Обзоры
Ethernet 10 Gbps уже на пороге
0

Ethernet 10 Gbps уже на пороге

Все боится времени, а время боится… Ethernet.
Умозаключение

За последние 20 лет сетевая индустрия была свидетелем взлетов и падений многих сетевых технологий. Некоторые практически исчезли (ARCnet, DECnet), другие — остались, но заняли довольно узкую нишу (Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN). И лишь технология Ethernet не только стала стандартом де-факто для построения локальных сетей, но и, неудержимо развиваясь, грозит вторгнуться на доселе недоступную для нее территорию глобальных сетей передачи данных.

Сегодня Ethernet является наиболее распространенной технологией для объединения в локальные сети ПК и серверов. Утвержденный в 1998 г. стандарт для Gigabit Ethernet привлек к себе внимание тех, кто был не склонен принять весьма дорогую и трудную в сопровождении ATM для построения офисных ЛВС. И хотя основная масса сетей использует 10/100 Ethernet, аналитики прогнозируют, что буквально в течение ближайших нескольких лет Gigabit Ethernet значительно потеснит менее скоростные варианты в секторе локальных сетей. И вот, доминирующая уже почти 20 лет в сетях масштаба отделов, "всепобеждающая" технология может вскоре из "каботажного плавания" выйти на "океанские просторы" глобальных сетей. Основанием для этого служит зреющая в недрах индустрии и вскармливаемая ненасытными требованиями корпораций к полосе пропускания технология 10 Gigabit Ethernet.

Не отвечая на вопрос, нужна ли сегодня такая пропускная способность, разработчики принимают превентивные меры. Для создания стандарта в марте 1999 г. формируется рабочая группа IEEE 802.3 Higher Speed Study Group (HSSG), переименованная в дальнейшем в IEEE P802.3ae 10Gb/s Ethernet Task Force. Вот лишь некоторые из ее целей:

  • создать технологию, превышающую Gigabit Ethernet в 10 раз по скорости и лишь в 2—3 раза по стоимости;
  • сохранить формат кадра IEEE 802.3 Ethernet;
  • удовлетворить функциональным требованиям спецификации IEEE 802;
  • обеспечить простую передачу пакетов между сетями Ethernet с разной пропускной способностью;
  • сохранить минимальный и максимальный размеры кадров существующего стандарта IEEE 802.3;
  • специфицировать независимый от среды передачи интерфейс (Media Independent Interface, MII);
  • реализовать только полнодуплексную передачу;
  • поддержать топологию типа "звезда";
  • специфицировать семейство протоколов физического уровня, которое бы обеспечило длину канала не менее 200 м на многомодовом оптоволокне (MMF) и не менее 3 км на одномодовом оптоволокне (SMF);
  • обеспечить поддержку как существующей кабельной инфраструктуры, так и появляющихся новых.

Становление стандарта — процесс достаточно длительный. И хотя многие аспекты технологии находятся лишь в стадии обсуждения, тем не менее небезынтересно остановиться на некоторых из них.

Стек протоколов

Как известно, согласно эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI сетевая технология определяется двумя нижними уровнями стека протоколов — канальным (data link) и физическим (physical). На рис. 1 представлена структура этих уровней и их соответствие модели OSI. Прежде чем переходить к более детальному рассмотрению, дадим краткие пояснения к рисунку.

Рис. 1

МАС (Medium Access Control — уровень управления доступом к среде). Обеспечивает логическое соединение между МАС-клиентами одноранговых (равноправных) рабочих станций. Его основными функциями являются инициализация, управление и поддержание соединения с одноранговым узлом сети.

Reconciliation (подуровень согласования). Служит своеобразным транслятором, переводя команды МАС-уровня в соответствующие электрические сигналы для физического уровня.

10GMII (10 Gigabit Medium Independent Interface — независимый от среды интерфейс). Обеспечивает стандартный интерфейс между МАС-уровнем и физическим уровнем. Он изолирует канальный уровень от специфики физического, позволяя первому на едином логическом уровне работать с различными реализациями второго.

PCS (Physical Coding Sublayer — подуровень физического кодирования). Выполняет кодирование и декодирование (не путать с шифрованием) потока данных (точнее, сигналов), поступающих от/к канальному уровню. Механизм кодирования, вообще говоря, не определяется. На возможных схемах кодирования мы вкратце остановимся ниже.

PMA (Physical Medium Attachment — подуровень подсоединения к физической среде). Преобразует группы кодов в поток бит для последовательной бит-ориентированной передачи и выполняет обратное преобразование. Этот же подуровень обеспечивает синхронизацию приема/передачи.

PMD (Physical Medium Dependent — подуровень связи с физической средой). Отвечает за передачу сигналов в данной физической среде. Типичными функциями этого подуровня являются усиление сигнала, модуляция, формирование сигнала. Разные PMD-устройства могут поддерживать различные физические среды передачи.

MDI (Medium Dependent Interface — зависимый от среды интерфейс). Определяет различные виды коннекторов для разных физических сред и PMD-устройств.

Особенности канального уровня
Дуплексный режим передачи

Напомним, что стандарт 10/100 Ethernet предусматривает два режима передачи: полудуплексный и дуплексный (часто говорят полнодуплексный от английского full duplex). Полудуплексный режим в классической версии Ethernet предусматривает использование разделяемой среды передачи и протокола множественного доступа с определением несущей и обнаружением коллизий CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection). Его простота настолько способствовала успеху этого стандарта, что многие отождествляют протокол CSMA/CD с самой технологией Ethernet. Основными недостатками этого режима передачи являлись потеря эффективности при возрастании количества одновременно работающих станций и дистанционные ограничения, связанные с минимальной длиной пакета 64 B. В технологии Gigabit Ethernet для достижения приемлемой длины канала и сохранения минимального размера пакета была использована техника расширения несущей, которая дополнила его до 512 В. Однако полудуплексный режим передачи при скорости 10 Gbps, к счастью, не интересует соответствующий сектор рынка. Каналы с такой скоростью используются обычно для магистральных соединений типа точка—точка. И в данном случае дуплексный режим предпочтительнее. Так что можно почти наверняка утверждать, что стандарт будет разрабатываться только для дуплексного режима, в котором отсутствует конкуренция за доступ к среде. Станция-отправитель может начать передачу в любой момент времени, будучи в полной уверенности, что ее адресат готов к приему. Длина канала ограничивается только характеристиками физической среды, используемыми устройствами приема/передачи, мощностью сигнала и методами модуляции. Необходимую же топологию можно обеспечить, например, с помощью коммутаторов.

Формат МАС-фрейма

Пожалуй, ключевой целью разрабатываемой спецификации является сохранение того же формата МАС-фрейма (блока информации канального уровня), что и у предшествующих стандартов Ethernet. Это позволит естественным образом объединить 10 Gigabit Ethernet с существующими Ethernet-сетями. Не будет необходимости в сборке/разборке пакета и трансляции адресов, что сказалось бы на скорости коммутации, а использование дуплексного режима передачи даст возможность сохранить минимальный размер пакета 64 В без применения техники расширения несущей.

Скорость передачи

Как ни странно, но именно этот пункт вызывает много разногласий. Казалось бы, если речь идет о 10 Gbps, так о чем здесь спорить? Тем не менее несколько месяцев дискуссии не привели к однозначному решению. Представители LAN-бизнеса настаивают на скорости 10 Gbps, поскольку в этом случае коммутатор 10 Gigabit Ethernet мог бы поддерживать точно 10 портов Gigabit Ethernet. Представители же индустрии глобальных сетей настаивают на скорости передачи 9,584640 Gbps, так как таков стандарт ОС-192 для сетей SONET. Рабочая группа склонна искать компромиссные решения. Однако если переход к меньшей скорости может быть реализован с помощью какого-нибудь механизма регулировки темпа передачи (pacing mechanism), то обратная задача требует очень сложных и дорогостоящих устройств.

Особенности физического уровня
Независимый от среды интерфейс

Больше всего споров вызывает физический уровень. Основные проблемы здесь группируются вокруг независимого от среды интерфейса 10GMII. Какую архитектуру выбрать, параллельную или последовательную, использовать параллельную оптику или мультиплексирование по длине волны (WDM); какую применить технику физического кодирования и многое другое.

