Sieć komputerowa GIGA ETHERNET

Wstęp

Standard Gigabit Ethernet został opracowany przez IEEE pod auspicjami podgrupy za­daniowej 802.3z. Produkty, które pojawiły się wcześniej, bazują na szkicach roboczych proponowanej specyfikacji. W jakim stopniu te produkty będą odpowiadać przyjętemu standardowi - to okaże się w przyszłości. Ponieważ standard ten znajduje się "pod parasolem" specyfikacji 802.3, czynione są wszel­kie starania, aby był jak najbardziej kompatybilny ze swoim wolniejszym "rodzeństwem". Dla przykładu: Gigabit Ethernet dalej używa tego samego protokołu CSMA/CD oraz formatu i rozmiaru ramki co inne sieci Ethernet. Takie rozwiązania umożliwiają kom­patybilność w tył z Ethernetem 10 i przód z Ethernetem 100 Mbps. Gigabit Ethernet miał początkowo służyć jako szkielet łączący ze sobą przełączniki IO/100BaseT. Nieco dalej idą propozycje, aby łączył wysokowydajne serwery z siecią LAN. Przewiduje się nawet, że Gigabit Ethernet mógłby ewentualnie służyć do łączenia stacji roboczych za pomocą kabli DTP Kategorii 5. o długości do 100 m.

Interfejsy fizyczne

Względnie mała popularność sieci LAN wykorzystujących tylko łącza światłowodowe jest spowodowana relatywnie dużymi kosztami budowy w stosunku do sieci bazujących na kablu skrętkowym. ¦wiatłowody są jednak c/esto stosowane jako uzupełnienie technologii miedzianej tam, gdzie potrzebna jest transmisja na duże odległości.

W celu przyspieszenia prac nad standardem zespół 802.3z postanowił wykorzystać wiele elementów specyfikacji ANSI warstwy fizycznej kanału światłowodowego. Kanał świa­tłowodowy, oryginalnie opracowany jako technologia nowej generacji kanałów mainframe, został znormalizowany i przekształcony w technologię LAN. Jak dotąd rynek ciągle słabo reaguje na światłowodowe sieci lokalne. Pomimo braku sukcesu handlowego, kanał światłowodowy stanowił sprawdzoną j per­spektywiczną warstwę fizyczną, mogącą być podstawą dalszych prac zespołu 802.3z. Ponieważ stałą intencją IEEE jest pozyskanie jak najszerszego poparcia dla swoich stan­dardów, każdy standard IEEE jest przedstawiany instytutowi ANS1, aby ten rozważył możliwość uczynienia go standardem narodowym (czyli standardem o zakresie szerszym od przemysłowego). Tak więc sensowne jest objęcie standardem elementów warstwy fizycz­nej już wcześniej ratyfikowanych przez ANSI.

Rynkowe niepowodzenia kanału światłowodowego są raczej wynikiem słabości jego warstwy łącza danych oraz marketingu w stosunku do istniejących technologii LAN. Specyfikacja warstwy fizycznej tej technologii dała inżynierom IEEE okazję do nadania rozpędu ich pracy nad rozwojem Gigabit Ethernetu.

Gigabit Ethernet pozwala wybierać między czterema nośnikami, z których każdy ma własną specyfikację interfejsu fizycznego. Są to:

* miedziany kabel koncentryczny,
* wielomodowy kabel światłowodowy,
* jednomodowy kabel światłowodowy o średnicy 8,3/125 mikrona,
* skrętka dwużyłowa (UTP/STP) Kategorii 5.

Interfejs wielofunkcyjnego kabla światłowodowego w rzeczywistości obsługuje dwa różne rodzaje kabla: kabel zgodny z konwencją północnoamerykańską o średnicy 62.5 mi­krona i kabel zgodny z konwencją ogólnoświatową o średnicy 50 mikronów.

Przyjęcie technologii sygnalizacyjnych warstwy fizycznej dla standardu kanału świa­tłowodowego ANSI ułatwiło prace normalizacyjne, dotyczące wymienionych nośników. Kanał światłowodowy był wzorem dla wszystkich interfejsów warstwy fizycznej, z wyjąt­kiem UTP Kategorii 5. Interfejsy te są opisane w następnych czterech podpunktach. Określenie maksymalnej długości połączeń dla każdego interfejsu międzynośnikowego miało na celu zapewnienie odpowiedniej wydajności większości istniejących instalacji kablowych przy założeniu najbardziej niekorzystnej realizacji.

1000BaseSX

1000BaseSX to zaproponowana przez IEEE 802.3z specyfikacja wielomodowej trans­misji, wykorzystującej światło o długości fali 850 nanometrów. IOOOBaseSX może wykorzystywać dwa różne nośniki: kable światłowodowe o średnicy 50 mikrometrowi 62,5 mikrometra . Kabel o średnicy 50 mikronów może przesyłać sygnał z prędkością l Gbps na odległość do 550 metrów. Długość jednego segmentu kabla o śred­nicy 62,5 mikrona nie może przekroczyć 260 metrów.

1000BaseLX

1000BaseLX jest specyfikacją transmisji wykorzystującą fale świetlne o długości 1300 nanometrów. IOOOBaseLX bazuje na trzech różnych mediach transmisyjnych:

* wielomodowy kabel światłowodowy o średnicy 62,5 mikrometra,
4 wielomodowy kabel światłowodowy o średnicy 50 mikrometrów,
* jednomodowy kabel światłowodowy o średnicy 8,3 mikrometra.

Zgodnie z normami wielomodowy kabel o średnicy 62,5 mikrometra zapewnia połączenie na odległość do 440 metrów. Kabel o średnicy 50 mikrometrów może mieć długość nie większą niż 550 metrów. Specyfikacja jednomodowego kabla 8,3 mikrometra, obsługuje transmisję sygnału z prędkością l Gbps na odległość do 3 kilometrów.

1000BaseCX

lOOOBaseCX określa zaproponowaną przez grupę 802.3z specyfikację dla transmisj i wyko­rzystującej wysokiej jakości ekranowaną skrętkę dwużylową lub kabel koncentryczny. Niezależnie od nośnika, maksymalna odległość dla takiej transmisji wynosi 25 metrów. Tak mała odległość transmisji znacząco ogranicza zastosowanie takiego interfejsu fizycz­nego. Jednym z zastosowań 1000BaseCX było łączenie ze sobą gigabitowych przełącz­ników za pomocą tanich przewodów miedzianych. Współtwórcy Gigabit Ethernetu 1000BaseCX nie zauważyli, że przesyłanie sygnałów z tak dużą prędkością przez przewody miedziane jest dość problematyczne. Miedziane instalacje przesyłowe dla dużych częstotliwości zachowują się jak anteny nadawcze i wy-promieniowują transmitowaną energię zakłócając działanie dużych urządzeń lub umożli­wiając ?podsłuch" sieci. Dopuszczalne poziomy promieniowania elektromagnetycznego (ang. EMl - Electromagnelic Radiation) są ściśle regulowane przez agencje państwowe. W USA przez Federalną Komisję Komunikacyjną (FCC - Federal Conuuunicatiotis Commission).'' Dla sieci skutek jest taki, że przy wykorzystywaniu schematów sygnalizacyjnych 1000BaseCX sygnały mogą być przesyłane miedzianymi przewodami tylko na małe odległości.

1OOOBaseT

Nad standardem lOOOBaseT pracował oddzielny zespół zadaniowy. Zarówno zespół, jak i potencjalny standard nazywane były "802.3ab". Celem zespołu było uzyskanie wydaj­ności Fast Ethernetu wykorzystującego cztery pary przewodów UTP Kategorii 5, ale przy szybkości transmisji sygnałów wynoszącej 1024 Mbps. Zadanie to wyodrębniono z prac zespołu 802.3z nad Gigabit Ethernetem, po prostu ze względu na ogrom pracy, jaka mu­siała zostać wykonana. Należy pamiętać, że większą część Gigabit Ethernetu utworzono, mieszając i dopasowując istniejące specyfikacje warstwy łącza danych i warstwy fizycznej różnych technologii sieciowych. Dlatego wysiłki ograniczyły się przede wszystkim do pogodzenia drobnych różnic. Na etapie koncepcji opracowano trzy propozycje. Dwie były bardzo podobne i dotyczyły transmisji w paśmie podstawowym i póĽniej zostały połączone w jedną całość. Trzecia propozycja była całkowicie odmienna. Bazowała na metodzie transmisji multipleksowanej w paśmie przepustowym. Jest to metoda dużo bardziej złożona, ale bardziej elegancka technicznie niż poprzednie. Niestety, do transmisji potrzebna jest większa moc oraz bar­dziej skomplikowane urządzenia. Nie ma także takiej odporności na zakłócenia, jaką oferuje technika przesyłania sygnałów różnicowych w przypadku transmisji w paśmie podstawowym z wykorzystaniem UTP. Te czynniki bezpośrednio przełożyły się na mniej­sze poparcie, z jakim ta propozycja spotkała się u producentów sprzętu sieciowego LAN, w porównaniu z propozycjami standardów z transmisją w paśmie podstawowym.

Pasmo przepustowe (ang. passband) to metoda multipleksowania przedziałów często­tliwości. W odróżnieniu od pasma bazowego (ang. broadbancf), liczba kanałów i przy­pisane im częstotliwości są ograniczone tylko do takich, które mogą przejść przez dany filtr bez całkowitego wytłumienia.

Praca zespołu 802.3ab stały się czynnikiem istotnym dla przyszłości Gigabit Ethernetu jako ekonomicznie efektywnej technologii łączenia stacji roboczych. Ogromna większość istniejących instalacji kablowych wykorzystuje do łączenia stacji skrętkę dwużyłową. Większość kabli obecnie to kable Kategorii 5, dlatego koszty przejścia z technologii l OOBascTX na l OOOBaseT są akceptowalne. Zespół 802.3ab stał przed zastraszająco trudnym wyzwaniem. Musiał opracować efek­tywną ekonomicznie i nadającą się do produkcji technologię sygnalizacyjną, która musiała umożliwić czterem parom przewodów UTP Kategorii 5 transmisję sygnałów z gigabi-towymi prędkościami, nie wywołując przy tym przekroczenia norm dotyczących pro­mieniowania elektromagnetycznego (EMl). Jak dotąd, każda para mogła przesyłać sygnały z prędkością do 100 Mbps, wykorzystując konwencjonalne techniki sygnalizacyjne. Zespół 802.3ab musi więc rozwiązać szereg trudnych problemów. Przewidując ?nieunikniony sukces", zespół 802.3z opracował interfejs logiczny, który łączy warstwę MAC z warstwą fizyczną. Interfejs ten odsprzęga od podwarstwy MAC stary schemat kodowania, pochodzący z kanału światłowodowego. Miała to umożliwic włączenie do standardów 802.3z innych schematów kodowania, np. takich jak ten, który opracował zespól 802.3ab.

Co jeszcze nowego?
Słuszne jest pytanie: ?Co jeszcze nowego, oprócz potrzeby wprowadzenia całkowicie no­wych interfejsów warstwy fizycznej?" OdpowiedĽ, jak dotąd, nie jest jednoznaczna. Wiele trudu kosztowało zachowanie możliwie największej części różnych istniejących specyfikacji 802.3. Zrobiono to, aby zapewnić ciągłą współoperacyjność w ramach rodzin specyfikacji 802.2 i 802.3. Zauważalne zmiany zaszły jeszcze w dwóch obszarach (innych niż prędkość sygnału, szybkość transmisji danych i interfejsy fizyczne!): chodzi tu o odstęp miedzy ramkami i metodę dostępu do nośnika wykorzystując zasadę rywalizacji.

Odstęp między ramkami

Zmiana rozmiaru odstępu między ramkami jest jedyną znaczącą zmianą w protokole 802.3, wymuszoną przez Gigabit Ethernet. Jak wyjaśniono w rozdziale 7. pt. ?r.thernef, protokół CSMA/CD 802.3 zapewniał odstęp między ramkami o rozmiarze 96 bitów. W rzeczywistości odstęp ten jest strumieniem losowych znaków binarnych. Jego jedynym przeznaczeniem (w przeciwieństwie do tego, o czym głoszą plotki, które można znaleĽć na grupach dyskusyjnych), jest podtrzymywanie zajętości linii. Strumień ten został wbudo­wany w protokół po to, by umożliwić nadającej stacji utrzymanie linii w czasie, gdy stacja ta przygotowuje do wysłania kolejną ramkę danych. W sieci Gigabit Ethernet 96 bitów przepływa tak szybko, że elementy elektroniczne karty sieciowej gubią się, stosując przyjętą taktykę zatrzymywania. Co więcej, przy gigabito-wej prędkości sygnału minimalny rozmiar ramki wynoszący 64 oktety jest zbył mały, żeby mógł zapewnić wykrycie kolizji w sieci. Pamiętajmy, że minimalny rozmiar ramki ustalono na podstawie czasu, jaki ramce zajmuje dotarcie do wszystkich stacji w sieci LAN działającej z prędkością 10 Mbps. Dopasowanie do gigabitowej transmisji oznacza znaczne zwiększenie minimalnego rozmiaru ramki. Uniemożliwiłoby to jednak współo­peracyjność7 z innymi, wolniejszymi sieciami Ethernet 802.3. Uznano to za niemożliwe do zaakceptowania. Rozwiązaniem obydwu dylematów było zwiększenie rozmiaru odstępu między ramkami. W Gigabit Ethernecie odstęp ma długość 512 oktetów. Można podnieść argument wąt­pliwej wydajności stosowania 512-oktetowej przerwy między ramkami, skoro ich roz­miary mogą być tak małe, jak 64 oktety. Jednak w tym wypadku nie chodziło o wydaj­ność. Celem była kompatybilność. Aby ułagodzić narzekających malkontentów, nowe rozwiązanie zostało włączone do protokołu 802.3z. Znane jest ono jako sekwencjono-wanie ramek (ang. Frame Burs(ing) i pozwala stacji nadającej wysłać maksymalnie do 8192 oktetów za każdym razem, gdy uda jej się uzyskać dostęp do pasma.

Dostęp do nośnika na zasadzie rywalizacji

Choć nie całkiem nowa - w tym sensie, że poprzedzała inicjatywę 802.3z - ethernetowa metoda dostępu do nośnika na zasadzie rywalizacji stała się dyskusyjna. Gdy IEEE opra­cowywało opisane wcześniej wersje Fast Ethernetu, wprowadzono zastrzeżenie, że transmi­sja w tej sieci ma być pełnodupleksowa. Transmisja pełnodupleksowa polega na tym, że urządzenie może nadawać i odbierać rów­nocześnie, choć oddzielnymi kanałami. Nadajnik jednego urządzenia (na przykład prze­łącznika) jest połączony dedykowanym kanałem z odbiornikiem innego urządzenia (na przykład karty sieciowej komputera) i odwrotnie. Eliminuje to rywalizację o dostęp do tego samego pasma pomiędzy funkcjami nadawania i odbioru, co było wcześniej bolączką urzą­dzeń pracujących w sieci Ethernet. W środowisku komutowanym kolizje dotyczą tylko dwóch urządzeń: przełącznika i urzą­dzenia, z którym jest on połączony. Prowadzenie transmisji pełnodupleksowej łączem ko­mutowanym sprawia, że rywalizacja o dostęp do pasma staje się niepotrzebna. Każde urządzenie może uzyskać pozwolenie na nadawanie i umieścić ramki w nośniku niemal bez opóĽnień. Protokół CSMA/CD staje się zbyteczną pozostałością z dawnych czasów Ethernetu. Gigabit Ethernet bazuje na tym właśnie sukcesie transmisji pełnodupleksowej. W prak­tyce na rynku dostępne są prawie wyłącznie urządzenia pełnodupleksowe.

Zbyt dobre, aby mogło być prawdziwe?

