Gigabit Ethernet

В год своего двадцатипятилетнего юбилея технология Ethernet достигла гигабитных скоростей.

Вопрос "Gigabit Ethernet - это Ethernet или нет?" отнюдь не праздный, и, хотя Gigabit Ethernet Alliance отвечает на него утвердительно на том основании, что эта технология использует тот же формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же механизмы контроля потоков и те же управляющие объекты, все же Gigabit Ethernet отличается от Fast Ethernet больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. (К тому же, например, Hewlett-Packard полагает, что он имеет больше сходства со 100VG-AnyLAN, чем с Fast Ethernet.) В частности, если для Ethernet было характерно разнообразие поддерживаемых сред передачи, что давало повод говорить о том, что он может работать хоть по колючей проволоке, то в Gigabit Ethernet волоконно-оптические кабели становятся доминирующей средой передачи (это, конечно, далеко не единственное отличие, но с остальными мы подробнее познакомимся ниже). Кроме того, Gigabit Ethernet ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет гораздо более высокие требования к качеству проводки. Иными словами, он гораздо менее универсален, чем его предшественники.

СТАНДАРТЫ GIGABIT ETHERNET

Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение физических стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точнее, два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1 (кодирование и декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем скорость передачи данных в 1 Гбит/с.

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных.

Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире. Учитывая это, бюро по стандартам IEEE удовлетворило в марте 1997 г. запрос на создание отдельного комитета по разработке стандарта физического уровня 1000BaseT для четырехпарных кабелей с неэкранированными витыми парами Категории 5 длиной 100 м (т. е. для сетей с диаметром 200 м, как и в 100BaseT). Эта группа получила наименование 803.2ab. Данный стандарт будет опираться на иную схему кодирования, нежели Fibre Channel, и, вероятнее всего, появится на год позже, чем остальные три стандарта.

Все четыре стандарта отличаются покрываемыми расстояниями и планируемыми применениями (см. Таблицу 1). Взаимосвязь между ними можно понять из Рисунка 1.

(1x1)

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАДЕРЖКА

Первоначальная дата принятия стандарта (март 1998 г.) была перенесена комитетом IEEE 802.3z на более поздний срок, когда была обнаружена проблема дифференциальной задержки (Differential Mode Delay, DMD). Она проявляется только при определенных комбинациях излучателей (лазеров) и многомодового оптического кабеля невысокого качества и не свойственна менее скоростным технологиям.

Эффект дифференциальной задержки состоит в том, что один излучаемый лазером импульс света возбуждает несколько мод в многомодовом волокне. Эти моды, или пути распространения света, могут иметь разную длину и разную задержку. В результате при распространении по волокну отдельный импульс может даже разделиться на несколько импульсов, а последовательные импульсы могут накладываться друг на друга, так что исходные данные будет невозможно остановить.

Такая рассинхронизация (jitter) встречается все же довольно часто, поэтому 802.3z Task Force и отложила принятие стандарта. Предложенное решение заключается в том, что световой сигнал источника формируется предварительно специальным образом, а именно свет от лазера распределяется равномерно по диаметру волокна, в результате чего он больше напоминает свет от светоизлучающего диода. Цель подобной процедуры состоит в более равномерном распределении энергии сигнала между всеми модами.

РАСШИРЕНИЕ НЕСУЩЕЙ

Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. При переходе от Ethernet к Fast Ethernet сохранение минимального размера кадра привело к уменьшению диаметра сети с 2 км для 10BaseT до 200 м для 100BaseT. Однако перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии (или кванта времени - time slot) и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Очевидно, что в этом случае станции в разделяемой сети оказались бы в буквальном смысле "на коротком поводке", поэтому рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.

Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).

Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). Мы выбрали худший вариант, но даже с учетом того, что средняя длина кадра составляет на практике 200-500 байт, пропускная способность возрастет всего лишь до 300-400 Мбит/с. Конечно, за-частую и такого повышения достаточно, но все же подобное решение очень уж неэффективно.

