15.8 Gigabit Ethernet

Мережа Gigabit Ethernet – це природний, еволюційний шлях розвитку концепції, закладеної в стандартній мережі Ethernet. Безумовно, вона успадковує й всі недоліки своїх прямих попередників, наприклад, негарантований час доступу до мережі. Однак величезна пропускна здатність приводить до того, що завантажити мережу до тих рівнів, коли цей фактор стає визначальним, досить важко. Зате збереження наступності дозволяє досить просто з’єднувати сегменти Ethernet, Fast Ethernet й Gigabit Ethernet у мережу, і, саме головне, переходити до нових швидкостей поступово, уводячи гігабітні сегменти тільки на самих напружених ділянках мережі. До того ж далеко не скрізь така висока пропускна здатність дійсно необхідна.

У мережі Gigabit Ethernet зберігається метод доступу CSMA/CD, використовуються ті ж формати пакетів (кадрів) і ті ж їхні розміри. Не потрібно ніякого перетворення протоколів у місцях з’єднання із сегментами Ethernet й Fast Ethernet. Єдине, що потрібно, – це узгодження швидкостей обміну, тому головною областю застосування Gigabit Ethernet стане в першу чергу з’єднання концентраторів Ethernet й Fast Ethernet між собою.

З появою швидкодіючихих серверів і поширенням персональних комп’ютерів класу “high-end” переваги Gigabit Ethernet стають усе більш явними. Так, 64-розрядна системна магістраль PCI, уже фактичний стандарт, цілком досягає необхідної для такої мережі швидкості передачі даних.

Загальна характеристика стандарту

Достатньо швидко після появи на ринку продуктів Fast Ethernet мережеві інтегратори і адміністратори відчули певні обмеження при побудові корпоративних мереж. У багатьох випадках сервери, підключені по 100-мегабитному каналу, перенавантажували 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 вищий рівень швидкості могли надати тільки комутатори АТМ, а за відсутності у 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 попереду) упроваджувати їх в локальну мережу майже ніхто не вирішувався. Крім того, технологія АТМ відрізнялася дуже високим рівнем вартості.

Тому логічним виглядав наступний крок, зроблений IEEE, – через 5 місяців після остаточного ухвалення стандарту Fast Ethernet в червні 1995 року дослідницькій групі по вивченню високошвидкісних технологій IEEE було наказано зайнятися розглядом можливості вироблення стандарту Ethernet з ще вищою бітовою швидкістю.

Літом 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 разі Fast Ethernet, повідомлення було сприйняте прихильниками Ethernet з великим ентузіазмом.

Основною причиною ентузіазму була перспектива такого ж плавного перекладу магістралей мереж на Gigabit Ethernet, подібно до того, як були переведені на Fast Ethernet переобтяжені сегменти Ethernet, розташовані на нижніх рівнях ієрархії мережі. До того ж досвід передачі даних на гигабитных швидкостях вже був, як в територіальних мережах (технологія SDH), так і в локальних – технологія Fibre Channel, яка використовується в основному для підключення високошвидкісної периферії до великих комп’ютерів і передає дані по волоконно-оптичному кабелю з швидкістю, близькою до гигабитной, за допомогою надмірної коди 8В/10В.

У утворений для узгодження зусиль в цій області Gigabit Ethernet Alliance із самого початку увійшли такі флагмани галузі, як Bay Networks, Cisco Systems і 3Com. За рік свого існування кількість учасників Gigabit Ethernet Alliance істотно виросла і налічує зараз більше 100. Як перший варіант фізичного рівня був прийнятий рівень технології Fiber Channel, з її кодом 8В/10В (як і у разі 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 по реалізації Gigabit Ethernet на витій парі категорії 5 були передані спеціальному комітету 802.Заb, який вже розглянув декілька варіантів проекту цього стандарту, причому з липня 1998 року проект придбав достатньо стабільний характер.

Не чекаючи ухвалення стандарту, деякі компанії випустили перше устаткування Gigabit Ethernet на оптоволоконному кабелі вже до літа 1997 року.

Основна ідея розробників стандарту Gigabit Ethernet полягає в максимальному збереженні ідей класичної технології Ethernet досягши бітової швидкості в 1000 Мбіт/с.

