Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet

3.7.1. Общая характеристика стандарта

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, работающие также на ско­рости 100 Мбит/с — магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скоро­сти могли предоставить только коммутаторы ATM, а при отсутствии в то время удобных средств миграции этой технологии в локальные сети (хотя спецификация LAN Emulation — LANE была принята в начале 1995 года, практическая ее реализа­ция была впереди) внедрять их в локальную сеть почти никто не решался. Кроме того, технология ATM отличалась очень высоким уровнем стоимости.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE, — через 5 меся­цев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet в июне 1995 года ис­следовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности выработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью.

Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки про­токола, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

Основной причиной энтузиазма была перспектива такого же плавного перевода магистралей сетей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся, как в территориальных сетях (технология SDH), так и в локальных -

3.7. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet 253

технология Fibre Channel, которая используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к большим компьютерам и передает данные по во­локонно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной, посредством избыточного кода 8В/10В.

В образованный для согласования усилий в этой области Gigabit Ethernet Alliance с самого начала вошли такие флагманы отрасли, как Bay Networks, Cisco Systems и 3Com. За год своего существования количество участников Gigabit Ethernet Alliance существенно выросло и насчитывает сейчас более 100. В качестве первого варианта физического уровня был принят уровень технологии Fiber Channel, с ее кодом 8В/10В (как и в случае Fast Ethernet, когда для ускорения работ был принят отра­ботанный физический уровень FDDI).

Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы специальному комитету 802.ЗаЬ, который уже рассмотрел несколько вариантов проекта этого стандарта, причем с июля 1998 года проект приобрел достаточно стабильный характер. Окончательное принятие стандарта 802.3ab ожидается в сен­тябре 1999 года.

Не дожидаясь принятия стандарта, некоторые компании выпустили первое обо­рудование Gigabit Ethernet на оптоволоконном кабеле уже к лету 1997 года.

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорос­ти в 1000 Мбит/с.

Так как при разработке новой технологии естественно ожидать некоторых тех­нических новинок, идущих в общем русле развития сетевых технологий, то важно отметить, что Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не будет поддерживать:

• качество обслуживания;

• избыточные связи;

• тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем случае — за исключением тестирования связи порт — порт, как это делается для Ethernet 10Base-T и 10Base-F и Fast Ethernet).

Все три названных свойства считаются весьма перспективными и полезными в современных сетях, а особенно в сетях ближайшего будущего. Почему же авторы Gigabit Ethernet отказываются от них?

По поводу качества обслуживания коротко можно ответить так: «сила есть — ума не надо». Если магистраль сети будет работать со скоростью в 20 000 раз пре­вышающей среднюю скорость сетевой активности клиентского компьютера и в 100 раз превышающей среднюю сетевую активность сервера с сетевым адаптером 100 Мбит/с, то о задержках пакетах на магистрали во многих случаях можно не заботиться вообще. При небольшом коэффициенте загрузки магистрали 1000 Мбит/с очереди в коммутаторах Gigabit Ethernet будут небольшими, а время буферизации и коммутации на такой скорости составляет единицы и даже доли микросекунд.

Ну а если все же магистраль загрузится на достаточную величину, то приоритет чувствительному к задержкам или требовательному к средней скорости трафику можно предоставить с помощью техники приоритетов в коммутаторах — соответ-

254 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

ствующие стандарты для коммутаторов уже приняты (они будут рассматриваться в следующей главе). Зато можно будет пользоваться весьма простой (почти как Ethernet) технологией, принципы работы которой известны практически всем се­тевым специалистам.

Главная идея разработчиков технологии Gigabit Ethernet состоит в том, что существует и будет существовать весьма много сетей, в которых высокая скорость магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах будут вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания всех клиентов сети. И только в тех редких случаях, когда и магистраль достаточно за­гружена, и требования к качеству обслуживания очень жесткие, нужно применять технологию ATM, которая действительно за счет высокой технической сложности дает гарантии качества обслуживания для всех основных видов трафика.

Избыточные связи и тестирование оборудования не будут поддерживаться тех­нологией Gigabit Ethernet из-за того, что с этими задачами хорошо справляются протоколы более высоких уровней, например Spanning Tree, протоколы маршрути­зации и т. п. Поэтому разработчики технологии решили, что нижний уровень про­сто должен быстро передавать данные, а более сложные и более редко встречающиеся задачи (например, приоритезация трафика) должны передаваться верхним уров­ням.

Что же общего имеется в технологии Gigabit Ethernet по сравнению с техноло­гиями Ethernet и Fast Ethernet?

• Сохраняются все форматы кадров Ethernet.

• По-прежнему будут существовать полудуплексная версия протокола, поддер­живающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами. По поводу сохранения полудуплексной версии протокола со­мнения были еще у разработчиков Fast Ethernet, так как сложно заставить ра­ботать алгоритм CSMA/CD на высоких скоростях. Однако метод доступа остался неизменным в технологии Fast Ethernet, и его решили оставить в новой техно­логии Gigabit Ethernet. Сохранение недорогого решения для разделяемых сред позволит применить Gigabit Ethernet в небольших рабочих группах, имеющих быстрые серверы и рабочие станции.

• Поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5, коаксиал.

Тем не менее разработчикам технологии Gigabit Ethernet для сохранения при­веденных выше свойств пришлось внести изменения не только в физический уро­вень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.

Перед разработчиками стандарта Gigabit Ethernet стояло несколько трудно раз­решимых проблем. Одной из них была задача обеспечения приемлемого диаметра сети для полудуплексного режима работы. В связи с ограничениями, накладывае­мыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяе­мой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 метров при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Так как существует большое количество применений, когда нужно повысить диаметр сети хотя бы до 200 метров, необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет мини­мальных изменений в технологии Fast Ethernet.

