oldi

Высокоскоростные технологии передачи данных в локальных вычислительных сетях

Сергей Самохин

 

Консервативные решения: распределение нагрузки

Консервативные решения: 1000Base-T — Gigabit для бедных

 

Для полного понимания сути обсуждаемого вопроса вначале следует определиться с терминологией. Прежде всего под локальной сетью будем понимать такую совокупность оборудования, которая объединяется в единое целое без привлечения телекоммуникационных средств, таких как каналы ISDN, T1, E1 и т.п., и охватывает ограниченную площадь. Не следует путать локальные и корпоративные сети, поскольку, с одной стороны, корпоративная сеть может представлять собой несколько локальных, расположенных в разных местах (и даже на разных континентах) и объединенных при помощи телекоммуникационных каналов, а с другой стороны, в одной локальной сети может работать сразу несколько фирм (возможно, родственных, тому есть примеры). Под высокоскоростными же будем понимать технологии, которые обеспечивают обмен данными со скоростью значительно (в два и более раза) большей, чем ставшая ныне стандартной 100 Мбит/с.

Однако высокоскоростные технологии передачи данных применяются в локальных сетях не только для привычных соединений рабочих станций и серверов. Периферийные устройства также подключаются по технологиям, близким к сетевым, но имеющим особенности, обусловленные сферой применения.

Все решения, направленные на повышение скорости обмена данными, можно грубо разделить на два направления — эволюционное, консервативное, и революционное, инновационное.

Нельзя сказать, что какое-то из направлений не имеет права на существование. Первое способствует решению некоторых проблем, сохраняя ранее вложенные инвестиции. То есть нечто вроде припарок — если пациент еще жив, то лекарство способно помочь. Второе улучшает параметры радикальным образом, но требует больших вложений. Радует то, что оба направления не исключают, а дополняют друг друга и зачастую могут применяться совместно. Поэтому рассмотрим оба подхода по порядку.

Консервативные решения: распределение нагрузки

Технология Advanced Load Balancing (ALB), или Link Aggregation (реже Port Aggregation; встречаются все термины, второй — самый правильный) является хорошим примером сбережения инвестиций при сравнительно скромном увеличении скорости обмена. Если сервер подключен к сети через коммутатор, то увеличить производительность в N раз можно за цену N-1 сетевых карт. Есть, правда, несколько «но»: карты не из дешевых, поскольку режим разделения нагрузки поддерживают далеко не все производители сетевого оборудования. Наиболее известные из них — 3Com, Adaptec, Bay Networks, Intel. Коммутатор тоже должен поддерживать ALB.

Суть метода заключается в том, что сетевой трафик распределяется между картами, которые при этом работают «параллельно». Отличие от простой установки нескольких карт заключается в том, что все карты под управлением ALB имеют один общий IP-адрес (физические адреса, конечно, не изменяются). То есть с точки зрения протокола IP на сервере установлена одна сетевая карта, но с повышенной пропускной способностью. Следует отметить, что основной выигрыш по сравнению с несколькими асинхронно работающими картами лежит не в производительности, а в области администрирования (у сервера всегда один адрес). Кроме того, ALB поддерживает резервирование, то есть при неисправности одной из карт нагрузка перераспределяется по остальным, в отличие от схемы «одна карта — один концентратор» (или коммутатор), при которой сегмент сети, подключенный к серверу через неисправную сетевую карту, просто теряет с ним связь. То есть помимо увеличения скорости имеет место и повышение надежности, что очень важно. В настоящее время сетевые платы для серверов, поддерживающие эту технологию, выпускают уже несколько фирм, например 3Com, Adaptec, Compaq, Intel, Matrox, SMC и другие.

То же самое (с некоторыми оговорками) можно сказать и о коммутаторах. Если соединить коммутаторы, находящиеся на основной информационной магистрали (backbone) сети, при помощи нескольких кабелей, работающих параллельно по ALB, то получим повышение пропускной способности в N раз за цену N-1 кабелей! Плюс повышение надежности, о чем речь шла выше. Если бы коммутатор не поддерживал ALB, то при работе протокола Spanning Tree, определяющего топологию сети и устраняющего петли, второй и последующие кабели, соединяющие два коммутатора, были бы деактивированы и переведены в число резервных. Под управлением же ALB порты коммутатора просто работают параллельно, и протокол Spanning Tree видит их как один-единственный. К сожалению, для коммутаторов эта технология менее продвинута, и сейчас объединять порты можно только у немногих коммутаторов, причем оба коммутатора должны быть произведены одной и той же фирмой. С окончательным утверждением стандарта IEEE 802.3ad положение должно улучшиться. Пока же объединение портов производится по фирменным технологиям, например Fast EtherChannel (еще одно название) от Cisco, применяемой в семействе Catalyst 5000. Похожая технология от Cabletron называется SmartTRUNK, но, как уже указывалось, до утверждения ожидаемого в ближайшее время стандарта фирменные технологии несовместимы друг с другом. Что интересно, Cabletron предлагает бесплатное программное обновление своей продукции, такой как SmartSwitch Router 8600, 8000 и 2000; SmartSwitch 9000, 6000 и 2000 на предмет внедрения SmartTRUNK прямо сейчас (подробности см. www.cabletron.com).

 

В начало

В начало

Консервативные решения: 1000Base-T — Gigabit для бедных

Изначально технология Gigabit Ethernet разрабатывалась, исходя из применения в качестве передающей среды оптоволоконного кабеля. Работа по этому стандарту началась еще в 1995 году. Однако наряду с несомненным преимуществом по ширине полосы пропускания оптический кабель, по сравнению с витой парой, имеет существенные недостатки (не технического, правда, а скорее, экономического плана). Для установки концевых разъемов требуется специальное оборудование и обученный персонал; сама установка занимает, по сравнению с витой парой, достаточно много времени; кабель и разъемы дорогие. Но стоимость монтажа — это пустяки по сравнению с тем, что многие тысячи, а может быть, и миллионы километров кабеля с витой парой уже замурованы в стены и перекрытия зданий и для перехода на новую технологию их надо: а) извлечь; б) заменить на оптоволоконные. Поэтому в 1997 году была образована рабочая группа по разработке стандарта и прототипа Gigabit Ethernet, работающей на кабеле категории 5. Разработчики, применяя изощренные методы кодирования и коррекции ошибок, ухитрились загнать 1000 Мбит/с (а точнее, 125 Мбайт/с) в восемь медных проводов, из которых, собственно, и состоит кабель категории 5 (Cat 5). То есть теперь, после окончательного утверждения стандарта, вся масса замурованного медного кабеля получает, в терминах компьютерных игр, еще одну жизнь. Утверждается, что 1000Base-T работает на любом кабеле, отвечающем требованиям, предъявляемым к категории 5, вот только вопрос, какая часть существующего в России кабеля проложена, а затем протестирована надлежащим образом... Считается, что если по кабелю работает 100Base-T, то он и есть категории 5. Однако кабель категории 3, вполне работоспособный при использовании 100Base-T4, для 1000Base-T непригоден. Повышенное контактное сопротивление в опрессованном китайскими клещами китайском разъеме или плохая запрессовка в розетке — то есть те мелочи, которые стерпит 100Base-T, для Gigabit Ethernet неприемлемы, поскольку в технологию изначально заложены предельные для категории 5 параметры кабельной системы, что объясняется применением схемы кодирования, включающей элементы аналоговой техники, всегда предъявляющей повышенные требования к качеству и помехоустойчивости канала передачи.

По данным Gigabit Ethernet Alliance (GEA, http://www.gigabit-ethernet.org/), любой канал, на котором работает 100Base-TX (именно TX, а не FX или T4), пригоден для 1000Base-T. Однако вдобавок к процедурам и тестируемым параметрам, определяемым стандартом ANSI/TIA/EIA TSB 67, рекомендуется также проверять величины потерь от отражения (Return Loss) и приведенных перекрестных помех на дальнем от передатчика конце (Equal Level Far-End Crosstalk, ELFEXT). Первый параметр характеризует ту часть энергии сигнала, которая отражается обратно из-за неточного согласования волнового сопротивления кабеля и нагрузки (что, интересно, может меняться при замене нагрузки, то есть сетевой карты или концентратора/ коммутатора?). Второй характеризует наводки от соседних пар.

Оба эти параметра не оказывают никакого влияния на работу при использовании протокола 10Base-T, могут оказать некоторое влияние при работе по протоколу 100Base-TX и весьма существенны при 1000Base-T. Поэтому рекомендации по их измерению будут опубликованы в рекомендации ANSI/TIA/EIA TSB-95, которая ужесточает требования к кабельной системе по отношению к категории 5. То есть элементарный здравый смысл требует вначале протестировать канал, по которому планируется использовать 1000Base-T.

Дополнительные (по отношению к категории 5) требования к кабельной системе, способной работать по протоколу 1000Base-T, изложены в проекте стандарта ANSI/TIA/EIA-TSB 95. В некоторых из уже имеющихся автоматических тестеров заложены возможности по измерению параметров, критичных для 1000Base-T. Такие тестеры автоматически проводят измерение всех необходимых параметров кабельной линии, в зависимости от стандарта (Cat5, TSB-95, Cat5e) или конкретного приложения (1000Base-T). Для проведения тестирования достаточно указать стандарт или приложение, результат выдается в виде Годен/Негоден (PASS or FAIL).

GEA указывает пять фирм-производителей переносных кабельных тестеров, хотя список может быть и неполным: Datacom/Textron, Hewlett-Packard/Scope, Fluke, Microtest и Wavetek. Каждый из приборов может осуществлять как полный набор тестов, так и отдельные тесты. Некоторые из них имеют дополнительные возможности, помогающие отыскать причину при получении отрицательного ответа:

На вопрос, какова вероятность того, что уже проложенный кабель окажется непригодным для использования, рабочая группа по 1000Base-T дает ответ — менее 10%, указывая, что эта величина является, скорее, экспертной оценкой, а не статистически проверенным результатом.

Если тестирование все же показывает непригодность кабеля для 1000Base-T, можно тем не менее при помощи ряда мер попытаться спасти положение (вернее, уже проложенный кабель). Во-первых, можно попробовать заменить кабели, соединяющие оборудование с розеткой (patch cord). Естественно, новые кабели должны иметь гарантированное качество, то есть отвечать всем требованиям согласно расширенной спецификации категории 5 (Enhanced Category 5, Cat5e).

Затем можно попытаться заменить как розетки (и настенные, и кроссовую панель), так и наконечники на новые, отвечающие требованиям Cat5e. В качестве последнего шага можно уменьшить до предела количество разъемов в цепи, вплоть до исключения всех розеток вообще, что бывает возможно при наличии запаса кабеля в канале.

Необходимость тестирования можно проиллюстрировать случаем из жизни. Apple Mac, подключенный к сети через коаксиальный кабель, постоянно капризничал. После замены одного из отрезков кабеля (не примыкавшего, кстати, к злополучному «яблоку») капризы, связанные с сетью, прекратились. А изъятый отрезок еще долго и успешно трудился в другом сегменте сети, где были подключены только PC.

Что касается прокладки новых соединений, то следует руководствоваться требованиями к Cat5e, то есть все составные части должны иметь соответствующую маркировку или сертификат, а количество разъемных соединений должно быть минимальным. Люди обстоятельные, привыкшие иметь запас, могут использовать кабель и разъемы категории 6 (пока не утвержденной официально). Максимальная длина сегмента та же — 100 м. Единственное различие — в сегменте может быть только один повторитель (концентратор или коммутатор).

Нужно отметить, что 1000Base-T является не альтернативой, а дополнением Gigabit на оптоволокне. То есть не следует забывать о том, что почти для всех сетевых технологий существуют решения, основанные как на оптоволоконном кабеле в качестве передающей среды, так и на медном проводе. Даже для FDDI, ассоциирующейся прежде всего с оптоволокном, существует стандарт Copper FDDI (CDDI, Медный FDDI), обеспечивающий те же параметры канала передачи (кроме дальности), но с использованием медного кабеля с применением витой пары. Просто дело в том, что оптоволоконный кабель при равной скорости передачи обеспечивает значительно большую дальность, в десятки или сотни раз большую, в зависимости от типа кабеля (одномодовый или многомодовый), однако, соответственно, и за большую цену. Это и дает им возможность существовать совместно, но в разных сегментах рынка — проводные технологии применимы на коротких дистанциях, например для организации информационной магистрали при топологии, близкой к магистрали, свернутой в точку. При организации же сетей, которые принято называть «кампусными» (от слова «кампус», то есть совокупность зданий и сооружений, относящихся к университету; ныне имеет более широкое толкование — локальная сеть, объединяющая комплекс зданий, расположенных на расстоянии примерно до 10 км друг от друга), оптоволоконная технология, легко перекрывающая расстояния до 10 км и более, просто незаменима.

В обозримом будущем не просматривается необходимость подключения конечных пользователей с помощью оборудования, поддерживающего скорость обмена 1000 Мбит/с. При правильной организации локальной сети скорости 100 Мбит/с (или 12,5 Мбайт/с, что выше, чем скорость обмена SCSI-дисков с частотой вращения 10 000 об./мин) вполне достаточно. Таким образом, на ближайшее время технологиям Gigabit Ethernet уготована участь поддержки высокоскоростных магистралей, лежащих в основе информационных инфраструктур предприятий. А это означает, что небольшое снижение стоимости монтажа не будет решающим фактором в распространении технологии, основанной на стандарте 1000Base-T.

Итак, 1000Base-T наконец легализована стандартом. Что же нам с ней делать? Попробуем просто использовать по назначению, как рассматривалось выше, то есть прежде всего для увеличения пропускной способности центральных частей сетевой инфраструктуры на небольших расстояниях. С учетом того, что формат кадра остался тем же самым (незначительные изменения коснулись не самого формата и минимальной длины кадра, а лишь длины промежутков времени, используемых в алгоритме доступа к среде, что обусловлено большей скоростью передачи), Gigabit Ethernet осталась той же технологией Ethernet, только еще в десять раз быстрее. Поэтому подключение к уже имеющимся сетям происходит столь же просто, как и использование одновременно уже существующих устройств 10/100 Мбит.

Что касается оборудования, имеющегося в наличии (пока на западных рынках), то фирмой Alteon WebSystems (http://www.alteonwebsystems.com/) выпущена сетевая карта ACEnic 10/100/1000Base-T, представляющая собой модификацию известной ACEnic 1000-SX. Эта карта одноканальная, стоит приблизительно 500 долл. и позиционируется в качестве устройства, использующегося для рабочих станций. Известная своими инновационными продуктами фирма SysKonnect (http://www.syskonnect.com/) выпустила двухпортовую карту SK-NET GE-T для серверов (примерная цена около 1500 долл.) и однопортовый вариант (ценой около 700 долл.). Hewlett-Packard выпустила карту ProCurve 100/1000Base-T switch module для модульных концентраторов HP ProCurve Switch 8000M, 4000M, 1600M и 2424M стоимостью около 300 долл. Фирма Extreme Networks (http://www.extremenetworks.com/) также выпустила подобный модуль для своих коммутаторов. Остальные крупные производители сетевых продуктов во весь голос заявляют о подготовке к выпуску устройств, работающих по протоколу 1000Base-T. Это означает, что Gigabit Ethernet стал наконец зрелой технологией, имеющей, как и все остальные, две ипостаси — оптоволоконную и медную.

 

КомпьютерПресс 2'2000