Высокоскоростные технологии передачи данных в локальных вычислительных сетях. Часть II
В июне 1998 года немногочисленные в то время производители оборудования Gigabit Ethernet вздохнули свободно. Именно тогда был утвержден стандарт IEEE 802.3z, то есть эта технология была окончательно легализована. Поскольку правка, внесенная в проект стандарта, опубликованного в июле 1997-го и использовавшегося при разработке оборудования года, была минимальной, это был вздох облегчения.
Поразительна эволюция технологии Ethernet, начавшейся с сети Aloha Гавайского университета, развернутой в начале 70-х и объединявшей подразделения, находившиеся на различных островах архипелага, при помощи радиоканала. Метод доступа к среде передачи (эфиру) был соревновательным, что и позволяет считать Aloha первой сетью Ethernet. На основе этого метода доступа исследовательским подразделением фирмы Xerox в Пало-Альто была разработана сеть, объединявшая около 100 рабочих станций, связанных при помощи толстого коаксиального кабеля, и имевшая производительность 2,94 Мбит/с. Затем было установлено еще несколько сетей такого типа. Коммерческий успех этой технологии привел к появлению сети DIX, разработанной совместно Digital, Intel и Xerox и получившей имя по первым буквам названий этих фирм. DIX имела тактовую частоту уже 10 МГц и соответственно максимальную пропускную способность 10 Мбит/с. В 1985 году на основе этой разработки был создан первый стандарт IEEE 802.3. Следует обратить внимание на то, что первоначальный стандарт предусматривал в качестве среды передачи коаксиальный кабель, ныне практически не используемый. В дальнейшем в стандарт были внесены изменения и дополнения, связанные с появлением на сцене сетевых технологий кабеля на неэкранированной витой паре. Сам кабель на витой паре прошел собственную эволюцию от категории 1, доставшейся в наследство от телефонных линий, до находящихся сейчас на стадии разработки категорий 6 (ширина полосы пропускания 200 МГц) и 7 (600 МГц).
В марте 1996 года, примерно через год после принятия стандарта 802.3u (Fast Ethernet), положившего начало масштабируемости Ethernet, принимается решение о разработке стандарта 802.3z (Gigabit Ethernet). В мае того же года 11 ведущих компаний, наиболее заинтересованных в разработке и внедрении этой технологии, основали Альянс Gigabit Ethernet. В него 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. Основными целями альянса были объявлены выработка технических требований для включения в стандарт и проведение тестирования для обеспечения открытости и совместимости. На сегодня членами Альянса являются более 100 фирм (более подробную информацию можно получить по адресу: http://www.gigabit-ethernet.org/).
Имевшиеся на момент начала разработки стандарта 802.3z технологии передачи по кабелю с металлической токоведущей жилой не позволяли реализовать требуемую ширину полосы, поэтому было принято решение об использовании оптоволоконного кабеля в качестве среды передачи. Для ускорения процесса разработки в качестве стандарта физического уровня была использована уже существующая и опробованная спецификация ANSI X3T11, применявшаяся к тому времени для реализации интерфейса Fibre Channel. Одновременно было принято решение выделить реализацию Gigabit Ethernet на витой паре в отдельный стандарт 802.3ab.
Стандарт, носящий общее название 1000Base-X, предполагает использование трех типов среды передачи из применяющихся для реализации физического уровня Fibre Channel:
- 1000Base-SX 850 нм лазер на многомодовом оптоволокне (S от слова «short» — коротковолновый);
- 1000Base-LX 1300 нм лазер на одномодовом и многомодовом оптоволокне (L от слова «long» — длинноволновый);
- 1000Base-CX короткий кабель на экранированной витой паре STP (C от слова «copper» — медь).
Соревновательный метод доступа к среде передачи (CSMA/CD, лежащий в основе Ethernet) был сохранен, но для очередного десятикратного увеличения скорости пришлось несколько доработать протокол канального уровня.
Первоначально Ethernet имел ограничение на минимальную длину фрейма, равное 64 байт. Это связано с тем, что для обнаружения столкновения станция не должна успеть закончить передачу фрейма прежде, чем его первый бит дойдет до наиболее удаленного конца сегмента. Время, необходимое для того, чтобы столкновение было уверенно идентифицировано, называется Slot Time или квант. Применяется также термин Slot Size (емкость кванта), измеряемый в байтах. В первоначальном стандарте Ethernet емкость кванта (а значит, и минимальная длина фрейма) была равна 64 байт, что хорошо согласовывалось с максимальной длиной кабеля 2,5 км (Thick Ethernet).
При увеличении скорости передачи фреймы передаются быстрее, поэтому надо либо увеличить емкость кванта (то есть минимальную длина фрейма), сохраняя при этом максимальную длину кабеля, либо сохранить минимальную длину пакета, сократив максимальную длину кабеля. При разработке стандарта 802.3u (100 Мбит/с Ethernet) был избран первый путь и максимальная длина кабеля сократилась до 100 м. Зато сам стандарт представлял собой исходный Ethernet, умноженный точно на 10. Дальнейшее сокращение длины кабеля при разработке Gigabit Ethernet не представлялось возможным, то есть умножить ровно на 10 не удавалось. Было принято решение об увеличении емкости кванта до 512 байт.
Это решение подвергалось разносторонней критике с точки зрения как совместимости (отклонение от предыдущих протоколов), так и производительности (короткие посылки принудительно снабжаются внушительным довеском).
Проблема совместимости была решена довольно изящно: дополнение не включается в состав фрейма, хотя и участвует в процедуре обнаружения столкновений. То есть фреймы формируются согласно предыдущим стандартам, но после передачи фрейма размером от 64 до 511 байт за ним передается расширение (довесок), доводящее суммарную длину до требуемых 512 байт. При переходе в Ethernet 10/100 этот довесок снимается коммутатором на аппаратном уровне, сам же фрейм проходит без изменений. При трансляции фрейма из Ethernet 10/100 в Gigabit Ethernet происходит обратная процедура, то есть дополнение до нужной длины.
Для снижения влияния на производительность предложена технология Packet Bursting (не взрывпакет, а скорее извержение пакетов). При наличии нескольких коротких фреймов, готовых для передачи, они передаются один за другим, то есть вместо довеска пересылается нечто полезное. К сожалению, во многих случаях обмена маленькими пакетами эта технология неприменима, например при обмене короти фреймами приложений типа «клиент-сервер», когда после передачи запроса клиент должен дождаться ответа. Реально Packet Bursting может улучшить положение в тех случаях, когда приложение считывает или записывает данные последовательно, но мелкими, меньше 512 байт, порциями.
Однако тех, кто приглядывается к высокоскоростным технологиям, несомненно больше смущает не отклонение от стандарта, а применение совершенно новой среды передачи — оптоволоконного кабеля. Его стоимость гораздо выше (соединительный шнур длиной 6 футов, то есть 180 см, может стоить до 50 долл. США), работать с ним сложнее. Для соединения двух кусков оптоволоконного кабеля требуется специальный инструмент, в состав которого входят микроскоп и микроманипулятор для точного совмещения световодов толщиной 65 или 50 мкм, что меньше толщины волоса. В последнее время, однако, появилась новая технология заделки кабеля в разъем, основанная на применении эпоксидной смолы. Отмеренное специальным шприцем количество смолы впрыскивается в разъем, затем туда вставляется заранее подготовленный кабель — остается только подождать, пока быстротвердеющая смола схватится. Такие разъемы имеют несколько большие переходные потери, но при дистанциях, далеких от предельных, работают вполне удовлетворительно.
Определенные надежды на упрощение процедур, связанных с соединением устройств Gigabit Ethernet, возлагаются на новый тип разъема Volition, предложенный известной фирмой 3M (http://www.3M.com/volition). По словам представителя фирмы, новый разъем стоит 2,10 долл., что делает его конкурентоспособным с разъемами для кабелей с медной токоведущей жилой.
В настоящее время наиболее распространенным типом разъема для применения в сетях Gigabit Ethernet является двойной разъем типа SC. Так как при соединении требуется очень точное радиальное совмещение световодов, то во всех типах разъемов для оптоволоконного кабеля имеется центрирующий конус, выполненный чаще всего из керамики для повышения износостойкости. Двойной разъем применяется из-за того, что, в отличие от коаксиального кабеля, здесь имеются и вход и выход, как и у кабеля на витой паре. Наличие двойного разъема гарантирует от ошибок при подключении, так как он вставляется единственно возможным способом.
