Прошлое, настоящее и будущее Ethernet

Сергей Пахомов

История развития

Гигабитный EthernetГигабитный Ethernet

Перспективы развития

История развития

Днем рождения Ethernet можно считать 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф и Дэвид Боггс опубликовали докладную записку, в которой описывалась экспериментальная сеть, построенная ими в исследовательском центре фирмы Xerox в г.Пало-Альто. Сеть, получившая имя Ethernet, базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. В декабре того же года Меткалф опубликовал докторскую работу «Packet communications» («Пакетная связь»), а в июле 1976 года Меткалф и Боггс выпустили совместный труд «Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks» («Ethernet: распределенная пакетная коммутация для локальных компьютерных сетей»). Таким образом была заложена теоретическая база для дальнейшего развития технологии.

Ключевую роль в судьбе Ethernet сыграл Роберт Меткалф, который в 1979 году для воплощения своих идей в жизнь создал собственную компанию 3Com, одновременно начав работать консультантом в Digital Equipment Corporation (DEC). В DEC Меткалф получил задание на разработку такой сети, спецификации на которую не затрагивали бы патентов Xerox. Был создан совместный проект Digital, Intel и Xerox, известный под названием DIX. Задачей DIX было превратить Ethernet из лабораторного эксперимента в технологию для постройки новых систем, работающих со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Ethernet стал превращаться из разработки Xerox в открытую, общедоступную технологию, что оказалось решающим фактором в его становлении в качестве мирового сетевого стандарта.

В феврале 1980 года результаты деятельности DIX были представлены в Институте инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), где вскоре была сформирована группа для работы над проектом. Постепенно Ethernet закреплял свои позиции в качестве стандарта. Так, в марте 1981-го 3Com представила 10 Мбит/с Ethernet-трансивер, а в сентябре следующего года — первый Ethernet-адаптер для ПК.

10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении почти десяти лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Если для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 от пропускной способности самих шин, то с появлением шины PCI (133 Мбайт/с) она упала до 1/133, а этого было явно недостаточно. Кроме того, неуклонно возрастали потребности в объемах передаваемых данных. Вследствие этого многие сегменты 10-мегабитного Ethernet стали перегруженными, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая номинальную пропускную способность.

Для решения проблемы недостаточной пропускной способности Ethernet в 1992 году группа производителей сетевого оборудования образовала некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet, а в мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3.

В начало В начало

Гигабитный Ethernet

В марте 1996 года, примерно через год после принятия стандарта 802.3u, было принято решение о разработке технологии передачи данных со скоростью 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet) стандарта 802.3z (Gigabit Ethernet). В мае того же года 11 ведущих компаний, заинтересованных в разработке и внедрении этой технологии, основали Gigabit Ethernet Alliance, куда первоначально вошли 3Com Corp; Bay Networks, Inc.; Cisco Systems, Inc.; Compaq Computer Corp; Granite Systems, Inc.; Intel Corporation; LSI Logic; Packet Engines, Inc.; Sun Microsystems Computer Company; UB Networks и VLSI Technology, а на начало 1998 года альянс включал уже более 100 компаний. Основными целями альянса были объявлены выработка технических требований для включения в стандарт и проведение тестирования для обеспечения открытости и совместимости.

29 июня 1998 года был принят стандарт Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z). Спецификация 802.3z описывает использование одномодового и многомодового оптического волокна (интерфейс 1000Base-LX и 1000Base-FX). Несколько позднее эта спецификация была расширена (IEEE 802.3ab) и на использование неэкранированной витой пары UTP 5-й категории (интерфейс 1000Base-T) на расстояние до 100 м.

Появление стандарта IEEE 802.3ab послужило толчком для массового внедрения гигабитного Ethernet в локальных сетях, поскольку при этом не требовалось менять кабельную инфраструктуру сети. К тому же оптические решения гигабитного Ethernet достаточно дороги и используются лишь для построения магистральных линий связи и для связи удаленных друг от друга на большое расстояние локальных сетей.

