За пределами Gigabit Ethernet

В последние два года при упоминании в прессе или на компьютерных выставках слова Ethernet к нему часто добавляли Gigabit. В Ethernet нет ничего нового, однако достижение этой повсеместно применяемой технологией гигабитных скоростей ожидалось рынком с нетерпением, так что производители спешили опередить друг друга в предложении продуктов.

В конце июня 1998 г. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) ратифицировал стандарт Gigabit Ethernet 802.3z. Данный шаг был скорее формальностью, поскольку уже более года многие производят модули для каскадирования и коммутаторы в соответствии с данным стандартом. Между тем вместо того, чтобы почивать на лаврах после нескольких лет упорной работы над разработкой высокоскоростного стандарта, сетевая отрасль, похоже, не желает останавливаться на достигнутом и исследует возможности достижения скоростей свыше 1 Гбит/с.

Эти "мультигигабитные" технологии Ethernet находятся пока на начальном этапе своей разработки, поэтому еще рано составлять планы, как лучше распорядиться дополнительной пропускной способностью. Иными словами, время звонить местному дистрибьютору и спрашивать у него продукты быстрее Gigabit Ethernet пока не пришло. Однако мы думаем, что читателю будет небезынтересно познакомиться с состоянием дел в разработке более быстрых технологий 802.3 и стоящих на их пути препятствий. Появление подобных технологий открыло бы новые возможности для территориальных и глобальных сетей.

КОМУ ЭТО НУЖНО?

Учитывая, что стандарт IEEE 802.3z на Gigabit Ethernet был принят совсем не давно и что во многих корпоративных сетях только-только начинают осваиваться гигабитные технологии, возникает пессимистичный, но очевидный вопрос: кому нужна технология Ethernet со скоростями, превышающими 1 Гбит/с? Очевидно, мультигигабитные скорости необходимы не каждому и не во всякой сетевой среде, однако, согласно отраслевым экспертам, данные технологии найдут свое применение.

Дейв Робертс, директор по маркетингу маршрутизирующих коммутаторов Accelar из компании Bay Networks, считает, что сети Ethernet, функционирующие с мультигигабитными скоростями, постепенно займут место Ethernet на 1 Гбит/с. "С увеличением скорости переход будет происходить естественным образом во многом аналогично тому, как это имело место с 100BaseT и Gigabit Ethernet, — развивает он свою мысль. — Сначала новая технология применяется в основном на линиях между коммутаторами и в соединениях с серверами, т. е. там, где совокупные объемы передаваемых данных велики. По мере снижения стоимости она начинает реализовываться и в качестве интерфейса с клиентами". Робертс добавил, что технология Ethernet на 1 Гбит/с распространится на другие области сети помимо линий между коммутаторами, а мультигигабитная технология может занять место Gigabit Ethernet на магистрали.

Следующий этап развития Ethernet наступит, когда пользователям потребуются в магистральной сети скорости передачи данных, превышающие гигабитные. Кроме того, эта технология может применяться сетевыми компаниями в их конкурентной борьбе с поставщиками телекоммуникационных услуг. Этого мнения придерживается Лю Аронсон из лаборатории HP Labs компании Hewlett-Packard (вместе с другими исследователями он работает над проектом повышения объема передаваемых данных по существующим волоконно-оптическим кабелям).

Таким образом, магистральные сети станут первым местом применения мультигигабитных технологий, когда пропускная способность в 1 Гбит/с окажется для них недостаточной.

Применение последней из технологий Ethernet ограничивается в основном территориальными сетями комплекса зданий, но не стоит удивляться, если будущие версии проникнут за их пределы.

НАБИРАЯ СКОРОСТЬ

Еще несколько лет назад самой распространенной скоростью передачи данных в сетях Ethernet была 10 Мбит/с. В то время казалось, что для большинства приложений этого вполне достаточно. Между тем магистральные сети постепенно становились "узким местом", а каналы между коммутаторами перестали справляться с потоком данных. В результате сообщество производителей и IEEE стали искать возможности расширить 802.3 Ethernet за пределы 10 Мбит/с.

Задача состояла в том, чтобы найти способ отображать кадры Ethernet на физический уровень, функционирующий со скоростью более 10 Мбит/с. Стандарты Fast Ethernet удалось принять и внедрить относительно безболезненно, поскольку рабочая группа IEEE решила заимствовать технологию из сетей FDDI, поддерживающих скорости в 100 Мбит/с.

