в правильных положениях контактов (1, 2, 3, 6), но часто остальные четыре провода все еще включены в основном в качестве заполнителей для оставшихся. контактов, а также для будущей совместимости.

100BASE-TX (со всеми восемью проводами) — это широко используемая сегодня спецификация Fast Ethernet. Тем не менее, его часто (лениво) называют просто T. Опять же, T предназначен для обозначения категории вариантов витой пары, а TX — это особый стандарт, который требует использования пар в положениях контактов 1 и 2 и 3 и 6.

Смысл определения каждого вышеприведенного термина, независимого от других, состоит в том, чтобы дать каждому читателю практическое и техническое понимание того, что означает каждый термин. На практике, несмотря на знание истинного значения терминов, часто гораздо проще просто использовать общепринятый термин, даже если он может быть несколько неправильным — небольшая неточность иногда может спасти от длинного объяснения.

Почему кроссовер

В Интернете есть много руководств, описывающих , когда вам нужно использовать перекрестный провод вместо прямого. Но очень немногие источники действительно объясняют, почему это важно или как именно это работает. В этом разделе мы рассмотрим эти концепции более подробно.

Спецификации 100BASE-TX и 10BASE-T требуют, чтобы 8 проводов в кабеле с витой парой были сгруппированы в четыре пары.

Из четырех пар фактически будут использоваться только две: пара 2 и пара 3. Каждый отдельный провод в паре является симплексной средой, что означает, что сигнал может когда-либо пересекать любой один провод только в одном направлении.

Для обеспечения полнодуплексной связи некоторые провода постоянно выделяются для связи в одном направлении, а другие провода постоянно выделяются для связи в противоположном направлении.

Конфигурация платы сетевого интерфейса (NIC) определяет, какая пара используется для передачи, а какая — для приема.

Сетевая карта, которая передает (TX) сигналы по паре 2 (контакты 1 и 2) и принимает (RX) сигналы по паре 3 (контакты 3 и 6), называется сетевой платой, зависящей от среды ( MDI ). В то время как сетевая карта, которая делает обратное (TX на паре 3 и RX на паре 2), называется перекрестным интерфейсом, зависящим от среды ( MDI-X ).

ПК к ПК

ПК использует сетевую карту MDI, что означает, что ПК всегда передают по паре 2, а получают по паре 3. Но если два ПК, подключенных напрямую друг к другу, пытаются передавать по паре 2, это приведет к конфликту их сигналы. И что еще хуже, ни один ПК ничего не получит по паре 3.

В результате пары выводов должны быть перекрещены на проводе, чтобы то, что отправляется с одного ПК по паре 2, приходило на другой ПК по паре 3. , и наоборот.

Вот упрощенная иллюстрация (цвета ниже не имеют значения, они просто обозначают два разных пути для двух разных направлений связи):

Обратите внимание, что оба ПК могут передавать сигналы по выделенному каналу, и из-за пересечения пар в проводе (обозначенного гигантским X) оба ПК могут получать то, что другой передает по выделенному каналу.

Таким образом, для подключения ПК к другому ПК напрямую требуется перекрестный кабель .

ПК для переключения на ПК

Коммутатор — это устройство, предназначенное для облегчения связи между двумя ПК в одной сети. С этой целью сетевой адаптер коммутатора использует спецификацию MDI-X, что означает, что коммутатор всегда передает по паре 3 и получает по паре 2 (полная противоположность сетевого адаптера MDI на ПК).

Это приводит к тому, что коммутатор имеет встроенную функцию кроссовера . Проводу не нужно пересекать пары, потому что об этом позаботится коммутатор:

Как видите, ПК, подключенный к коммутатору, может просто использовать прямой кабель , и коммутатор разобраться со скрещиванием пар. Сквозной путь остается неизменным: каждое устройство передает через свои порты TX и получает через свои порты RX.

ПК для переключения на ПК

Ранее мы обсуждали, что для двух ПК, подключенных напрямую друг к другу, требуется перекрестный провод, поскольку они оба используют одни и те же пары проводов для TX и RX. Точно так же два коммутатора, подключенных друг к другу, также используют одинаковые пары проводов для RX и TX.

В результате мы должны учесть это, введя еще один кроссовер между коммутаторами:

Из диаграммы выше мы видим, что коммутатор, подключенный к другому коммутатору, требует перекрестного кабеля .

Таким образом сквозной путь остается согласованным. Компьютеры передают и принимают данные по ожидаемым парам проводов. И каждое направление и шаг на пути всегда идет от пары TX к паре RX.

Маршрутизаторы и концентраторы

А как насчет маршрутизаторов и концентраторов? Какой тип сетевой карты они используют?

Оказывается, маршрутизатор, как и ПК, использует спецификацию MDI — TX на паре 2 и RX на паре 3. Таким образом, вы можете заменить любое изображение ПК на любой из иллюстраций выше на маршрутизатор, и может легко определить, какие соединения потребуют прямого кабеля, а какие — перекрестного.

Кроме того, порты концентратора используют спецификацию MDI-X — TX на паре 3 и RX на паре 2. Вы можете заменить любое изображение коммутатора выше на концентратор, а также легко определить, какие кабели требуются.

Схема подключения кабеля Ethernet

Напомним, что в спецификации RJ45 есть два стандарта цветов: T568a и T568b. Стандарт, используемый с обеих сторон витой пары, определяет, является ли кабель прямым или перекрестным.

Чтобы сделать прямой кабель, просто закажите провода с обеих сторон кабеля в соответствии со спецификацией one (либо оба T568a, либо оба T568b):

Чтобы сделать перекрестный кабель, просто используйте один стандарт на одном стороне, а другой стандарт на противоположной стороне:

Обратите внимание, что пара проводов 1 и пара 4 не используются (синий и коричневый провода). Теоретически вы можете вообще не включать провода в кабель, но это затруднит сохранение оставшихся проводов в правильном порядке.

Кроме того, поскольку они не используются, их не нужно пересекать в перекрестном кабеле. Однако спецификация Gigabit требует использования всех 8 проводов, и часто все пары пересекаются для согласованности. Мы обсудим Gigabit Ethernet позже в этой статье.

И, наконец, помните, что сигналу все равно, какого цвета провод. Пока правильные контакты соединены друг с другом, связь будет работать. Вы можете использовать все зеленые провода, и пока контакты 1 и 2 подключены к контактам 3 и 6 на другой стороне (и наоборот), у вас будет полностью функционирующий перекрестный провод. Но то, что он работает, не означает, что это хорошая идея — такой кабель будет кошмаром в обслуживании.

Таблица для легкого запоминания

Мы можем объединить все, что мы узнали выше о перекрестных и прямых проводах, в простую таблицу:

Преимущество того, как отображается приведенный выше график, заключается в том, что его очень легко рисовать. . Просто нарисуйте L2/L1 слева и справа, а L3+ сверху и снизу и соедините все друг с другом. Линии, которые пересекают друг с другом, требуют пересечения по кабелю при подключении устройств, которые работают на этих уровнях модели OSI. Линии, соединяющие прямой друг к другу требуется прямой сквозной кабель.

Вкратце:

Для устройства L1 или L2 , подключенного к другому устройству L1 или L2 , требуется перекрестный кабель .
Для устройства L1 или L2 , подключенного к устройству L3+ , требуется прямой кабель .
Устройство L3+ , подключенное к другому устройству L3+ , требует перекрестный кабель .

Или еще проще:

Для устройств, подобных , требуется перекрестный кабель .
В отличие от устройств требуется прямой кабель .

Auto MDI-X

Несмотря на простоту понимания, когда использовать прямой кабель вместо перекрестного (конечно, после того, как это было должным образом объяснено), тот факт, что выбор вообще существует, вызвал всевозможные сомнения. время простоя и головная боль для сетевых инженеров по всей отрасли.

В результате была создана функция, позволяющая двум устройствам динамически определять и при необходимости переключать свои пары проводов TX и RX. Эта функция известна как Automatic MDI-X или Auto MDI-X.

Auto MDI-X позволяет использовать прямой кабель для каждого соединения и позволяет двум конечным точкам динамически определять, нужно ли им поменять местами пары TX и RX .

Auto MDI-X — это дополнительная функция для реализации 100BASE-T и обязательная функция для всех устройств Gigabit Ethernet.

Как работает Auto MDI-X?

Но как работает Auto MDI-X? Как две стороны определяют, какие пары проводов следует использовать для TX, а какие для RX? Какая из двух сторон должна переключать пары TX и RX, если это необходимо? В этом разделе мы рассмотрим внутреннюю работу Auto MDI-X.

Помните, что целью перекрестного кабеля является обеспечение соединения контактов TX одной стороны с контактами RX другой стороны. Для успешной связи по кабелю провод TX не может быть подключен к другому проводу TX. По существу, одна сетевая карта должна использовать спецификацию MDI, а противоположная сетевая карта должна использовать спецификацию MDI-X. Вот как Auto MDI-X достигает этого:

Обе стороны начинают с генерации случайного числа в диапазоне от 1 до 2047. Если случайное число нечетное, эта сторона настраивает свою сетевую карту на стандарт MDI-X. Если случайное число четное, эта сторона настраивает свою сетевую карту на стандарт MDI. Затем обе стороны начинают отправлять импульсы связи через выбранные ими пары проводов TX.

Если обе стороны успешно получают импульсы связи друг друга по своим проводам RX, то обе стороны больше ничего не делают, поскольку они успешно передают по своим парам проводов TX и принимают по своим парам проводов RX.

Если обе стороны не получают импульсы связи друг друга, значит, они оба выбрали нечетное число или оба выбрали четное число. Следовательно, одна из сторон должна переключить свои пары проводов TX и RX на другую спецификацию (MDI против MDI-X).

Но стороны не могут обе переключиться на противоположную спецификацию, потому что тогда их провода TX и RX все равно не будут смещены. Вместо этого была разработана система, которая случайным образом переключает пары через случайные промежутки времени, пока они не совпадут правильно.

Это случайно сгенерированное ранее число (1-2047) циклически повторяется, чтобы стороны могли выбрать новую спецификацию (MDI против MDI-x). Но это число нельзя просто увеличить на единицу, потому что тогда обе стороны перешли бы от нечетного к четному или от четного к нечетному. Другими словами, если обе стороны изначально выбрали MDI, они затем оба переключатся на MDI-X, что по-прежнему приведет к подключению пары проводов TX к паре проводов TX.

Вместо этого это число циклически повторяется через регистр сдвига с линейной обратной связью.

Сдвиговый регистр с линейной обратной связью (LFSR) — это алгоритм, который перебирает каждую комбинацию чисел в определенном диапазоне без повторения числа до тех пор, пока не будет достигнуто каждое число. Числа циклически перебираются в предсказуемом, но случайном порядке (то есть не последовательно, а в постоянном порядке).

Например, если две стороны выбрали начальное значение 1000 и 2000, будет ли их следующее число в последовательности LFSR четным или нечетным, будет совершенно случайным. Однако, если обе стороны случайным образом выбрали одинаковое начальное значение , каждый из них будет иметь идентичных последовательностей через LFSR.

Этот цикл происходит каждые 62 миллисекунды со случайным отклонением +/- 2 мс. Если одна из сторон переключает свою пару проводов через 60 мс, а другая сторона планировала переключить через 64 ​​мс, будет 4 мс, когда пары TX и RX идеально выровнены, что останавливает дальнейший цикл и завершает процесс AutoMDI-X.

Этот процесс продолжается столько раз, сколько необходимо, пока два одноранговых узла не выровняют свои пары проводов TX и RX.

Но возникает вопрос, каковы шансы того, что обе пары выберут одно и то же число и одинаковые интервалы каждый раз, когда они циклируют свое число. Мы можем определить это с помощью небольшой математики.

Вероятность выбора одного и того же начального значения равна 1 к 2047. Вероятность выбора одного и того же интервала дисперсии составляет 1 к 4. Это означает, что обе стороны дважды переключат свои спецификации MDI/MDI-X в одно и то же время. подряд — это 1 из 8188.

Цикл происходит каждые ~62 мс, что означает, что в полной секунде есть 16 возможных интервалов. Вероятность того, что обе стороны будут иметь одинаковое время цикла в течение всей секунды, составляет 1 к 4,29.4 967 296 (4,2 миллиарда). Вероятность того, что это произойдет, если обе стороны начнут с одного и того же случайного числа, составляет 1 к 8 791 798 054 912 (8,7 триллиона). Довольно хорошие шансы, учитывая, что в худшем случае это будет стоить вам всего лишь дополнительной секунды ожидания появления ссылки.

Почему витая пара?

Часто просто принимают как факт тот факт, что в большинстве сетей для физических подключений используется витая пара. Но почему? Что в витой паре сделало ее преобладающим методом прокладки кабелей в компьютерных сетях?

Существуют две основные причины, и обе связаны с E lectro m magnetic I помехами ( EMI ): Первая причина заключается в том, что использование пары проводов значительно снижает исходящие электромагнитные излучения . Вторая причина заключается в том, что скручивание вокруг друг друга значительно снижает входящие или индуцированные электромагнитные помехи.

Обе эти характеристики очень желательны, когда провод часто тесно связан с другими проводами на больших расстояниях (например, центры обработки данных или коммутационные шкафы).

Уменьшение электромагнитных помех

Фактом жизни является то, что любой сигнал или электрический ток, проходящий по проводу, излучает некоторую степень электромагнитных помех, которые могут влиять на соседние провода — также известные как перекрестные помехи. Это излучение электромагнитных помех можно компенсировать с помощью дополнительного экранирования, но Александр Грэм Белл разработал хитрый метод, чтобы свести на нет эффекты перекрестных помех.

Его стратегия заключалась в том, чтобы использовать два отдельных провода — один из них отправляет исходный сигнал , а другой отправляет точные инверсия сигнала. Это приводит к тому, что оба провода излучают электромагнитные помехи, противоположные друг другу, тем самым сводя на нет их эффект.

Проще говоря, если один провод передает +10 В электрического напряжения и пропускает +0,01 В электромагнитных помех, то другой провод передает -10 В электрического напряжения и, следовательно, пропускает -0,01 В электромагнитных помех. Их совокупные выбросы компенсируют друг друга.

В мире электротехники это называется сбалансированной парой и представлено витой парой с проводами TX+ и TX-.

Это позволяет использовать схемы проводки, не требующие значительных инвестиций в экранирование, и является одной из причин широкого использования кабелей с неэкранированной витой парой (UTP) в мире сетей. Однако, пока мы только ответили, почему мы используем пару проводов, далее мы рассмотрим, почему они скручены .

Отрицание поглощаемых электромагнитных помех

Несмотря на стратегии, подобные описанной выше сбалансированной паре, невозможно избежать всех источников электромагнитных помех (ЭМП). Блуждающие радиочастоты, беспроводной Интернет, Bluetooth, спутники-шпионы и сотовые телефоны — все это способствует возникновению паразитных электромагнитных помех.

Но Александр Грэм Белл снова помог нам и разработал гениально простой, но эффективный метод нейтрализации окружающих электромагнитных помех.

Основная концепция использует преимущества электромагнитных помех, которые тем сильнее, чем ближе вы находитесь к источнику. Если два провода по очереди оказываются ближе всего к источнику электромагнитных помех, каждый из них будет поглощать одинаковое количество помех. Взгляните на эту упрощенную диаграмму:

Синий провод начинается с +50 В, а зеленый провод начинается с обратного, -50 В. Источником электромагнитных помех является красный кружок, и каждая волна, окружающая источник электромагнитных помех, воздействует на провода все меньше и меньше. Если вы добавите электромагнитные помехи только к каждой серой точке (вверху и внизу каждого витка), оба провода получат помехи +22 В.

Несмотря на то, что конечное напряжение, полученное на правой стороне провода, отличается, обратите внимание, что разница в напряжении соответствует по всей витой паре проводов: она всегда отличается на 100 В. ЭМП воздействовали на оба провода одинаково . Вы можете легко вычислить разницу конечных значений (100 В) и отобразить ее в числовой строке, чтобы определить, что начальные напряжения были +50 В и -50 В: для того, чтобы передать концепцию. Типичное электромагнитное излучение влияет на сигнализацию только в диапазоне микровольт (мкВ), что составляет 1 000 000 вольта (В). Но концепции по-прежнему остаются верными: поскольку исходный и инверсный сигналы отправляются, чистое исходящее излучение компенсируется, а из-за скручивания оба провода в равной степени подвержены одинаковому количеству помех.

Отправка битов

Если вы помните, данные передаются по кабелю в цифровом сигнале, то есть в виде потока 1 и 0. Но как именно витая пара используется для передачи фактических данных по проводу? Мы будем использовать некоторое упрощение, чтобы описать основную предпосылку.

Отправка сигнала по проводу — это не что иное, как подача напряжения на провод в течение определенного периода времени. Обе стороны согласуют тактовую частоту, также известную как частота, которая определяет, как долго должен применяться каждый «экземпляр» напряжения. Для целей этого упрощенного примера мы будем называть это позиция . В любой момент времени каждая позиция может означать только 1 или 0, передаваемые по сети.

Разные стандарты требуют разных уровней напряжения, и для целей этого упрощенного описания истинное напряжение на самом деле не имеет значения. Но мы продолжим описывать его, используя 100BASE-TX, который предписывает диапазон напряжения от +2,5 В до -2,5 В.

Чтобы отправить 1 в данной позиции , передатчик пошлет +2,5 В по проводу TX+. Чтобы отправить 0, передатчик пошлет -2,5 В по проводу TX+.

Провод TX- всегда будет выполнять обратное действие: -2,5 В для отправки 1 и +2,5 В для отправки 0.

Обратите внимание, что на приведенном выше графике не показана физическая схема провода (иначе говоря, это не скручивание пар проводов). Он просто представляет переменные +2,5 и -2,5 вольта, передаваемые по проводам TX+ и TX-. Скрутки в витой паре являются (или должны быть) равномерными по всей длине провода. Как мы указывали ранее, вы можете видеть, что провода всегда посылают точное обратное напряжение друг другу, и все аккуратно и горизонтально симметрично.

По проводу вносятся помехи от различных источников электромагнитных помех. Мы применим различное количество шума в каждой позиции нашего битового потока и посмотрим, что получено на другом конце:

Обратите внимание, что график уже не такой аккуратный и симметричный. Провода по-прежнему посылают инверсию друг другу, но смещаются на постоянное значение. Наши красивые и аккуратные значения +2,5 В и -2,5 В исчезли.

НО, приемник не ищет именно +2,5В или -2,5В. Вместо этого он просто ищет какой провод послал более высокое напряжение . Если провод TX+ посылал напряжение найма, то сигнал для этой позиции должен был быть 1, а если провод TX- посылал более высокое напряжение, то сигнал для этой позиции должен был быть 0.

Или, говоря это просто, на графике выше, если синяя линия находится сверху, переданный бит в этой позиции равен 1. А если оранжевая линия находится сверху, то переданный бит равен 0.

Обратите также внимание, что хотя значения были затронуты EMI, они оба были затронуты тождественно – оба выросли или оба упали на одинаковую величину. В любое время на графике приема значения провода TX+ и провода TX- всегда отличаются друг от друга на 5 В, как и на графике отправки. Как мы обсуждали ранее, это связано с физическим скручиванием проводов TX+ и TX-.

Таким образом, принимающая сторона может собирать сигнал по одному биту за раз, несмотря на то, что электромагнитные помехи могли повлиять на то, что было отправлено изначально. Как видите, UTP не застрахован от шума, но у него есть функциональность, позволяющая нейтрализовать влияние шума.

Gigabit Ethernet

Мы подробно обсудили Fast Ethernet (100 Мбит/с). Теперь мы переходим к обсуждению Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с или 1 Гбит/с).

Первое существенное отличие заключается в том, что гигабитные стандарты требуют использования всех четырех пар (всех восьми проводов), в отличие от Fast Ethernet, в котором используются только две пары проводов. В результате в Gigabit Ethernet все четыре пары должны быть перекрещены при построении перекрестного кабеля.

Если вы помните, стандарт RJ45 предлагает две спецификации проводки: T-568a и T-568b. Ниже приведены изображения, которые показывают, как выглядит каждая из них, когда все четыре пары пересекаются:

Тем не менее, Gigabit Ethernet требует Auto MDI-X. В результате вы можете просто везде использовать прямые кабели и позволить сетевым адаптерам определять, нужно ли им имитировать пересечение пар проводов.

В стандарте Gigabit Ethernet есть две спецификации проводки:

1000BASE-TX

Этот стандарт Gigabit Ethernet использует все четыре пары, но выделяет две пары для TX, а две другие пары для RX.