Ethernet - испытание на живучесть

Одно транспортное средство провело много времени в ремонтных боксах. Принятые меры по настройке производительности помогают Ethernet оставаться в числе лидеров.

Отказ от совершенствования технологии равносилен попытке выиграть гонки "Indy 500" на "Model T". И в том, и в другом случае лидирует тот, кто быстрее. Использование же одного и того же транспортного средства без тщательной подготовки для следующего заезда оставит вашу сеть вместе с ее пользователями в клубах пыли.

Ethernet, возникшая как сетевая технология с разделением среды передачи, а именно коаксиального кабеля, эволюционировала вместе с изменениями запросов пользователей. Соответствуя самым последним требованиям к кабельной проводке, стандарт Ethernet распространяется теперь на такие среды передачи данных, как оптическое волокно и неэкранированная витая пара. Побудительными мотивами перехода к этим средам стало быстрое и всепроникающее распространение локальных сетей в коммерческих, правительственных и другого рода организациях, а также потребность в эффективном и экономичном управлении и обслуживании данных сетей. Прежние же неструктурированные проводки из коаксиального кабеля не удовлетворяли этим требованиям.

Коммутация в Ethernet была разработана с целью расширения доступной для серверов и рабочих станций полосы пропускания. Появление недорогих коммутаторов для локальных сетей предопределило переход к разреженным и частным (выделенным) сетям с помощью микросегментации. По данным International Data Corp. рынок коммутаторов за последний год вырос на 390% - от 413 тыс. портов в 1994-м до более чем 2 млн. портов в 1995-м. Без относительно недорогих коммутаторов для локальных сетей с малым временем ожидания подобный скачок был бы невозможен.

ETHERNET НА СВОБОДЕ

Самая последняя новинка среди стандартов Ethernet, 802.3 100BaseT Fast Ethernet, не оказала пока существенного влияния на рынок продуктов для локальных сетей. Но, согласно IDC, в 1995 году было поставлено почти 1 млн. высокоскоростных адаптеров для локальных сетей (в том числе 100BaseT, 100VG-AnyLAN и ATM). Продукты для сетей на 100 Мбит/с, по мере того как все больше поставщиков вступает в игру, становятся все доступнее по цене. Fast Ethernet обеспечивает элегантный и плавный путь миграции от разделяемого и коммутируемого 10BaseT к разделяемому и коммутируемому 100BaseT. Стандарт IEEE802.3 100BaseT в настоящее время включает три отдельные спецификации на 100 Мбит/с:
· 100BaseT4 - четыре пары Категории 3 или лучше UTP Категории 4 или 5;
· 100BaseTX - две пары UTP Категории 5 или две пары STP Типа 1;
· 100BaseFX - два световода оптоволокна с диаметром 62,5/125 мкм.

Одновременно с разработкой стандартов Ethernet в Институте инженеров по электротехнике и электроники (IEEE), Electronics Industry Association/ Telecommunications Industry Association (EIA/TIA) разрабатывала стандарт связной проводки для коммерческих зданий Commercial Building Telecommunications Cabling Standard (SP2804), обозначаемый как EIA/TIA 568A (см. Рис. 1). Этот набор спецификаций определяет общую кабельную проводку, поддерживающую множество технологий - от телефонии и передачи данных до локальных сетей. Стандарт, кроме того, включает определения и требования по прокладке горизонтальной и магистральной кабельных систем, а также определения физических характеристик нескольких типов сред, включая неэкранированную и экранированную витую пару и оптоволокно.

Возможно, впервые в истории локальных сетей комплексы кабельных стандартов и стандартов для локальных сетей были объединены. Параллельное развитие 802.3 для поддержки более высоких скоростей за счет использования 100BaseT и стандартов на проводку EIA/TIA дало в результате упрощенный набор правил по построению сетей. По крайней мере теоретически, если пользователь при прокладке кабеля следует стандартам EIA/TIA 568A, то кабельная проводка сможет поддерживать любые существующие, а также и некоторые только появляющиеся технологии для локальных сетей с высокой скоростью передачи данных. Эта поддержка простирается на 100BaseT4, 100BaseX, 100BaseFX, 100VG-AnyLAN, Copper Distributed Data Interface (CDDI), 10BaseT и Token Ring на 4/16 Мбит/с.