Возможно, психологический барьер был бы легче преодолен в России, если бы имелся столь же широкий, как в США, опыт применения сетей FDDI (Fiber Distributed Data Interface — распределенный оптоволоконный интерфейс данных). Довольно высокая скорость (100 Мбит/с) и почти абсолютная надежность этой сети с кольцевой топологией позволяют применять ее даже в производственных условиях.
Применение Gigabit Ethernet будет находить прежде всего в системообразующих частях локальных сетей, то есть для соединения мощных серверов с коммутаторами и коммутаторов друг с другом.
Для некоторых коммутаторов выпускаются модули, позволяющие обеспечить их соединение с Gigabit Ethernet. Новые модели часто имеют один или несколько встроенных портов 1000Base-X. Это позволяет либо путем замены сетевой карты на сервере и установки дополнительного модуля в коммутаторе резко повысить производительность канала, связывающего сервер с сетью, либо после установки дополнительных модулей в коммутаторы резко повысить производительность основной сетевой магистрали. Наличие же коммутаторов с несколькими портами Gigabit Ethernet позволяет комбинировать оба способа, достигая наивысшей производительности.
Что касается подключения конечных пользователей к сети Gigabit Ethernet, то, учитывая высокую стоимость сетевых карт (500-1500 долл.), сложившуюся инфраструктуру и дороговизну работ по перестройке кабельной системы, это вопрос будущего, и, скорее всего, даже не ближайшего. Косвенное подтверждение этого тезиса состоит в том, что все сетевые адаптеры Gigabit Ethernet позиционируются производителями как серверные.
Ближайшим конкурентом Ethernet по быстродействию была и остается технология ATM. В момент появления она была в полтора раза быстрее Fast Ethernet (155 Мбит/с), а сейчас ее отставание меньше, чем у других конкурентов. На сегодняшний день максимальная скорость передачи данных ATM составляет 622 Мбит/с. Однако для широкого распространения ATM существует несколько объективных причин. Во-первых, придя из области телекоммуникаций, сеть с коммутацией ячеек требует эмуляции Ethernet при помощи LANE и IPOA (IP Over ATM, IP поверх ATM). Во-вторых, из-за меньшей распространенности оборудование имеет высокую стоимость. Наконец, многих отпугивает отсутствие официально утвержденных стандартов. В настоящее время Ethernet занимает более 80% рынка сетевого оборудования, а три ближайших конкурента — ATM, FDDI и Token Ring — остаток. Главное преимущество ATM состоит в возможности доставки данных в реальном масштабе времени, однако легкое подергивание изображения при видеоконференциях вряд ли побудит высший менеджмент раскошелиться на замену всего сетевого оборудования. С появлением протоколов RSVP (Resource Reservation Protocol — протокол резервирования ресурсов) и RTSP (Real-time Streaming Transport Protocol — протокол передачи потоков в реальном времени) у Ethernet появились некоторые возможности по гарантированной доставке данных в реальном масштабе времени. Хотя это еще не гарантия, но уже честная попытка, предпринятая с практически достаточными средствами.
У ATM имеются, однако, некоторые преимущества, из-за которых говорить о полном вытеснении этой технологии с рынка не приходится. Наличие QoS (Quality of Service — качество обслуживания) и других служб, таких, например, как CBR (Constant Bit Rate — постоянная скорость передачи), делает ATM весьма привлекательной для применения в таких областях, как передача живого видео и некоторых других, где информация должна поступать с гарантированной скоростью по мере ее появления. Несколько ослабить позиции ATM может широкое внедрение интерфейса Fire Wire, имеющего возможность гарантированной доставки, однако этот интерфейс скорее предназначен для подключения внешних устройств, чем для построения сетей на его основе.
Вероятнее всего, Ethernet просто раздавит ATM массой, как это случилось с прекрасной технологией 100VGAnyLan, предложенной Hewlett-Packard, и она останется в тех сегментах рынка, где доставка данных в реальном масштабе времени в пределах локальной сети является производственной необходимостью.
Таким образом, несмотря на некоторые ограничения, обусловленные неизбежными компромиссами между совместимостью и функциональностью, Gigabit Ethernet на сегодняшний день остается наиболее привлекательным решением для построения высокоскоростных магистралей, лежащих в основе инфраструктуры локальных вычислительных сетей.
КомпьютерПресс 3'2000