О стандарте IEEE 802.3ab мы уже неоднократно писали на страницах нашего журнала (подборку статей можно найти на нашем CD-диске), поэтому здесь лишь вкратце расскажем о его особенностях. Первой проблемой реализации скорости 1 Гбит/с стало обеспечение приемлемого диаметра сети при работе в полудуплексном режиме работы. Как известно, минимальный размер кадра в сетях Ethernet и Fast Ethernet составляет 64 байт. Однако такой размер кадра при скорости передачи в 1 Гбит/с приводит к тому, что для надежного распознавания коллизий максимальный диаметр сети (расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга компьютерами) должен составлять не более 25 м.

Чтобы обеспечить максимальный диаметр сети в 200 м (два кабеля по 100 м и коммутатор), минимальная длина кадра в стандарте Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт. Для увеличения длины кадра сетевой адаптер дополняет поле данных до 448 байт так называемым расширением (extention). В то же время увеличение минимальной длины кадра негативно сказывается при передаче коротких служебных сообщений, например квитанций, так как полезная передаваемая информация становится существенно меньше общей передаваемой информации. С целью сокращения накладных расходов при использовании длинных кадров для передачи коротких квитанций стандартом Gigabit Ethernet допускается возможность передачи нескольких кадров подряд в режиме монопольного захвата среды, то есть без передачи среды другим станциям. Такой монопольный режим захвата называется Burst Mode, и в этом режиме станция может передавать подряд несколько кадров с общей длиной не более 8192 байт (BurstLength).

Наряду с изменением MAC-уровня, достижение гигабитных скоростей передачи стало возможным благодаря существенному изменению физического уровня, то есть за счет технологии представления данных (кодирования) при передаче данных по витой паре. Чтобы понять, какие принципиальные изменения были реализованы на физическом уровне, давайте вспомним, что неэкранированный кабель 5-й категории состоит из четырех пар проводов и рассчитан для работы на частоте 125 МГц. Поэтому, чтобы достичь гигабитной скорости передачи, нужно передавать данные одновременно по четырем парам. Для достижения суммарной скорости передачи 1 Гбит/с необходимо, чтобы скорость передачи в расчете на каждую пару составляла 250 Мбит/с. Учитывая, что максимальная скорость модуляции для кабеля 5-й категории составляет 125 МГц (бодовая скорость), информационная скорость в 250 Мбит/с может быть достигнута при условии, что в каждом дискретном состоянии сигнала кодируется два информационных бита.

Для обеспечения такой скорости передачи был изменен (по сравнению с технологией Fast Ethernet) метод физического и логического кодирования данных. В стандарте 1000Base-T используется треллис-кодирование 4D/PAM-5: передаваемый сигнал имеет набор из пяти фиксированных уровней — четыре используются для кодирования информационных битов, а пятый предназначен для коррекции ошибок. На наборе из четырех фиксированных уровней одним дискретным состоянием сигнала можно закодировать сразу два информационных бита, поскольку комбинация из двух битов имеет четыре возможные комбинации (так называемые дибиты) — 00, 01, 10 и 11. Пятый, избыточный, уровень кода (Forward Error Correction, FEC) используется для механизма построения коррекции ошибок и реализуется сверточным треллис-кодированием и декодером Витерби. В технологии 1000Base-T используется восьмипозиционный сверточный кодер. Поскольку символы передаются по всем четырем витым парам кабеля одновременно с использованием пятиуровневого кодирования PAM-5, такое кодирование получило название четырехмерного 4D/PAM-5.

Использование треллис-кодирования по описанной схеме позволяет снизить соотношение «сигнал/шум» (SNR) на 6 дБ, то есть значительно увеличить помехоустойчивость при передаче данных.

