`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Мифическая Ethernet. Часть II

0 
 
Fast Ethernet

В офисах прочно обосновались сети 10 Mbps, и появилась насущная необходимость повысить производительность магистральных межофисных соединений. В ответ в 1995 г. был опубликован стандарт 802.3u, а за ним множество разновидностей, в совокупности получивших образное название Fast Ethernet. Документ описывал базовую версию 100Base-T и три вариации "на тему": две так называемые 100Base-X-сети (100Base-TX и 100Base-FX) и экзотические 100Base-T (100Base-T4 и 100Base-T2).

Начнем с последних: их сторонники решили отправиться дальше, чем осмелились это сделать идеологи 10Base-T. T4 в качестве физической среды передачи использует неэкранированную витую пару (кабель UTP тип CAT-3), которая обычно представляет собой восемь попарно скрученных проводов в общей оболочке. Авторы стандарта нашли им применение, отведя три пары под передачу и прием полезного сигнала (каждый поток по 33 Mbps), а четвертую -- под детекцию коллизий. Снижение уровня требований к кабельной системе привело к ухудшению пропускной способности сети (полнодуплексный режим стал невозможен), кроме того, возникла необходимость в существенной модификации протокола физического уровня.

Спецификации 100Base-T2 были подобраны как нечто промежуточное между стандартами с буквой X в названии и восьмипроводной версией T4. Максимальный диаметр сети -- 200 метров на недорогом кабеле категории 3. На двух парах проводов обеспечивается скорость дуплексной передачи 100 Mbps за счет использования потоков 25 Mbaud. Секрет в системе кодирования PAM5, которая, расширяя словарь (фактически увеличивая разрядность каждой посылки данных), двукратно повышает производительность. Более подробно о роли кодирования будет рассказано в разделе, посвященном гигабитовой Ethernet.

100Base-TX более консервативен -- полный дуплекс, задействованы только 2 пары проводов, скорость передачи 100 Mbps, максимальная пропускная способность в два раза больше. В качестве интерфейса физического уровня был использован ANSI-стандарт X3T9.5. Максимальный диаметр сети (приблизительно равняется удвоенному расстоянию от хаба до узла) как для T4, так и для TX составляет 205 метров, но в последнем случае это будет дорогостоящий кабель пятой категории.

100Base-FX формально еще многое наследует от старой "оптической Ethernet", но использует физический уровень, заимствованный у сетей стандарта FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Максимальная длина сегмента 100Base-FX составляет 412 метров в полудуплексном и более 2 км -- в дуплексном режимах. Стоит напомнить, что в оптике этот параметр зависит также и от вида кабеля -- дорогое одномодовое волокно обеспечивает более высококачественную передачу сигнала и, следовательно, значительно большую длину сегмента. Длина волны несущей, как и положено по правилам FDDI, составляет 1300 нм, но не в этом дело. Интересен тот факт, что право относиться к классу Ethernet-сетей 100Base-FX завоевал благодаря интерфейсу MII (Media Independent Interface) -- некоему транслятору, позволяющему упаковывать и отсылать MAC-пакеты согласно стандарту нового физического уровня. По сути, FDDI и X3T9.5 являются двумя названиями одной вещи, что, несомненно, удаляет TX и FX от основ технологии 10 Mbps Ethernet.

Сторонники "чистого" стандарта и владельцы устаревшей кабельной инфраструктуры могут найти некоторое утешение в 100Base-SX. Данный вариант был специально разработан для облегчения модернизации устаревших сетей. Здесь все знакомо и привычно -- начиная от частоты несущей (850 нм) и заканчивая максимальной длиной сегмента (500 м). Необходимо заметить, что документ, определяющий эту технологию, пожалуй, немного запоздал -- публикация состоялась в 2000 году.

Примирить различные типы Ethernet призваны хабы и повторители первого класса (Class I), которые не ретранслируют пакеты на лету, а принимают их, преобразует в цифровую форму и лишь затем регенерируют их на другом порту. Например, таким образом удается смешивать в одной сети сегменты 100BASE-TX/FX c сегментами 100BASE-T4. Увеличение допустимой задержки при ретрансляции приводит к ограничению удельного количества повторителей: на домен коллизий максимальной длины разрешается устанавливать только один такой хаб. Существует и второй класс хабов -- вполне обычные устройства, их может быть по две штуки на каждый домен коллизий.


Нас предали!

В 1995 г. с переходом индустрии к стандартам 100 Mbps была предпринята попытка устранить очевидные недостатки изобретения Боба Меткалфа методом "небольшой революции". "Революцию" возглавили весьма респектабельные компании -- Compaq, AT&T, HP, IBM, Cisco, Motorola.