РАБОТА КИПИТ

Среди последних рассматриваемых и/или разрабатываемых вариантов Ethernet следует отметить 100BaseT2, 1000BaseT, Full Duplex/Flow Control, Binary Logarithmic Access Method (BLAM), Fair Dual Distributed Queuing (FDDQ), Priority Access Control Enabled (PACE).

Подход 802.3w BLAM был создан как потенциальная альтернатива существующему усеченному алгоритму Binary Exponential Backoff (BEB). BLAM не заменяет имеющуюся систему, а сосуществует с BEB, обеспечивая обратную совместимость c унаследованными локальными сетями. Этот альтернативный алгоритм разрабатывался для снижения отрицательного воздействия на сети Ethernet высокопроизводительных рабочих станций и серверов.

В окончательном варианте метод 802.3x Full Duplex/Flow Control позволит производителям создавать коммутаторы с конечной, ограниченной памятью и предотвратить потерю пакетов благодаря возможности подачи коммутатором команд управления потоком подключенным станциям. Перенос проблемы отбраковки пакетов на рабочую станцию намного лучше отбрасывания пакетов в коммутаторе вследствие переполнения буфера.

Эта проблема становится в высшей степени актуальной особенно при использовании полнодуплексного режима. В полнодуплексном режиме невозможно "противодавление" на станцию посредством обозначения ложной несущей или ложной коллизии, поскольку станция их игнорирует. Например, если многочисленные порты рабочих станций направляют потоки данных на один порт сервера, то работающему в полнодуплексном режиме коммутатору не удастся предотвратить перегрузку. Цель управления потоком в таких условиях заключается в том, чтобы препятствовать портам рабочих станций в отправке избыточного трафика, а не в том, чтобы перепоручать им отбраковку кадров. По соображениям экономии средств, коммутаторы с ограниченной памятью более предпочтительны, а для них управление потоком особенно необходимо.

Управление потоком не меняет сам метод множественного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD); скорее, управление - дополнение к нему. Для управления потоком используются стандартные кадры (с зарезервированным для этой цели полем Type). Нижележащий протокол доступа не меняется, так что управление потоком не оказывает никакого влияния на аппаратный нижний уровень. Чтобы избежать появления коммутаторов, реализующих функции 802.2 уровня LCC, подкомитет IEEE 802.3x выбрал более старый формат ESPEC поля TYPE. Подкомитет рассматривает предложение о допущении применения полей TYPE в формате DIX ESPEC v.2. (DIX обозначает первоначальных разработчиков Ethernet - Digital, Intel и Xerox.)

Последняя предложенная сигнальная схема, 802.3у 100BaseT2, должна поддерживать передачу со скоростью 100 Мбит/с по двум парам Категории 3 UTP. Если схема будет работать, как задумали разработчики, то она сможет поддерживать кабель длиной 100 м и полнодуплексный режим. Этот стандарт использует схему кодирования, называемую PAM - метод приоритетного доступа 5x5. Это 5-уровневый, 5-фазный (отсюда 5x5) сигнальный метод звездного неба. Такой подход подразумевает использование 100BaseT2 в "полнодуплексном режиме" (т.е. обе пары используются сразу в двух направлениях одновременно, а гибридные схемы отделяют передаваемый сигнал из получаемого).

Эта система крайне сложна и еще несколько лет назад была бы не пригодна для практического применения. Однако с появлением дешевой 0,6 мкм кремниевой технологии множество интегральных элементов, необходимых для сложной цифровой обработки сигналов, по сути, может быть размещено в углу чипа.

