18. Мережі Ethernet із швидкістю 1 Гб/с.

Особливості гігабітного Ethetnet.

Порівняння можливостей версій Ethernet з різними швидкостями.

У більшості сучасних локальних мереж значно зросли вимоги до ширини смуги у зв’язку із зростанням кількості користувачів та офісів з інтенсивним використанням даних, застосуваннями Intranet і мультимедіа. Технологія Ethernet, широко вживана у більшості локальних мереж завдяки надійності, простоті використання та економності, має засоби для вирішення цієї проблеми.

Звичайний Ethernet із швидкістю 10 Мб/с, впроваджений в 1970 р., тривалий час не був здатний достосуватися до швидкого зростання обсягів трафіку та кількості вузлів. Однак, його швидші версії, такі як комутований Ethernet, Fast Ethernet і комутований Fast Ethernet, впроваджені в 1990-х роках, швидко покращили характеристики мереж в організаціях, пов’язаних із переважним використанням технологій клієнт-сервер та з організацією праці в робочих групах. Однак використання цих швидкісних технологій на рівні робочих станцій та серверів з метою прискорення доступу до мережі збільшило навантаження на магістральні канали LAN і створило вузькі місця подібно до того, як це було при використанні традиційних мереж Ethernet із спільним використанням мережевого середовища. Тому провідні фірми-виготівники активно підтримали опрацювання розв’язків, базованого на стандартах, для швидкості 1000 Мб/с, відомих під назвою гігабітного Ethernet. Подібно до Fast Ethernet, ці розв’язки пропонують мережевим адміністраторам вищі характеристики при збереженні чинної мережевої інфраструктури.

Поява застосувань Intranet супроводжується новими типами даних включно з відео та звуком. У минулому брали до уваги, що відео може вимагати інших мережевих технологій, спроектованих спеціально для мультимедіа. Однак сьогодні можливо змішувати передавання даних та відео через Ethernet внаслідок поєднання таких факторів:

• збільшення ширини смуги, забезпеченого швидким Ethernet і гігабітним Ethernet;

• поява нових протоколів, таких як протокол резервування ресурсів (Resource Reservation Protocol - RSVP), який забезпечуєж резервування ширини смуги;

• поява нових стандартів, таких як 802.1Q і 802.1p, які забезпечують віртуальні локальні мережі (VLAN) і визначають пріорітети інформації для пакетів у мережі;

• розширене застосування новітніх методів компресії зображень, таких як MPEG-2.

Ці технології та поєднання протоколів роблять гігабітний Ethernet максимально привабливим вирішенням для доручення трафіку відео та мультимедіа, як це показано в таблиці:

Стандарти гігабітного Ethetnet.

Основні цілі, які ставилися при опрацюванні стандартів гігабітного Ethernet, полягають в наступному:

• дозволити напівдуплексні та повнодуплексні операції на швидкості 1000 Мб/с;

• використати формат рамки Ethernet 802.3;

• використати метод CSMA/CD з підтримкою одного повторювача на область колізій;

• забезпечити сумісність адресації з технологіями 10Base-T і 100Base-T.

Стандарти Etherenet опрацьовує та обслуговує робоча група 802.3 комітету стандартів IEEE для LAN-MAN. Протягом 1996-98 р.р. робоча група 802.3z опрацювала пропозиції стандартів гігабітного Ethernet для оптоволоконних кабелів та екранованих з'єднувальних кабелів. На початку 1997 р. сформована нова робоча група 802.3ab, яка опрацьовує стандарт для довгих (100 м) сполучень через чотири пари кабеля UTP Категорії 5. Стандарти гігабітного Ethernet визначають інтерфейс, названий GMII (Gigabit Media Independed Interface ~ гігабітний інтерфейс, незалежний від середовища), для підрівня MAC, операції управління, операції повторювачів, правила топології та чотири сигнальні системи Фізичного рівня (див. рис. 4.42).

Р ис. 4. 42. Функціональні елементи технологій гігабітного Ethernet.

Технології, основані на Fiber Channel.

Таблиця 4.16. Обмеження для середовищ у стандарті IEEE 802/3z.

¹ Стандарт EIA/TIA 568 А визначає смугу 160/500 МГц*км для багатомодового волокна.

² Міжнародний стандарт ISO/IEC 11801 визначає смугу 200/500 МГц*км для 50 мкм багатомодового волокна.

³ Специфікація ANSI Fibre Channel визначає смугу 500/500 МГц*км для 50 мкм багатомодового волокна; такі вимоги запропоновані для включення в стандарт ISO/IEC 11801.

Таблиця 4.17. Порівняльні характеристики гігабітного Ethernet.