Оскільки при розробці нової технології природно чекати деяких технічних новинок, що йдуть в загальному руслі розвитку мережевих технологій, то важливо відзначити, що Gigabit Ethernet, так само як і його менш швидкісні побратими, на рівні протоколу не підтримуватиме:

– якість обслуговування;

– надмірні зв’язки;

– тестування працездатності вузлів і устаткування (у останньому випадку – за винятком тестування зв’язку порт – порт, як це робиться для Ethernet 10Base-T і 10Base-F і Fast Ethernet).

Що ж загального є в технології Gigabit Ethernet в порівнянні з технологіями Ethernet і Fast Ethernet?

– Зберігаються всі формати кадрів Ethernet.

– Як і раніше існуватимуть 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 у розробників Fast Ethernet, оскільки складно змусити працювати алгоритм CSMA/CD на високих швидкостях. Проте метод доступу залишився незмінним в технології Fast Ethernet, і його вирішили залишити в новій технології Gigabit Ethernet. Збереження недорогого рішення для середовищ, що розділяються, дозволить застосувати Gigabit Ethernet в невеликих робочих групах, що мають швидкі сервери і робочі станції.

– Підтримуються всі основні види кабелів, використовуваних в Ethernet і Fast Ethernet: волоконно-оптичний, витаючи пара категорії 5, коаксиал.

Проте розробникам технології Gigabit Ethernet для збереження приведених вище властивостей довелося внести зміни не тільки до фізичного рівня, як це було у разі Fast Ethernet, але і в рівень MAC.

Перед розробниками стандарту Gigabit Ethernet стояло декілька важко вирішуваних проблем. Одним з них було завдання забезпечення прийнятного діаметру мережі для напівдуплексного режиму роботи. У зв’язку з обмеженнями, що накладаються методом CSMA/CD на довжину кабелю, версія Gigabit Ethernet для середовища, що розділяється, допускала б довжину сегменту всього в 25 метрів при збереженні розміру кадрів і всіх параметрів методу CSMA/CD незмінними. Оскільки існує велика кількість застосувань, коли потрібно підвищити діаметр мережі хоч би до 200 метрів, необхідно було якимсь чином вирішити цю задачу за рахунок мінімальних змін в технології Fast Ethernet.

Іншим складним завданням було досягнення бітової швидкості 1000 Мбіт/с на основних типах кабелів. Навіть для оптоволокна досягнення такої швидкості представляє деякі проблеми, оскільки технологія Fibre Channel, фізичний рівень якої був узятий за основу для оптоволоконної версії Gigabit Ethernet, забезпечує швидкість передачі даних всього в 800 Мбіт/с (бітова швидкість на лінії рівна в цьому випадку приблизно 1000 Мбіт/с, але при методі кодування 8В/10В корисна бітова швидкість на 20% менше швидкості імпульсів на лінії).

І нарешті, найскладніше завдання – підтримка кабелю на витій парі. Таке завдання на перший погляд здається нерозв’язним – адже навіть для 100-мегабитных протоколів довелося використовувати достатньо складні методи кодування, щоб укласти спектр сигналу в смугу пропускання кабелю. Проте успіхи фахівців з кодування, що виявилися останнім часом в нових стандартах модемів, показали, що завдання має шанси на рішення. Щоб не гальмувати ухвалення основної версії стандарту Gigabit Ethernet, що використовує оптоволокно і коаксиал, був створений окремий комітет 802.3ab, який займається розробкою стандарту Gigabit Ethernet на витій парі категорії 5.

Всі ці завдання були успішно вирішені.

Типи сегментів

Номенклатура сегментів мережі Gigabit Ethernet у цей час містить у собі наступні типи:

• 1000BASE-SX – сегмент на мультимодовому оптоволоконому кабелі з довжиною хвилі світлового сигналу 850 нм (довжиною до 500 метрів). Використовуються лазерні передавачі.

• 1000BASE-LX – сегмент на мультимодовому (довжиною до 500 метрів) і одномодовому (довжиною до 2000 метрів) оптоволоконому кабелі з довжиною хвилі світлового сигналу 1300 нм. Використовуються лазерні передавачі.

• 1000BASE-CX – сегмент на екранованій крученій парі (довжиною до 25 метрів).

