Поточна версія на 09:28, 4 січня 2013

Високошвидкісна технологія Gigabit Ethernet

Загальна характеристика стандарту

Досить швидко після появи на ринку продуктів Fast Ethernet мережеві інтегратори й адміністратори відчули певні обмеження при побудові корпоративних мереж. У багатьох випадках сервери, підключені по 100-мегабітного каналу, перевантажували магістралі мереж, що працюють також на швидкості 100 Мбіт/с — магістралі FDDI і Fast Ethernet. Відчувалася потреба в наступному рівні ієрархії швидкостей. У 1995 році більш високий рівень швидкості могли надати тільки комутатори ATM, а при відсутності в той час зручних засобів міграції цієї технології в локальні мережі (хоча специфікація LAN Emulation — LANE була прийнята на початку 1995 року, практична її реалізація була по переду) впроваджувати їх у локальну мережу майже ніхто не зважувався. Крім того, технологія ATM відрізнялася дуже високим рівнем вартості.

Тому логічним виглядав наступний крок, зроблений IEEE, — через 5 місяців після остаточного прийняття стандарту Fast Ethernet у червні 1995 року дослідницькій групі по вивченню високошвидкісних технологій IEEE було запропоновано зайнятися розглядом можливості вироблення стандарту Ethernet із ще більш високою бітовою швидкістю.

Влітку 1996 року було оголошено про створення групи 802.3z для розробки протоколу, максимально подібного Ethernet, але з бітовою швидкістю 1000 Мбіт/с. Як і у випадку Fast Ethernet, повідомлення було сприйнято прихильниками Ethernet з великим ентузіазмом.

Основною причиною ентузіазму була перспектива такого ж плавного перекладу магістралей мереж на Gigabit Ethernet, подібно тому, як були переведені на Fast Ethernet перевантажені сегменти Ethernet, розташовані на нижніх рівнях ієрархії мережі. До того ж досвід передачі даних на гігабітних швидкостях уже мався, як у територіальних мережах (технологія SDH), так і в локальних — технологія Fibre Channel, що використовується в основному для підключення високошвидкісної периферії до великих комп'ютерів і передав дані по волоконно-оптичному кабелі зі швидкістю, близької до гігабітної, за допомогою надлишкового коду 8В/10В.

В утворений для узгодження зусиль у цій області Gigabit Ethernet Alliance із самого початку ввійшли такі флагмани галузі, як Bay Networks, Cisco Systems і 3Com. За рік свого існування кількість учасників Gigabit Ethernet Alliance істотно зросла і нараховує зараз більше сотні. Як перший варіант фізичного рівня був прийнятий рівень технології Fiber Channel, з її кодом 8В/10В (як і у випадку Fast Ethernet, коли для прискорення робіт був прийнятий відпрацьований фізичний рівень FDDI).

Перша версія стандарту була розглянута в січні 1997 року, а остаточно стандарт 802.3z був прийнятий 29 червня 1998 року на засіданні комітету IEEE 802.3. Роботи з реалізації Gigabit Ethernet на кручений парі категорії 5 були передані спеціальному комітету 802.3ab, що вже розглянув кілька варіантів проекту цього стандарту, причому з липня 1998 року проект придбав досить стабільний характер.

Не чекаючи прийняття стандарту, деякі компанії випустили перше устаткування Gigabit Ethernet на оптоволоконому кабелі вже до літа 1997 року.

Основна ідея розробників стандарту Gigabit Ethernet складається в максимальному збереженні ідей класичної технології Ethernet при досягненні бітової швидкості в 1000 Мбіт/с.

Тому що при розробці нової технології природно очікувати деяких технічних новинок, що йдуть у загальному руслі розвитку мережних технологій, те важливо відзначити, що Gigabit Ethernet, так само як і його менш швидкісні побратими, на рівні протоколу не буде підтримувати:

• якість обслуговування;

• надлишкові зв'язки;

• тестування працездатності вузлів і устаткування (в останньому випадку — за виключенням тестування зв'язку порт — порт, як це робиться для Ethernet l0Base-T і l0Base-F і Fast Ethernet).

Всі три названих властивості вважаються дуже перспективними і корисними в сучасних мережах, а особливо в мережах найближчого майбутнього. Чому ж автори Gigabit Ethernet відмовляються від них?