Радикальному изменению подверглась основа основ классической Ethernet -- механизм разрешения коллизий (РК). Простой до неприличия в "канонической" реализации алгоритм РК основан на принципе "инкрементного отката" (incremental backoff). После того как адаптер при попытке начать передачу в пустой "эфир" обнаруживает там несущую другого узла, он выстраивает цепочку постепенно увеличивающихся промежутков времени, в каждом из которых случайным образом выбирает момент для повторной передачи. Такой алгоритм неплохо функционирует при небольшой загрузке сети и невысокой скорости передачи. Но как только пропускная способность и нагрузка увеличиваются, логика его работы становится неэффективной, а состояние среды передачи начинает походить на базар. Более того, домен коллизий стремительно уменьшается -- его размер обратно пропорционален производительности сети. Например, при переходе с 10 Mbps к 100 Mbps максимальная длина всех сегментов входящих в единый домен коллизий сократилась более чем в 10 раз (от 2,5 км до чуть более 200 м). Хранить верность идеалам Меткалфа стало просто неразумно.

Альянс сторонников 100VG-AnyLAN -- нового стандарта для новых быстрых сетей -- предполагал, что эта технология станет следующим этапом развития как для Ethernet, так и для TokenRing. Ее фундамент -- активные хабы, определяющие готовность узлов в порядке очереди к передаче: что при учете введения двух уровней приоритетности дает возможность реализовать гарантированную доставку чувствительных к задержкам потоковых данных. Избавление от ограничений, накладываемых механизмом определения коллизий, оказало существенное влияние на диаметр сети. Несмотря на то что для кабеля третьей категории между узлами или хабами максимальное расстояние равняется всего 100 метрам, а для пятой категории -- увеличивается вдвое, общая длина сегмента (если проводить аналогию с традиционной сетью) выросла до 2 км! Секрет в иерархической структуре 100VG-AnyLAN: на первом уровне должен располагаться корневой хаб, к которому цепочкой подключаются концентраторы последующих уровней. Ограничение проистекает из необходимости обеспечить определенное значение латентности.

Недостаток "новой Ethernet" заключался в сложности и дороговизне интеллектуальных хабов. Впрочем, как отмечают специалисты, эти факторы значимы только в случае сравнения с 100Base-TX-концентраторами класса 2.

Viterbi/Trellis

Мифическая Ethernet. Часть II
Рис. 1. Схема кодировки
Мифическая Ethernet. Часть II
Рис. 2. Диаграмма Треллиса (а)
Мифическая Ethernet. Часть II
и исходная последовательность (б)
Мифическая Ethernet. Часть II
Рис. 3. Первая стадия декодирования
Сверточное кодирование в сути своей более простое, чем мы его себе представляем, когда слышим внушительные термины: диаграммы, PCS и тому подобное. "Сердце" кодера -- это обычный сдвиговый регистр, а идея заключается в использовании данных из всех ячеек регистра при генерировании результирующего бита.

На рис. 1 показана элементарная схема-образец с регистром, включающим две ячейки, их содержимое является текущим состоянием кодера. Когда на входе появляется очередной бит, то после выполнения операций XOR он запоминается первой ячейкой, в то время как содержащийся в ней бит переходит во вторую. Чтобы облегчить описание процесса в целом, вводится диаграмма Треллиса (рис. 2а) . Она представляет все возможные состояния и переходы между ними. Сплошными линиями показаны переходы, совершаемые после появления на входе 1, а пунктиром -- "нулевые переходы".

Диаграмма используется и при декодировании по алгоритму Витерби. Особенность алгоритма состоит в том, что он позволяет не только детектировать, но также исправлять ошибки. Пользуясь диаграммой, не стоит забывать, что состояния представляют собой исходную последовательность (рис. 2б), а полученные данные -- результат свертки. Получив в момент t=0 биты "00", декодер по умолчанию "сомневается" в их корректности и рассматривает все возможные варианты. Особого разнообразия в данном случае нет: исходный бит может быть только единицей или нулем, поэтому строятся две ветки к состояниям "00" и "10" соответственно.

Мифическая Ethernet. Часть II
Мифическая Ethernet. Часть II
Мифическая Ethernet. Часть II
Рис. 4. 2-, 3- и 4-я стадии декодирования
Образовалось два возможных пути, и для каждого из них вычисляется расстояние Хэмминга между реальными и предположительными данными. Расстояние Хэмминга равняется количеству подстановок, необходимых для трансформации предполагаемых значений в действительные. Далее операция итеративно повторяется для каждой новой пары битов, и с каждым шагом количество путей удваивается.