Спецификация 802.3z будет, вероятно, отнесена к Gigabit Ethernet (1000BaseT), по принятии заявки на утверждение проекта исполнительным комитетом 802.

Основной упор в Gigabit Ethernet делается на использование оптоволокна: план состоит в том, чтобы пустить Ethernet по Fibre Channel аналогично тому, как 100BaseT принял определяемую физической средой спецификацию для витой пары ANSI X3T9.5 FDDI (TP-PMD, также называемую CDDI) для поддержки передачи в 100 Мбит/с по UTP. Некоторый интерес представляет и возможность работы с Gigabit Ethernet на нескольких парах UTP Категории 5 (приблизительное расстояние до 50 метров). Основной же областью применения, по-видимому, станет соединение коммутатора с коммутатором в полнодуплексном режиме на магистралях.

В настоящее время FDDQ является концепцией и не разрабатывается ни одной рабочей группой IEEE. В противном случае она бы, очевидно, обеспечила сравнимые с характеристиками CSMA/CD коэффициент использования и среднее время ожидания. Помимо этого, FDDQ помещала бы пакеты в одну из двух глобальных распределенных очередей при перегрузке сети и тем самым обеспечила бы два уровня приоритетного доступа к сети.

РАСЕ, разработанная 3Com, не является результатом деятельности какой-либо рабочей группы IEEE. Это основанная на коммутации технология с использованием уже установленных ПК, рабочих станций, адаптеров Ethernet, кабелей и инструментов управления, что, кстати говоря, позволяет сэкономить на затратах, связанных с администрированием и управлением. Технология PACE решает проблему случайного времени задержки в сети использованием множества методов регулировки синхронизации Ethernet для передачи высококачественного мультимедиа в реальном времени.

Коммутатор Ethernet с PACE применяет алгоритмы контроля трафика; в результате эффективность работы каждого канала с коммутатором превышает 98%, даже при полной нагрузке и при одновременном обслуживании обычного трафика данных и трафика реального времени. Алгоритмы управления трафиком также обеспечивают контролируемую передачу данных по локальным сетям Ethernet. Технология PACE использует коммутируемые конфигурации с топологией "звезда" и улучшенный Ethernet как на скорости 10 Мбит/с, так и на скорости 100 Мбит/c.

Технология PACE компании 3COM поддерживается ее стратегическими партнерами: Apple, Dell, Novell, Oracle, Silicon Graphics, Starlight Networks и Sun Microsystems. К тому же 3Com лицензирует технологию другим производителям оборудования.

ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЗАЕЗДА

Жизнеспособность CSMA/CD, метода доступа Ethernet, какое-то время подвергалась сомнению. Действительно, некоторые проектировщики сетей не любят Ethernet из-за его подхода - хаотичного, случайного доступа к арбитражу канала - и из-за того, что его производительность если ни невозможно, то очень трудно предсказать. Однако популярность Ethernet продолжает расти. Согласно прогнозу Dataquest о рынке интеллектуальных концентраторов "1995 Worldwide Intelligent Hub Forecast", в 1996 будет продано свыше 49 миллионов новых портов Ethernet. Оценки IDC указывают на то, что в прошлом году рынок сетевых плат на 10 Мбит/с продолжал уверенно расти. Объем продаж концентраторов вырос на 27% в 1996-м, т.е. увеличился до 23,7 млн. модулей, в 1994-м это число не превышало 18,6 млн.

Когда 10 лет назад появился 802.5 Token Ring, многие думали, что он заменит Ethernet как наиболее предпочтительный для локальных сетей. В конце концов, Token Ring был первой попыткой использования нечто подобного структурированным кабельным системам. Он поддерживал проводку из витой пары с топологией "звезда", а его детерминистский метод доступа позволял поддерживать приоритетный доступ там, где Ethernet этого в принципе не мог; то, что только немногие приложения или протоколы (если вообще какие-либо) используют приоритетную схему канального уровня (DLL), значения не имеет.