"Если взглянуть на стандарты 100BaseFX и 100BaseTX, то они, по сути, представляют собой модификацию физического уровня FDDI, — говорит Дейв Робертс из компании Bay Networks. — Соответствующие микросхемы уже были реализованы, а это огромное преимущество". Кроме того, производители и пользователи знали, как данная технология должна работать, что позволяло значительно ускорить процесс разработки и стандартизации. "Образно говоря, мы знали, как добраться из пункта A в пункт B", — добавил Робертс.

Аналогично, когда начались дискуссии о том, как передавать кадры Ethernet со скоростью 1 Гбит/с, разработчики стандартов обратились к апробированной технологии, наиболее для этого подходящей. В результате они позаимствовали характеристики физического уровня Fibre Channel — после определенной доработки эта технология была способна передавать трафик Ethernet с невообразимой ранее скоростью. "Хотя сети Fast Ethernet работали с более низкими скоростями, разговоры с производителями показали, что имеющиеся компоненты Fast Ethernet будет достаточно легко использовать для реализации гигабитных скоростей, — говорит Робертс. — Встретившиеся препятствия были вполне преодолимы".

Поскольку такая практика заимствования позволяет не разрабатывать новую технологию целиком, реализация как стандарта 802.3u (Fast Ethernet), так и 802.3z (Gigabit Ethernet) заняла менее трех лет. Подобные сжатые сроки были практически немыслимы, когда речь шла о таких важных спецификациях, как Ethernet. Здравый смысл подсказывает, что определение стандартов Ethernet для скоростей свыше 1 Гбит/с потребует несколько больше времени. Тому есть несколько причин.

Прежде всего, это отсутствие согласия по поводу того, что Ethernet будет представлять собой на следующем эволюционном шаге своего развития. Многие призывают к скачку сразу до 10 Гбит/с, в то время как другие предпочитают более осторожный подход, предлагая в качестве отправной точки 2 Гбит/с с постепенным увеличением скорости до 4, 8, а возможно, и 10 Гбит/с. "Сегодня 10 Гбит/с воспринимается в качестве следующего шага, но это слишком большой прыжок, — считает Робертс. — Совершить его будет очень и очень непросто".

Еще одной причиной того, почему мультигигабитная технология Ethernet может оказаться не столь легко достижимой целью, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, является отсутствие физического уровня, которым бы разработчики стандарта могли воспользоваться для передачи кадров Ethernet с еще более высокой скоростью. "Ввиду отсутствия очевидного кандидата на роль физического уровня в 10 Гбит/с, который мы могли бы использовать (или который кто-то уже разработал), предстоящий путь потребует определенных усилий", — говорит Робертс.

Вероятным претендентом на роль такого транспорта может стать SONET, механизм, который технология ATM использует для достижения высоких скоростей передачи данных. Отображаемые в транспортный сервис SONET ячейки ATM могут передаваться со скоростями 155 Мбит/с (соответствующей SONET OC-3) или 622 Мбит/с (соответствующей OC-12).

Достоинством SONET является возможность масштабирования. Уровень OC-48 около 2,4 Гбит/с уже определен, а в принципе SONET может наращиваться до OC-192 (около 10 Гбит/с) и выше. Похоже, SONET имеет смысл использовать для мультигигабитных сетей Ethernet, однако разработчики должны определить, как отображать более высокие уровни Ethernet на физический уровень. Для SONET характерны такие недостатки, как высокие накладные расходы, но тем не менее возможность получить готовый транспорт для скоростей свыше 1 Гбит/с остается очень привлекательной и с точки зрения стоимости. Если SONET, в конечном счете, найдет место в будущих стандартах, то это откроет естественный способ расширения технологии Ethernet в область глобальных сетей.

"Еще один подход к достижению скоростей свыше Gigabit Ethernet состоит в применении транкинга — метода, когда несколько линий объединяются в один логический канал, — поясняет Дуг Руби, вице-президент по маркетингу продуктов компании Lucent Technologies. — Вместо 1 Гбит/с вы можете получить совокупную пропускную способность в 2 или 5 Гбит/с (в зависимости от потребностей)". Он добавил также, что благодаря транкингу пользователи не ограничены пределом 1 Гбит/с, и им не нужно переходить на какую-то новую технологию.

Между тем независимо от того, какой физический уровень и какой метод будет выбран в качестве базиса для разработки мультигигабитных технологий Ethernet, неизменным остается вопрос — способность проложенной оптической кабельной системы поддерживать возросшую скорость передачи данных и доставлять их на нужные расстояния.