В функции 10GMII входит обеспечение интерфейса между канальным и физическим уровнями. Он должен позволить канальному уровню взаимодействовать с различными реализациями физического уровня. Остановимся на этом, поскольку детализация имеющихся предложений завела бы нас слишком далеко.

Архитектура физического уровня

Физический уровень может быть построен на базе одной из двух конкурирующих архитектур: последовательной или параллельной. Последовательная архитектура использует один высокоскоростной блок PCS/PMA/PMD, в то время как параллельная — несколько таких блоков, однако менее скоростных.

Последовательная реализация

Блочная структура последовательной архитектуры приведена на рис. 2. Здесь существует всего один физический канал с пропускной способностью 10 Gbps. Все операции просты. Модуль согласования (reconciliation) передает сигналы, соответствующие данным МАС-уровня, слово за словом, модулю кодирования PCS. Тот кодирует сигналы предопределенным образом и передает их модулю PMA. Последний преобразует данные в поток бит и направляет их далее к PMD, который уже передает сигналы в физический канал (оптоволокно). При приеме процесс повторяется в обратном порядке. Основным преимуществом этой архитектуры является простота реализации операций приема/передачи. Здесь не требуется использования сложной техники мультиплексирования/демультиплексирования, как в параллельной архитектуре. Необходимы только один лазер и один оптоволоконный кабель. Однако за эту простоту приходится платить дорогостоящими лазерным оборудованием и высокоскоростной логикой на SiGe. Правда, скорость передачи можно снизить, применяя такую технику кодирования, как РАМ-5 или предложенная недавно МВ810.

Рис. 2

Параллельная реализация

Блок-схема одного из вариантов параллельной архитектуры показана на рис. 3. Физической средой может служить многожильный оптоволоконный кабель либо одножильный, скажем, при мультиплексировании по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Процесс передачи (приема) здесь усложняется. При использовании n-жильного кабеля распределитель (Distributor) разбивает фреймы и интервалы между ними на n потоков мини-фреймов и мини-интервалов в циклическом порядке. Каждый из таких потоков направляется к определенному модулю PCS и т. д. В результате к каждому оптоволокну поступает последовательный поток бит со скоростью 10/n Gbps. Основное преимущество подобной реализации заключается в том, что модули PCS/PMA могут работать на более низкой скорости и полупроводниковая логика может быть построена на кристаллах, производимых по более дешевой технологии (CMOS/Bipolar). В числе недостатков — необходимость дополнительного модуля Distributor/Collector, использование набора из n лазеров и логических схем. Далее, реализация мультиплексного канала с помощью многожильного оптоволоконного кабеля может не вписаться в существующую инфраструктуру, тогда как использование WDM может оказаться неприемлемо дорогостоящим.

Рис. 3

Дистанционные ограничения

Как уже упоминалось выше, благодаря использованию только дуплексного режима передачи длина соединения ограничивается лишь характеристиками устройств и среды передачи. Здесь основная проблема — подобрать правильную технологию для решения поставленных задач. Необходимая длина канала должна определяться в каждом конкретном случае. Приведенная таблица демонстрирует возможности некоторых технологий.

10-гигабитовое будущее

Несмотря на то что сегодня по весьма многим технологическим вопросам больше разногласий, чем определенности, ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что стандарт не только будет принят, но и найдет широкую поддержку как в сетевой индустрии, так и на рынке. Можно указать на несколько секторов, которые уже сейчас готовы принять технологию 10 Gigabit Ethernet. К примеру, в локальных сетях это подсоединение серверных пулов, в корпоративных — магистрали и каналы к сетям устройств массовой памяти (SAN) и очевидное использование технологии в качестве магистральной в глобальных сетях. Есть и приложения, остро нуждающиеся в столь большой полосе пропускания (видеоконференции, транзакции в режиме on-line). О реальности технологии говорит и тот факт, что Lucent уже продемонстрировала работающий образец канала длиной 300 м на улучшенном многомодовом оптоволокне, используя лазер типа VCSEL с длиной волны 850 нм. Немалые основания для оптимизма заключаются и в таких особенностях, как относительно невысокая стоимость и совместимость с имеющимися сетями Ethernet.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: