Fast ve Gigabit Ethernet Teknolojilerinde CAT ve Fiber Kablo Türleri

Ethernet, cihazların aynı Network üzerinde veri çerçevelerini (Frame) nasıl paylaşacağını ve bu çerçevelerin fiziksel ortamda nasıl taşınacağını tanımlayan, IEEE 802.3 standardı altında geliştirilen bir Network teknolojisidir. İlk olarak 1970'lerde Xerox'un Palo Alto Research Center (PARC) laboratuvarında Robert Metcalfe ve ekibi tarafından geliştirildi. Bugün Local Area Network (LAN) altyapılarının neredeyse tamamı Ethernet üzerinde çalışır, Metro Ethernet gibi uygulamalarla da LAN dışına taşınmıştır.

Ethernet'i tek bir hız veya kablo tipiyle sınırlı düşünmemek gerekir. IEEE 802.3 altında 10BASE-T (10 Mbps), 100BASE-TX (100 Mbps), 1000BASE-T (1 Gbps), 10GBASE-T (10 Gbps) gibi bakır kablo standartları ile 100BASE-FX, 1000BASE-SX ve 40GBASE-LR4 gibi Fiber standartları birlikte tanımlanır. Bu makalede Fast Ethernet ve Gigabit Ethernet'in bakır ve Fiber üzerindeki çalışma biçimini, CAT kablo kategorilerinin bu standartlarla ilişkisini ve kablo seçiminde dikkat edilmesi gereken sınırları anlatıyorum.

1- Fast Ethernet Teknolojisi

Fast Ethernet, 10 Mbps Ethernet'in yetersiz kalmaya başladığı dönemde, 1995 yılında IEEE 802.3u standardıyla tanımlandı. 100 Mbps veri hızı sunar ve Ethernet Frame yapısını değiştirmediği için 10 Mbps cihazlarla aynı Network'te çalışabilir. Bakır kablo üzerinde 100BASE-TX, Fiber üzerinde ise 100BASE-FX standardıyla uygulanır.

⚙️ Çalışma Prensipleri

Ethernet iki farklı iletim modunda çalışabilir. Half-Duplex modda bir cihaz aynı anda ya veri gönderir ya da alır ve aynı ortamı paylaşan cihazların çerçeveleri çakışabilir. Bu modda çakışmaları yönetmek için CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) kullanılır: cihaz göndermeden önce hattı dinler, çakışma algılarsa gönderimi durdurur ve rastgele bir süre bekledikten sonra yeniden dener.

Full-Duplex modda ise gönderim ve alım ayrı yollardan aynı anda yapılır. Switch'e doğrudan bağlı bir cihazda çakışma oluşmadığı için CSMA/CD devre dışı kalır ve bağlantı her iki yönde de tam hızda çalışır. Bugün Switch tabanlı Network'lerde Fast Ethernet bağlantılarının neredeyse tamamı Full-Duplex modda çalışır.

İki cihazın hangi hızda ve hangi Duplex modunda çalışacağını Auto-Negotiation belirler. Bağlantı kurulurken iki taraf desteklediği hızları ve modları karşılıklı bildirir ve ortak en yüksek değerde anlaşır. Bir tarafın sabit ayarlanıp diğerinin Auto-Negotiation'da bırakılması, Duplex Mismatch denen ve yoğun paket kaybına yol açan bir duruma neden olabilir.

1.1- CAT Üzerinde Fast Ethernet

Fast Ethernet'in çift bükümlü bakır kablo (Twisted Pair) üzerindeki uygulaması 100BASE-TX standardıdır ve uzun yıllar boyunca LAN altyapılarının standart bağlantı tipi oldu. Kablodaki dört tel çiftinden yalnızca ikisini kullanır ve en az CAT5 kablo gerektirir.

100BASE-TX'in kablo kategorilerine göre çalışabildiği en fazla mesafe aşağıdaki tabloda yer alır.

1.2- 100BASE-TX'de Tel Çiftlerinin Kullanımı

100BASE-TX'de her tel çifti tek bir yönde veri taşır. Bir çift gönderim (TX), diğer çift alım (RX) için ayrılır ve her çiftin bir artı (+) ve bir eksi (-) ucu vardır. Sinyal bu iki uç arasındaki gerilim farkı olarak taşınır, böylece iki tele aynı anda binen gürültü birbirini sıfırlar.

Tablo, bilgisayar ağ kartının bakış açısını gösterir. Ağ kartı MDI olarak çalışır ve 1-2 çiftinden gönderip 3-6 çiftinden alır. Switch Port'u ise MDI-X olarak çalışır ve aynı çiftleri ters yönde kullanır, yani 1-2 çiftinden alıp 3-6 çiftinden gönderir. Bu sayede düz (Straight-Through) bir kabloda bilgisayarın gönderdiği sinyal doğrudan Switch'in alım çiftine ulaşır. İki benzer cihaz, örneğin iki bilgisayar veya iki Switch bağlanacaksa eskiden Crossover kablo gerekiyordu. Bugün cihazların büyük çoğunluğu Auto MDI-X desteklediği için çiftleri otomatik olarak yer değiştirir ve kablo tipine bakmaksızın bağlantı kurulur.

1.3- 100BASE-TX'de Kodlama ve Frekans

100 Mbps'lik veri akışı kabloya doğrudan gönderilmez, iki kodlama aşamasından geçer. İlk aşamada 4B/5B kodlaması her 4 bitlik veriyi 5 bitlik bir sembole dönüştürür. Bu dönüşüm, uzun süre aynı seviyede kalan sinyalleri engelleyerek alıcının saat senkronizasyonunu korur. Bedeli ise hat hızının 100 Mbps'ten 125 Mbaud'a çıkmasıdır.

125 Mbaud'luk sinyal iki seviyeli olarak iletilseydi sinyal enerjisi çok daha yüksek frekanslara yayılırdı. İkinci aşamada MLT-3 (Multi-Level Transmit 3) kodlaması devreye girer. MLT-3 sinyali üç seviye arasında (-1, 0, +1) sırayla dolaştırır ve en hızlı değişen bit dizisinde bile tam bir sinyal döngüsü dört sembol sürer. Bu nedenle sinyalin temel frekansı 125 / 4 = yaklaşık 31.25 MHz'e iner.

100 Mbps veri  →  4B/5B kodlama  →  125 Mbaud hat hızı  →  MLT-3 kodlama  →  ~31.25 MHz temel frekans

31.25 MHz, kodlamanın sinyal frekansını nasıl düşürdüğünü göstermek için kullanılan karakteristik bir değerdir, sinyalin tek frekansı değildir. Gerçek sinyal, harmonikleriyle birlikte yaklaşık 80 MHz'e kadar uzanan bir spektrum kaplar. Bu spektrum, CAT5'in çift başına 100 MHz'e kadar tanımlı performans aralığının içinde kalır.

Spektrum her tel çifti için ayrı ayrı geçerlidir ve çiftler arasında toplanmaz. Gönderim çifti ve alım çifti aynı frekans bandını, birbirinden ayrı iki fiziksel yol üzerinde kullanır. Her yöndeki 100 Mbps, yalnızca o yöne ait tek çift üzerinden taşınır.

1.4- Fiber Üzerinde Fast Ethernet

Fast Ethernet'in Fiber üzerindeki uygulaması 100BASE-FX standardıdır. Bakır kablonun 100 m sınırını aşmak gereken binalar arası bağlantılarda ve elektromanyetik parazitin yoğun olduğu üretim sahalarında tercih edilir. Fiber dielektrik bir ortam olduğu için motorlar ve yüksek gerilim hatları gibi kaynakların oluşturduğu parazitten etkilenmez.

IEEE 802.3u, 100BASE-FX'i yalnızca Multimode Fiber için tanımlar. İletim 1300 nm dalga boyunda yapılır ve her biri tek yönde çalışan iki Fiber kullanılır. Fiber türleri ve OM sınıfları hakkında ayrıntılı bilgiyi Fiber Optik Kablo makalemde bulabilirsin.

2 km değeri Full-Duplex çalışma için geçerlidir. Half-Duplex modda CSMA/CD'nin çakışmayı zamanında algılayabilmesi gerektiği için mesafe birkaç yüz metreye iner. Singlemode Fiber üzerinde 100 Mbps gerekiyorsa 100BASE-FX değil, IEEE 802.3ah ile tanımlanan 100BASE-LX10 veya üretici tanımlı uzun mesafe optikleri kullanılır.

2- Gigabit Ethernet Teknolojisi

Gigabit Ethernet, 100 Mbps'in omurga bağlantılarında ve sunucu Port'larında darboğaz oluşturmaya başladığı dönemde tanımlandı. Her yönde 1 Gbps veri hızı sunar ve Ethernet Frame yapısını koruduğu için 10 ve 100 Mbps cihazlarla aynı Network'te çalışabilir. Bakır kablo üzerinde 1000BASE-T, Fiber üzerinde ise 1000BASE-SX ve 1000BASE-LX standartlarıyla uygulanır.