Детерминистский метод доступа Token Ring может только гарантировать, что производительность снизится для всех станций сети в равной мере. Схема приоритетного доступа должна назначаться каждой станции в отдельности, если только приложения и протоколы не написаны специально для использования этого метода. Вопреки назначению Token Ring не может обеспечить постоянный темп передачи битов (Constant Bit Rate - CBR), что важно для таких интерактивных приложений, как видеоконференции. То же самое справедливо для динамического метода приоритетного доступа (DRAM) 100VG-AnyLAN и ATM, поскольку приложений, которые могут использовать преимущества этих приоритетных схем, пока не существует.

Указанные нами недостатки и то, что любой передаваемый бит вынужден проходить через каждую точку в локальной сети (а что если она повреждена?), сводят многие преимущества Token Ring на нет. Кроме того, Token Ring дорог - примерно в 3-5 раз дороже Ethernet. И последние годы стоимость оборудования для Ethernet стабильно падает, а производительность и функциональность этого оборудования улучшается, результат- взрыв популярности Ethernet.

Споры возобновились с появлением новых проблем, связанных с переходом локальных сетей к скоростям 100 Мбит/с и выше. К примеру, как при скорости 10 Мбит/с так и при скорости 100 Мбит/с, арбитраж канала Ethernet основан на синхронизации сигнала. Используемый в методе доступа 64-битный интервал времени налагает ограничения на физическую протяженность сети. Вот почему физическая протяженность коллизионного домена в 100BaseT намного меньше, чем в 10BaseT.

Захват канала - еще одна довольно непростая проблема. Это явление может породить длительные задержки доступа в условиях перегрузки алгоритм отката CSMA/CD приводит к далекому от справедливого разрешению соперничества станций за доступ к среде. В качестве решения был предложен альтернативный алгоритм BLAM. Дополнительную информацию о захвате канала и BLAM можно получить в Internet по адресам:
ftp://ftp.utexas.edu/pub/netinfo/rthernet/techrept13.ps,
gopher://mojo.ots.utexas.edu.:70/00/netinfo/ethernet/ethernet-capture/usenet/rich-seifert-on-capture-effect.

В многосегментных локальных сетях Ethernet с соединенными повторителями сегментами может иметь место стягивание межпакетного промежутка (IPG). Это явление возникает, как правило, тогда, когда два последовательных пакета теряют по различному биту в преамбуле на одном и том же пути; в крайнем случае два последовательных пакета могут слиться друг с другом и принимающая станция воспримет их как один очень длинный ошибочный пакет. Для системы управления сетью стягивание промежутка чревато возникновением недопустимо длинных кадров, - так называемых гигантов и переполнений.

Микросегментация и реализация полнодуплексной коммутации решает такие проблемы как для 10 Мбит/с, так и для 100 Мбит/с и делает большинство из вышеперечисленных сложностей несущественными. Для получения дополнительной информации по этим вопросам обратитесь в Internet по адресу: http://dorado.crpht.lu/CNS/html/PubServ/Network/ether/utexas/papers.html.

ПОГОНЯ ЗА ВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ

100BaseT и 100VG-AnyLAN являются перспективными технологиями, и стоимость продуктов этих категорий примерно одинакова. С теоретической точки зрения 802.12 100VG-AnyLAN имеет преимущества, но в настоящее время ни одно приложение или протокол не обеспечивают установку приоритетов DPAM DLL. В зависимости от исполнения 100VG-AnyLAN может поддерживать типы кадров либо Ethernet, либо Token Ring, но не оба одновременно. Как и схема приоритетного доступа Token Ring, DPAM не в силах гарантировать CBR, поэтому его преимущества ограничены.