Другой сложнейшей задачей было достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволокна достижение такой скорости

3.7. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet 255

представляет некоторые проблемы, так как технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с (битовая скорость на линии равна в этом случае примерно 1000 Мбит/с, но при методе кодирования 8В/10В полезная битовая скорость на 25 % меньше скорости импульсов на линии).

И наконец, самая сложная задача — поддержка кабеля на витой паре. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой — ведь даже для 100-мегабитных протоколов пришлось использовать достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля. Однако успехи специалис­тов по кодированию, проявившиеся в последнее время в новых стандартах моде­мов, показали, что задача имеет шансы на решение. Чтобы не тормозить принятие основной версии стандарта Gigabit Ethernet, использующего оптоволокно и коак-сиал, был создан отдельный комитет 802.3ab, который занимается разработкой стан­дарта Gigabit Ethernet на витой паре категории 5.

Все эти задачи были успешно решены.

3.7.2. Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, основывающиеся на известном соотношения времени передачи кадра мини­мальной длины и временем двойного оборота.

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при ис­пользовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 bt/m опто­волоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt, и если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast Ethernet (данные для которых приводились в предыдущем разде­ле), то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адаптеров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что удовлетворяет условию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называе­мым расширением (extention), представляющим собой поле, заполненное запрещен­ными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили ко­нечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode — монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не бо­лее 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт на­зывается BurstLength. Если станция начала передавать кадр и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

256 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

Увеличение «совмещенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

3.7.3. Спецификации физической среды стандарта 802.3z

В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

• одномодовый волоконно-оптический кабель;

в многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;

• многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

• двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом.

Многомодовый кабель

Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей, ра­ботающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работа­ющие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Однако возможность удешевления чрезвычайно важ­на для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.

Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определил спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX.

В первом случае используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength, короткая волна), а во втором — 1300 нм (L — от Long Wavelength, длинная волна).

Для спецификации 1000Base-SX предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 оставляет 220 м, а для кабеля 50/125 — 500 м. Очевидно, что эти максимальные значения могут достигаться только для полнодуплексной пере­дачи данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках 220 м рав­но 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов опто­волоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля, находящегося в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля до при­мерно 800 м.

Одномодовый кабель

Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применя­ется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм.

Основная область применения стандарта 1000Base-LX — это одномодовое опто­волокно. Максимальная длина кабеля для одномодового волокна равна 5000 м.

Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим — 550 м. Это связано с осо-

3.7. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet 257

бенностями распространения когерентного света в широком канале многомодово-го кабеля. Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю не­обходимо использовать специальный адаптер.

Твинаксиальный кабель

В качестве среды передачи данных используется высококачественный твинакси-альный кабель (Twinax) с волновым сопротивлением 150 Ом (2x75 Ом). Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен эк­ранирующей оплеткой. При этом получается режим полудуплексной передачи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары коаксиальных проводников. Начал выпускаться специальный кабель, который содержит четыре коаксиальных проводника — так называемый Quad-кабель. Он внешне напоминает кабель категории 5 и имеет близкий к нему внешний диаметр и гибкость. Макси­мальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 метров, поэтому это решение подходит для оборудования, расположенного в одной комнате.

3.7.4. Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу про­пускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля (так же, как и в технологии lOOVG-AnyLAN).

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использо­вание четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможность распознавать кол­лизии.

На оба эти вопроса комитет 802.3аЬ нашел ответы.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комби­наций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения пра­вильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укла­дывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разра­ботчики спецификации 802.3аЬ применили технику, используемую при организа­ции дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 3.26). Схема гибридной

258 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

развязки Я позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использо­вать одновременно витую пару и для приема и для передачи (так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet).

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычи­тает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры — DSP (Digital Signal Processor). Такая техника уже про­шла проверку практикой, но в модемах и сетях ISDN она применялась совсем на других скоростях.

При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных счи­тается коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.

Ввиду того что работы по стандартизации спецификации Gigabit Ethernet на неэкранированной витой паре категории 5 подходят к концу, многие производите­ли и потребители надеются на положительный исход этой работы, так как в этом случае для поддержки технологии Gigabit Ethernet не нужно будет заменять уже установленную проводку категории 5 на оптоволокно или проводку категории 7.

Выводы

* Технология Gigabit Ethernet добавляет новую, 1000 Мбит/с, ступень в иерар­хии скоростей семейства Ethernet. Эта ступень позволяет эффективно строить крупные локальные сети, в которых мощные серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль Gigabit Ethernet объединяет их, обеспечивая достаточно большой запас пропускной способности.

* Разработчики технологии Gigabit Ethernet сохранили большую степень преем­ственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. Gigabit Ethernet использует те же форматы кадров, что и предыдущие версии Ethernet, работает в полно-

Вопросы и упрожнения 259

дуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяемой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями.

» Для обеспечения приемлемого максимального диаметра сети в 200 м в полу­дуплексном режиме разработчики технологии пошли на увеличение минималь­ного размера кадра с 64 до 512 байт. Разрешается также передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду, на интервале 8096 байт, тогда кадры не обязательно дополнять до 512 байт. Остальные параметры метода доступа и максимального размера кадра остались неизменными.

« Летом 1998 года был принят стандарт 802.3z, который определяет использование в качестве физической среды трех типов кабеля: многомодового оптоволоконного (расстояние до 500 м), одномодового оптоволоконного (расстояние до 5000 м) и двойного коаксиального (twinax), по которому данные передаются одновременно по двум медным экранированным проводникам на расстояние до 25 м.

* Для разработки варианта Gigabit Ethernet на UTP категории 5 была создана специальная группа 802.ЗаЬ, которая уже разработала проект стандарта для ра­боты по 4-м парам UTP категории 5. Принятие этого стандарта ожидается в ближайшее время.