С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров (к сожалению, термин "пакетная передача", как обычно переводится на русский язык английское понятие "bursting", может привести к путанице, так как он подразумевает передачу серии кадров подряд, а не протокольный блок данных третьего уровня (пакет)). В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию.

Проведенное AMD моделирование показывает, что в полудуплексной топологии с коллизиями сеть Gigabit Ethernet позволяет достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузки сети (см. Рисунок 2). Тем не менее подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD в его теперешнем виде себя практически изжил.

Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплескной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.

БУФЕРНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ

Одним из способов обойти ограничения, связанные с расширением несущей, является использование так называемых буферных распределителей. Этот новый класс устройств (иногда их еще называют полнодуплексными повторителями) представляет собой нечто среднее между повторителем и коммутатором.

Все порты гигабитного буферного распределителя работают в полнодуплексном режиме и задействуют механизмы контроля потоков, определенные стандартом IEEE 802.3х. Как обычный повторитель Ethernet, он передает поступивший кадр на все свои порты; как и коммутатор Ethernet, способен принимать кадры на нескольких портах одновременно, при этом поступившие кадры помещаются в буферы. При заполнении буферов распределитель задействует механизмы управления потоками для информирования передающего узла о необходимости приостановить передачу. Такой подход позволяет достичь близкой к номинальной пропускной способности в разделяемом сегменте Gigabit Ethernet.

МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ

Механизмы контроля потоков определяются стандартом 802.3х, и, в принципе, их использование необязательно. Суть их в следующем. Если принимающая станция (узел) на одном конце прямого соединения оказывается перегружена, то она отправляет передающей станции так называемый "кадр приостановки передачи" (pause frame) с просьбой отказаться от передачи кадров на определенный промежуток времени. В результате передающая станция останавливает передачу данных на указанный промежуток времени. Однако принимающая станция может отправить кадр с нулевым временем ожидания с тем, что отправитель возобновил передачу.

ОСНОВНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Очевидно, что первоначально Gigabit Ethernet будет использоваться для увеличения пропускной способности каналов между коммутаторами и соединений между коммутаторами и серверами (см. Рисунок 3), о чем свидетельствует и тот факт, что среди первых продуктов для Gigabit Ethernet оказались именно гигабитные модули для коммутаторов и сетевые платы для серверов.

Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет резко поднять пропускную способность магистрали вашей локальной сети и поддерживать в результате большее число как коммутируемых, так и разделяемых сегментов Fast Ethernet. Установка сетевой платы Gigabit Ethernet на сервер дает возможность расширить канал с сервером и таким образом увеличить производительность пользователей мощных рабочих станций.

Среди других потенциальных применений - модернизация локальной магистрали Fast Ethernet и территориальной магистрали FDDI. В последнем случае, например, все, что нужно сделать, - это установить новые интерфейсные модули в маршрутизаторы, коммутаторы или концентраторы (в зависимости от того, как организована сеть FDDI), а саму проводку менять не нужно. Наконец, высокопроизводительные рабочие станции можно будет подключать к концентраторам (если таковые появятся), буферным распределителям и коммутаторам.

И ЭТО ЕЩЕ НЕ ПРЕДЕЛ

Возможно, когда вы будете держать в руках этот номер журнала, комитет 802.3z уже официально примет стандарт на Gigabit Ethernet. Всего лишь три года назад Fast Ethernet еще только завоевывал себе место под солнцем, а теперь мы имеем сходную, но на порядок более быструю технологию. И это еще не предел. Словосочетание "терабитный Ethernet" сегодня все чаще можно встретить на страницах печати. Однако метод доступа CSMA/CD уже, по-видимому, изжил себя, и, насколько нам известно, ни один производитель не предлагает пока повторителей Gigabit Ethernet. Если терабитный Ethernet и появится, то он будет еще меньше походить на своего предка, чем Gigabit Ethernet.