После окончательного утверждения стандарта гигабитного Ethernet все производители сетевого оборудования включились в активную борьбу за клиента. В их ассортименте стали появляться серверные сетевые адаптеры, а также коммутаторы с гигабитными модулями. Такие решения позволяли строить смешанные сети, то есть сети, в которых присутствуют как традиционные 10-мегабитные, так и гигабитные сегменты. При этом предполагалось, что гигабитные сегменты сетей используются исключительно для подключения серверов к коммутаторам или для связи коммутаторов друг с другом.

Указанное решение является вполне обоснованным и сбалансированным. Действительно, гигабитные решения применяются только в критически важных сегментах сети, от пропускной способности которых зависит производительность всей сети в целом. Так, если пользователи сети используют сетевые адаптеры Fast Ethernet с пропускной способностью 100 Мбит/с, то ожидаемая нагрузка на сервер может превышать 100 Мбит/с, поэтому если сервер подключается к сети по той же схеме, что и остальные узлы, то сам канал подключения сервера оказывается перегруженным. В результате возрастает время отклика сервера, увеличивается время обработки транзакций пользователя и вся сеть начинает подтормаживать. Логичным решением данной проблемы является увеличение пропускной способности каналов связи серверов с сетью, то есть переход на более высокоскоростной протокол передачи.

Впрочем, говоря о построении гигабитных каналов связи, необходимо учитывать ряд существенных ограничений. Прежде всего, сервер, в который предполагается устанавливать гигабитный сетевой адаптер, должен иметь 64-разрядную 66-мегагерцевую шину PCI. Дело в том, что пропускной способности обычной 32-бит/33-МГц PCI-шины недостаточно, чтобы реализовать весь потенциал гигабитного сетевого адаптера. Именно поэтому большинство серверных гигабитных сетевых адаптеров имеют 64-бит/66-МГц PCI-интерфейс. Однако даже при выполнении первого условия требуется сервер с достаточно высокой производительностью — в противном случае сервер будет просто не в состоянии «переварить» гигабитный трафик и слабым местом сети станет процессорная подсистема самого сервера. К примеру, при использовании двухпроцессорных серверов с процессорами, тактовая частота которых ниже 1 ГГц, уже при трафике порядка 500 Мбит/с может наблюдаться 100-процентная утилизация процессорной подсистемы, что станет препятствием для дальнейшего увеличения пропускной способности. Если же речь идет о файл-сервере, то, кроме высокопроизводительной процессорной подсистемы, потребуется также мощная дисковая подсистема. В случае если возможности дисковой и сетевой подсистем не будут сбалансированы, дисковая подсистема сервера окажется слабым местом сети. Поэтому в файл-серверах используются высокопроизводительные дисковые RAID-массивы.

На первых порах внедрения гигабитных решений в локальные сети перечисленные выше требования создавали определенные сложности, но к настоящему моменту производительность процессоров выросла настолько, что для обработки гигабитного трафика вполне достаточно и одного процессора с тактовой частотой выше 2 ГГц.

Увеличение производительности не только серверов, но и пользовательских ПК, а также всевозрастающие потребности в объемах передаваемых по сети данных позволили поставить на повестку дня вопрос об использовании гигабитных решений для рабочих станций. В связи с этим примерно через год после появления серверных гигабитных адаптеров большинство производителей сетевого оборудования приступили к выпуску гигабитных сетевых адаптеров для рабочих станций. Основное отличие этих адаптеров от серверных аналогов заключается в том, что они рассчитаны на PCI-шины с 32-бит/33-МГц интерфейсом. Однако в этом случае пропускная способность PCI-шины становится узким местом в системе, не позволяя даже теоретически достигнуть трафика в 2 Гбит/с в дуплексном режиме. Если, кроме того, учесть, что PCI-шину утилизируют и другие устройства ввода-вывода, то на долю сетевого адаптера отводится еще меньшая пропускная способность. Но недостаточная пропускная способность PCI-шины  — это лишь одна сторона медали. С другой стороны, при традиционном способе доступа к сети неизбежны большие задержки — до тех пор, пока данные, получаемые из сети, достигнут жесткого диска, на который они должны быть записаны. Фактически при традиционной архитектуре с использованием PCI-шины невозможно организовать полноценный дуплексный режим работы. Это и понятно: при подключении сетевого контроллера к PCI-шине получаемые данные прежде всего поступают в хаб ввода-вывода (южный мост чипсета), затем по шине связи южного и северного мостов они передаются в MCH-хаб (северный мост) и далее по шине памяти достигают оперативной памяти. После этого данные проделывают обратный путь, поступая на контроллер ввода-вывода, и только потом могут быть записаны на жесткий диск. Поэтому использование таких адаптеров в рабочих станциях, хотя они и имеют неоспоримое преимущество перед адаптерами Fast Ethernet, не может реализовать в полном объеме всех преимуществ гигабитной технологии.

Выход из создавшегося положения предложила корпорация Intel. В своих новых чипсетах i865 (Springdale) и i875 (Canterwood) для рабочих станций компания использовала новую архитектуру Communications Streaming Architecture (CSA). Суть этой новой архитектуры заключается в том, что контроллер гигабитного интерфейса подключается не через медленную PCI-шину, связанную с южным мостом чипсета, а напрямую с северным мостом через новую высокоскоростную CSA-шину. Пропускная способность этой шины составляет 266 Мбайт/с или 2,1 Гбит/с, что вдвое больше пропускной способности PCI-шины (33 МГц/32 бит).

Кроме того, при применении CSA-шины, непосредственно связывающей MCH-контроллер с гигабитным сетевым адаптером, путь, который проделывают данные при их записи на диск, становится существенно короче. Поэтому второе преимущество использования новой CSA-шины состоит в сокращении задержек при передаче данных. В результате значительно повышается максимальный сетевой трафик в дуплексном режиме, приближаясь к заветной цифре 2 Гбит/с.

После появления CSA-архитектуры уже можно говорить об успешной и полноценной экспансии гигабитных решений в локальные сети. Практически все производители материнских плат стали интегрировать гигабитные сетевые адаптеры на платы, а наличие гигабитного порта на материнской плате постепенно становится стандартом де-факто. Более того, уже стали появляться ноутбуки со встроенными гигабитными сетевыми картами. Таким образом, возникла реальная возможность для построения полностью гигабитных локальных сетей. Однако для подключения пользователей к сети по гигабитным каналам необходимо, чтобы и коммутаторы были полностью гигабитными. Поэтому вслед за коммутаторами, оснащенными одно- и двухпортовыми гигабитными модулями, на рынке стали появляться полностью гигабитные коммутаторы. Первоначально это были управляемые коммутаторы, ориентированные на использование в качестве центральных коммутаторов сетей. Применение таких коммутаторов с целью микросегментации сети (подключение отдельных ПК к портам коммутатора) не предполагалось, да и было бы слишком расточительным решением.

В связи с этим для создания полноценной инфраструктуры гигабитных сетей необходимо было выпустить гигабитные коммутаторы класса SOHO. Поскольку производство гигабитных контроллеров по себестоимости не отличается от контроллеров Fast Ethernet, гигабитные чипы стали постепенно вытеснять своих младших собратьев. Производителям было просто невыгодно продолжать выпуск контроллеров Fast Ethernet, если такие же по себестоимости гигабитные контроллеры способны обеспечить более высокую производительность и полностью совместимы с решениями Fast Ethernet. Естественно, что по мере роста объемов производства гигабитных контроллеров сокращалась и цена на подобные контроллеры. Это стало еще одной предпосылкой для появления гигабитных коммутаторов класса SOHO. Сейчас уже можно говорить о том, что сегмент рынка гигабитных SOHO-коммутаторов заполнился, так как практически все производители сетевого оборудования имеют в своем ассортименте решения в данном классе.

