Gigabit Ethernet

Depois dos padrões de 10 e 100 megabits, o passo natural para as redes Ethernet seria novamente multiplicar por 10 a taxa de transmissão, atingindo 1000 megabits. E foi justamente o que aconteceu. O padrão Gigabit Ethernet começou a ser desenvolvido pelo IEEE em 1995, assim que o padrão de 100 megabits foi ratificado (como muitos dizem, antes mesmo que a tinta tivesse tempo de secar) e acabou sendo ratificado em 1998, dando origem ao 802.3z, composto por quatro padrões diferentes.

O 1000BASE-LX é o padrão mais caro, que suporta apenas cabos de fibra óptica. Até o 100BASE-FX, os transmissores de rede para fibra óptica podiam utilizar LEDs, que são uma tecnologia muito mais barata. O problema é que os LEDs não são capazes de mudar de estado rápido o suficiente para atenderem os requisitos do sistema de modulação adotado no gigabit Ethernet, de forma que a única saída foi adotar a tecnologia long-wave laser, com o uso de lasers de 1300 nanômetros.

Em troca, o 1000BASE-LX oferece um alcance muito maior do que o oferecido pelos padrões anteriores. Oficialmente, usando cabos de fibra óptica monomodo com núcleo de 9 mícrons, o sinal é capaz de percorrer distâncias de até 2 km, mas na prática o sinal é capaz de atingir distâncias muito maiores, o que fez com que muitos fabricantes anunciassem produtos baseados no 1000BASE-LX com alcance de até 10 km. Isso tornou o padrão atrativo para uso em backbones, interligando diferentes segmentos de rede no campus de uma universidade ou em prédios próximos, por exemplo. É possível também utilizar cabos multimodo com núcleo de 50 ou 62.5 mícrons (que são os cabos mais baratos), mas nesse caso o sinal percorre apenas 550 metros.

O segundo padrão é o 1000BASE-SX, que também utiliza cabos de fibra óptica, mas utiliza uma tecnologia de transmissão mais barata, chamada short-wave laser, que é uma derivação da mesma tecnologia usada em CD-ROMs, com feixes de curta distância. Justamente por já ser utilizado em diversos dispositivos, esta tecnologia é mais barata, mas em compensação o sinal é capaz de atingir distâncias menores. Utilizando cabos multimodo com núcleo de 50 microns a distância máxima é de 500 metros e usando cabos com núcleo de 62.5 microns a distância máxima é de 275 metros (sinalização de 200 MHz) ou 220 metros (sinalização de 160 MHz).

Foi criado também um padrão para distâncias curtas, o 1000BASE-CX, que ao invés de fibra óptica utiliza dois pares de cabo de par trançado blindado STP ou SSTP (de forma similar ao 100BASE-TX, onde são também utilizados apenas dois pares do cabo). Embora pouco usados, são suportados também cabos twinax, que são um tipo de cabo coaxial duplo, também blindado.

O problema é que no 1000BASE-CX o alcance é de apenas 25 metros, o que limita bastante o seu uso. Ele é usado em alguns modelos de blade servers e outros produtos destinados ao uso em datacenters (onde vários servidores são instalados no mesmo rack e a distância a cobrir é pequena), mas ele praticamente desapareceu depois que o padrão 1000BASE-T foi finalizado.

Inicialmente, parecia impossível desenvolver um padrão Gigabit Ethernet para cabos de par trançado sem blindagem, que fosse capaz de atingir os 100 metros oferecidos pelo padrão Fast Ethernet, já que o 100BASE-TX já havia explorado grande parte do potencial dos cabos categoria 5. Mas, contra todas as expectativas, o grupo de trabalho conseguiu finalizar o padrão 1000BASE-T (802.3ab) em 1999, abrindo uma nova fronteira para as redes domésticas.

O 1000BASE-T, também chamado de GoC ou “Gigabit over Copper”, permite utilizar os mesmos cabos de par trançado categoria 5 que as redes de 100 megabits. Isso representa uma enorme economia, não apenas por eliminar a necessidade de trocar os cabos atuais por cabos mais caros, mas também nas próprias placas de rede, que passam a ser uma evolução das atuais e não uma tecnologia nova. O alcance continua sendo de 100 metros e os switches compatíveis com o padrão são capazes de combinar nós de 10, 100 e 1000 megabits, sem que os mais lentos atrapalhem os demais. Toda esta flexibilidade torna a migração para o 1000BASE-T bastante simples, uma vez que você pode aproveitar o cabeamento já existente.

A solução para conseguir multiplicar por 10 a taxa de transmissão, mantendo o uso de cabos cat 5 foi adotar um sistema de sinalização mais complexo, que utiliza todos os 4 pares do cabo (de forma similar ao 100BASE-T4, que utilizava um artifício similar para conseguir transmitir 100 megabits utilizando cabos cat 3).

Em primeiro lugar, é usado o sistema PAM-5 de modulação (diferente dos outros padrões gigabit, onde é usado o 8B10B) que consiste no uso de 5 sinais distintos (em vez de apenas dois), que permitem o envio de 2 bits por baud, junto com informações de controle. Com o uso dos 4 pares de cabos, é possível enviar então 8 bits por baud, o que resulta em uma taxa de sinalização de apenas 125 megabauds. Aplicando um sistema similar ao usado no 100BASE-TX, é possível reduzir a freqüência efetiva para apenas 62.5 MHz, transmitindo 2 bauds por ciclo. A freqüência é o dobro da usada no 100BASE-TX, mas ainda fica dentro dos limites dos cabos de categoria 5.

Esta idéia de transmitir vários bits por baud, utilizando vários níveis de sinal distintos, é uma técnica antiga, que foi usada ao limite nos modems discados para obter taxas de transferências mais altas usando o sistema telefônico comutado. Um modem V92 de 56k, por exemplo, transmite 7 bits por baud, de forma a fazer seu trabalho transmitindo apenas 8.000 bauds por segundo. Entretanto, esta tecnologia exige uma modulação mais complexa, o que aumenta o processamento necessário para realizar a transmissão. É por isso que ela passou a ser usada em redes apenas quando as limitações do cabeamento se tornaram evidentes.

Continuando, temos o segundo “milagre” do 1000BASE-T, que é o suporte ao modo full-duplex. Como você deve lembrar, o 100BASE-TX obtinha full-duplex utilizando dois pares de cabos, um para transmitir e outro para receber. Como o 1000BASE-T utiliza todos os 4 pares ao mesmo tempo, transmitir e receber simultaneamente parecia impossível.

Para resolver o problema, foi desenvolvido um sistema engenhoso, que permite que os mesmos pares de cabos sejam usados para enviar e receber dados simultaneamente. Enviar duas transmissões ao mesmo tempo, no mesmo cabo, faz com que as duas transmissões colidam, gerando um eco que é a combinação das duas. Como cada estação tem armazenado na memória o conteúdo da transmissão que acabou de fazer, é capaz de subtrair sua própria transmissão do sinal recebido, obtendo assim o sinal enviado pelo interlocutor.

Com isso, é possível transmitir 1 gigabit em cada direção permitindo que, em situações onde a estação envie e receba um grande volume de dados simultaneamente, seja possível atingir 2 gigabits somando o tráfego nas duas direções. Entretanto, o mais comum é uma relação assimétrica, com uma falando e a outra apenas enviando os pacotes de confirmação, cenário em que o uso do full-duplex traz um ganho marginal.

Apesar disso, alguns fabricantes tiram proveito do full-duplex para anunciar suas placas gigabit como placas de “2 gigabits”, assim como alguns vendiam placas fast Ethernet como sendo placas de “200 megabits”, novamente em alusão ao modo full-duplex.

Continuando, o uso dos 4 pares e o sistema de sinalização mais complexo tornam o 1000BASE-T muito mais exigente com relação à qualidade do cabeamento que os padrões anteriores. Por exemplo, as placas 100BASE-TX utilizam apenas dois pares do cabo, de forma que a rede pode funcionar com cabos mal crimpados, ou mesmo com cabos com alguns dos fios internos rompidos, desde que os dois pares usados para transmitir dados estejam intactos, mas você não teria a mesma sorte com o 1000BASE-T.

O sistema mais simples de sinalização também torna a rede menos sensível a interferência, ao uso de cabos de baixa qualidade, ou ao uso de cabos mais longos que os 100 metros permitidos. No 1000BASE-T, todos estes problemas saltam à vista, reduzindo a velocidade da rede (devido às retransmissões), tornando-a instável, ou simplesmente impedindo seu funcionamento. Mesmo detalhes como o comprimento da parte destrançada do cabo ao crimpar o conector acabam fazendo diferença, de forma que é necessário redobrar o cuidado ao crimpar os cabos.

Outro fator digno de nota é que, como em quase todo novo padrão, as placas 1000BASE-T eram originalmente muito mais caras que as de 100 megabits, já que o maior processamento necessário tornava o design da placa muito mais complexo, demandando o uso de dois ou mais controladores complexos.

No entanto, com a miniaturização dos componentes, logo surgiram soluções integradas em um único chip e o maior volume de produção fez com que os preços fossem caindo progressivamente. Hoje em dia, a maioria das placas-mãe já trazem chipsets de rede gigabit onboard e os switches gigabit também estão cada vez mais acessíveis, de forma que muitos acabam migrando para o novo padrão sem sequer perceber, enquanto atualizam os equipamentos de rede.

Temos aqui uma placa gigabit de 1999, produzida pela Intel, ao lado de um chip Marvell Yukon 88E8052, usado em muitas placas-mãe atuais com rede gigabit onboard, que ilustra a diferença de complexidade (e de custo) entre as duas gerações:

Assim como no caso das placas de 100 megabits, existe um grande número de placas Gigabit Ethernet em versão PCI. O problema é que, por um conjunto de fatores, o barramento PCI oferece, na prática, pouco mais de metade da taxa teórica de transmissão. Com isso, embora os 133 MB/s sejam suficientes para uma placa de rede gigabit, na prática as placas gigabit em versão PCI acabam sendo limitadas pelo barramento, oferecendo taxas de transmissão de 500 a 700 megabits, variando de acordo com a placa e o chipset usados. Além das placas offboard, muitas placas gigabit onboard são internamente ligadas ao barramento PCI do chipset e têm por isso sua taxa de transmissão limitada de forma similar.

Com isso, tivemos a terceira migração de barramento na história das placas de rede (sem contar as placas em versão PCI-X, destinadas a servidores), que passaram a utilizar o barramento PCI-Express, que oferece 250 MB/s em cada direção, por linha de dados (um slot PCI Express pode ter de uma a 16 linhas de dados), o que permite que mesmo um slot x1 atenda com folga uma placa Gigabit Ethernet:

Placa Gigabit Ethernet em versão PCI Express

A próxima fronteira são as placas de 10 Gigabits, que em teoria precisam de um slot PCI Express x8 (com oito linhas de dados, ou seja, 2 GB/s) para mostrarem todo o seu potencial.

Continuando, assim como as placas de 100 megabits, as placas gigabit são completamente compatíveis com os padrões anteriores. Você pode até mesmo ligar uma placa Gigabit Ethernet a um hub 10/100 se quiser, mas a velocidade terá de ser nivelada por baixo, respeitando a do ponto mais lento.

A exceção fica por conta de alguns switches nível 3 (modelos mais inteligentes e caros, que incorporam recursos dos roteadores), que são capazes de “rotear” pacotes de diversas estações operando a 100 megabits, agrupando-os em um único link de 1 gigabit ligado ao servidor. Neste caso, você poderia ter (em teoria) 10 estações baixando arquivos a 100 megabits cada, simultaneamente, a partir de um único servidor com uma placa gigabit.

Todos esses padrões de Gigabit Ethernet são intercompatíveis a partir da camada 2 (link de dados) do modelo OSI. Abaixo desse nível está apenas a camada física da rede, que inclui o tipo de cabos e o tipo de modulação usado pela placa de rede para transmitir dados através deles. Os dados transmitidos, incluindo camadas de correção de erro, endereçamento, etc. são idênticos em qualquer um dos padrões.

Assim como muitos hubs antigos permitiam juntar redes que utilizavam cabo de par trançado e cabo coaxial, é muito simples construir dispositivos que interliguem esses diferentes padrões. Isso permite conectar facilmente segmentos de rede com cabos de par trançado e segmentos com fibra óptica, que podem ser usados para interligar redes distantes entre si.