O nome "" vale para uma coisa só na parte de cima da pilha e para dezenas de coisas na parte de baixo. Todo link Ethernet carrega os mesmos frames (quadros), mas a camada física por baixo deles (a PHY, de physical layer: o cabo, a luz ou o sinal elétrico, o jeito de codificar os bits nesse meio) foi reinventada a cada nova velocidade e a cada novo meio físico. Um link de 1 Gb/s em cobre e um de 100 Gb/s em fibra não têm quase nada em comum abaixo do frame. Saber qual PHY está em uso explica que cabo o link exige, até onde ele alcança e por que às vezes ele sobe na velocidade errada.

Como ler o nome

O IEEE 802.3 dá nome às suas camadas físicas com um código compacto, e David Law, que presidiu o grupo de trabalho, deixou a chave desse código por escrito (Law, IEEE 802.3, 2009):

  • o número é a velocidade: 10, 100, 1000, 10G, 100G, 400G;
  • BASE quer dizer baseband (banda base): um único sinal no meio físico, e não várias portadoras moduladas;
  • as letras depois do hífen indicam o meio e a codificação: T para par trançado (twisted pair); X para uma codificação em blocos herdada de outro padrão (4B/5B, 8B/10B); R para "scrambled coding (64B66B)"; na fibra, S, L e E para comprimento de onda curto, longo e extralongo (850, 1310 e 1550 nanômetros);
  • um número no final indica quantas lanes (vias paralelas de transmissão) o link usa: "where the data rate is 10Gb/s or more the number (m) represents the number lanes, the absence of a number indicating single lane operation".

Uma lista posterior do mesmo autor associa às letras da fibra também classes de alcance: S para cerca de 100 m, L para 10 km, E para 40 km. A lista acrescenta ainda o D, "parallel single mode (500m)", e o F, "fiber (2 km)" (Law, nomes de PHY, 2015). Então, 100GBASE-SR4 se lê assim: 100 Gb/s, banda base, fibra multimodo de curto alcance, quatro lanes. E, de fato, o datasheet da Cisco descreve o módulo 100GBASE-SR4 como "100m over OM4 MMF", com conector MPO (Cisco, datasheet QSFP de 100G).

Uma breve história, emenda por emenda

Cada velocidade chegou como uma emenda (amendment) ao IEEE 802.3, aprovada numa data que as páginas das forças-tarefa (task forces) ainda registram:

EmendaAprovada emO que trouxe
802.3i28 de setembro de 199010BASE-T, 10 Mb/s em par trançado
802.3u1995100BASE-T, o Fast Ethernet
802.3x20 de março de 1997Full duplex e controle de fluxo (pause)
802.3zjulho de 1998Gigabit Ethernet em fibra (1000BASE-X)
802.3abjunho de 19991000BASE-T, o Gigabit em par trançado
802.3aejunho de 200210 Gigabit Ethernet em fibra
802.3an8 de junho de 200610GBASE-T
802.3bajunho de 201040 e 100 Gigabit Ethernet
802.3by30 de junho de 201625 Gigabit Ethernet
802.3bs6 de dezembro de 2017200 e 400 Gigabit Ethernet
802.3df16 de fevereiro de 2024800 Gigabit Ethernet

As datas vêm da página de cada força-tarefa (802.3i, 802.3z, 802.3ab, 802.3ae, 802.3an, 802.3ba, 802.3by, 802.3bs, 802.3df, 802.3x); o ano do 802.3u vem da visão geral publicada pelo próprio grupo de trabalho (Law, 2011).

Cobre: 100 metros e a categoria de cabo que chega lá

Toda PHY de par trançado, do 10BASE-T ao 10GBASE-T, foi feita para o mesmo alcance de 100 metros, que é o comprimento de um lance horizontal num cabeamento estruturado; o que muda é o cabo que cada uma exige.

PHYCaboAlcance
10BASE-T"Category 3 or Category 5 ""100 m (328 ft.)" (Cisco, fundamentos de Ethernet)
100BASE-TXdois pares de Categoria 5100 m (Law, 2011)
1000BASE-Tos quatro pares de Categoria 5"100 meters of Category 5 balanced cabling" (tutorial do 802.3ab, 1998)
10GBASE-TCategoria 6A (55 m em Categoria 6 sem blindagem)"up to 100 meters" (Cisco, white paper do 10GBASE-T)

Para instalações novas, a recomendação da Fluke Networks é direta: um sistema de cabeamento novo "should be at least category 5e ANSI/-C" (Fluke Networks). Como projetar a instalação para que cada lance fique dentro dos 100 metros é assunto do artigo sobre cabeamento estruturado, e o planejador de lances de cabo faz as contas.

Como os bits viram sinal

A outra função de uma PHY é a codificação: transformar um fluxo de bits num sinal que o meio consiga transportar e que o receptor consiga recuperar. A codificação mudou a cada geração:

  • Codificação Manchester no 10BASE-T: "10Base-T uses Manchester encoding" (UNH-IOL), com uma transição em cada bit; simples, mas pouco eficiente.
  • 4B/5B e MLT-3 no 100BASE-TX: o codificador "converts 4-bit (4B) nibble data generated by the MAC into 5-bit (5B) code-groups", e um sinal MLT-3, de três níveis, transporta esses grupos (Texas Instruments, datasheet do DP83822).
  • -5 em quatro pares no 1000BASE-T: cinco níveis de sinal, e "each pair a full duplex channel supporting effective data rate of 250Mbp/s in both directions simultaneously" (tutorial do 802.3ab). Ou seja, o Gigabit em cobre transmite e recebe nos mesmos pares, ao mesmo tempo.
  • 8B/10B e 64B/66B: o X e o R dos nomes que vimos acima. O 64B/66B é a codificação da família BASE-R, mas não vale para tudo em 10 Gb/s: o 10GBASE-T, a PHY de cobre, usa outra codificação.
  • PAM-4: quando cada lane passou de 25 Gb/s, a Ethernet "transitioned from non-return-to-zero (NRZ) used for 25Gb/s per lane to four level Pulse-amplitude modulation (PAM-4) for 50 Gb/s per lane and above" (Ethernet Alliance, roadmap de 2022): dois bits por símbolo, em vez de um.

Fibra e a velocidade que vem das lanes

Na fibra, os nomes indicam o alcance e o comprimento de onda. A visão geral do grupo de trabalho lista o 1000BASE-SX com 220 ou 550 metros em fibra multimodo, o 1000BASE-LX com 5 km, o 10GBASE-SR com até 300 m em multimodo, o 10GBASE-LR com 10 km e o 10GBASE-ER com 40 km em monomodo (Law, 2011). Acima de 10 Gb/s, a velocidade vem tanto do número de lanes quanto de sinais mais rápidos: o 40GBASE-SR4 usa "4 lanes, 850 nm MMF" (Cisco, QSFP de 40G); os módulos de 400G usam oito pares de fibra multimodo até 100 m (o SR8, que o objetivo do descreve como "400 Gb/s operation over 8 pairs of MMF with lengths up to at least 100m") ou quatro comprimentos de onda num único par monomodo até 2 km (o FR4) (objetivos do IEEE 802.3cm; objetivos do IEEE 802.3cu; Cisco, datasheet de 400G). A fibra em si, com seus tipos, conectores e orçamento de perdas (loss budget), é assunto dos fundamentos de fibra.

Full duplex e o fim das colisões

A Ethernet original era um meio compartilhado: uma estação transmitia de cada vez, as colisões eram detectadas e resolvidas, e o half duplex era o único modo. Nesse meio, como lembra a Cisco, "collisions are not bad; they are essential to correct Ethernet operation" (Cisco, colisões). Com os switches, cada link passou a ligar só duas estações, e o 802.3x, aprovado em 1997, acrescentou o "full duplex mode of operation on a speed-independent basis", com "pause-based flow control" (IEEE 802.3x). "In full-duplex Ethernet, collision detection is disabled" (Cisco, colisões). O Gigabit Ethernet ainda definia half duplex no papel, mas de 10 Gb/s em diante todas as forças-tarefa escreveram o mesmo objetivo: "Support full-duplex operation only" (objetivos do IEEE 802.3ae).

Autonegociação

Na Ethernet de par trançado, velocidade e duplex são acertados automaticamente. A Cisco descreve a autonegociação () como "an optional function of the IEEE 802.3u Fast Ethernet standard that enables devices to automatically exchange information over a link about speed and duplex abilities" (Cisco, autonegociação). Ela é definida na Cláusula 28 e viaja em Fast Link Pulses (FLPs): "An FLP burst is simply a sequence of 10BASE-T Normal Link Pulses", e essas rajadas (bursts) são enviadas a cada "16ms +/- 8ms" (UNH-IOL, Cláusula 28). A página base (base page) da negociação também anuncia se a porta suporta pause, para o controle de fluxo (grupo ad hoc do IEEE 802.3bz, 2015).

Do Gigabit em cobre em diante, ela deixa de ser opcional. O padrão diz "All 1000BASE-T PHYs shall provide support for Auto-Negotiation (Clause 28)", e uma interpretação do IEEE confirma que "selecting 1000BASE-T mode of operation still requires that Auto-Negotiation be used", porque é na negociação que as duas pontas também definem a relação MASTER-SLAVE, "necessary for establishing the timing control of each PHY" (interpretação 2-07/05 do IEEE 802.3). A força-tarefa do 2.5GBASE-T e do 5GBASE-T propôs a mesma regra para essas duas PHYs (grupo ad hoc do IEEE 802.3bz, 2015), e o suporte à autonegociação foi um objetivo do 10GBASE-T desde o início (objetivos do IEEE 802.3an). Na fibra é diferente: no 1000BASE-X, "speed selection is not possible through Auto-negotiation" (mesma interpretação citada acima), e alguns adaptadores de fibra de 10 Gb/s "do not support Auto_Negotiation mode because they only work at one speed" (IBM).

Detecção paralela e o duplex mismatch

A falha clássica acontece quando um lado negocia e o outro não. Uma porta em auto que não recebe negociação nenhuma do vizinho recorre à detecção paralela (parallel detection), "an auto-negotiating device's means to establish links with non-negotiating, fixed speed devices": ela consegue descobrir a velocidade pelo sinal, mas "a device can never parallel detect to a full duplex link" (UNH-IOL). Por isso, ela assume half duplex. A tabela de combinações da Cisco mostra o resultado: uma ponta fixada em "100 Mbps, Full-duplex", a outra em "AUTO", que se acomoda em "100 Mbps, Half-duplex", e o comentário "Duplex Mismatch" (Cisco, documento 17053).

Um link com duplex mismatch (as duas pontas em modos de duplex diferentes) não cai; ele fica capengando. "The late collision is seen on the half-duplex side. As the half-duplex side transmits, the full duplex side does not wait its turn and transmits simultaneously", e os contadores se enchem com um "rapid increase of and alignment errors on the half-duplex side, and runts on the full-duplex port" (Cisco, autonegociação). Os sintomas que a Cisco lista são "slow performance, intermittent connectivity, data link errors, and other issues" (documento 17053) e pioram com carga, e é por isso que a falha pode passar meses despercebida numa porta com pouco tráfego.

A correção é uma regra que vale para as duas pontas, nunca para uma só: "Always set both sides of the connection to auto- speed/duplex or set the speed/duplex manually on both sides" (Cisco, documento 12027), e a recomendação atual da Cisco é "to leave auto-negotiation on for those devices compliant with 802.3u" (Cisco, autonegociação). Fixar uma ponta e deixar a outra em auto é a única configuração que com certeza dá errado.

Para lembrar

  • Leia o nome: velocidade, BASE, letras do meio e da codificação, número de lanes. 100GBASE-SR4 é multimodo de curto alcance, com quatro lanes.
  • O par trançado alcança 100 metros em todas as velocidades; o que muda é a categoria do cabo, Categoria 6A no caso do 10GBASE-T.
  • O full duplex acabou com as colisões; de 10 Gb/s em diante, a Ethernet é só full duplex.
  • No cobre, a autonegociação é obrigatória do Gigabit para cima. A fibra de velocidade fixa não negocia velocidade.
  • Duplex mismatch: uma ponta fixa, a outra em auto. Late collisions (colisões tardias) e erros de FCS no lado half duplex, runts no lado full duplex. Configure as duas pontas do mesmo jeito.

Fontes