З приводу якості обслуговування коротко можна відповісти так: “сила є — розуму не потрібно”. Якщо магістраль мережі буде працювати зі швидкістю в 20 000 разів перевищуючої середню швидкість мережної активності клієнтського комп'ютера й у 100 разів перевищуючої середню мережну активність сервера з мережним адаптером 100 Мбіт/с, то про затримку пакетів на магістралі в багатьох випадках можна не піклуватися взагалі. При невеликому коефіцієнті завантаження магістралі 1000 Мбіт/с черги в комутаторах Gigabit Ethernet будуть невеликими, а час буферизації і комутації на такій швидкості складає одиниці і навіть частки мікросекунд.

Ну а якщо все-таки магістраль буде завантажена на достатню величину, то пріоритет чуттєвому до затримок чи вимогливому до середньої швидкості трафіку можна надати за допомогою техніки пріоритетів у комутаторах — відповідні стандарти для комутаторів уже прийняті (вони будуть розглядатися в наступній главі). Зате можна буде користатися дуже простою (майже як Ethernet) технологією, принципи роботи якої відомі практично всім мережевим фахівцям. Головна ідея розробнків технології Gigabit Ethernet полягає в тому, що існує і буде існувати дуже багато мереж, у яких висока швидкість магістралі і можливість призначення пакетам пріоритетів у комутаторах будуть цілком достатні для забезпечення якісного транспортного обслуговування всіх клієнтів мережі. І тільки в тих рідких випадках, коли і магістраль досить завантажена, і вимоги до якості обслуговування дуже тверді, потрібно застосовувати технологію ATM, що дійсно за рахунок високої технічної складності дає гарантії якості обслуговування для всіх основних видів трафіка.

Надлишкові зв'язки і тестування устаткування не будуть підтримуватися технологією Gigabit Ethernet через те, що з цими задачами добре справляються протоколи більш високих рівнів, наприклад Spanning Tree, протоколи маршрутизації і т.п. Тому розробники технології вирішили, що нижній рівень просто повинен швидко передавати дані, а більш складні і задачі що рідко зустрічаються (наприклад, пріоритезація трафіка) повинні передаватися верхнім рівням.

Що ж загального мається в технології Gigabit Ethernet у порівнянні з технологіями Ethernet і Fast Ethernet?

Зберігаються усі формати кадрів Ethernet.

Як і раніше будуть існувати напівдуплексна версія протоколу, що підтримує метод доступу CSMA/CD, і повнодуплексна версія, що працює з комутаторами. З приводу збереження напівдуплексної версії протоколу сумніву були ще в розробників Fast Ethernet, тому що складно змусити працювати алгоритм CSMA/CD на високих швидкостях. Однак метод доступу залишився незмінним у технології Fast Ethernet, і його вирішили залишити в новій технології Gigabit Ethernet. Збереження недорогого рішення для поділюваних середовищ дозволить застосувати Gigabit Ethernet у невеликих робочих групах, які мають швидкі сервери і робочі станції.

Підтримуються всі основні види кабелів, що використовуються в Ethernet і Fast Ethernet: волоконно-оптичний, кручена пара категорії 5, коаксіал. Проте розробникам технології Gigabit Ethernet для збереження наведених вище властивостей довелося внести зміни не тільки у фізичний рівень, як це було у випадку Fast Ethernet, але й у рівень MAC.

Перед розробниками стандарту Gigabit Ethernet стояли важкі проблеми. Однієї з них була задача забезпечення прийнятного діаметра мережі для напівдуплексного режиму роботи. У зв'язку з обмеженнями, що накладаються методом CSMA/CD на довжину кабелю, версія Gigabit Ethernet для поділюваного середовища допускала би довжину сегмента усього в 25 метрів при збереженні розміру кадрів і всіх параметрів методу CSMA/CD незмінними. Тому що існує велика кількість застосувань, коли потрібно підвищити діаметр мережі хоча б до 200 метрів, необхідно було якимсь чином вирішити цю задачу за рахунок мінімальних змін у технології Fast Ethernet.

Іншою і найскладнішою задачею було досягнення бітової швидкості 1 000 Мбіт/с на основних типах кабелів. Навіть для оптоволокна досягнення такої швидкості представляє деякі проблеми, тому що технологія Fibre Channel, фізичний рівень якої було взято за основу для оптоволоконой версії Gigabit Ethernet, забезпечує швидкість передачі даних всього в 800 Мбіт/с (бітова швидкість на лінії дорівнює в цьому випадку приблизно 1 000 Мбіт/с, але при методі кодування 8В/10В корисна бітова швидкість на 25 % менше швидкості імпульсів на лінії).

