Gigabit Ethernet

Не успели еще, как говорится, высохнуть чернила на только что созданном стандарте Fast Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой версией. Ее почти сразу окрестили Gigabit Ethernet (гигабитной сетью Ethernet). IEEE ратифицировал наиболее популярную форму сети в 1999 году под названием 802.3ab.

Главные предпосылки комитета в отношении Gigabit Ethernet были те же самые, что и для Fast Ethernet: увеличить производительность в 10 раз, сохранив обратную совместимость со старыми сетями Ethernet. В частности, Gigabit Ethernet должен был обеспечить дейтаграммный сервис без подтверждений, как при одноадресной, так и при широковещательной передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-битную схему адресации и формат кадра, включая нижние и верхние ограничения его размера. Новый стандарт удовлетворил всем этим требованиям.

Как и Fast Ethernet, все конфигурации Gigabit Ethernet строятся по принципу ≪точка-точка≫. Простейшая гигабитная сеть, показанная на рис. 3, а, состоит из

двух компьютеров, напрямую соединенных друг с другом. В более общем случае, однако, имеется коммутатор или концентратор, к которому подсоединяется множество компьютеров, возможна также установка дополнительных коммутаторов или концентраторов (рис. 3, б). Но в любом случае, к одному кабелю Gigabit Ethernet всегда присоединяются два устройства, ни больше, ни меньше.

Рис. 3. Сеть Ethernet, состоящая: а — из двух станций; б — из множества станций

Аналогично, как и Fast Ethernet, Gigabit Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. ≪Нормальным≫ считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийнымикомпьютерами или коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда им вздумается. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии между компьютером и коммутатором компьютер — это единственный потенциальный отправитель; передача произойдет успешно даже в том случае, если одновременно с ней ведется передача со стороны коммутатора (линия полнодуплексная). Так как конкуренции в данном случае нет, протокол CSMA/CD не применяется, поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а вопросы времени распространения шумового всплеска здесь не встают. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживается так же, как и в Fast Ethernet, но теперь можно выбирать скорость 10, 100 или 1000 Мбит/с.

Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Концентратор не буферизирует входящие кадры. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал обычного Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/ CD. Поскольку кадр минимального размера (то есть из 64 байт) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальная длина кабеля должна быть, соответственно, уменьшена в 100 раз. Она составляет 25 м — именно при таком расстоянии между станциями шумовой всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель кадра из 64 байт при 1 Гбит/с успел бы много чего наделать даже за то время, пока его кадр прошел бы только десятую часть пути в одну сторону, не говоря уж о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно.

Ограничение на длину было таким жестким, что комитет решил добавить в стандарт два новых свойства, позволивших увеличить максимальную длину кабеля до 200 м, что, вероятно, должно удовлетворить большинство организаций. Первое называется расширением носителя (carrier extension). Заключается это расширение всего-навсего в том, что аппаратура вставляет собственное поле заполнения, растягивающее нормальный кадр до 512 байт. Поскольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, то программному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт на передачу 64 байт — это несколько расточительно с точки зрения эффективности использования пропускной способности. Эффективность такой передачи составляет всего 9 %.

Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, — это пакетная передача кадров (frame bursting). Это означает, что отправитель может посылать не единичный кадр, а пакет, объединяющий в себе сразу много кадров. Если полная длина пакета оказывается менее 512 байт, то, как в предыдущем случае, производится аппаратное заполнение фиктивными данными. Если же кадров, ждущих передачу, хватает на то, чтобы заполнить такой большой пакет, то работа системы оказывается очень эффективной. Такая схема, разумеется, предпочтительнее расширения носителя.

Трудно представить себе организацию, которая потратила бы немало средств на установку современных компьютеров с платами для гигабитной сети Ethernet, а потом соединила бы компьютеры древними концентраторами, симулирующими работу классического Ethernet со всеми его коллизиями и прочими проблемами. Интерфейсыи коммутаторы Gigabit Ethernet когда-то были довольно дороги, но когда спрос на них возрос, цены существенно упали. Однако обратная совместимость — это нечто священное в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, комитету необходимо было это учесть. Сегодня большинство компьютеров поставляются с интерфейсом Ethernet, поддерживающим работу на скоростях 10, 100 и 1000 Мбит/с и совместимым с любыми из них. Gigabit Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели, что отражено в табл. 4.3. Работа на скорости около 1 Гбит/с означает необходимость кодирования и отправки бита каждую наносекунду. Первоначально этого достигали за счет коротких экранированных медных кабелей (версия 1000Base-CX) и оптоволокна. Волоконная оптика допускает две длины волны, и, следовательно, существуют две разные версии: 0,85 мкм (короткие волны, для 1000Base-SX) и 1,3 мкм (длинные,

для 1000Base-LX).

Таблица 2. Кабели Gigabit Ethernet

Название	Тип	Длина сегмента, м	Преимущества
1000Base-SX	Оптоволокно		Многомодовое волокно (50, 62,5 мкм)
1000Base-LX	Оптоволокно		Одномодовое (10 мкм) или многомодовое (50, 62,5 мкм) волокно
1000Base-CX	2 экранированные витые пары		Экранированная витая пара
1000Base-T 4	неэкранированные витые пары		Стандартная витая пара 5-й Категории

Передача сигналов с помощью коротких волн возможна с дешевыми светодиодами. Такой вариант применяется с многомодовым волокном для соединения станций внутри здания, так как для 50-мкм волокна допустимая длина — не более 500м. Передача сигналов на длинных волнах требует более дорогих лазеров. С другой стороны, в сочетании с одномодовым (10 мкм) волокном разрешается длина кабеля до 5 км. Это означает возможность подключения друг к другу зданий, например, в студенческом городке, аналогично связям ≪точка-точка≫. Более поздние вариации стандарта допускали даже более длинные связи на одномодовом волокне.

Для отправки бит по этим версиям соединений Gigabit Ethernet из другой сетевой технологии под названием Fibre Channel (оптоволоконный канал) была заимствована система кодирования 8B/10B, о которой говорилось выше. В этой системе 8 бит данных кодируются в кодовые слова из 10 бит, которые отправляются по проводу или оптическому волокну — отсюда и название 8B/10B. Кодовые слова выбираются так, чтобы они могли быть сбалансированы (например, имеющие равное число нулей и единиц) и чтобы переход осуществлялся достаточное число раз для восстановления синхронизации. Отправка NRZ закодированных бит требует лишь на 25 % большей полосы пропускания, чем для незакодированных бит, — значительное улучшение по сравнению со стопроцентным увеличением для Манчестерского кода.

Однако все это требовало новых медных или оптоволоконных кабелей, поддерживающих более быструю передачу сигналов. Ни один из них не опирается на огромноеколичество витой пары пятой категории, которая была проложена для сетей Fast Ethernet. В течение года потребность была заполнена благодаря 1000Base-T, и с тех пор это остается наиболее популярной формой Gigabit Ethernet. Очевидно, людям не очень нравится заново прокладывать кабели в своих зданиях.

Для того чтобы сеть Ethernet могла работать на проводах пятой категории со скоростью 1000Мбит/с, требуется более сложная схема передачи сигналов. Во-первых, используются все четыре витые пары в кабеле; каждая пересылает данные одновременно в обоих направлениях, применяя цифровую обработку сигналов для их разделения. Для обеспечения скорости 125 Мсимволов/с в каждом проводе применяется пять уровней напряжения, которые переносят по 2 бита. Схема создания символов из бит не так проста. Она включает шифрование (для безопасной передачи) и код исправления ошибок, в котором четыре значения внедряются в пять сигнальных уровней. 1 Гбит/с — это довольно много. Например, если приемник отвлечется на какое-то дело в течение 1 мс и при этом забудет или не успеет освободить буфер, это означает, что он проспит примерно 1953 кадра. Может быть и другая ситуация: один компьютер выдает данные по гигабитной сети, а другой принимает их по классическому Ethernet.

Вероятно, первый быстро завалит данными второго. В первую очередь, переполнится буфер обмена. Исходя из этого, было принято решение о внедрении в систему Gigabit Ethernet контроля потока. Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться на некоторое время. Служебные кадры PAUSE — это, на самом деле, обычные кадры Ethernet, в поле Type которых записано 0х8808. Продолжительность паузы определяется в единицах времени передачи минимального кадра. Для Gigabit Ethernet такая единица равна 512 нс, а паузы могут длиться до 33,6 мс.

Вместе с Gigabit Ethernet было добавлено и еще одно расширение. Джамбо-пакеты (Jumbo frames) допускают кадры длиной более 1500 байт, обычно до 9 Кбайт. Это расширение защищено патентом. Оно не определяется в стандарте, потому что в противном случае Ethernet уже не будет совместим с предыдущими версиями. Тем не менее большинство производителей его все же поддерживают. Обоснование таково, что 1500 байт — это слишком маленькая единица информации на гигабитных скоростях. Манипулируя большими блоками информации, можно уменьшить частоту пересылки кадров и снизить нагрузку из-за необходимой обработки (например, не придется прерывать процессор, чтобы сообщить о прибытии кадра, или разбивать и заново соединять сообщения, не поместившиеся в одном кадре Ethernet).

Дата добавления: 2015-11-16