Choć technicznie interesujący, a nawet ekscytujący, Gigabit Ethernet musi być rozpatry­wany w kontekście przewidywanego środowiska jego pracy. Podmioty zajmujące się jego tworzeniem widzą w nim technologię łączenia ze sobą koncentratorów, serwerów, a być może nawet stacji roboczych. Jego użyteczność musi być więc oceniana w zakresie wydaj­ności i wymagań stawianych przez każdy z tych obszarów funkcjonalnych sieci LAN. Dzisiejsze stacje robocze i serwery są w większości niedopasowane do pasma oferowanego przez Gigabit Ethernet. Nawet uwzględniając spowalniający wpływ schematu kodowa­nia 8B/10B, Gigabit Ethernet wciąż oferuje przepustowość 800 Mbps. To sprawia, że sieć LAN przestaje być czynnikiem ograniczającym wydajność. Ograniczenie stanowią dwa czynniki wewnąir: komputera. Pierwszym jest fakt, że nawet SCS1-3 może działać tylko z prędkością do 40 MB/s (megabajtów na sekundę). Przekłada się to na prędkość sygnału 320 Mbps (megabitów na sekundę). Tak więc każda czynność w sieci Gigabit Ethernet, wymagająca odwołań do urządzeń peryferyjnych przyłączonych do magistrali SCSI, będzie ograniczona wydajnością tej magistrali. Funkcje, które mogą być obsługiwane bez udziału urządzeń peryferyjnych SCSI, będą limitowane ograniczeniami wydajności magistrali PCI (ang. Peripheral Component Inter-connect). PCI stała się dominującą architekturą magistrali we/wy w tanich komputerach. Jest wykorzystywana w maszynach jedno- \ wielostanowiskowych. W praktyce więk­szość komputerów z magistralą PCI nie doświadczy dużego wzrostu wydajności (lub wręcz nie doświadczy go wcale) po przejściu z Ethernetu 100 Mbps na Gigabit Ethernet.Nie pozwolą na to ich elementy składowe. Tak więc Gigabit Ethernet jest rozwiązaniem nieodpowiednim dla dzisiejszych architektur tanich komputerów. Gigabit Ethernet nadaje się najlepiej do łączenia solidniejszych komputerów średnich (ang. mid-range) i komputerów mainframe. Te architektury są znacznie lepiej dopasowane do przepustowości sieci Gigabit Ethernet. Koncentratory przełączające, które mogą obsługi­wać łącze Gigabit Ethernetu, są w stanie wykorzystywać go jako szkielet sieci LAN.8

Podsumowanie

Fast Ethernet sprawdził się jako praktyczny i ekonomiczny środek podniesienia jakości infrastruktur sieci LAN. Bardzo ważne jest dotrzymywanie kroku wciąż rosnącym wyma­ganiom dotyczącym przyłączalności i przepustowości. Największym zagrożeniem dla specyfikacji Fast Ethernet było, że korzystała ona z całkowicie odmiennych schematów sygnalizacyjnych dla różnych rodzajów kabli. Tak więc, płytka krzemowa wykorzystywana przez złącze kabla UTP Kategorii Sjest zupełnie różna od płytki dla UTP Kategorii 3. Każda grupa użytkowników wdrażająca Fast Ethernet z kablami Kategorii 3 inwestuje w technologie telefoniczne i w rzeczywistości utrudnia migrację do przyszłościowych tech­nologii sieci LAN.'' Gigabit Ethernet, choć nieukończony, wydaje się być zdolny do dalszego przedłużenia życia tego starego protokołu. Kluczowa różnica między dwiema wymienionymi wyżej technologiami jest taka, że Gigabit Ethernet zajmuje niszę technologiczną. Jego przepu­stowość o kilka rzędów wielkości przekracza możliwości dzisiejszych komputerów. Układy we/wy i magistrale systemowe wykorzystywane w tych komputerach stają się czynnikami ograniczającymi, nie pozwalającymi w pełni wykorzystać przepustowości oferowanej przez Gigabit Ethernet. W przyszłości może on stać się technologią LAN nadającą się do bardziej ogólnego zastosowania, ale do tego czasu jego użyteczność wydaje się być ograniczona.