І нарешті, сама складна задача — підтримка кабелю на кручений парі. Така задача на перший погляд здається нерозв'язною — адже навіть для 100-мегабітних протоколів довелося використовувати досить складні методи кодування, щоб укласти спектр сигналу в смугу пропущення кабелю. Однак успіхи фахівців з кодування, що проявилися останнім часом у нових стандартах модемів, показали, що задача має шанси на розв'язання. Щоб не гальмувати прийняття основної версії стандарту Gigabit Ethernet, що використовує оптоволокно і коаксіал, був створений окремий комітет 802.Заb, що займається розробкою стандарту Gigabit Ethernet на кручений парі категорії 5.

Всі ці задачі були успішно вирішені.

Засіб забезпечення діаметра мережі в 200 м на поділюваному середовищі

Для розширення максимального діаметра мережі Gigabit Ethernet у напівдуплексному режимі до 200 м розробники технології почали досить природні міри, що ґрунтуються на відомому співвідношення часу передачі кадру мінімальної довжини і часом подвійного оберту.

Мінімальний розмір кадру був збільшений (без обліку преамбули) з 64 до 512 байт чи до 4096 bt. Відповідно, час подвійного оберту тепер також можна було збільшити до 4095 bt, що робить припустимим діаметр мережі близько 200 м при використанні одного повторювача. При подвійній затримці сигналу в 10 bt/m оптоволоконі кабелі довжиною 100 м вносять вклад під час подвійного оберту по 1000 bt, і якщо повторювач і мережні адаптери будуть вносити такі ж затримки, як у технології Fast Ethernet (дані них наводилися в попередньому розділі), то затримка повторювача в 1 000 bt і пари мережних адаптерів у 1 000 bt дадуть у сумі час подвійного обороту 4 000 bt, що задовольняє умові розпізнавання колізій. Для збільшення довжини кадру до необхідної в новій технології величини мережний адаптер повинний доповнити поле даних до довжини 448 байт так названим розширенням (extention), що представляє собою поле, заповнене забороненими символами коду 8В/10В, що неможливо прийняти за коди даних.

Для скорочення накладних витрат при використанні занадто довгих кадрів для передачі коротких квитанцій розробники стандарту дозволили кінцевим вузлам передавати кілька кадрів підряд, без передачі середовища іншим станціям. Такий режим одержав назву Burst Mode — монопольний пакетний режим. Станція може передати підряд кілька кадрів із загальною довжиною не більш 65 536 чи біт 8 192 байт. Якщо станції потрібно передати кілька невеликих кадрів, то вона може не доповнювати їх до розміру в 512 байт, а передавати підряд до вичерпання межі в 8 192 байт (у цю межу входять усі байти кадру, в тому числі преамбула, заголовок, дані і контрольна сума). Межа 8 192 байт називається BurstLength. Якщо станція почала передавати кадр і межа BurstLength була досягнута в середині кадру, то кадр дозволяється передати до кінця.

Збільшення "сполученого" кадру до 8 192 байт трохи затримує доступ до поділюваного середовища інших станцій, але при швидкості 1 000 Мбіт/с ця затримка не настільки істотна.

Специфікації фізичного середовища стандарту 802.3z

У стандарті 802.3z визначені наступні типи фізичного середовища:

• одномодовий волоконно-оптичний кабель;

• багатомодовий волоконно-оптичний кабель 62,5/125;

• багатомодовий волоконно-оптичний кабель 50/125;

• подвійний коаксіал з хвильовим опором 75 Ом.

Багатомодовий кабель

Для передачі даних по традиційному для комп'ютерних мереж багатомодовому волоконно-оптичному кабелю стандарт визначає застосування випромінювачів, що працюють на двох довжинах хвиль: 1300 і 850 нм. Застосування світодіодів з довжиною хвилі 850 нм пояснюється тим, що вони набагато дешевші, ніж світодіоди, які працюють на хвилі 1300 нм, хоча при цьому максимальна довжина кабелю зменшується, тому що загасання багатомодового оптоволокна на хвилі 850 м більш ніж у два рази вище, ніж на хвилі 1300 нм. Однак можливість здешевлення надзвичайно важлива для такої в цілому дорогої технології, як Gigabit Ethernet.

