10 гигабит: шаг вперед или в сторону?

Сергей Самохин

На проводившейся в мае этого года в Лас-Вегасе (шт. Невада) выставке NetWorld+Interop была продемонстрирована 10-гигабитная сеть общей протяженностью 200 км. Сеть объединяла устройства, изготовленные более чем двадцатью различными фирмами. Этот факт свидетельствует о том, что данная технология вступает в пору зрелости.

Согласно семиуровневой модели OSI (Open System Interconnect — межсоединение открытых систем) Ethernet является протоколом второго уровня. Стандарт 10 Gigabit Ethernet использует протокол доступа к среде (MAC), минимальную, максимальную длину и структуру пакета, совпадающие со спецификациями IEEE 802.3. Как и Gigabit Ethernet, новый стандарт использует только полнодуплексный режим работы, что позволяет исключить коллизии и более полно реализовать потенциал среды передачи. Однако между ними существует и различие — технология передачи по медным проводам на сколько-нибудь значительное расстояние изначально не планировалась. Зато предусмотрено несколько способов передачи по различным типам оптоволоконного кабеля, что позволяет получить максимальную дистанцию от 26 м до 40 км.

Для того чтобы максимально использовать существующую инфраструктуру (уже проложенный оптоволоконный кабель), разработчикам стандарта пришлось пойти на введение нескольких не совместимых друг с другом физических интерфейсов, а сам физический уровень модели OSI был разбит на несколько подуровней. Первым подуровнем физического уровня является XGMI (10 Gigabit Media Independent Interface — независимый от среды интерфейс 10 гигабит). Он представляет собой полнодуплексную шину шириной 32 бит на прием и передачу и набор управляющих сигналов. Будучи строго синхронным, этот интерфейс, согласно рекомендациям, не может быть длиннее 7 см. Для соединения устройств уровня данных и физического на относительно больших расстояниях (до 50 см) разработан опциональный последовательный интерфейс XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface — интерфейс 10 гигабит для присоединения устройств). Ниже расположен подуровень PCS (Physical Encoding Sublayer — подуровень физического кодирования). Он имеет три варианта. Первый — 64B66B — используется при одноканальной передаче в локальных и глобальных сетях. Второй — 8B10B — применяется только в локальных сетях при четырехканальной передаче с использованием WWDM (Wide Wave Division Multiplexing — мультиплексирование по длине волны). При этом передача осуществляется одновременно четырьмя лазерами, имеющими различные длины волн (цвета). Третий вариант предусматривает кодирование 64B66B, но в него дополнительно включен подуровень WIS (WAN Interface Sublayer — подуровень интерфейса с WAN), который производит преобразование в формат кадра SONET и синхронизацию.

Еще ниже лежит подуровень PMA (Physical Medium Attachment — подключение к физической среде), который осуществляет окончательную подготовку данных к отправке. Наконец, в самом низу находятся лазер и фотоприемник (один или четыре), реализующие подуровень PMD (Physical Media Dependent — физический, зависящий от среды). Разнообразие подуровней PMD объясняется тем, что для работы с различными типами оптоволоконного кабеля требуются разные длины волны ИК-излучения, в зависимости от материала, из которого изготовлена светопроводящая жила. Обозначения типов 10 Gigabit Ethernet в зависимости от рабочей длины волны и типа кодирования приведены в табл. 1.

В зависимости от длины волны и типа кабеля (одно- или многомодовый) дальность, на которой осуществляется связь, может изменяться от 26 м до 40 км. Максимальная дальность для различных типов кабеля и разновидностей 10 Gigabit Ethernet приведена в табл. 2.

Появление новой технологии диктуется прежде всего растущими требованиями к увеличению объемов передаваемых по сетям Ethernet данных, которые можно удовлетворить за счет повышения скорости передачи. Теперь, с появлением стандарта IEEE 802.3 ae, Ethernet становится технологией, допускающей тысячекратное масштабирование  — от 10 МГц до 10 ГГц. Это означает, что пакет, покинув десятимегагерцевую сетевую карточку на пользовательском компьютере, может пройти через несколько коммутаторов, пропутешествовать 40 км со скоростью 10 гигабит и, пройдя ряд обратных преобразований, попасть на такую же карточку, установленную у другого пользователя. Причем на всем пути логика его обработки будет совершенно одинаковой.

На первый взгляд появление стандарта 10GBASE-XX кажется вполне логичным, эволюционным развитием технологии Ethernet. Однако попробуем воспользоваться эмпирическим правилом, которое гласит, что на каждый герц частоты последовательного интерфейса приходится один герц тактовой частоты процессора. Получается, что только для загрузки сетевого интерфейса потребуется процессор с тактовой частотой 20 ГГц. Но процессор должен выполнять еще и некоторую полезную работу, так что его тактовая частота должна быть повышена как минимум до 40 ГГц. Увеличением количества процессоров требуемой скорости обработки добиться также сложно, поскольку при этом возрастают накладные расходы.

Поэтому можно предположить, что, по крайней мере на первом этапе, 10 Gigabit Ethernet будет применяться для соединения групп пользователей и устройств. Такой характер носят прежде всего большие сети (WAN) и сети масштаба города (MAN). Однако и в локальных сетях новая технология может найти применение довольно быстро, особенно при подключении устройств хранения данных (NAS и SAN), а также для организации высокопроизводительных магистралей.

Подключение накопителей и групп накопителей к сети 10 Gigabit Ethernet открывает широкие возможности для внедрения протокола iSCSI (SCSI поверх Интернета), так как пропускная способность вдвое превышает максимально достижимую при подключении устройств напрямую по интерфейсу Ultra320 SCSI (320 × 16 = 5120 бит/с). Это дает как выигрыш в пропускной способности интерфейса, так и возможность разместить накопители вне офиса, в безопасном месте.

Применение технологии 10 Gigabit Ethernet в сетях масштаба города позволит, с одной стороны, повысить пропускную способность в 10 раз, а с другой — упростить администрирование за счет применения одной и той же архитектуры на всех уровнях обмена данными согласно эталонной модели OSI.

Наибольшую выгоду применение технологии 10 Gigabit Ethernet сулит в глобальных сетях (WAN). Наличие физического уровня для глобальных сетей (WAN PHY) обеспечивает дешевый и эффективный способ подключения сетей на основе Ethernet к существующей инфраструктуре SONET/SDH. Это позволяет подключать пакетно-ориентированные коммутаторы сетей IP/Ethernet к синхронным сетям SONET/SDH и аппаратуре временного уплотнения (time division multiplexing, TDM).

Необходимо понять, что Ethernet была и остается асинхронной, пакетно-ориентированной технологией обмена данными, при которой синхронизация поддерживается только на уровне пакетов. Каждый концентратор, коммутатор или маршрутизатор, приняв пакет, может произвести его пересинхронизацию. Синхронные протоколы, такие как SONET/SDH, требуют от всех устройств, участвующих в обмене данными, полного синхронизма во избежание ухода тактовой частоты и связанных с этим ошибок.

Подуровень WAN PHY позволяет подключать такие устройства, как коммутаторы и маршрутизаторы, непосредственно к синхронным сетям SONET/SDH. Таким образом, два маршрутизатора будут вести себя так, как если бы они были соединены друг с другом напрямую, через обыкновенный сегмент Ethernet.

Для облегчения администрирования глобальных сетей на основе 10 Gigabit Ethernet WAN PHY обеспечивает служебную информацию по соединениям SONET/SDH, что позволяет управляющему персоналу отслеживать и администрировать соединения через WAN PHY согласно их истинной природе.

Таким образом, технология Ethernet почти утратила свой первоначальный абсолютно асинхронный характер; ушел в прошлое и метод доступа к среде CSMA/CD, делавший сети Ethernet во многом почти непредсказуемыми. И самое главное — Ethernet сделала очередной шаг по превращению в средство телекоммуникации в традиционном его понимании.

КомпьютерПресс 10'2002