• 1000BASE-T(1000BASE-TX) (стандарт IEEE 802.3ab) – сегмент на зчетвереній неекранованій крученій парі категорії 5 (довжиною до 100 метрів). Використовується 5-рівневе кодування (PAM-5), причому в повнодуплексному режимі передача ведеться по кожній парі у двох напрямках.

Назва		Відстань
1000BASE-CX	Збалансований мідний кабель	25 метрів
1000BASE-SX	багатомодове волокно	550 метрів
1000BASE-LX	Одномодове волокно	5 км
1000BASE-SX	Багатомодове волокно використовується 850 nm довжина хвилі	550 метрів
1000BASE-LH	Одномодове або Багатомодове волокно використовується 1310 nm довжина хвилі	10 км
1000BASE-ZX	Одномодове волокно на 1550 nm довжина хвилі	~ 70 км
1000BASE-LX10	Одномодове волокно використовується 1310 nm довжина хвилі	10 км
1000BASE-BX10	Одномодове волокно, по single-strand fiber: 1490 nm прямий канал 1310 nm зворотній канал	10 км
1000BASE-T	Вита пара (CAT-5, CAT-5e, CAT-6, or CAT-7)	100 метрів
1000BASE-TX	Вита пара (CAT-6, CAT-7)	100 метрів

Принципи роботи

Спеціально для мережі Gigabit Ethernet запропонований метод кодування переданої інформації 8В/10В, побудований по тому ж принципі, що й код 4В/5В мережі FDDI (крім 1000BASE-T). Таким чином, восьми бітам інформації, яку потрібно передати, ставиться у відповідність 10 біт, переданих по мережі. Цей код дозволяє зберегти самосинхронізацію, легко виявляти несучу (факт передачі), але не вимагає подвоєння смуги пропущення, як у випадку манчестерського коду.

Для збільшення 512-бітного інтервалу мережі Ethernet, що відповідає мінімальній довжині пакета, (51,2 мкс у мережі Ethernet й 5,12 мкс у мережі Fast Ethernet), розроблені спеціальні методи. Зокрема, мінімальна довжина пакета збільшена до 512 байт (4096 біт). У іншому випадку часовий інтервал 0,512 мкс надмірно обмежував би граничну довжину мережі Gigabit Ethernet. Всі пакети з довжиною менше 512 байт розширюються до 512 байт. Поле розширення вставляється в пакет після поля контрольної суми. Це вимагає додаткової обробки пакетів, але зате максимально припустимий розмір мережі стає в 8 разів більше, ніж без прийняття таких мір.

Крім того, в Gigabit Ethernet передбачена можливість блокового режиму передачі пакетів (frame bursting). При цьому абонент, що одержав право передавати й, що має для передачі кілька пакетів, може передати не один, а кілька пакетів, послідовно, причому адресованих різним абонентам-одержувачам. Додаткові передані пакети можуть бути тільки короткими, а сумарна довжина всіх пакетів блоку не повинна перевищувати 8192 байта. Таке рішення дозволяє знизити кількість захватів мережі й зменшити число колізій. При використанні блокового режиму розширюється до 512 байт тільки перший пакет блоку для того, щоб перевірити, немає чи в мережі колізій. Інші пакети до 512 байт можуть не розширюватися.

Передача в мережі Gigabit Ethernet виробляється як у напівдуплексному режимі (зі збереженням методу доступу CSMA/CD), так й у більше швидкому повнодуплексному режимі (аналогічно попередньої мережі Fast Ethernet). Очікується, що повнодуплексний режим, що не накладає обмежень на довжину мережі (крім обмежень у зв’язку із загасанням сигналу в кабелі) і забезпечуючий відсутність конфліктів, стане в майбутньому основним для Gigabit Ethernet.

Засоби забезпечення діаметру мережі в 200 м на середовищі, що розділяється

Для розширення максимального діаметру мережі Gigabit Ethernet в напівдуплексному режимі до 200 м розробники технології зробили достатньо природні заходи, що грунтуються на відомому співвідношенні часу передачі кадру мінімальної довжини і часу подвійного обороту.

Мінімальний розмір кадру був збільшений (без урахування преамбули) з 64 до 512 байт або до 4096 bt. Відповідно, час подвійного обороту тепер також можна було збільшити до 4095 bt, що робить допустимим діаметр мережі близько 200 м при використанні одного повторителя. При подвійній затримці сигналу в 10 bt/m оптоволоконні кабелі завдовжки 100 м вносять внесок під час подвійного обороту по 1000 bt, і якщо повторитель і мережеві адаптери вноситимуть такі ж затримки, як в технології Fast Ethernet, то затримка повторителя в 1000 bt і парах мережевих адаптерів в 1000 bt дадуть в сумі час подвійного обороту 4000 bt, що задовольняє умові розпізнавання колізій. Для збільшення довжини кадру до потрібної в новій технології величини мережевий адаптер повинен доповнити поле даних до довжини 448 байт так званим розширенням (extention), що є полем, заповненим забороненими символами коди 8В/10В, які неможливо прийняти за коди даних.

Для скорочення накладних витрат при використанні дуже довгих кадрів для передачі коротких квитанцій розробники стандарту дозволили кінцевим вузлам передавати декілька кадрів підряд, без передачі середовища іншим станціям. Такий режим отримав назву Burst Mode – монопольний пакетний режим. Станція може передати підряд декілька кадрів із загальною довжиною не більше 65 536 битий або 8192 байт. Якщо станції потрібно передати декілька невеликих кадрів, то вона може не доповнювати їх до розміру в 512 байт, а передавати підряд до вичерпання межі в 8192 байт (у цю межу входять всі байти кадру, зокрема преамбула, заголовок, дані і контрольна сума). Межа 8192 байт називається BurstLength. Якщо станція почала передавати кадр і межу BurstLength був досягнутий в середині кадру, то кадр дозволяється передати до кінця.

Збільшення «суміщеного» кадру до 8192 байт декілька затримує доступ до середовища інших станцій, що розділяється, але при швидкості 1000 Мбіт/с ця затримка не така 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 коаксиал з хвилевим 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 світлодіодів з довжиною хвилі 850 нм пояснюється тим, що вони набагато дешевші, ніж світлодіоди, що працюють на хвилі 1300 нм, хоча при цьому максимальна довжина кабелю зменшується, оскільки загасання багатомодового оптоволокна на хвилі 850 м більш ніж в два рази вище, ніж на хвилі 1300 нм. Проте можливість здешевлення надзвичайно важлива для такої в цілому дорогої технології, як Gigabit Ethernet.

Для багатомодового оптоволокна стандарт 802.3z визначив специфікації 1000Base-SX і 1000Base-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 1000Base-SX гранична довжина оптоволоконного сегменту для кабелю 62,5/125 залишає 220 м, а для кабелю 50/125 – 500 м. Очевидні, що ці максимальні значення можуть досягатися тільки для повнодуплексної передачі даних, оскільки час подвійного обороту сигналу на двох відрізках 220 м рівні 4400 bt, що перевершує межу 4095 bt навіть без урахування повторителя і мережевих адаптерів. Для напівдуплексної передачі максимальні значення сегментів оптоволоконного кабелю завжди повинні бути менше 100 м. Приведені відстані в 220 і 500 м розраховано для гіршого за стандартом випадку смуги пропускання багатомодового кабелю, що знаходиться в межах від 160 до 500 Мгц/км.. Реальні кабелі зазвичай володіють значно кращими характеристиками, що знаходяться між 600 і 1000 Мгц/км.. В цьому випадку можна збільшити довжину кабелю до приблизно 800 м.

Одномодовий кабель

Для специфікації 1000Base-LX як джерело випромінювання завжди застосовується напівпровідниковий лазер з довжиною хвилі 1300 нм.

Основна область застосування стандарту 1000Base-LX – це одномодове оптоволокно. Максимальна довжина кабелю для одномодового волокна рівна 5000 м.

Специфікація 1000Base-LX може працювати і на багатомодовому кабелі. В цьому випадку гранична відстань виходить невеликою – 550 м. Це пов’язано з особливостями розповсюдження когерентного світла в широкому каналі багатомодового кабелю. Для приєднання лазерного трансивера до багатомодового кабелю необхідно використовувати спеціальний адаптер.