Для багатомодового оптоволокна стандарт 802.3z визначив специфікації l000Base-SX і l000Base-LX.

У першому випадку використовується довжина хвилі 850 нм (S означає Short Wavelength, коротка хвиля), а в другому — 1300 нм (L — від Long Wavelength, довга хвиля).

Для специфікації l000Base-SX гранична довжина оптоволоконого сегмента для кабелю 62,5/125 залишається 220 м, а для кабелю 50/125 — 500 м. Очевидно, що ці максимальні значення можуть досягатися тільки для повнодуплексної передачі даних, тому що час подвійного оберту сигналу на двох відрізках 220 м дорівнює 4 400 bt, що перевершує межу 4095 bt навіть без врахування повторювача і мережних адаптерів. Для напівдуплексної передачі максимальні значення сегментів оптоволоконого кабелю завжди повинні бути менше 100 м. Приведені відстані в 220 і 500 м розраховані для гіршого по стандарту випадку - смуги пропущення багатомодового кабелю, що знаходиться в межах від 160 до 500 МГц/км. Реальні кабелі звичайно мають значно кращі характеристики, які знаходяться між 600 і 1000 МГц/км. У цьому випадку можна збільшити довжину кабелю приблизно до 800 м.

Одномодовий кабель

Для специфікації l000Base-LX як джерело випромінювання завжди застосовується напівпровідниковий лазер з довжиною хвилі 1300 нм.

Основна область застосування стандарту l000Base-LX — це одномодовое оптоволокно. Максимальна довжина кабелю для одномодового волокна дорівнює 5 000 м.

Специфікація l000Base-LX може працювати і на багатомодовому кабелі. У цьому випадку гранична відстань виходить невеликою — 550 м. Це зв'язано з особливостями поширення когерентного світла в широкому каналі багатомодового кабелю. Для приєднання лазерного трансівера до багатомодовому кабелю необхідно використовувати спеціальний адаптер.

Твінаксіальний кабель

Як середовище передачі даних використовується високоякісний твінаксіальній кабель (Twinax) із хвильовим опором 150 Ом (2х75 Ом). Дані посилаються одночасно по парі провідників, кожний з який оточений екрануючою оплеткою. При цьому виходить режим напівдуплексної передачі. Для забезпечення повнодуплексної передачі необхідні ще дві пари коаксіальних провідників. Почався випускатися спеціальний кабель, що містить чотири коаксіальних провідники — так званий Quad-кабель. Він зовні нагадує кабель категорії 5 і має близький до нього зовнішній діаметр і гнучкість. Максимальна довжина твінаксіального сегмента складає всього 25 метрів, тому це рішення підходить для устаткування, розташованого в одній кімнаті.

Мережі FDDI.

Мережа FDDI (від англійського Fiber Distributed Data Interface) - це одна з новітніх розробок стандартів локальних мереж. Стандарт FDDI, запропонований Американським національним інститутом стандартів (ANSI), споконвічно орієнтувалася на високу швидкість передачі (100 Мбіт/с) і на застосування перспективного оптоволоконного кабелю (довжина хвилі світла - 850 нм). Тому в цьому випадку виробники не були стиснуті рамками стандартів, що орієнтувалися на низькі швидкості й електричний кабель.

МЕРЕЖІ 100VG-anyLAN

МЕРЕЖІ ATM

МЕРЕЖІ Fast Ethernet

МЕРЕЖІ Fibre Channel

Fibre Channel або FC - високошвидкісний інтерфейс передачі даних, використовуваний для взаємодії робочих станцій, мейнфреймів, суперкомп'ютерів і систем зберігання даних.

Порти пристроїв можуть бути підключені безпосередньо один до одного (point-to-point), бути включені в керовану петлю (arbitrated loop) або в комутовану мережу, звану «тканиною» (англ. fabric).

Fibre Channel Protocol (FCP) - транспортний протокол (як TCP в IP-сетях), який, як правило, доставляє команди SCSI по мережах Fibre Channel'. Може використовуватися як несучим і для інших протоколів - наприклад, АТМ, IP, HIPPI і інших.

Підтримується як оптичне, так і електричне середовище (вита пара, коаксіальний або твинаксиальний кабелі, а також багатомодове або одномодове волокно), із швидкістю передачі даних від 133 мегабіт/с до 10 гігабіт/с на відстані до 50 кілометрів.