Медь и Gigabit Ethernet
В наше время про сетевые технологии слышал каждый, кто имеет какое-либо отношение к компьютерам. Локальные сети, глобальные сети, Интернет. При этом каждый понимает, что чем быстрее скорость передачи данных по сети, тем ему, пользователю, лучше. Потому как и с другом можно голосом через сеть пообщаться, не занимая телефона, и видеофильм посмотреть, и в Интернет заглянуть, и видеоконференцию провести. Вопрос: какая скорость нужна для всего этого? И насколько ее хватит? Попробуем разобраться. Для конечного пользователя скорости 100 Мбит/с на сегодняшний день для всех вышеперечисленных задач достаточно и еще на несколько лет останется. Однако для коммутации таких потоков 100 Мбит/с явно не хватит. Нужно что-нибудь посерьезнее. И неплохо было бы использовать уже существующие физические линии связи.
В начале 90-х годов основой для линий связи, использующихся в стандарте Ethernet, был коаксиальный кабель. Подобные линии позволяли передавать данные со скоростью 10 Мбит/с. Недостатки такой линии — достаточно высокая стоимость из-за трудоемкой технологии изготовления, ограниченная полоса пропускания и небольшая длина сегмента. И если третий недостаток не играет большой роли для локальных сетей, то остальные два весьма существенны. В качестве альтернативы была предложена витая пара, которая, будучи дешевле, обеспечивала большую полосу пропускания. На ближайшие годы потребности локальных сетей были обеспечены. Для объединения локальных сетей в более крупные витая пара не подходит из-за малой длины сегмента. Здесь лидирующие позиции занимает оптическое волокно, которое обеспечивает длину сегмента от 2 (многомодовое волокно) до 20 километров (одномодовое волокно).
На сегодняшний день основным носителем в локальных сетях является именно витая пара. Оптическое волокно из-за высокой стоимости оконечного оборудования пока не получило широкого распространения.
Итак, вследствие возрастания информационных потоков возникла потребность в увеличении скорости передачи стандарта Ethernet. Была предложена спецификация Gigabit Ethernet, принятая к разработке комитетом IEEE 802.3. В мае 1996 года несколько крупных производителей сетевого оборудования, таких как 3Com, Cisco, Bay Networks, Compaq и Intel, организовали Gigabit Ethernet Alliance. Первоначально в состав Альянса вошло 11 компаний. На начало 1998 года Альянс включал в себя уже более 100 компаний. В задачи Альянса входит разработка технических предложений с целью включения в стандарт и разработка методов тестирования оборудования от различных поставщиков.
29 июня 1998 года был принят стандарт IEEE 802.3z. Спецификация 802.3z описывает использование одномодового и многомодового оптического волокна (интерфейс 1000Base-LX и 1000Base-FX), а также экранированной витой пары STP категории 5 на расстояния до 25 метров (интерфейс 1000Base-CX). Интерфейс 1000Base-CX не получил распространения из-за малой длины сегмента. На сегодняшний день устройств с интерфейсом данного типа не наблюдается. Попытки увеличить длину сегмента столкнулись с увеличением количества ошибок в процессе передачи данных, что потребовало разработки помехоустойчивого кода. Полученная в результате доработки спецификация 802.3ab, принятая годом позже, определяет использование неэкранированной витой пары UTP на расстояния до 100 метров (интерфейс 1000Base-T).
1000Base-T — интерфейс Gigabit Ethernet, использующий неэкранированную витую пару категории 5 и выше с максимальной длиной сегмента в 100 метров. В отличие от 100Base-T, где для передачи данных задействовано только две пары, здесь используются все четыре пары. Скорость передачи по одной паре составляет 125 Мбит/с, что в сумме дает 500 Мбит/с. Для достижения скорости 1 Гбит/с была использована технология «двойной дуплекс» (dual duplex). Суть ее состоит в следующем. Обычно для передачи информации по одной паре используется один из фронтов распространяющегося по этой линии сигнала. Это означает, что передача информации может идти только в одном направлении, то есть одна пара может быть использована только для приема или передачи информации. Двойной дуплекс подразумевает использование обоих фронтов сигнала, то есть передача информации по одной паре происходит одновременно в двух направлениях. Таким образом, пропускная способность одной пары возрастает до 250 Мбит/с. Однако при этом начинают сказываться переходные помехи, вызванные влиянием трех соседних пар в четырехпарном кабеле, приводящие к значительному росту количества ошибок в приемнике и передатчике. Для уменьшения числа ошибок была предложена пятиуровневая импульсно-амплитудная схема кодирования PAM-5.
Широко используемое четырехуровневое кодирование обрабатывает поступающие биты парами. То есть существует четыре различные комбинации: 11, 00, 10, 01. Передатчик каждой паре бит может сопоставить свой уровень напряжения передаваемого сигнала. Это позволяет уменьшить частоту модуляции с 250 до 125 МГц. Добавление пятого уровня позволяет создать избыточность кода, вследствие чего становится возможной коррекция ошибок на приеме. Это позволяет увеличить соотношение сигнал/шум и уменьшить влияние переходных помех.
Кроме переходных помех из-за дуплексной передачи по четырем парам начинают сказываться еще два параметра, не определенные ранее ни в одной спецификации. Это приведенное переходное затухание на дальнем конце (Equal Level Far End Crosstalk — ELFEXT) и возвратные потери (return loss). ELFEXT оценивает интенсивность перекрестных помех на противоположном конце линии с учетом затухания. Эта нормированная величина, не зависящая от длины линии, подлежит измерению с двух сторон. Возвратные потери характеризуют отклонение волнового сопротивления линии от номинала и представляют собой отношение входного сигнала к отраженному сигналу. Значения этих параметров утверждены в Приложении 5 к документу TIA/EIA-568-A, которое ужесточает требования к витой паре категории 5 в сетях Gigabit Ethernet. Поэтому необходимо протестировать уже существующие кабельные системы с учетом этих требований.
Gigabit Ethernet использует тот же протокол передачи CSMA/CD, что и его предшественники Ethernet и Fast Ethernet. Этот протокол определяет максимальную длину сегмента. Минимальный размер кадра CSMA/CD в спецификации 802.3 равен 64 байтам. Именно минимальный размер кадра определяет максимальное расстояние между станциями. Это расстояние также называется диаметром коллизионного домена. Время передачи такого кадра равно 51,2 мкс или 512 ВТ (bit time — время, необходимое для передачи одного бита). Поэтому время, за которое сигнал достигает удаленного узла и возвращается обратно, не должно превышать 512 ВТ. Это время определяет максимальную длину сети Ethernet.
В случае Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра уменьшается до 5,12 мкс. Для обнаружения всех коллизий до конца трансляции кадра необходимо либо увеличивать длину кадра, либо уменьшать максимальную длину сегмента. В Fast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как и в Ethernet. При этом совместимость была сохранена, но диаметр коллизионного домена значительно уменьшился. В случае Gigabit Ethernet скорость передачи возрастает в десять раз. Соответственно, уменьшается время передачи пакета аналогичной длины. Если оставить минимальный размер кадра без изменений, то максимальная длина сегмента уменьшится до 20 метров. В этом случае оборудование не находит широкого применения, как и случилось со стандартом 1000Base-CX. Поэтому было принято решение увеличить время трансляции кадра до 4096 ВТ. Это в 8 раз больше, нежели в случае Fast Ethernet. Однако минимальный размер кадра для совместимости с предшествующими стандартами был оставлен прежним. Вместо увеличения размера кадра к нему было добавлено дополнительное поле, названное «расширение носителя» (carrier extension). Расширение носителя не несет в себе служебной информации. Оно предназначено для заполнения канала и увеличения диаметра коллизионного домена. Если размер кадра меньше 512 байт, то поле расширения дополняет его до 512 байт. Если же размер кадра превышает 512 байт, то поле расширения не добавляется. У такого решения существует один крупный недостаток: большая часть полосы пропускания канала тратится впустую, особенно при передаче большого числа коротких кадров. Поэтому компанией Nbase Communications была предложена технология, названная «пакетная перегруженность» (packet bursting). Смысл ее в следующем. Если у станции имеется несколько коротких кадров, то первый из них дополняется полем расширения носителя до 512 байт и отправляется. Последующие кадры посылаются следом с минимальным межкадровым расстоянием 96 байт, которое заполнено символами расширения. В результате никакое другое устройство не может вклиниться в очередь до окончания передачи всех имеющихся пакетов. Максимальный размер подобной «очереди» составляет 1518 байт. Поэтому коллизия может возникнуть только на этапе передачи первого оригинального кадра, дополненного расширением носителя. Благодаря этому увеличивается производительность сети, особенно при больших нагрузках.
В настоящее время производители выпускают полный спектр оборудования Gigabit Ethernet: сетевые адаптеры, коммутаторы, концентраторы, конверторы. Из-за того что стандарт для оптического волокна был принят на год раньше, большая часть выпускаемого сегодня оборудования имеет интерфейсы для оптического волокна. Поэтому мы кратко остановимся только на двух продуктах, реализующих интерфейс 1000Base-T, первый из которых производится компанией Hewlett-Packard, а второй — компанией Extreme Networks.
HP ProCurve 100/1000 Switch Module представляет собой модуль расширения для семейства коммутаторов ProCurve компании Hewlett-Packard. Соответствует спецификации 802.3ab и обладает следующими характеристиками:
- максимальная длина сегмента — 100 м;
- тип линии — витая пара UTP категории 5;
- один порт 100Base-T/1000Base-T;
- автоматическое определение скорости передачи;
- автоматическое определение режима передачи — half-duplex или full-duplex;
- автоматическое определение типа подключения — MDI или MDI-X.
Данный продукт позиционируется самой компанией как средство подключения серверного адаптера к коммутатору. К сожалению, на момент подготовки статьи компания еще не выпустила свой вариант серверного адаптера с интерфейсом 1000Base-T.
Extreme Summit7i — коммутатор для локальных сетей компании Extreme Netwroks. Имеет 32 порта и обладает следующими характеристиками:
- 28 портов 100/1000Base-T или 1000Base-SX;
- 4 порта 1000Base-X;
- внутренняя полоса пропускания — 64 Гбит/с;
- скорость — 48 миллионов IP/IPX-пакетов в секунду;
- размер буфера — до 512 Мбайт;
- поддержка дуплексного режима по всем портам;
- поддержка контроля потока, основанного на кадрах 802.3х;
- возможность коммутации уровня 3;
- поддержка механизма QoS (Quality of Service);
- поддержка стандарта IEEE 802.1Q/p для организации распределенных виртуальных сетей;
- расширенное управление через HTTP, SNMP, RMON.
Благодаря возможности объединения до восьми физических портов в один логический порт этот коммутатор легко масштабируется на случай, когда исходной полосы пропускания недостаточно. Интерфейс 1000Base-X позволяет организовывать соединения с удаленными узлами, используя одномодовое оптическое волокно (протяженность такой линии — 10 километров). Наличие поддержки QoS позволяет использовать коммутатор в распределенных виртуальных сетях (VPN) для передачи трафика, критичного к задержкам, — такого, как потоковое видео и звук.
Заключение
Вследствие взрывных темпов развития сетевой отрасли трудно оценить время жизни той или иной технологии. Однако в ближайшие несколько лет компании, имеющие локальные сети, базирующиеся на витой паре категории 5, смогут без особых усилий нарастить пропускную способность, используя уже существующие кабельные системы. Это потребует минимальных финансовых вливаний и трудозатрат.
КомпьютерПресс 3'2000