Гигабитные коммутаторы класса SOHO — это мини-коммутаторы, предназначенные для микросегментации сети: к каждому порту коммутатора подключается по гигабитному каналу отдельный ПК. Количество гигабитных портов в таких коммутаторах варьируется от четырех до восьми, а цена — от 150 до 400 долл. Возможность сетевого управления и удаленного мониторинга в данном случае не актуальна, поэтому такие коммутаторы не имеют функций сетевого управления. Однако встречаются и такие решения, которые можно условно отнести к разряду Smart-коммутаторов, поддерживающих функции локального управления, такие как жесткое задание скорости работы (10/10/1000 Мбит/с) каждого порта, настройка портов в полнодуплексном или полудуплексном режиме работы (Full Duplex/Half Duplex), зеркалирование портов, конфигурирование VLAN, возможность создания транковых объединений портов. Иногда выпускаются и коммутаторы с возможностью фильтрации IP-адресов для обеспечения требований безопасности.

В начало В начало

Перспективы развития

По мере развития гигабитного Ethernet и в связи с появлением полностью гигабитных локальных сетей неизбежно встанет проблема сбалансированности сетей, обеспечить которую будет возможно лишь в случае, если каналы подключения серверов и каналы связи отдельных сегментов сети будут иметь большую пропускную способность, чем каналы подключения отдельных узлов сети. В общем, по законам диалектики история развития сетей повторится, но уже на новом уровне. Но если в сетях Fast Ethernet для построения сбалансированного решения требовалось подключение критически важных сегментов сети по гигабитным каналам связи, то для гигабитных сетей необходимо иметь еще более высокоскоростное решение, то есть речь идет об использовании 10-гигабитного Ethernet.

Собственно технологию 10-гигабитного Ethernet (10 Gigabit Ethernet) новой назвать нельзя. Альянс 10GEA (10 Gigabit Ethernet Alliance) был сформирован еще в 1999 году, а в 2002-м была окончательно утверждена спецификация IEEE 802.3ae (10 Gigabit Ethernet). Однако сегодня говорить о массовом распространении 10 Gigabit Ethernet пока еще преждевременно. Дело в том, что спецификация IEEE 802.3ae предусматривает использование волоконно-оптических каналов связи, а применение медной пары не планировалось изначально. Предусмотрено несколько способов передачи по различным типам оптоволоконного кабеля, что позволяет получить максимальную дистанцию от 26 м до 40 км (в зависимости от длины волны лазера и типа используемого кабеля).

Можно предположить, что, по крайней мере на первом этапе, 10 Gigabit Ethernet будет применяться для соединения групп пользователей и устройств, то есть займет ту нишу, которую сейчас занимает волоконно-оптический Gigabit Ethernet. Сюда относятся прежде всего большие сети (WAN) и сети масштаба города (MAN). В локальных сетях новая технология может найти применение для подключения 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 ее пропускная способность вдвое превышает максимально достижимую при подключении устройств напрямую по интерфейсу Ultra320 SCSI. Это не только дает выигрыш в пропускной способности интерфейса, но и открывает возможность разместить накопители вне офиса, в безопасном месте.

Как уже отмечалось, использование волоконно-оптических кабелей для подключения отдельных серверов в локальных сетях встречается довольно редко. Кроме того, возможностей процессорных и дисковых подсистем серверов (речь идет о серверах среднего уровня) пока еще недостаточно для реализации потенциала 10 Gigabit Ethernet. Однако уже в ближайшем будущем все изменится и технология 10 Gigabit Ethernet для локальных сетей будет востребована. Поэтому уже сейчас в рамках IEEE разрабатывается стандарт 10 Gigabit Ethernet для работы по кабелю на основе витой пары (10GBase-T). Сформированная IEEE исследовательская группа должна оценить возможности разработки стандарта, обеспечивающего возможность передачи данных со скоростью 10 Гбит/с по неэкранированному кабелю на основе витых пар (UTP) на расстояние до 100 м.

КомпьютерПресс 10'2003

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует