Como o Gigabit Ethernet Funciona
16/11/2005 às 10h21min por Gabriel Torres em Redes

Introdução

O Gigabit Ethernet permite transferências de rede de até 1.000 Mbps usando cabo UTP (par trançado) padrão Cat 5. Mas como isso é possível, já que cabos Cat 5 podem trabalhar apenas a 100 Mbps? Neste tutorial explicaremos isto e também muitas outras questões interessantes no que diz respeito ao desempenho do Gigabit Ethernet.

Cabos Ethernet Cat 5 possuem oito fios (quatro pares), mas tanto no padrão 10BaseT quanto no 100BaseT (10 Mbps e 100 Mbps, respectivamente) apenas quatro desses fios (dois pares) são realmente utilizados. Um par é usado para transmissão dos dados e o outro par é usado para recepção dos dados.

Pino

Cor

Função

1

Branco com Verde

+TD

2

Verde

-TD

3

Branco com Laranja

+RD

4

Azul

Não usado

5

Branco com Azul

Não usado

6

Laranja

-RD

7

Branco Marrom

Não usado

8

Marrom

Não usado

O padrão Ethernet usa uma técnica contra ruído eletromagnético chamada cancelamento. Assim que a corrente elétrica passa por um fio, um campo eletromagnético é criado ao seu redor. Se este campo for forte o suficiente, ele pode criar uma interferência elétrica nos fios próximos a ele, corrompendo os dados que estavam sendo lá transmitidos. Este problema é chamado diafonia (crosstalk).

O que a técnica de cancelamento faz é transmitir o mesmo sinal duas vezes, com o segundo sinal “espelhado” (polaridade invertida) comparado ao primeiro, como você pode ver na Figura 1. Então, quando os dois sinais são recebidos (que devem ser iguais, mas “espelhados”) o dispositivo receptor pode compará-los. A diferença entre esses dois sinais é ruído, o que faz com que o dispositivo receptor reconheça-o facilmente e descarte-o. O fio “+TD” significa “Transmissão de Dados” e o fio “+RD” significa “Recepção de Dados”. “-TD” e “-RD” são as versões “espelhadas” do mesmo sinal sendo transmitido nos fios “+TD” e “+RD”, respectivamente.

Como o Gigabit Ethernet Funciona

Figura 1: Técnica de Cancelamento.

Transmissão de Dados

No padrão 10BaseT cada bit que o computador quer transmitir é fisicamente codificado em um único bit de transmissão. Para um grupo de oito bits sendo transmitidos, oito sinais serão gerados no fio, por exemplo. Sua taxa de transferência de 10 Mbps significa que seu clock é de 10 MHz, já que a cada pulso de clock um único bit é transmitido. Em outros padrões isto é diferente.

O padrão 100BaseT usa um esquema de codificação chamado 8B/10B, onde cada grupo de oito bits é codificado em um sinal de 10 bits. Por isso, diferentemente do 10BaseT, cada bit não representa diretamente um sinal no fio. Se você fizer as contas, com um taxa de transferência de 100 Mbps, o clock do padrão 100BaseT é de 125 MHz (10/8 x 100).

Então, os cabos Cat 5 são certificados para terem uma velocidade de transmissão de até 125 MHz.

O que o Gigabit Ethernet faz é alterar a codificação. Em vez de fazer com que cada bit seja codificado em um único sinal como acontece no 10BaseT ou fazer com que cada grupo de 8 bits seja codificado em um sinal de 10 bits, ele codifica dois bits por sinal. Portanto, um sinal sendo transmitido no cabo Gigabit Ethernet representa dois bits, em vez de um único bit. Em outras palavras, em vez de simplesmente usar dois níveis de tensão no sinal para representar “0” ou “1”, ele usa quatro diferentes tensões, representando “00”, “01”, “10” e “11”.

Além disso, em vez de usar apenas quatro fios do cabo, o Gigabit Ethernet usa todos os fios.

Todos os pares são usados no esquema bi-direcional. Como vimos, tanto o padrão 10BaseT quanto o padrão 100BaseT usa pares diferentes para transmissão e recepção; no 1000BaseT, como o Gigabit Ethernet também é chamado, os mesmos pares são usados tanto para transmissão quanto para recepção.

O Gigabit Ethernet utiliza clock de 125 MHz, o mesmo clock do padrão 100BaseT/Cat 5, mas como mais dados são transmitidos por vez, a taxa de transferência é maior. A conta é simples: 125 MHz x 2 bits por sinal (por par de fios) x 4 sinais por vez = 1.000 Mbps.

Esta técnica de modulação é conhecida como 4D-PAM5 e na verdade utiliza cinco níveis de tensão (o quinto nível é usado pelo seu mecanismo de correção de erro).

Portanto é um erro dizer que o Gigabit Ethernet trabalha a 1.000 MHz. Seu clock é de 125 MHz, igual ao padrão Fast Ethernet (100BaseT), mas ele consegue atingir uma taxa de transferência de 1.000 Mbps porque transmite dois bits por vez e usa quatro pares do cabo.

Na tabela abaixo você pode verifica a pinagem do cabo Gigabit Ethernet. “BI” significa bi-direcional, enquanto DA, DB, DC e DD significa “Dado A”, “Dado B”, “Dado C” e “Dado D”, respectivamente.

Pino

Cor

Função

1

Branco com Verde

+BI_DA

2

Verde

-BI_DA

3

Branco com Laranja

+BI_DB

4

Azul

+BI_DC

5

Branco com Azul

-BI_DC

6

Laranja

-BI_DB

7

Branco Marrom

+BI_DD

8

Marrom

-BI_DD

Desempenho

Atualmente várias placas-mães vêm com uma porta Gigabit Ethernet on-board. Algumas placas-mães topo de linha vêm inclusive com duas portas Gigabit Ethernet. Dependendo da arquitetura da placa-mãe, no entanto, o Gigabit Ethernet pode não alcançar sua taxa de transferência de 1.000 Mbps.

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Figura 2: Duas portas e chips Gigabit Ethernet na placa DFI LanParty 925X-T2.

O problema é como o chip Gigabit Ethernet é conectado ao sistema. Se ele for conectado ao barramento PCI, provavelmente não alcançará sua velocidade máxima. O barramento PCI trabalha com uma taxa de transferência máxima de 133 MB/s, enquanto que o Gigabit Ethernet trabalha a no máximo 125 MB/s (1.000 Mbps / 8 = 125 MB/s). Apenas observando esses dois números você pode dizer que o Gigabit Ethernet “cabe” no barramento PCI, mas o problema é que o barramento PCI é compartilhado com vários outros componentes do seu computador, o que faz com que a taxa de transferência de 133 MB/s seja compartilhada por esses dispositivos. Por isso, apesar de em teoria o Gigabit Ethernet poder trabalhar no barramento PCI, ele está perto demais do limite máximo teórico do barramento PCI.

O PCI Express, por outro lado, possui uma taxa de transferência máxima de até 250 MB/s e é uma conexão ponto-a-ponto, o que significa que ele não compartilha sua taxa de transferência de 250 MB/s com nenhum outro dispositivo, permitindo o Gigabit Ethernet alcançar sua velocidade máxima.

Como saber qual dos barramentos o Gigabit Ethernet está conectado? Existem basicamente três maneiras. O modo mais fácil é ver se a sua placa-mãe é baseada no barramento PCI Express. Se ela não for, o chip Gigabit Ethernet só pode estar conectado ao barramento PCI padrão.

A segunda maneira é olhar no manual da placa-mãe ou no site do fabricante e verificar esta informação. Geralmente na página das especificações está escrito “PCI” ou “PCI Express” ao lado do nome do controlador Gigabit Ethernet usado pela placa, dizendo qual é o barramento que ele está conectado.

A terceira maneira é ir ao site do fabricante do controlador Gigabit Ethernet (VIA, Marvell, 3Com, etc) e procurar as especificações técnicas do modelo usado em sua placa-mãe. O tipo do barramento que ele é conectado deve estar discriminado lá.

Para te dar um exemplo real, vamos dar uma olhada nos chips Gigabit Ethernet usados na Figura 2. Um é o Marvel 88E8001, que é PCI, e o outro é um Marvell 88E80583, que é PCI Express. Esta informação está localizada na página das especificações técnicas da placa-mãe no site do fabricante.

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Figura 3: Um dos chips Gigabit Ethernet usado na DFI LanParty 925X-T2 (Marvell 88E8001).

Apesar de o padrão Gigabit Ethernet original ter sido desenvolvido para usar cabos Cat 5, várias empresas recomendam cabos Cat 5e para ser usados em redes Gigabit Ethernet por questões de desempenho. Cabos Cat 5e possuem a mesma taxa de transferência dos cabos Cat 5, mas são menos suscetíveis a ruídos.

Originalmente em http://www.clubedohardware.com.br/artigos/Como-o-Gigabit-Ethernet-Funciona/1115

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