Твінаксиальний кабель

Як середовище передачі даних використовується високоякісний твінаксиальный кабель (Twinax) з хвилевим опором 150 Ом (2х75 Ом). Дані посилаються одночасно по парі провідників, кожен з яких оточений екрануючим обплетенням. При цьому виходить режим напівдуплексної передачі. Для забезпечення повнодуплексної передачі необхідно ще дві пари коаксіальних провідників. Почав випускатися спеціальний кабель, який містить чотирьох коаксіальних провідників – так званий Quad-кабель. Він зовні нагадує кабель категорії 5 і має близький до йому зовнішній діаметр і гнучкість. Максимальна довжина твинаксиального сегменту складає всього 25 метрів, тому це рішення підходить для устаткування, розташованого в одній кімнаті.

Gigabit Ethernet на витій парі категорії 5

Як відомо, кожна пара кабелю категорії 5 має гарантовану смугу пропускання до 100 Мгц. Для передачі по такому кабелю даних із швидкістю 1000 Мбіт/с було вирішено організувати паралельну передачу одночасно по всіх 4 парам кабелю (так само, як і в технології 100VG-AnyLAN).

Це відразу зменшило швидкість передачі даних по кожній парі до 250 Мбіт/с. Проте і для такої швидкості необхідно було придумати метод кодування, який мав би спектр не вище 100 Мгц. Крім того, одночасне використання чотирьох пар на перший погляд позбавляє мережу можливість розпізнавати колізії.

На обидва ці питання комітет 802.3аb знайшов відповіді.

Для кодування даних був застосований код Рам5, що використовує 5 рівнів потенціалу: -2, -1, 0 +1, +2. Тому за один такт по одній парі передається 2,322 біт інформації. Отже, тактову частоту замість 250 Мгц можна понизити до 125 Мгц. При цьому якщо використовувати не всі коди, а передавати 8 битий за такт (по 4 парам), то витримується необхідна швидкість передачі в 1000 Мбіт/с і ще залишається запас невживаних код, оскільки код Рам5 містить 54 = 625 комбінацій, а якщо передавати за один такт по всіх чотирьох парах 8 битий даних, то для цього потрібний всього 28 = 256 комбінацій. Комбінації, що залишилися, приймач може використовувати для контролю інформації, що приймається, і виділення правильних комбінацій на тлі шуму. Код Рам5 на тактовій частоті 125 Мгц укладається в смугу 100 Мгц кабелю категорії 5.

Для розпізнавання колізій і організації повнодуплексного режиму розробники специфікації 802.3аЬ застосували техніку, використовувану при організації дуплексного режиму на одній парі проводів в сучасних модемах і апаратурі передачі даних абонентських закінчень ISDN. Замість передачі по різних парах проводів або розноситься сигналів двох передавачів, що одночасно працюють назустріч, по діапазону частот обидва передавачі працюють назустріч один одному по кожній з 4-х пар в одному і тому ж діапазоні частот, оскільки використовують один і той же потенційний код. Схема гібридної розв’язки Н дозволяє приймачу і передавачу одного і того ж вузла використовувати одночасно виту пару і для прийому і для передачі (так само, як і в трансиверах коаксіального Ethernet).

Рис. Двонаправлена передача по чотирьох парах UTP категорії 5

Для відділення сигналу, що приймається, від свого власного приймач віднімає з результуючого сигналу відомий йому свій сигнал. Природно, що це не проста операція і для її виконання використовуються спеціальні цифрові сигнальні процесори – DSP (Digital Signal Processor). Така техніка вже пройшла перевірку практикою, але в модемах і мережах ISDN вона застосовувалася зовсім на інших швидкостях.

При напівдуплексному режимі роботи отримання зустрічного потоку даних вважається колізією, а для повнодуплексного режиму роботи – нормальною ситуацією.

З огляду на те, що роботи по стандартизації специфікації Gigabit Ethernet на неекранованій витій парі категорії 5 добігають кінця, багато виробників і споживачі сподіваються на позитивний результат цієї роботи, оскільки в цьому випадку для підтримки технології Gigabit Ethernet не потрібно буде замінювати вже встановлену проводку категорії 5 на оптоволокно або проводку категорії 7.

 

10G Ethernet