Gigabit Ethernet e come funziona (una guida per il 2022)

Gigabit Ethernet consente trasferimenti di rete fino a 1.000 Mbps utilizzando il cablaggio standard Cat 5 UTP (doppino intrecciato non schermato). Come è possibile ottenere ciò, dal momento che i cavi Cat 5 possono funzionare solo fino a 100 Mbps? Spiegheremo questo ed anche altri argomenti molto interessanti riguardanti le prestazioni Gigabit Ethernet.

I cavi Ethernet Cat 5 hanno otto fili (quattro coppie), ma con gli standard 10BaseT e 100BaseT (rispettivamente 10 Mbps e 100 Mbps) vengono effettivamente utilizzati solo quattro (due coppie) di questi cavi. Una coppia viene utilizzata per trasmettere i dati e l'altra coppia viene utilizzata per ricevere i dati.

Lo standard Ethernet utilizza una tecnica contro il rumore elettromagnetico chiamata cancellazione. Quando la corrente elettrica viene applicata a un filo, genera un campo elettromagnetico attorno al filo. Se questo campo è sufficientemente forte, può creare interferenze elettriche sui cavi adiacenti, corrompendo i dati che venivano trasmessi lì. Questo problema è chiamato diafonia.

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Ciò che fa la cancellazione è trasmettere lo stesso segnale due volte, con il secondo segnale "specchiato" (polarità invertita) rispetto al primo, come puoi vedere nella Figura 1. Quindi quando riceve i due segnali, il dispositivo ricevente può confrontare i due segnali, che devono essere uguali ma “specchiati”. La differenza tra i due segnali è il rumore, rendendo molto semplice per il dispositivo ricevente sapere cos'è il rumore e scartarlo. Standard dei cavi “+TD” per la “Trasmissione dei dati” e standard dei cavi “+RD” per la “Ricezione dei dati”. “-TD” e “-RD” sono le versioni “mirrored” dello stesso segnale trasmesso rispettivamente su “+TD” e “+RD”.

Nello standard 10BaseT ogni bit che il computer vuole trasmettere è codificato fisicamente in un unico bit di trasmissione, cioè per un gruppo di otto bit trasmessi, verranno generati otto segnali sul cavo. La sua velocità di trasferimento di 10 Mbps significa che il suo clock è di 10 MHz, ma proprio perché ad ogni ciclo di clock viene trasmesso un singolo bit. Su altri standard questo è diverso.

100BaseT utilizza uno schema di codifica chiamato 8B/10B, in cui ciascun gruppo di otto bit è codificato in un segnale a 10 bit. Quindi, a differenza di 10BaseT, ogni bit non rappresenta direttamente un segnale sul cavo. Se si fanno i calcoli corretti, con una velocità di trasferimento dati di 100 Mbps, la frequenza di clock di 100BaseT è di 125 MHz (10/8 x 100). Pertanto, i cavi Cat 5 sono certificati per avere una velocità di trasmissione fino a 125 MHz.

Ciò che fa Gigabit Ethernet è cambiare la codifica. Invece di codificare ogni bit in un singolo segnale come 10BaseT o codificare ciascun gruppo di 8 bit in un segnale di 10 bit, codifica due bit per segnale. Pertanto, un segnale su un cavo Gigabit Ethernet rappresenta due bit, anziché un singolo bit. In altre parole, invece di utilizzare solo due tensioni su un segnale che rappresenta semplicemente “0” o “1”, utilizza quattro tensioni diverse, che rappresentano “00”, “01”, “10” e “11”. Inoltre, invece di utilizzando solo quattro fili del cavo, Gigabit Ethernet utilizza tutti i fili.

Inoltre, tutte le coppie vengono utilizzate in modo bidirezionale. Come abbiamo visto sopra, sia 10BaseT che 100BaseT utilizzano coppie diverse per la trasmissione e la ricezione; su 1000BaseT, come viene anche chiamato il cablaggio Gigabit Ethernet, le stesse coppie vengono utilizzate sia per la trasmissione che per la ricezione dei dati.

La bellezza di Gigabit Ethernet è che utilizza ancora la frequenza di clock 100BaseT/Cat 5 di 125 MHz, ma poiché vengono trasmessi più dati alla volta, la velocità di trasferimento è più elevata. Il calcolo è abbastanza semplice: 125 MHz x 2 bit per segnale (cioè per coppia di cavi) x 4 segnali per volta = 1.000 Mbps.

Questa tecnica di modulazione si chiama 4D-PAM5 e utilizza in realtà cinque tensioni (la quinta tensione viene utilizzata per il meccanismo di correzione degli errori).

Quindi è un errore affermare che Gigabit Ethernet funziona a 1.000 MHz. Non è così. Funziona a 125 MHz proprio come Fast Ethernet (100BaseT), ma raggiunge 1.000 Mbps perché trasmette due bit alla volta e utilizza le quattro coppie del cavo.

Nella tabella seguente è possibile verificare la piedinatura del cablaggio Gigabit Ethernet. “BI” sta per bidirezionale, mentre DA, DB, DC e DD stanno rispettivamente per “Dati A”, “Dati B”, “Dati C” e “Dati D”.