Gigabit Ethernet для бедных

     В одном из анекдотов советского времени американец в письме к своему русскому другу жалуется на тяжелую жизнь. Ему приходится содержать три машины: одну — для поездок на работу, другую — для выезда в свет и третью — для путешествий за границу. Подобные чувства испытывают сетевые администраторы, которым при скудном корпоративном бюджете (нам бы их заботы) необходимо удовлетворять постоянно растущие требования пользователей к полосе пропускания сетей. Одной из основных причин этих требований являются приложения, интенсивно использующие сетевые ресурсы. Это, в частности, хранилища данных и резервирование, которые оперируют гигабайтовыми или даже терабайтовыми объемами данных, распределенных по сотням серверов и систем хранения; допечатная подготовка, научное моделирование и визуализация медицинской информации, генерирующие мультимедийные и графические файлы, расширяющиеся в объеме, как газ в пустоте. Ситуацию усугубляют приложения Internet и intranet, которые создают непредсказуемый по интенсивности и направлению (соединения типа "каждый с каждым") трафик. Влияние также оказывает повсеместная миграция сетей к коммутируемой архитектуре, следствием чего является необходимость объединять в одном канале трафик на уровнях рабочих групп, пула серверов и сетевых магистралей.

     Нельзя сказать, что индустрия игнорировала столь жизненно необходимые нужды пользователей. В июне 1998 г. был принят стандарт Gigabit Ethernet 1000Base-X, или IEEE 802.3z — по названию рабочей группы. Эта спецификация охватывала три среды передачи:

  • одномодовое оптоволокно с длиной канала до 5 км — 1000Base-LX (long wavelength fiber);
  • многомодовое оптоволокно с длиной канала до 550 м — 1000Base-SX (short wavelength fiber);
  • симметричный изолированный медный кабель — 1000Base-СX (short run copper), который мог быть использован для соединения устройств в аппаратных на расстоянии до 25 м.

     Понятно, что для эффективного применения Gigabit Ethernet 1000Base-X необходима оптоволоконная проводка. Это значит, что технология оказывается, по сути, недоступной для многих потенциальных пользователей (а точнее, для большинства), не имеющих оптических магистралей и соответствующих средств для их установки. Осознавая это, Комитет стандартов IEEE создает весной 1997 г. рабочую группу 802.3ab, которой поручает разработку спецификации Gigabit Ethernet для четырехпарного неэкранированного кабеля категории 5 (UTP 5) с длиной канала до 100 м. Поскольку в большинстве организаций сетевая инфраструктура базируется на проводке UTP 5, то нет ничего удивительного в том, что с наибольшим нетерпением ждали принятия именно этого стандарта. И вот, наконец, 28 июня 1999 г. IEEE формально ратифицировал спецификацию 1000Base-T как стандарт Gigabit Ethernet для UTP 5. Каковы же его ключевые особенности, которые дают ему путевку в жизнь?

     1000Base-T обеспечивает полудуплексный (CSMA/CD) и дуплексный режимы обмена по неэкранированной витой паре категории 5 с такими же топологическими правилами, как и 100Base-TХ. Поддержка традиционного (для Ethernet) уровня МАС (Media Access Control) гарантирует обратную совместимость с 10/100 Ethernet. Спецификация предусматривает использование механизма автосогласования (auto-negotiation), совпадающего с таковым для 100Base-TХ, что упрощает задачу инкрементного апгрейда в сетях Fast Ethernet. Наконец, частота ошибок менее чем 10-10, т. е. такая же, как и для 100Base-TХ.

     Воспользуемся случаем и рассмотрим подробнее, как Gigabit Ethernet поддерживает все четыре среды передачи.
     

     Основы технологии

     Технология Gigabit Ethernet описывает два нижних уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI: канальный, который управляет доступом к среде передачи, и физический, непосредственно осуществляющий передачу бит (рис. 1). Функционально канальный уровень реализуется посредством поддержки подуровня Ethernet МАС. В его задачи входит преобразование данных, поступающих с вышележащего (сетевого) уровня, в Ethernet-пакеты, а также планирование передачи и приема. МАС-уровень получает и отправляет пакеты через независимый от среды интерфейс Gigabit Media Independent Interface (GMII). Поскольку GMII обеспечивает стандартное подключение устройств, совместимых с Ethernet МАС, к любому из физических уровней, определяемому спецификацией Gigabit Ethernet, то группа 802.3ab сосредоточила свои усилия на разработке физического уровня для среды передачи на UTP 5.

     Физический уровень определяет электрическую сигнализацию, состояние канала, синхронизацию, кодирование данных и схематику для передачи и приема данных. Эти функции выполняются несколькими подуровнями:

  • подуровень физического кодирования (Physical Coding Sublayer — PCS) обеспечивает преобразование данных, поступающих от GMII, в форму, пригодную для передачи по физической среде;
  • подуровень подсоединения к физической среде (Physical Medium Attachment — PMA) генерирует и получает сигналы в/из физической среды;
  • подуровень, зависимый от физической среды (Physical Medium Dependent — PMD), обеспечивает физическую связь со средой передачи.