ПРОБЛЕМЫ РАССТОЯНИЯ

В период утверждения стандарта 802.3z организация Gigabit Ethernet Task Force столкнулась с так называемой дифференциальной задержкой (Differential Mode Delay, DMD), — она состоит в рассинхронизации сигналов при применении лазеров для передачи данных на большие расстояния по многомодовому волоконно-оптическому кабелю. Из-за высоких скоростей Gigabit Ethernet эта технология оказалась первой, где обнаружилась подобная проблема. (Подробнее о DMD рассказывается во врезке "Небольшая задержка".)

Кроме того, физические характеристики многомодового волоконно-оптического кабеля не позволяют применять Gigabit Ethernet на очень больших расстояниях, а с увеличением скорости проблемы лишь усугубляются. "Ясно, что многомодовый волоконно-оптический кабель достиг потолка своей пропускной способности, — говорит Аронсон из HP Labs. — Речь может идти лишь о коротких участках длиной в 275 м для 62-микронного волоконно-оптического кабеля при максимуме в 550 м, но в случае четырех-, восьми- или десятикратного увеличения скорости Gigabit Ethernet эти расстояния придется пропорционально сократить". Для многих приложений это окажется бесполезным, поскольку протяженность магистрального канала составляет обычно как минимум 300 м. Аронсон отметил, что, если взять в качестве примера Ethernet на 10 Гбит/с, предельное расстояние для многомодового волоконно-оптического кабеля составит от 50 до 70 м, чего, очевидно, недостаточно даже для настольных систем, не говоря уже о магистралях.

Одним из лежащих на поверхности решений является применение одномодового волоконно-оптического кабеля, что устраняет проблему DMD. Между тем, по мнению Брайана Лемоффа, технического специалиста HP Labs, использование одного лазера для передачи данных с высокой скоростью на большие расстояния по одному оптическому волокну все равно не решит проблемы ограничений на максимально допустимое расстояние. К тому же в большинстве существующих инсталляций применяется многомодовый волоконно-оптический кабель, и пользователи вряд ли захотят заменять свою дорогостоящую кабельную инфраструктуру. "Единственным реальным решением задачи многократного увеличения пропускной способности волоконно-оптического кабеля остается технология мультиплексирования с разделением по длинам волн (Wavelength Division Multiplexing, WDM)", — считает он. WDM предусматривает передачу световых импульсов по одному и тому же оптическому волокну одновременно несколькими лазерами. (Подробнее о WDM рассказывается в статье Э. Кларк "WDM: новые горизонты оптоволокна" в апрельском номере LAN за прошлый год.) Исследователи из лаборатории HP Labs работают над проектом применения четырех недорогих лазеров для передачи на четырех длинах волн, в результате чего ограничения на расстояния останутся прежними, а совокупная пропускная способность увеличится.

На весенней выставке и конференции Networld+Interop 1998 г., проходившей в Лас-Вегасе, специалисты HP продемонстрировали возможность увеличения скорости передачи данных по каждому из четырех каналов кабеля до 2,5 гигабод при совокупной скорости передачи 10 гигабод на расстояние до 275 м. (Скорость измерялась в гигабодах, а не в гигабитах, поскольку демонстрация проводилась на физическом уровне без кодирования Ethernet.)

Чтобы сделать мультигигабитные технологии реальностью, коллектив Лемоффа рассматривает несколько конфигураций WDM. Одна из них состоит из четырех каналов, на 1,25 гигабод каждый (всего 5 гигабод), при расстоянии 275 м. С учетом кодирования Ethernet это позволяет получить скорость передачи до 4 Гбит/с (из-за 20% накладных расходов).

Другой сценарий дает возможность удвоить скорость при сокращении расстояния вдвое, т. е. достичь скорости 10 гигабод на участке длиной 150 м. При изменении схемы кодирования достигаемая скорость может оказаться близка к 10 Гбит/с. В противном случае (при сохранении схемы кодирования) она составит 8 Гбит/с (из-за накладных расходов).

Последним вариантом, который исследователи из HP Labs и считают наиболее перспективным, является применение лазерной технологии с длиной излучаемой волны 1300 нанометров в целях увеличения расстояния до 600-700 м. Если скорость передачи данных по каждому каналу удвоить до 2,5 гигабод, то покрываемое расстояние для многомодового волоконно-оптического кабеля уменьшится примерно до 300 м. Данная технология совместима также с одномодовыми волоконно-оптическими кабелями, протяженность которых может достигать 10 км.

Эти 1300-нанометровые лазеры намного дороже тех, которые работают на более коротких длинах волн, но коллектив разработчиков HP считает, что достижения в области резонаторных поверхностных лазеров (vertical-cavity surface emitting laser) способны снять проблему высокой стоимости. Между тем эти исследования только начались, и для достижения результатов предстоит проделать долгий путь.

"Мы не стремимся конкурировать с телекоммуникационными компаниями в области дальней связи", — сказал Лемофф. Он пояснил, что HP пытается создать модуль, стоимость которого примерно эквивалентна стоимости существующих модулей Gigabit Ethernet. Этот модуль будет иметь приблизительно тот же размер и позволит применять те же самые разъемы для многомодового волоконно-оптического кабеля.

"Переход от Gigabit Ethernet к технологии на основе WDM потребует поэтапного решения нескольких важных технических проблем, — считает сотрудница лаборатории HP Labs Лайза Бакмэн. — Нам понадобятся оптические компоненты для объединения и разделения светового сигнала с разной длиной волны и лазерная технология, отличная от той, что мы сегодня имеем". Она отметила также, что ее коллектив работает над технологией физического уровня, использовать которую могли бы любые технологии более высокого уровня, например Ethernet или ATM.

КАЧЕСТВО УСЛУГ

Если одни производители и пользователи с пониманием и воодушевлением относятся к перспективе передачи кадров Ethernet со скоростями свыше 1 Гбит/с, то другие имеют на этот счет иное мнение. "Может быть, вместо того, чтобы тратить время и деньги на разработку технологии следующего поколения, лучше с максимальной выгодой использовать то, что мы имеем сегодня?" — спрашивают они. Дуг Руби из компании Lucent тоже задается этим вопросом. В январе 1998 г. Lucent завершила 200-миллионную сделку по приобретению фирмы Prominet, пионера в области разработки Gigabit Ethernet. Она стала частью группы по продуктам для корпоративной инфраструктуры в организации сетевых систем передачи данных компании Lucent.

"Мне кажется, пока слишком рано говорить, что следующим шагом будет Ethernet на 10 Гбит/с. Более того, я абсолютно уверен, что следующий шаг будет иным", — полагает Руби. Он говорит, что при появлении три года назад технология Fast Ethernet сразу стала пользоваться устойчивым высоким спросом, однако, если сравнивать с историей Fast Ethernet, Gigabit Ethernet появился слишком рано, поэтому его пропускной способности хватит еще надолго. Из-за этого Руби больше волнуют вопросы обеспечения на гигабитных скоростях качества услуг (Quality of Service, QoS).

"Сегодня стандарты определяют не просто передачу битов по кабелю, а построение всей коммутационной системы, такой, как ATM, а это уже не просто физический уровень OC-3, а целый комплекс спецификаций (таких, как управление потоком данных и маршрутизация), — говорит Руби. — Я считаю, что Ethernet будет развиваться в том же направлении".

Он добавил, что несмотря на то, что некоторые проблемы качества услуг можно разрешить в рамках таких стандартов, как IEEE 802.1p (для описания полей пакетов для задания различных уровней приоритетов) или RSVP (для запроса у маршрутизатора требуемых ресурсов), они все же не решают всех проблем. "Мне часто приходится разговаривать с администраторами сетей, но они затрудняются ответить, сколько они готовы потратить на управление пропускной способностью в локальной сети, — рассказывает Руби. — Они могут расходовать немало средств на каналы глобальных сетей, но к локальным сетям это не имеет отношения". По этой причине качество услуг не обеспечивается даже в тех территориальных сетях, где используется ATM — все данные там доставляются по мере возможности. Качество услуг предоставляется обычно на границе сети — между локальной и глобальной сетью.

Существующие протоколы обеспечения QoS критикуют за то, что они (в частности, протокол RSVP) недостаточно хорошо масштабируются для мультимегабитной Ethernet. Вместе с тем Руби считает, что масштабирование — не проблема. Проблема заключается в том, как заставить приложения сообщать сети требования к пропускной способности и задержке при передаче. "Приложения не понимают требований к пропускной способности и задержке и ничего не знают о реальных возможностях сети, — говорит Руби. — Большинство администраторов сетей, которых я знаю, с большой настороженностью относятся к тому, что приложения должны будут обращаться к сети с запросами по поводу необходимых ресурсов".

Такие протоколы, как RSVP, IEEE 802.1p и 802.1Q (еще один метод задания меток пакетов в соответствии с приоритетом), позволяют в определенных ситуациях максимально эффективно использовать имеющуюся пропускную способность, но Руби также является сторонником управления сетью в соответствии с правилами. Данная концепция, привлекающая к себе сегодня немало внимания, позволяет сделать сеть интеллектуальнее — она будет больше знать о типе передаваемого трафика и о том, куда направляются данные. Руби говорит, что за счет применения элементов управления, определения пользователей, групп приложений и сетевых объектов, контроля за использованием ими сетевых ресурсов имеющейся пропускной способности будет достаточно для большинства клиентов. "Я убежден, что для решения в кратчайшие сроки проблемы пропускной способности нам нужно вернуться назад к вопросам качества услуг, рассмотрев их с точки зрения администраторов сетей", — полагает Руби.

ЧЕГО НАМ ЖДАТЬ?

Итак, для перехода к мультимегабитным сетям Ethernet еще предстоит решить немало проблем. Хотя исследования и разработки различных аспектов данной технологии уже начались, до появления конечного продукта нужно пройти немалый путь. Теперь, когда IEEE ратифицировал стандарт 802.3z, мы можем ожидать, что вскоре кто-нибудь предложит создать еще одну рабочую группу для разработки Ethernet следующего поколения.

Когда отрасль будет иметь лучшее представление о потенциальных способах использования мультимегабитных сетей Ethernet и о препятствиях на пути к их созданию, приверженцы Ethernet (даже при появлении более быстрых и привлекательных технологий) получат еще одну новую возможность.

Небольшая задержка

С переходом технологии Ethernet к скоростям 100 Мбит/с и 1 Гбит/с разработчики столкнулись с тем, что импульсы лазерного света проходят по многомодовому оптическому волокну по разным маршрутам. Часть из них следует по прямой вдоль центральной оси оптического волокна, другие же на своем пути отражаются от поверхности волокна. Чем большее расстояние проходит импульс, тем сильнее он размазывается, поскольку для одних импульсов маршрут оказывается короче, чем для других.

Это явление, получившее название дифференциальной задержки моды (Differential Mode Delay, DMD), затрудняет прием импульсов на другом конце кабеля (приемнику труднее их различить). На больших скоростях передачи данных проблема DMD, характерная для многомодового волоконно-оптического кабеля из-за его способности поддерживать несколько мод, становится еще более острой.

Такое явление, как DMD, существовало всегда, но до того, как гигабитные скорости стали возможными, оно не представляло проблем. "Из-за DMD импульс света "смазывается" на другом конце многомодового волокна, и принимающему трансиверу трудно различить импульс, — говорит Дейв Робертс, директор по маркетингу Accelar компании Bay Networks. — При гигабитных скоростях импульсы следуют с очень малыми интервалами, и любое "смазывание" приводит к наложению соседних импульсов". В технологии Fast Ethernet промежуток между импульсами в десять раз больше, чем в случае Gigabit Ethernet.

Явление DMD возникает не в каждом волокне и не для каждого лазера — проблема возникает только при определенной комбинации лазера и кабеля. Тем не менее оно заставило рабочую группу Gigabit Ethernet Task Force пересмотреть некоторые оптические спецификации стандарта 802.3z.

При увеличении скорости передачи данных в сети Ethernet DMD может потенциально вызвать немало проблем, поскольку оно характерно для многомодового кабеля, широко применяемого в современных кабельных системах. Избежать данной проблемы позволяет использование одномодового волоконно-оптического кабеля, в котором явление DMD не возникает (однако это очень дорогостоящее решение), или учет DMD при разработке мультигигабитных стандартов.

РЕСУРСЫ INTERNET

Более подробную техническую информацию и официальные документы по Gigabit Ethernet можно найти на сервере Web организации Gigabit Ethernet Alliance по адресу: www.gigabit-ethernet.org.

Последние сведения о стандарте Gigabit Ethernet см. на узле Web рабочей группы IEEE-802.3z Working Group по адресу: http://grouper.ieee.org/groups/802/3/z/index.html.

Технический документ о том, как обеспечить передачу данных по многомодовому волоконно-оптическому кабелю с более высокой скоростью с помощью технологии WDM, подготовленный сотрудниками лаборатории HP Labs, находится по адресу: http://hpcc920.external.hp.com/hpj/97dec/de97a5.htm.