Padrões Ethernet, parte 1: 10 e 100 megabits

Depois do padrão Ethernet original (de 3 megabits), surgiram os padrões 10BASE-5, 10BASE-2, 10BASE-T e 10BASE-F, todos padrões de 10 megabits, diferenciados pelo cabeamento usado.

Os padrões 10BASE-5 e o 10BASE-2 são baseados em cabos coaxiais. O 10BASE-5 ganha tanto em alcance (500 metros, contra 185), quanto no número máximo de estações em cada segmento de rede (100 contra 30), mas perde no fator mais importante, que é o fator custo, de forma que, uma vez finalizado, o 10BASE-2 se tornou rapidamente o padrão mais popular.

Em seguida temos o 10BASE-T, que é o primeiro padrão baseado no uso de cabos de par trançado (o "T" vem de twisted-pair). Na época, os cabos cat 5 ainda eram caros, de forma que o padrão permitia o uso de cabos cat 3, que eram mais comuns, já que eram utilizados também em instalações telefônicas de aparelhos de PABX. O comprimento máximo do cabo é de 100 metros, ainda menos que no 10BASE-2, mas os sinais eram retransmitidos pelo hub, de forma que era possível usar cabos de até 100 metros até o hub e mais 100 metros até o micro seguinte, num total de 200 metros. É possível também estender o alcance da rede usando repetidores adicionais (o próprio hub atua como um repetidor, de forma que é possível simplesmente interligar vários hubs, usando cabos de até 100 metros), estendendo a rede por distâncias maiores.

Existiu ainda o padrão 10BASE-F ("F" de fiber optic) que utilizava cabos de fibra óptica. Ele foi pouco popular devido ao custo do cabeamento, mas oferecia como vantagem um alcance de 2000 metros por segmento, que também podiam ser estendidos com a ajuda de repetidores.

As placas de 10 megabits foram as únicas que foram produzidas em versão ISA, já que a taxa de transferência efetiva do ISA (devido aos tempos de espera e ao overhead da sinalização) é de pouco mais de 5 MB/s, o que é lento demais para uma placa de 100 megabits, que precisa de um barramento capaz de transmitir a pelo menos 12.5 MB/s.

Lembre-se de que um byte tem 8 bits, logo 12.5 MB (megabytes, com o B maiúsculo) correspondem a 100 megabits (Mb, com o b minúsculo) , 125 MB correspondem a 1000 megabits assim por diante. Ao contrário das taxas de transferência de outros componentes, que são geralmente medidas em megabytes por segundo, as taxas de transferência das redes de das conexões web são quase sempre medidas em megabits, o que às vezes causa uma certa confusão. É muito comum ver usuários reclamando que não consegue downloads a mais do que cento e poucos kbytes no ADSL de 1 megabit ou que o ponto de acesso 802.11g transmite a no máximo 3 MB/s, quando o problema é apenas de interpretação.

Em 1995 foi finalizado o padrão Fast Ethernet (802.3u), que multiplicou por 10 a velocidade de transmissão, atingindo 100 megabits. O Fast Ethernet é composto por três padrões distintos:

O mais usado é o 100BASE-TX, que é o padrão para cabos de par trançado categoria 5 que é usado em mais de 80% das instalações atuais. No 100BASE-TX foi mantida a distância máxima de 100 metros, mas foi adicionado o suporte ao modo modo-full duplex, onde as estações podem enviar e receber dados simultaneamente, 100 megabits em cada direção, desde que usado um switch.

Como os cabos categoria 5 atendem a especificação com folga, foi possível fazer tudo usando apenas dois dos quatro pares de cabos (os pares laranja e verde), sendo um par usado para enviar e o outro para receber.

É justamente devido ao uso de apenas dois dos pares de cabos que algumas placas de rede 10/100 possuem apenas 4 contatos, eliminando os que não são usados no 100BASE-TX, como você pode ver nessa placa da Encore:

Como você pode imaginar, é possível usar os 4 pares do cabo para crimpar dois cabos separados, cada um com dois pares. Isso não é previsto no padrão e não é recomendável, mas não deixa de ser uma curiosidade. Para isso, você usaria o par laranja nos pinos 1 e 2 e o verde nos pinos 3 e 6 do primeiro cabo, com o par azul nos pinos 1 e 2 e o par marrom nos pinos 3 e 6 do segundo cabo. O uso de duas transmissões separadas vão gerar interferência, reduzindo o alcance da transmissão, de forma que isso só funciona em cabos relativamente curtos e além disso o cabo deixa de ser utilizável em redes gigabit (veja detalhes a seguir), de forma que a economia não justifica as desvantagens.

Existe uma idéia bastante enraizada no meio técnico de que redes de 10 megabits exigem cabos de 10 MHz, redes de 100 megabits exigem cabos de 100 MHz e assim por diante. Esta é uma explicação simples e aparentemente lógica, mas que é incorreta. Pense que se as coisas funcionassem assim, precisaríamos de cabos de 1000 MHz para as redes gigabit e de 10.000 MHz para as redes 10G, o que seria impossível com tecnologia atual.

Para evitar isso, os padrões Ethernet de 100, 1000 e 10000 megabits utilizam sistemas complicados de modulação, de forma a reduzir a freqüência efetiva da transmissão e assim aproveitar melhor os recursos do cabo. Um paralelo poderia ser traçado com relação ao ADSL, que consegue transmitir dados a longas distâncias e a até 8 megabits, utilizando um único par de cabo telefônico, originalmente projetado para transportar apenas o sinal de voz.

Na realidade, o padrão 100BASE-TX utiliza uma freqüência efetiva de apenas 31.25 MHz. Como se não bastasse, o 1000BASE-T (o padrão de 1000 megabits para cabos de par trançado) conseguiu multiplicar por 10 a taxa de transmissão aumentando a freqüência para apenas 62.5 MHz efetivos. É por isso que ambos os padrões suportam cabos de par trançado categoria 5, que são certificados para freqüências de apenas 100 MHz.

Se você achou pouco, saiba que os cabos de categoria 6 (certificados para até 250 MHz) oferecem suporte também ao 10GBASE-T, que é o padrão de 10.000 megabits. Se você era adepto do mito dos 100 MHz, isso deve ter dado um nó na sua cabeça. Vamos então entender como estes aparentes milagres foram obtidos.

Em primeiro lugar, um padrão de rede de 100 megabits não transmite apenas 100 megabits por segundo, pois junto com os dados é necessário transmitir o conjunto de informações de controle que possibilita a conexão. Para transmitir 100 megabits de dados úteis, a placa precisa transmitir um pouco mais do que isso.

No 100BASE-TX é usada uma sinalização de 125 megabauds, utilizando o sistema 4B/5B, onde cada grupo de 4 bits são transmitidos usando um grupo de 5 bauds, cada um deles enviando um bit zero ou um.

Como bem sabemos, 5 bits correspondem a 32 combinações, o que permite enviar os 4 bits (16 combinações) e mais um bit adicional, usado para transmitir informações de controle e de redundância, que garantem a confiabilidade da conexão. Com isso, os 125 milhões de bauds resultam na transmissão de 100 megabits de dados "úteis".

Como a construção dos frames Ethernet e dos pacotes TCP/IP exigem o uso de mais alguns bits adicionais, os 100 megabits transmitidos pela placa de rede resultam em taxas efetivas de transmissão progressivamente menores a cada camada, fazendo com que, a taxa de transferência "real" da rede (ao transferir um arquivo, por exemplo) acabe sendo mais baixa. Entretanto, é graças a estas "perdas" que as redes são confiáveis em primeiro lugar.

Continuando, 125 megabauds equivaleriam, a princípio, a uma freqüência de 125 MHz, o que ficaria acima dos 100 MHz suportados pelos cabos categoria 5 e categoria 5e. Para evitar isso, foi adotado o sistema de codificação MLT-3, onde são utilizadas três tensões diferentes (+1, 0 e -1) e os bits são transmitidos através de transições entre os níveis.

No MLT-3, um bit 1 é transmitido chaveando para o próximo estágio de tensão, enquanto um bit 0 é transmitido mantendo o mesmo estágio anterior. Por exemplo, para a sequência binária "1111" os sinais transmitidos seriam "+1, 0, -1, 0" e para a sequência "0101" seria "+1, 0, 0, -1":

Esta sinalização mais simples permite "pegar carona" com o sinal de clock (que se comporta como uma onda), realizando 4 transferências por ciclo de clock. Isso reduz a freqüência real de 125 para apenas 31.25 MHz, de forma que a rede pode funcionar tranquilamente dentro dos 100 MHz oferecidos pelos cabos de categoria 5.

Em seguida temos o padrão de 100 megabits para cabos categoria 3, o 100BASE-T4, que elimina o modo full-duplex e utiliza todos os quatro pares do cabo, reduzindo assim a taxa de sinalização.

O 100BASE-T4 utiliza uma sinalização mais complexa onde um dos pares envia dados da estação para o hub, outro envia do hub para a estação e os outros dois são alocados para uma direção ou outra, de acordo com quem está transmitindo, de forma que apenas três dos pares são usados para transmitir dados simultaneamente.

Como os cabos de categoria 3 suportam freqüências de até 16 MHz, mais de 6 vezes menos que os de categoria 5, foi necessário criar um sistema complicado de codificação, que utiliza uma sinalização ternária, com o uso de três sinais diferentes (em vez de dois, como no sistema binário). Com três combinações por par de cabo e três pares de cabo, temos um total de 27 combinações possíveis por ciclo, suficiente para transmitir 4 bits (16 combinações), combinados com sinais adicionais de redundância.

Este sistema, baseado no uso do 8B6T e da codificação PAM-3 permite reduzir a taxa de sinalização para apenas 25 megabauds. Utilizando um sistema de sinalização similar ao usado no 100BASE-TX, são transmitidos 2 bauds em cada ciclo de clock, resultando em uma freqüência efetiva de apenas 12.5 MHz, o que ainda está dentro do suportado pelos cabos de categoria 3.

Apesar disso, o 100BASE-T4 foi relativamente pouco usado, de forma que muitas placas de rede sequer oferecem suporte a ele (como no caso das placas com apenas 4 pinos).

Existiu ainda o 100BASE-FX, o padrão de 100 megabits para cabos de fibra óptica multimodo. Assim como o 10BASE-F, ele foi pouco usado, mas oferecia a possibilidade de criar links de longa distância, com cabos de até 2 KM e a possibilidade de usar repetidores para atingir distâncias maiores.

Existia a possibilidade de usar um único cabo de fibra em modo half-duplex, mas nesse caso a distância máxima era de apenas 400 metros (devido à necessidade de detectar colisões), o que eliminava a maior parte das vantagens práticas sobre o 100BASE-TX, onde os 100 metros máximos podem ser estendidos com a ajuda de repetidores.

Embora inicialmente fossem caras, as placas 100BASE-TX em versão PCI caíram assustadoramente de preço durante a vida útil do padrão. As placas mais baratas, de fabricantes como a Encore e a LG, chegaram a ser vendidas no atacado, em países da ásia por menos de 3 dólares. Isso aconteceu devido à concorrência acirrada entre os fabricantes e o avanço das técnicas de fabricação, que tornou a fabricação dos chipsets de rede cada vez mais barato.

Como todas as placas mãe passaram a vir com placas de rede onboard, a demanda por placas offboard passou a ser cada vez menor, o que levou os fabricantes a passarem a produzir apenas placas de padrões mais recentes, que permitem a eles trabalhar com margens de lucro um pouco maiores. Com isso, as placas de rede PCI baratas que nos acostumamos a ver, começaram a se tornar cada vez mais difíceis de encontrar, dando lugar às placas gigabit.

Placas de rede PCI geralmente possuem um soquete para a instalação de um chip de boot, usado em clientes de boot remoto, que dão boot através da rede, como no LTSP. É possível obter ROMs de boot em diversos formatos no http://rom-o-matic.org e gravá-las usando um gravador de EPROM, mas isso está entrando em desuso, pois as placas-mãe incorporam imagens de boot no próprio BIOS, permitindo que a placa de rede onboard seja usada para dar boot via rede diretamente.

Existem cabos de cat 1 até cat 7. Como os cabos cat 5 são suficientes tanto para redes de 100 quanto de 1000 megabits, eles são os mais comuns e mais baratos.

Categoria 3: Este foi o primeiro padrão de cabos de par trançado desenvolvido especialmente para uso em redes. O padrão é certificado para sinalização de até 16 MHz, o que permitiu seu uso no padrão 10BaseT, que é o padrão de redes Ethernet de 10 megabits para cabos de par trançado. Existiu ainda um padrão de 100 megabits para cabos de categoria 3, o 100BaseT4, mas ele é pouco usado e não é suportado por todas as placas de rede.

Categoria 5: Os cabos de categoria 5 são o requisito mínimo para redes 100BaseTX e 1000BaseT, que são, respectivamente, os pacotes de rede de 100 e 1000 megabits usados atualmente. Os cabos cat 5 seguem padrões de fabricação muito mais estritos e suportam freqüências de até 100 MHz, o que representa um grande salto sobre os cabos cat 3.

Apesar disso, é muito raro encontrar cabos cat 5 à venda atualmente, pois eles foram substituídos pelos cabos categoria 5e (o "e" vem de "enhanced"), uma versão aperfeiçoada do padrão, com normas mais estritas, desenvolvidas de forma a reduzir a interferência entre os cabos e a perda de sinal, o que ajuda em cabos mais longos, perto dos 100 metros permitidos.

É fácil descobrir qual é a categoria dos cabos, pois a informação vem decalcada no próprio cabo, como na foto:

Confira a segunda parte em: http://www.guiadohardware.net/artigos/ethernet-gigabit/