     Заметим, что тактовая частота передачи в стандарте 1000Base-T составляет 125 MHz, т. е. такая же, как и для 100Base-TХ. За счет чего же получается скорость передачи 1 Gbps? Она достигается благодаря использованию для обмена одновременно всех четырех пар в режиме двойного дуплекса (dual-duplex) и мощной схемы кодирования, позволяющей за один тактовый импульс передавать два бита данных (125 MHz x 2 бита x 4 = 1000 Mbps). Для сравнения напомним, что в стандарте 100Base-TХ применяется схема кодирования 4В/5В, при которой четыре бита данных транслируются в пять бит-символов, в результате чего при тактовой частоте 125 MHz получается скорость передачи данных 100 Mbps (125 MHz x 4/5 = 100 Mbps). Рассмотрим детальнее некоторые технические особенности стандарта 1000Base-T.

     В отличие от Fast Ethernet 100Base-TX, где дуплексный режим реализуется посредством двух однонаправленных (симплексных) каналов (одна витая пара — на передачу и одна — на прием, рис. 2, а), в стандарте 1000Base-Т используются все четыре пары, причем по каждой выполняется двунаправленная передача (рис. 2, б). Она становится возможной благодаря применению так называемой гибридной схемы, предотвращающей смешивание передаваемого и принимаемого сигналов. Двунаправленная передача порождает эффект эха, который является результатом неидеальной работы гибридной схемы и возвратных потерь, — энергии, отраженной вследствие несогласованного импеданса в кабельной системе. Для его подавления применяется хорошо известная из телефонии технология.

     Далее, кроме характерного и для 100Base-TX эффекта перекрестных помех на ближнем (относительно передатчика) конце линии (Near-End CrossTalk — NEXT), вызываемого высоким уровнем выходного сигнала по отношению к входному, в гигабитовой технологии существенным оказывается влияние передатчика на приемник на дальнем от передатчика конце линии — Far-End CrossTalk (FEXT). Это является следствием многопарной двунаправленной передачи. Схема формирования перекрестных помех представлена на рис. 3. Еще один эффект, проявляющийся при одновременной передаче по нескольким парам, обусловлен неодинаковым временем распространения сигнала от передатчика к приемнику по разным парам. Он называется перекосом задержки (delay skew) и может оказать существенное влияние на правильность сборки данных. Точности ради отметим, что описанные выше величины приведены с целью иллюстрации и далеко не исчерпывают всего набора.

     Итак, особенности рассматриваемой технологии предполагают, что четырехпарная проводка UTP 5, кроме стандартных для этого типа кабеля характеристик, должна удовлетворять требованиям к ряду других электрических параметров, влияние которых становится существенным при двунаправленной многопарной передаче. Это влечет за собой необходимость испытания имеющейся проводки перед осуществлением перехода на стандарт 1000Base-T. Информация по тестированию проводки, изготовленной не позже 1995 г., изложена в документе ANSI/TIA/EIA-TSB-67. Требования к дополнительным параметрам указаны в бюллетене ANSI/TIA/EIA-TSB-95. Там же описан ряд корректирующих действий, которые необходимо предпринять в том случае, если установленная проводка им не удовлетворяет. При разворачивании гигабитовой сети на вновь устанавливаемой проводке Gigabit Ethernet Alliance рекомендует использовать UTP 5e (enhanced), которая производится в соответствии со стандартом 1000Base-T.

     Остановимся теперь на основных особенностях упомянутой выше схемы кодирования. От МАС-уровня пакет из восьми бит передается на подуровень физического кодирования PCS через интерфейс GMII (см. рис. 1). Для того чтобы закодировать байт, необходимо 28 = 256 кодов. При двухуровневом сигнале (0,1) на каждой из четырех пар мы получаем 24 = 16 кодов. Аналогично трехуровневый сигнал на четырехпарной линии дает возможность получить 34 = 81 кодовую комбинацию. Для стандарта 1000Base-T был выбран метод амплитудно-импульсной модуляции с пятиуровневым сигналом, который обеспечивает 625 кодовых комбинаций. Четыре уровня амплитуды используются для того, чтобы закодировать два бита данных (00, 01, 10 и 11), а пятый уровень — для выполнения прямого исправления (без повторной передачи) ошибок (Forward Error Correction — FEC). В своем простейшем варианте амплитудно-импульсная модуляция — это представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью импульсов, которая образуется в результате считывания амплитуды с определенной частотой, обычно это частота Найквиста (рис. 4). Для получения аналогового сигнала, поступающего в линию, применяется известная из модемных технологий схема решетчатого кодирования (trellis coding). Декодирование выполняется по алгоритму Витерби (Viterbi decoding). Это проверенные временем технологии, которые используются в модемных коммуникациях более десяти лет.

     Итак, мы видим, что стандарт 1000Base-T создавался с целью обеспечения надежной работы гигабитовой технологии на существующей медной проводке UTP 5. Учитывая огромную инсталлированную базу сетей Ethernet и легкость интегрирования Gigabit Ethernet с традиционными сетями, можно, пожалуй, безошибочно утверждать, что эта высокоскоростная технология станет одной из наиболее распространенных как в корпоративной среде, так и в организациях не столь большого масштаба.

     Да, возвращаясь к сути. Русский друг отвечает, что ему живется при советской власти намного легче. На работу он ездит в трамвае, в театр — берет такси, а за границу выезжает на танке (дело было после венгерских событий 1956 г.).