Производители большей частью поддерживают 100BaseT, а не 100VG-AnyLAN. Интерфейс 100BaseT есть у маршрутизаторов как серии 7000 производства Cisco, так и Access Stack Node, Backbone Link Node и Backbone Connector Node производства Bay Networks. Hewlett-Packard выпускает интерфейсные платы 100VG-AnyLAN для своего маршрутизатора AdvanceStack Router 650. HP разработала, кроме того, мост для связи двух быстрых сетей - 100VG-Any LAN и 100BaseT.

Имеют значение и проблемы разработки в конкуренции производителей продуктов для быстрых сетей. Производители 100VG-AnyLAN утверждают, что 100BaseT не является обратносовместимым с 10 Мбит/с Ethernet. Этот аргумент относится к недостаточной совместимости между кабельной проводкой для 100BaseT и основными правилами для повторителей Ethernet. Хотя это и незначительный момент, он всеже отчасти справедлив.

Стандарт IEEE 802.3 10BaseT предназначен для поддержвки двух пар обычного телефонного провода DIW 24, а 802.3 100BaseT4 и 802.12 100VG-AnyLAN были разработаны для поддержки 4 пар UTP Категории 3 и лучше. Для 100BaseTX требуются две пары UTP Категории 5

Сети IEEE 802.3 10Мбит/с ограничены в протяженности горизонтальной проводки максимум четырьмя повторителями и пятью сегментами - таков максимальный диаметр коллизионного домена.

Спецификация 802.3 100BaseT определяет два класса повторителей, а число промежуточных повторителей не должно превышать двух. Это ограничивает диаметр коллизионного домена 100 Мбит/с Ethernet максимум 200-205 метрами при использовании UTP (100BaseTX и 100BaseT4), или максимум 228-272 метрами при использовании оптоволокна (100BaseFX). 100BaseFX может поддерживать сегменты протяженностью до 2 км, поэтому он особенно полезен в.магистральных системах при работе в полнодуплексном режиме.

Данная спецификация изменила конфигурацию и топологию 100 Мбит/с Ethernet по сравнению с 10 Мбит/с Ethernet. Однако 100BaseT разрабатывался с учетом возможностей коммутации. Если в дополнение к 100BaseT повторителям/концентраторам используются коммутаторы 100BaseT, то сеть может быть проложена далеко за пределы одного коллизионного домена (см. Рис. 2 ).

УВЕЛИЧИВАЯ ДИСТАНЦИЮ

В сравнении с повторителями и концентраторами коммутаторы являются более дорогими устройствами, но цены на них в пересчете на порт быстро падают. В некоторых случаях цена за порт для коммутатора ниже, чем цена за порт повторителя/концентратора 10BaseT даже не сегодня, а несколько лет назад.

Для обеспечения необходимой полосы пропускания несколько повторителей/концентраторов Ethernet на 10 Мбит/с и Fast Ethernet на 100 Мбит/с можно подключить к одному коммутатору Fast Etrhernet на 10/100 Мбит/с. Все активные станции из числа подсоединенных к повторителям/концентраторам на 10 Мбит/с станций совместно используют 10 Мбит/с. Индивидуальные серверы или рабочие станции могут быть напрямую подключены к порту коммутатора Fast Ethernet на 10/100 Мбит/с, в результате чего они получают выделенную полосу либо 10 Мбит/с, либо 100 Мбит/с.

Необходимо помнить, что концентратор следует подключать к порту коммутатора лишь тогда, когда коммутатор поддерживает множественые MAC-адреса на данном порту. Это одна из обязательных черт коммутатора для предприятия. А вот коммутатор для рабочей группы способен поддерживать всего один MAC-адрес на порт; и как следствие - коммутатор поддерживает только индивидуальные станции, но не концентраторы. Большинство коммутаторов для рабочих групп имеют по крайней мере один каскадный порт с поддержкой множества MAC-адресов (обычно несколько тысяч). Назначение такого порта в обеспечении связи с остальной сетью предприятия.

Networth преодолела двухповторительный барьер при помощи модуля Smart Uplink; по существу он является мостом. Встроив мост в каскадный порт своего повторителя/концентратора 100BaseT, Networth ограничила коллизионный домен концентратором. Концентраторы можно многократно каскадировать через внешние магистральные соединения, и таким образом создать от одного до трех коллизионных доменов внутри стека повторителей/концентраторов.

Поставщики продуктов для 100VG-AnyLAN часто подчеркивают, что локальная сеть 100VG-AnyLAN по своей протяженности бывает значительно больше чем сеть 100BaseT. Эти производители имеют ввиду, что длина связующего кабеля может быть более 100 метров, а число каскадируемых концентраторов может быть больше, чем позволяет технология 100BaseT.

Несмотря на то, что эти утверждения вполне справедливы, они не по существу дела. Во-первых, опыт показал, что строительство огромных сетей без сегментации - не лучшая идея. Во-вторых, протяженность отрезка кабеля больее ста метров противоречит кабельным стандартам EIA/TIA568A.

С точки зрения физики нет особых препятствий для увеличения скорости передачи и большей протяженности UTP, а стало быть создать такую технологиюя вполне реально. Однако FCC указывает, что в некоторых случаях при передаче данных порождаются и излучаются сильные электромагнитные и радиочастотные помехи; хотя многие методы передачи сигналов позволяют иметь кабель протяженностью 100 м и более без нарушения норм FCC. EIA/TIA ограничивает протяженность UTP (Категорий 3, 4 и 5) 100-метровым интервалом из конца в конец. Разница между Категориями заключается в ширине полосы пропускания (измеряется в МГц) и в пропускной способности (измеряется в Мбит/с).

ЧТО ДЕЛАТЬ, ЧТОБЫ НЕ ОТСТАТЬ

Не стоит беспокоиться о коаксиальной проводке. Локальные сети на основе коаксиала требуют модернизации, и могут даже расшириться, но коаксиал следует рассматривать как отмирающую технологию. Ни одна из новых или возникающих технологий для быстрых локальных сетей не поддерживает коаксиал, и любая компания-консультант, рекомендующая коаксиал как среду для новой проводки, оказывает медвежью услугу тем, кто должен будет пользоваться такой сетью. Увы, но у коаксиальных локальных сетей нет будущего.

Требования по прокладке кабельных систем Категории 5 настолько строги, что возможно около 20% всех таких проводок не удовлетворяют стандартам. В то же время, вопросы надежности тестов и процедур сертификации по прокладке Категории 5 пока не разрешены, а подготовка стандартов для тестирования таких проводок еще не завершена.

Кабели Категории 5 затмили кабели Категории 4 - разница в стоимости между ними незначительная, и лишь несколько компаний еще производят кабели Категории 4. Стоимость и сложность подключения оптоволокна к настольному компьютеру стабильно падают, и возможно некоторым организациям пришла пора подумать о переходе на оптоволокно. Единственным препядствием применению оптоволокна для настольных компьютеров остается цена на электронику, она по-прежнему довольно высока для массового применения.

ЗАДЕЛЫВАЯ БРЕШЬ

И с деловой и с финансовой точек зрения новую кабельную проводку следует прокладывать с расчетом на будущее, по сути дела - она является фундаментом любой сети. Если же фундамент вашей сетевой инфраструктуры не надежен, то все что надстроено сверху не будет внушать доверия.

Проектируемые кабельные проводки должны быть совместимы с EIA/TIA 568A, но ваши требования к среде, возможно, куда выше базовых. Вместо того, чтобы, как того требует стандарт, прокладывать один четырехпарный кабель Категории 3 и один четырехпарный кабель Категории 5 в каждую рабочую область, вы можете проложить туда 3 четырехпарных кабеля Категории 5. Если вам важна возможность модернизации кабельной проводки в будущем, то проложите 8-жильный оптический кабель в каждую рабочую область сегодня, тогда завтра вам не придется заниматься весьма трудоемкой перепрокладкой в будущем.