Сети Ethernet

16.4. Гигабитный Ethernet

В 1998 году в качестве стандарта утвержден гигабайтный Ethernet (IEEE 802.3z); 1000BASE-FX; FTP:/stdsbbs.ieee.org/pub, см. также http://www.gigabit-rethernet.org/technology/faq.html). Эти сети ориентированы на применение 4 скрученных пар категории 5 (до 100 м) и оптоволоконных кабелей. Используется кодировка сигналов на физическом уровне 8В/10B. Эта нотация означает, что каждый байт кодируется при передаче десятью битами. При этом не должно быть более 4 идентичных бит подряд и ни в одном коде не должно быть более 6 нулей или 6 единиц. Так достигаются хорошие условия синхронизации и высокая стабильность постоянной составляющей. В рассматриваемом варианте по каждой паре передаются сигналы с частотой 125 МГц, и за каждый такт транспортируется два бита. Сетевые интерфейсы используют шину PCI. В этом стандарте могут применяться полнодуплексные повторители ( FRD ). Эти повторители, в отличие от традиционных, имеют встроенные буферы на каждом из портов. Схема передачи предполагает карусельный способ доступа портов к шине повторителя. Но в этом приборе, в отличие от коммутатора, нет анализа адреса места назначения, и пакет передается всем портам устройства.

Блок-схема сетевого интерфейса GE и 10GE показана на рис. 16.26 (работа через скрученную пару). Поскольку в локальной сети могут присутствовать сегменты как FE, так и GE, возможны переполнения буферов в переключателях и потери кадров. Перекладывание подавления перегрузки на уровень L3 или L4 в данном случае особенно накладно.

Для решения проблемы перегрузки в GE и 10GE одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что другая сторона на некоторое время должна прервать передачу. В поле тип такого кадра заносится код 0x8808, а первые два байта поля данных являются управляющими, последующие октеты могут содержать параметры команды. Для управления используются кадры типа PAUSE, в качестве параметра может быть указана длительность паузы в единицах времени передачи кадра минимальной длины.

Для GE такая единица равна 512 нс. Максимальная длительность паузы равна 33,6 мс. Хотя использование концентраторов не запрещено, оно крайне нежелательно, так как приводит к понижению эффективности использования сети ( таблица 16.7.).

Новые Ethernet-протоколы 1000BASE-T и 10GBASE-T требуют применения скрученных пар существенно более высокого качества (с большей полосой пропускания, с низкими уровнями NEXT и FEXT). Передача в этом случае производится по четырем скрученным парам одновременно (см. ieee802.3/10GBT). Предполагается, что эта технология станет стандартной в первой половине 2006 года и будет частью спецификации IEEE 803.3ae. Требования к кабелю определяются документом ISO/IEC-11801:2002 для классов D или выше. Анализ распределения используемых длин показывает, что наиболее часто используются кабели длиной 40 м, а с вероятностью более 90% длина кабеля не превышает 80 м. Кабели классов D-F имеют полосу пропускания 250-625 МГц.

Рис. 16.26. Блок-схема сетевой карты для работы с GE и 10GE

Из рисунка видно, что цифровая обработка сигналов стала основой работы такого устройства. Для кабелей класса F (категория 7) максимальная длина составляет 100 м, для класса Е (категория 6) — от 55 до 100 м, а для класса D (категория 5е) — 20-60м. При этом ожидается уровень BER не хуже 10^-12. Скрученные пары предлагаются в качестве дешевого решения, при больших длинах оптическое волокно остается вне конкуренции. Ниже в таблице приводится сравнение режимов работы приемо-передатчиков в 1000BASE-T и 10GBASE-T ( таблица 16.8.).

Всякая, даже гигантская сеть была когда-то маленькой. Обычно сеть начинается с одного сегмента. Когда ресурсы одного сегмента или концентратора (повторители для скрученных пар) исчерпаны, добавляется повторитель или переключатель. Так продолжается до тех пор, пока ресурсы удлинения сегментов и каналы концентраторов не закончатся. Если при построении сети длина кабельных сегментов и их качество не контролировалось, возможен и худший сценарий — резкое увеличение числа столкновений или вообще самопроизвольное отключение от сети некоторых ЭВМ. Когда это произошло, администратор сети должен понять, что время дешевого развития сети прошло: надо думать о приобретении сетевых переключателей, маршрутизаторов, а возможно, и диагностического оборудования. Применение этих устройств может решить и проблему загрузки некоторых сегментов, ведь в пределах одного логического сегмента потоки, создаваемые каждым сервером или обычной ЭВМ, суммируются. Не исключено, что именно в этот момент сетевой администратор заметит, что топология сети неудачна и ее нужно изменить. Чтобы этого не произошло, рекомендуется с самого начала тщательно документировать все элементы (кабельные сегменты, интерфейсы, повторители и пр.). Сегодня я бы рекомендовал внедрять переключатели уже на раннем периоде эволюции сети.

Хорошо, если уже на первом этапе вы представляете конечную цель и те возможности, которыми располагаете. Бухгалтерская сеть и сеть, ориентированная на выход в Интернет, будут иметь разные структуры. Прокладывая кабели, рекомендуется учитывать, что расположение ЭВМ время от времени меняется и это не должно приводить к изменению длины сегмента или к появлению дополнительных "сросток" кабелей. Если сеть уже создана, научитесь измерять информационные потоки в сегментах и внешние потоки (если ваша сеть соединена с другими сетями, например с Интернет), это позволит осмысленно намечать пути дальнейшей эволюции сети, а в случае аренды оценить величину трафика. Сетевая архитектура требует немалых знаний, и это дело лучше поручить профессионалам.

Когда потоки данных в сети достигают уровня, при котором использование сетевых переключателей уже недостаточно, можно подумать о внедрении маршрутизаторов либо оптоволоконных сегментов FE (100 Мбит/с), GE или даже 10GE Ethernet. Эти субсети будут играть роль магистралей, по которым идет основной поток данных, ответвляясь в нужных местах в субсети, построенные по традиционной технологии. Если в вашей сети имеются серверы общего пользования, их рекомендуется подключить к быстродействующим сегментам.

Особую проблему составляют переходы 100 Мбит/с 10 Мбит/с (или FE - GE ) (см. рис. 16.27). Дело в том, что на MAC-уровне нет механизмов понижения скорости передачи для согласования возможностей отправителя и приемника (для сетей со скоростью <1 Гбит/c). Такие возможности существуют только на IP-уровне (ICMP-quench или алгоритм медленного старта в TCP). Если функцию шлюза исполняет, например, переключатель, то исключить переполнение его буфера невозможно. Такое переполнение неизбежно приведет к потере пакетов, повторным передачам и, как следствие, к потере эффективной пропускной способности канала. Решить проблему может применение в качестве шлюза маршрутизатора (здесь может работать ICMP-механизм "обратного давления").

Рис. 16.27. Схема переходов 10-100-10 Мбит/с

Если любые 2 или более каналов справа попытаются начать работу с одним из каналов слева или наоборот, потери пакетов неизбежны. Потерь не будет, если объединения потоков нет, например, i-канал справа осуществляет обмен с i-каналом слева.

16.5. 10-гигабитный Ethernet

Хотя Ethernet на 1 Гбит/с и не использовал все свои возможности, реализован уже 10-гигабитный Ethernet ( IEEE 802.3ae, 10GBase-LW или 10GBase-ER ). Этот стандарт утвержден в июне 2002 года и в случае применения для построения региональных каналов соответствует спецификациям OC-192c/SDH VC-4-46c (WAN). В 2002 году опробован канал длиной 200 км с 10 сегментами. Существует серийное сетевое оборудование, обеспечивающее надежную передачу на скорости 10 Гбит/с при длине одномодового кабеля 10 км ( = 1310 нм). Эти данные взяты из журнала "LANline" (http://www.lanline.de) № 7, Juli 2002. При работе с оптическими волокнами могут применяться лазеры с вертикальными резонаторами и поверхностным излучением VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). В случае мультимодовых вариантов используются волокна с радиальным градиентом коэффициента преломления. В протоколе 10 Гбит/c Ethernet предусмотрен интерфейс chip-to-chip (802.3ae-XAUI — буквы ае означают здесь Ethernet Alliance — http://www.10gea.org).

Такие каналы могут использоваться и в LAN для соединения переключателей сетевых кластеров. Соединение организуется по схеме "точка-точка". Эта технология удобна для использования в фермах ЭВМ. Стандартизованы порты: 10Gbase-LR (до 10 км по одномодовому волокну — для высокопроизводительных магистральных и корпоративных каналов), 10Gbase-ER (до 40 км по одномодовому волокну), 10Gbase-SR (до 28 м по мультимодовому волокну — для соединений переключателей друг с другом), а также 10Gbase-LХ4 (до 300 м по мультимодовому волокну стандарта FDDI — для сетей в пределах одного здания). Обсуждается возможность построения 100Гбит/c Ethernet. В 10Gbase для локальных сетей применяется кодирование 64В/66B (вместо 8В/10B, используемого в обычном гигабитном Ethernet), так как старая схема дает 25% увеличение паразитного трафика. Следует обратить внимание, что такое решение делает непригодными существующие оптоволоконные технологии SDH/SONET. К концу 2002 года технология 10Гбит-Ethernet вторглась в область региональных (MAN; см. форум Metro-Ethernet и EFM Task Force) и даже межрегиональных (WAN) сетей, тесня SDH, Fibre Channel, OC-192, PCI Express и InfiniBand.

В версии 10Gbase-X4 формируется 4 потока по 3,125 Гбит/с, которые передаются по одному волокну (1310 нм) с привлечением техники мультиплексирования длин волн ( WWDM ). В случае 10Gbase-W на уровне МАС вводится большая минимальная длина IPG. Схема уровней для 10Gbase Ethernet показана на рис. 16.28.

• MDI Medium Dependent Interface (интерфейс, независимый от среды)
• XGMII 10 Gigabit Media Independent Interface (10-гигабитныйинтерфейс, независимый от среды)
• PCS Physical Coding Sublayer (подуровень физического кодирования)
• PMA Physical Medium Attachment (подключение к физической среде)
• PMD Physical Medium Dependent
• WIS WAN Interface Sublayer (подуровень интерфейса межрегиональной сети).

Рис. 16.28. Схема уровней для 10Gbase Ethernet

Классификация категорий оптических волокон для сетевых приложений ( таблица 16.9.).

1. Представлены значения для волокон с диаметрами 62.5/125 и 50/125 (MMF). Там, где значения отличаются, в скобках дается величина для 50 мкм.
2. Приложение в настоящее время промышленностью не поддерживается.
3. Приложение в настоящее время не поддерживается разрабатывавшей его группой.
4. Приложение в стадии разработки.
5. Приложение с ограниченной полосой пропускания для указанных длин канала. Использование для каналов с более высокими требованиями в случае применения компонентов с меньшим ослаблением не рекомендуется.
6. Длина канала может быть ограничена для волокон с диаметром 50 мкм.
7. Длина канала для одномодового волокна может быть больше, но это находится вне пределов регламентаций стандарта.

Максимальные длины каналов с мультимодовыми волокнами ( таблица 16.10.).

1. Максимальное ослабление на км (850/130 нм): 3,5/1,5 дБ/км; минимальная полоса пропускания для длин волн (850/130 нм): 500М Гц · км.
2. Максимальное ослабление на км (850/130 нм): 3,5/1,5 дБ/км; минимальная полоса пропускания для длин волн (850/130 нм): 200МГц · км / 500 МГц · км
3. Эти приложения ограничены по полосе. Использование компонентов с меньшим поглощением для получения каналов с улучшенными параметрами не рекомендуется.