⚙️ Çalışma Prensipleri

Gigabit Ethernet standartlarında Half-Duplex mod ve CSMA/CD tanımlıdır, ancak pratikte kullanılmaz. Gigabit hızında çakışma alanı o kadar küçülür ki standart, Half-Duplex için Carrier Extension gibi ek mekanizmalar getirmek zorunda kalmıştır. Sahadaki Gigabit bağlantıların tamamına yakını Switch üzerinden Full-Duplex modda çalışır.

1000BASE-T'de Auto-Negotiation yalnızca hız ve Duplex modunu belirlemek için değil, bağlantının iki ucundan hangisinin Master, hangisinin Slave olacağını belirlemek için de kullanılır. Master taraf kendi saat kaynağıyla çalışır, Slave taraf ise saatini gelen veri akışından çıkarır. Bu ilişki Auto-Negotiation olmadan kurulamaz. Bu yüzden bir Port'u 1000 Mbps'e sabitlemek, Auto-Negotiation'ı açık bırakıp yalnızca 1000BASE-T yeteneğini duyurarak yapılır. Auto-Negotiation tamamen kapatılırsa 1000BASE-T bağlantısı kurulmaz.

2.1- CAT Üzerinde Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet'in çift bükümlü bakır kablo üzerindeki uygulaması 1000BASE-T standardıdır. 1999'da IEEE 802.3ab ile tanımlandı ve mevcut bakır kablo altyapıları üzerinde çalışabilmesi sayesinde Gigabit Ethernet'in masaüstüne kadar yayılmasını sağladı. 100BASE-TX'ten farklı olarak kablodaki dört tel çiftinin tamamını kullanır ve her çift aynı anda iki yönde veri taşır. Her çift 250 Mbps taşır ve dört çift birlikte her yönde 1 Gbps sağlar.

Aynı çift üzerinde aynı anda gönderim ve alım yapılabilmesi Hybrid devreler ve Echo Cancellation sayesinde mümkündür. Her uç, kendi gönderdiği sinyalin hattan geri dönen yansımasını bildiği için bunu alınan sinyalden çıkarır ve karşı taraftan gelen veriyi ayırır. Sinyal, beş seviyeli PAM-5 kodlamasıyla her çiftte 125 Mbaud hızında taşınır. Bu sembol hızının yarısı olan 62.5 MHz, kodlamayı açıklamak için kullanılan karakteristik değerdir. PAM-5 sinyalinin iletim spektrumu ise 80 MHz'in altında kalacak şekilde tasarlanmıştır.

1 Gbps veri  →  4 çifte dağıtım  →  çift başına 250 Mbps  →  PAM-5, 125 Mbaud  →  80 MHz altında spektrum

1000BASE-T'de dört çiftin aynı anda iki yönde kullanılması, çiftler arasındaki uzak uç Crosstalk'ı (ELFEXT) ve yansıma kaybını (Return Loss) önemli hale getirir. CAT5e bu değerleri de tanımlayan ilk kategori olduğu için 1000BASE-T için gereken en düşük kablo kategorisidir.

1000BASE-T'nin kablo kategorilerine göre çalışabildiği en fazla mesafe aşağıdaki tabloda yer alır.

2.2- 1000BASE-T'de Tel Çiftlerinin Kullanımı

1000BASE-T'de çiftler gönderim ve alım olarak ayrılmaz. 100BASE-TX'de her çift tek yönde çalıştığı için TX ve RX olarak adlandırılır. 1000BASE-T'de ise her çift aynı anda hem gönderir hem alır, bu yüzden IEEE 802.3 çiftlere TX veya RX yerine ayrı bir ad verir.

Bu adlar üç parçadan oluşur ve her parça ayrı bir bilgi taşır.

Böylece BI_DA "A çifti üzerindeki çift yönlü veri", BI_DB ise "B çifti üzerindeki çift yönlü veri" anlamına gelir.

Aşağıdaki tablo bilgisayar ağ kartı (MDI) tarafını gösterir. Switch Port'unda (MDI-X) ise aynı pinler farklı harflerle adlandırılır. Bilgisayarda BI_DA olan 1-2 pinleri Switch'te BI_DB olur, bilgisayarda BI_DB olan 3-6 pinleri ise Switch'te BI_DA olur. Aynı yer değiştirme 4-5 ve 7-8 pinlerinde de geçerlidir ve bu pinler Switch'te sırasıyla BI_DD ve BI_DC olarak adlandırılır. Bu sayede bir ucun A çifti karşı ucun A çiftine bağlanır. Bu eşleşmeyi bugün Auto MDI-X otomatik olarak yapar.

Dört çiftin tamamı kullanıldığı için tek bir çiftteki kopukluk veya hatalı sonlandırma, 1000BASE-T bağlantısının kurulmasını engeller. Bu durumda bağlantı çoğu zaman yalnızca iki çifte ihtiyaç duyan 100 Mbps'e düşer. Gigabit Port'larda 100 Mbps bağlantı görmek, kablolamada bir çiftin sorunlu olduğunu gösteren tipik bir belirtidir.

2.3- PoE ve Tel Çiftleri

PoE (Power over Ethernet), IP telefon, kamera veya Access Point gibi cihazlara elektriği ayrı bir adaptör yerine aynı Ethernet kablosu üzerinden vermeyi sağlar. Gücü veren taraf genellikle Switch, gücü alan taraf ise bağlı cihazdır.

Sahada sık duyulan "iki çift veri, iki çift elektrik" bilgisi yalnızca 100BASE-TX için geçerlidir. 100BASE-TX sekiz telin sadece dördünü, yani 1-2 ve 3-6 çiftlerini kullanır. Geriye kalan 4-5 ve 7-8 çiftleri boş durduğu için elektrik bu boş çiftlerden verilebilir. 1000BASE-T'de ise boş çift yoktur, çünkü dört çiftin dördü de veri taşır. Bu durumda elektrik, veri taşıyan çiftlerin üzerinden verilir.

Aynı çift üzerinden hem veri hem elektrik taşınabilmesinin nedeni, ikisinin teli farklı şekilde kullanmasıdır. Veri, çiftin iki teli arasındaki gerilim farkı olarak taşınır. Elektrik ise çiftin iki teline aynı gerilimle birlikte uygulanır. İki tele eşit binen gerilim aradaki farkı değiştirmediği için veri bundan etkilenmez. Bu yönteme Phantom Power denir.

PoE standardı elektriğin kabloda iki farklı yoldan verilebileceğini tanımlar. Birinci yolda elektrik 1-2 ve 3-6 pinlerinden verilir. Standart bu yola Alternative A der. İkinci yolda ise elektrik 4-5 ve 7-8 pinlerinden verilir ve bu yolun standarttaki adı Alternative B'dir. Hangi yolun kullanılacağına gücü veren Switch karar verir, bağlı cihaz ikisini de kabul edecek şekilde tasarlanır. Daha yüksek güç gereken durumlar için tanımlanan IEEE 802.3bt ise iki yolu aynı anda kullanır ve elektriği sekiz pinin tamamından verir. Aşağıdaki tablo, her yolda elektriğin verildiği pinlerin o sırada veri taşıyıp taşımadığını gösterir.

Tablodan çıkan sonuç şudur. 100BASE-TX'de elektrik boş çiftlerden de verilebilir, 1000BASE-T'de ise her durumda veri taşıyan çiftlerden verilir. İki durumda da Phantom Power sayesinde veri iletimi etkilenmez.

2.4- Fiber Üzerinde Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet'in Fiber üzerindeki uygulaması 1000BASE-SX ve 1000BASE-LX standartlarıdır. Bu standartlar, 1000BASE-T'den bir yıl önce, 1998'de IEEE 802.3z ile tanımlandı ve Gigabit Ethernet'in ilk standartları oldu. 1000BASE-SX 850 nm'de Multimode Fiber üzerinde kısa mesafeli bağlantılar için, 1000BASE-LX ise 1310 nm'de hem Singlemode hem de Multimode Fiber üzerinde çalışır. Aynı standart, kısa mesafeli ekranlı bakır bağlantılar için 1000BASE-CX'i de tanımladı.

1000BASE-LX'in OM1 ve OM2 Multimode Fiber üzerinde kullanılması için Mode Conditioning Patch Cord gerekir. Bu konuyu ve Fiber üzerindeki diğer Ethernet standartlarının mesafelerini Fiber Optik Kablo makalemde ayrıntılı olarak anlattım.

3- CAT Kablo Kategorileri ve Desteklenen Ethernet Standartları

Kablo kategorisi ile Ethernet standardı birbirinden farklı şeylerdir ve farklı kuruluşlar tarafından tanımlanır. CAT5e, CAT6 veya CAT6a gibi kategoriler, kablonun belirli bir frekansa kadar zayıflama, Crosstalk ve yansıma açısından hangi performansı sağlayacağını tanımlar. Bu tanımlar TIA-568 ve ISO/IEC 11801 standartlarında yer alır. 1000BASE-T veya 10GBASE-T gibi Ethernet standartları ise IEEE 802.3 altında tanımlanır ve verinin bu kablo üzerinden nasıl taşınacağını belirler.

Ethernet hızı arttıkça sinyalin kapladığı frekans aralığı da genişler ve her standart bu aralığı karşılayabilen bir kablo kategorisini hedef alır. Bu yüzden doğru soru "bu kablo kaç Gbps?" değil, "bu kablo kategorisi hangi Ethernet standardını hangi mesafede destekler?" olmalıdır. Aşağıdaki tablo her kategorinin her standardı en fazla hangi mesafede taşıdığını gösterir. Tire işareti, o kategorinin o standardı desteklemediği anlamına gelir.

Tablodaki 2.5GBASE-T ve 5GBASE-T, 1 Gbps ile 10 Gbps arasındaki boşluğu doldurmak için 2016'da IEEE 802.3bz ile tanımlanan ve sahada Multi-Gigabit olarak da bilinen standartlardır. Wi-Fi Access Point'lerin 1 Gbps'i aşan bağlantı ihtiyacına, mevcut kabloyu değiştirmeden çözüm olarak geliştirildiler. Uygun kanal koşulları sağlandığında CAT5e üzerinde 100 m'de çalışmayı hedeflerler, ancak yoğun kablo demetlerinde bu hızların sahada doğrulanması gerekir.

CAT6 üzerinde 10GBASE-T çalışabilir, ancak yan yana döşenen kablolar arasındaki Alien Crosstalk nedeniyle erişilebilir mesafe kablo demetinin yoğunluğuna göre 37 ile 55 m arasında değişir. 10 Gbps hedeflenen yeni kurulumlarda bu yüzden CAT6a tercih edilir. CAT6a, Alien Crosstalk değerlerini de tanımına dahil eder ve hem ekranlı hem ekransız olarak üretilir.

CAT7, ISO/IEC 11801'deki Class F sınıfına karşılık gelir. Her tel çifti ayrı folyo ile ekranlanır, genel ekran ise üreticiye göre örgü (S/FTP) veya folyo (F/FTP) olabilir. Ethernet tarafında CAT6a'nın ötesinde bir standart sunmaz.

CAT8, IEEE 802.3bq ile tanımlanan 25GBASE-T ve 40GBASE-T için geliştirilmiştir. Bu standartların sinyali çok yüksek frekansta çalışır ve kablodaki zayıflama frekans arttıkça hızla büyür. 25 Gbps ve 40 Gbps hızlarını koruyabilmek için Channel uzunluğu 30 m ile sınırlandırılmıştır.

4- Doğru Kablo ve Standardın Seçilmesi

Fast Ethernet'ten Gigabit Ethernet'e geçiş, kullanılan tel çifti sayısını ikiden dörde çıkardı ve her çifti çift yönlü hale getirdi. 10GBASE-T ve sonrasında ise sinyal spektrumu yüzlerce MHz'e uzandığı için kablonun kategorisi, sonlandırma kalitesi ve kabloların birbirine olan etkisi doğrudan bağlantının kurulup kurulmayacağını belirler hale geldi.

Yeni bir kablolama projesinde kategori seçimini bugünkü Port hızına göre değil, kablonun ömrü boyunca taşıyacağı en yüksek hıza göre yapıyorum. Masaüstü bağlantılarında CAT6 çoğu senaryoda 1 Gbps ile 5 Gbps arasındaki hızlar için yeterli pay sunar. 10 Gbps beklenen sunucu ve Access Point bağlantılarında CAT6a, veri merkezi içindeki kısa ve çok yüksek hızlı bağlantılarda ise CAT8 veya Fiber doğru seçimdir. Dört çiftli BASE-T bağlantılarında Channel sınırı 100 m olduğu için bu mesafeyi aşan LAN bağlantılarında yaygın tercih Fiber'dir.

Faydalı olması dileğiyle...