Одним із найбільш важливих завдань мережевого адміністратора є підвищення продуктивності без руйнування чинної мережі. Гігабітний Ethernet дотримується тих самих форм, настроювань і функцій, що і його попередники із швидкостями 10 Мб/с та 100 Мб/с, дозволяючи поступову міграцію до мереж із вищою швидкістю. Всі три версії Ethernet застосовують однаковий формат рамок, операції з повним дуплексом і методи управління потоками. У напівдуплексному режимі гігабітний Ethernet використовує той самий основний метод CSMA/CD при змаганні за доступ до спільних середовищ. Гігабітний Ethernet використовує ті ж самі об'єкти управління, визначені IEEE 802.3.

Специфікації стандарту 802.3x визначають, що два вузли, сполучені через повнодуплексний комутований шлях, можуть одночасно передавати і приймати рамки. Гігабітний Ethernet дотримується цього стандарту при комунікації в повнодуплексному режимі. Зокрема, всі продукти гігабітного Ethernet, наявні на ринку в 1998 році, були повнодуплексними.

При роботі в напівдуплексному режимі гігабітний Ethernet використовує метод CSMA/CD, розширений для обслуговування області колізій діаметром 200 м. Без цього розширення передавання пакету Ethernet з мінімальною довжиною 64 октети може бути завершене перш ніж передавальна станція виявить колізію, що порушує умови нормального функціонування методу CSMA/CD. Для розв'язання цієї проблеми як мінімальний часовий період носія, так і тривалість часової щілини Ethernet розширені від значення 64 октети до нового значення 512 октетів. Слід відзначити, що це не вплинуло на мінімальну довжину рамки в 64 октети. Рамки, менші від 512 октетів, вирівнюють до цієї величини за допомогою нового поля розширення носія, яке розташоване після поля контрольної суми (CRC). Рамки, довші від 512 октетів, не розширюють. Ці зміни, які можуть негативно вплинути на експлуатаційні характеристики малих пакетів, скомпенсовані через введення нових властивостей в алгоритм CSMA/CD, названих пакетуванням рамок. Пакетування рамок дозволяє серверам, комутаторам та іншим пристроям висилати пакети малих рамок з метою повного використання наявної ширини смуги. Пристої, які працюють в режимі повного дуплексу (комутатори і буферизовані розподілювачі) не є суб'єктами розширення носія, часової щілини або змін, пов'язаних із пакетуванням рамок. Повнодуплексні пристої продовжують використовувати звичайну 96-бітову часову щілину між рамками та мінімальний розмір рамки в 64 октети.

Подібно, як при переході від Ethernet до Fast Ethernet, основні об'єкти управління, звичні для мережевих адміністраторів, перенесені на гігабітний Ethernet. Наприклад, протокол SNMP (Simple Network Management Protocol ~ простий протокол управління мережею) визначений як стандартний метод для збирання інформації про рівня пристроїв. SNMP використовує структури бази інформації для управління (Management Information Base - MIB) для записування ключових статистик, таких як облік колізій, переданих і прийнятих рамок, помилок та іншої інформації, пов'язаної з пристроями. Додаткова інформація збирається через агентів віддаленого моніторінгу (Remote MONitoring - RMON) для групування статистик для подання через програми застосувань для управління мережею. Оскільки гігабітний Ethernet використовує стандартні рамки Ethernet, то ті самі агенти MIB і RMON можуть бути використані для забезпечення управління мережею при гігабітній швидкості.

Гігабітний Ethernet може підтримувати стандарти рамок 802.3 та Ethernet II, а також специфікації керованих об’єктів. Тому зберігаються чинні застосування: протоколи, такі як IP, IPX, AppleTalk, платформи мережевого управління та інструментарій. Мережевий адміністратор може впровадити гігабітний Ethernet з мінімальним порушенням чинних послуг, при чому нова технологія може бути цілком прозорою для користувачів, за вийнятком покращення характеристик. Зберігаються і використовуються також чинні кабельні системи, операційні системи, протоколи, драйвери і програми-застосування для робочих станцій. Крім того, оскільки гігабітний Ethernet підтримує оптоволоконні середовища, то організації, які застосовують комутований FDDI, можуть відносно просто модифікувати свої мережі до гігабітних швидкостей.

Гігабітний Ethernet доповнює чинні високошвидкісні мережеві технології, такі як ATM (Asynchronous Trasfer Mode), надаючи можливість поєднання мережевих технологій між LAN та WAN із меншими змінами в чинній мережевій інфраструктурі, ніж безпосереднє впровадження ATM-технологій у локальні мережі.

Високошвидкісна технологія Gigabit Ethernet

3.7.1. 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

1Більш детально див. у табл. 1.7.

2 Більш детально див. у табл. 1.8.

3 У специфікаціях ANSI TP-PMD для сигналів RD+ і RD- використані провідники (контакти) 7 і 8, тоді як в 10BASE-T и 100BASE-TX - провідники (контакти) 3 і 6.

190