Полученные траектории накапливают сумму всех значений расстояний Хэмминга, вычисленных за предыдущие итерации. Как видно из рис. 4, когда два пути пересекаются, тот из них, который обладает наибольшей суммой, -- обрывается. В результате такого "усреднения" в конце концов цепочка, в сумме набравшая меньше всех баллов, и принимается за истинную. Смысл очевиден: пары битов есть отражения смены состояний кодера, состояния взаимосвязаны, выстраивая цепочку состояний при выполнении переходов, по которой количество несоответствий полученным данным (ошибок) минимально, мы делаем предположение, что число верных битов в последовательности превалирует над количеством ошибочных. Поэтому набранная сумма Хэмминга для признанной верной траектории принимается алгоритмом Витерби за доказательство поговорки: исключения лишь подтверждают правило. Существует две версии методики декодирования: на основе жестких и мягких решений. Первый вариант мы уже рассмотрели, другой же использует вместо расстояний Хэмминга -- вероятность приема неверного бита на данном этапе. Степень достоверности каждого бита оценивается путем измерения уровня поступающего сигнала с помощью АЦП и сравнения полученного значения с номинальным.


Первый гигабит

Несмотря на очевидные препятствия технологического плана, в мае 1996 г. был образован Gigabit Ethernet Alliance (GEA). Списки его членов, как всегда, возглавила 3Com, также бросаются в глаза громкие имена корпораций Intel, Bay Networks, Cisco и Sun. Первый вариант спецификации 1000Base-CX (здесь "C" означает "Copper"), появившийся в 1998 г., оправдал опасения скептиков -- максимальная длина сегмента равнялась смехотворным 25 м. Основной акцент разработчики сделали на оптические разновидности -- 1000Base-LX, 1000Base-SX -- и снова прибегли к физическому уровню стандарта Fibre Channel, созданному специально для таких случаев. Сетевая модель Fibre Channel подразделяется на 5 уровней -- Gigabit Ethernet позаимствовал только два нижних FC-0 и FC-1. Они определяют методику передачи сигналов, схему кодирования (8B/10B), контроль за поддержкой соединения, тип носителя и, конечно, спецификации приемопередатчиков.

Оборудование типа LX отличается от SX длиной волны лазера. Первое использует длинноволновое излучение 1270--1355 нм и позволяет протянуть сегмент на 316 м в случае полудуплексного режима и 550 м -- в случае дуплексного (значения относятся к многомодовому волокну). Что касается SX, то хотя для него допустимая длина волны находится в диапазоне 770--860 нм, максимальная протяженность сегментов всех типов осталась равной вышеприведенным значениям.

Вместе с 100 Mbps Ethernet "на покой" ушел и универсальный интерфейс MII. Ему на смену явился не менее универсальный Gigabit Interface Converter (GBIC) или, говоря иначе, Gigabit Media Independent Interface (GMII), извлеченный из пыльной документации по Fibre Channel.

В 1999 г. альянс GEA сумел разработать спецификацию гигабитовой сети с длиной сегмента 100 м при использовании в качестве среды передачи неэкранированной витой пары. Стандарт называется 1000Base-T и является продолжателем традиций формата 100Base-T4, который, как уже было написано выше, утилизирует все 4 пары проводов, обычно находящихся в оболочке сетевого кабеля UTP. Любопытно, что в работе над спецификациями активно использовалось вполне традиционное средство моделирования, знакомое каждому инженеру: комбинация пакета Matlab и языка C.

Технология 1000Base-T полна сюрпризов: здесь и полнодуплексные хабы (Full Duplex Repeaters), и Trellis-кодирование, и улучшенная схема модуляции PAM5 (Pulse Amplitude Modulation), и дуал-дуплексные сегменты (Dual-duplex segments). Начнем с последнего чудо-термина, обозначающего одновременную передачу и прием данных по всем четырем скрученным парам кабеля. Вот так просто открывается ларчик увеличения пропускной способности -- распределение потока по всем четырем парам дает четырехкратное снижение частоты передачи и, соответственно, четырехкратное увеличение временного окна коллизий по сравнению с 100Base-CX.

Снижение скорости передачи до 250 Mbps, а следовательно, и частоты несущей благотворно сказывается и на помехоустойчивости сигнала. На высоких частотах начинает проявляться повышенное сопротивление проводов вследствие усиления так называемого скин-эффекта -- концентрации носителей переменного тока вблизи поверхности жилы. Чем выше частота, тем тоньше и плотнее электронная "кожица", тем выше сопротивление. Другой источник помех -- перекрестные наводки. По всем четырем парам идет независимый сигнал, и каждый из них влияет на остальные три. Величину наводки описывают двумя величинами NEXT и FEXT, первая из них расшифровывается как near-end crosstalk, а вторая -- far-end cross crosstalk. Здесь слова "near" и "far" характеризуют положение точки измерения наводки относительно передатчика ("ближний" или "дальний" конец кабеля). Профессионалы используют интегральную оценку ELFEXT -- Equal level FEXT, при вычислении которой учитывается угасание сигнала в кабеле. Особые неприятности в случае дуал-дуплексного соединения причиняет эхо (ECHO), возникающее по самым различным причинам. Поскольку передаваемые и принимаемые сигналы существуют в среде одновременно, из сигнала, направляемого локальному приемнику, приходится отфильтровывать сигнал локального передатчика.

Чтобы обеспечить скорость передачи 250 Mbps с помощью традиционного для Ethernet кода PAM3, как минимум требуется частота несущей 250 MHz. Но, как мы знаем, UTP-кабель 5-й категории сертифицирован только для частот ниже или равных 100 MHz. Именно для снижения требований к физической среде передачи данных (кабелю) составители спецификаций ввели пятиуровневое кодирование: при котором символы кодируются пятью уровнями напряжения: -1V, -0.5V, 0, +0.5V, +1V, четыре из которых отводятся под два бита полезной информации, а пятый и последний -- для нужд алгоритма коррекции ошибок. В результате разработчикам успешно удалось "втиснуть" 250 Mbps в 125 Mbaud.


...быстро как только возможно

В первой декаде 1999 г. впервые собралась инициативная группа по выработке стандарта для 10 Gbps Ethernet-сетей. Чернила еще не высохли на документации к 1000Base-T, как свет увидел еще один альянс --10GEA (10 Gigabit Ethernet Alliance). Как всегда, первой в списке участников альянса оказалась фирма 3Com, ее поддержали более ста компаний, в том числе Intel, Cisco, Sun и Nortel Networks. На самом деле, запрос на формирование соответствующего комитета в IEEE поступил еще раньше, поскольку, как говорится в документах, доступных на сайте 10GEA, процесс начинался с так называемого "запроса о заинтересованности" (call for interest). Но как бы там ни было, спустя год появилась полновесная Working Group 802.3ae, которой, согласно правилам, отводится 4 года для написания законченного стандарта. Конечно, это максимальный срок, поэтому планируется, что финальный документ выйдет уже в ближайшие месяцы.

Основным ориентиром для авторов черновых спецификаций 10 Gbps Ethernet (далее будем использовать аббревиатуру 10 GE) стала задача интеграции LAN-протокола в инфраструктуру сетей уровня города, а именно SONET/SDH (Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy). Соединить синхронные кольца SONET, предназначенные для передачи голоса, с асинхронной Ethernet -- хоть это и звучит дерзко, но сулит ощутимую выгоду. Учитывая практически уже состоявшийся и, по всей видимости, окончательно-бесповоротный переход сетей серии 802.3 на оптический физический тип среды передачи, а также повышение их производительности, попытка облегчить взаимодействие с оптическими же магистральными соединениями не может не вызывать уважения.


Все дальше от канонов

В современных высокоскоростных стандартах Ethernet мало что осталось от оригинальной Ethernet. Даже метод доступа к среде больше не является отличительным признаком. Пожалуй, только формат пакета сохранился более или менее нетронутым, но учитывая новые расширения, связанные с обеспечением гарантированной пропускной способности и организацией виртуальных сетей, даже "старый добрый Ethernet-кадр" уже не такой, как прежде. Тем забавнее выглядят попытки сохранить электрическую совместимость между различными типами этой сети. Заботу о преемственности подчеркивает модификация алгоритма CSMA/CD, выполненная для того, чтобы он смог функционировать в гигабитовых сетях. Были введены такие понятия, как Carrier Extension и Bursting, но, как признался один из членов комитета 802.3 Джефф Томпсон (Geoff Thompson) -- "Реализации CSMA/CD неизвестны на рынке гигабитового оборудования. Все работает в полнодуплексном режиме".

И все же упорство комитета не знает границ. На вопрос: "Будет ли завтрашняя Ethernet такой же, какой мы знаем ее сегодня?" Томпсон ответил: "Мы ожидаем, что она останется совместимой с существующими сетями, но будет иметь новые возможности". На самом деле, нынешняя Ethernet уже не совместима со своими предшественницами, и мало кому такая совместимость необходима.

Итак, что хочется сказать напоследок: не стоит зацикливаться на тотальной совместимости, поскольку, как показывает действительность, это фата-моргана сетевой индустрии. В таких условиях гораздо важнее добиться реальности бюджета обновлений СКС и сетевого оборудования.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT