NBASE-T, или Ethernet сбавляет скорость

Впечатляющие успехи высокоскоростных технологий Ethernet далеко не у всех вызвали восторг и далеко не всем оказались по карману. Ведь для их внедрения необходимо было заменить унаследованную кабельную инфраструктуру. Кроме этого, в сетях доступа многих корпораций даже скорость 10 Гб/с оказывается избыточной для решения большинства бизнес-задач.

Примерно десять лет пропускная способность 1000BASE-T в корпоративных сетях доступа и сетях Ethernet в целом были удобны для подавляющего большинства корпоративных пользователей, но время этой рабочей лошадки заканчивается. Самым важным катализатором изменений в этой области является Wi-Fi. Быстрое внедрение стандартов IEEE 802.11ac Wave 1 и Wave 2 и политики BYOD исчерпывают пропускную способность 1 Гб/с стандарта Ethernet 1000BASE-T. Добавьте к этому все большее число приложений, требующих обработки больших объемов данных в корпоративных кампусах — университетские исследования, медицинская визуализация, CAD/CAM и медиаредактирование, требующие более 1 Гб/с, — и окажется, что безмятежная жизнь технологии 1000BASE-T по крайней мере пошатнулась, если не пришла к концу.

Предприятия, промышленные и многие домашние сети, которым нужна пропускная способность за пределами Gigabit Ethernet для доступа клиентов, сталкиваются с реальной проблемой: номинальным ограничением скорости 1 Гб/с унаследованных кабелей категории 5e/6 в большинстве установленных сегодня инфраструктурах по всему миру. Инсталляция в зданиях более новой кабельной системы на базе Cat6a, необходимой для 10GBASE-T, является вариантом, но может быть непозволительно разрушительной и дорогостоящей для некоторых организаций. Стандарт IEEE 802.3bz, который был одобрен осенью 2016 года, решает эту проблему, предоставляя скорости передачи данных 2,5 Гб/с и 5 Гб/с по существующим кабелям Cat5e/6.

Чтобы удовлетворить насущную потребность в скоростях, превышающих 1 Гб/с, перед завершением стандарта IEEE 802.3bz NBASE-T Alliance, консорциум из 45 организаций из числа лидеров отрасли, представляющих все аспекты экосистемы, разработал предварительные спецификации стандарта и продукты параллельно с процессом работы над стандартом в IEEE. Используя спецификации NBASE-T, пользователи могли развернуть технологию 2,5GBASE-T/5GBASE-T задолго до того, как стандарт был доработан. Специалисты из компаний-членов Альянса NBASE-T были ключевыми участниками на каждом этапе процесса в IEEE. В результате стандарт IEEE 802.3bz основывается на базовой технологии, совместимой со спецификацией NBASE-T.

Как это часто бывает, усилия по увеличению пропускной способности и скорости в устаревшей экосистеме обнажают узкие места. На уровне доступа корпоративных сетей это узкое место представляет собой витую пару Cat5e/6 между точкой доступа Wi-Fi (ТД) или клиентскими устройствами и коммутатором. В 2014 г. около 90% всемирной установленной базы каналов доступа предприятий использовали кабели Cat5e или Cat6. До разработки технологии NBASE-T скорости передачи данных достигали максимум 1 Гб/с на 100 м, что создавало препятствие для эффективного использования высокоскоростных ТД 802.11ac Wave 2. Замена старых кабелей на новые Cat6a (или лучше), построенные на основе стандартов 10GBASE-T, является одним из способов устранения этого узкого места. Однако хотя Cat6a является жизнеспособным вариантом для развертывания «с чистого листа», он представляет значительные проблемы с осуществимостью для унаследованной инфраструктуры. Замена кабелей не только подрывает работу, но и является дорогостоящей. Со стоимостью расходов от 200 до 800 долларов США за новый кабель для сотен точек доступа стоимость переоснащения установленного кампуса может легко достичь нескольких сотен тысяч долларов США. Учитывая огромную (1,3 млрд.) установленную базу Cat5e и Cat6, переустановка Cat6a займет много времени, чтобы стать распространенной.

Непосредственное давление ограничения пропускной способности 1 Гб/с значительно и возрастает. Быстрое принятие технологии 2 Гб/с 802.11ac Wave 1 и следующей по пятам 6,9 Гб/с Wave 2, усиливает напряженность на растущем, нетерпеливом беспроводном рынке. В 2015 г. около 40% корпоративных ТД были поставлены с поддержкой 802.11ac. Ожидается, что в 2017 году это число возрастет до 75%. Кроме того, ожидается, что количество устройств, поддерживающих 802.11ac Wave 2, будет быстро расти и превысит Wave 1 к 2019 году. Действительно, распространение более мощных устройств BYOD Wi-Fi — новейших смартфонов, планшетов или носимых устройств — является основным драйвером, хотя и существующие медицинские, визуализирующие, медийные, образовательные и исследовательские проекты, которые опираются на передачу больших объемов данных, также испытывают напряжение от ограничения 1 Гб/с. Существуют также очевидные приложения в расширяющейся области машинного зрения в таких направлениях, как промышленный контроль и автоматизация транспорта.

Сфера использования 2,5G/5GBASE-T выходит за рамки корпоративного пространства и многих сетей, которые обеспечивают быструю загрузку, синхронизацию устройств и приложения резервного копирования. Интерфейсы NBASE-T, безусловно, могут быть добавлены на домашние сетевые серверы по мере роста их возможностей. Как и в случаях многих технологических достижений, технология NBASE-T, скорее всего, сначала получит распространение в корпоративном сегменте, где есть более насущный спрос. Затем постепенно будет происходить расширение до поставщиков услуг и других рынков.

В 2014 году лидеры сетевой индустрии признали, что совместное влияние ряда ключевых факторов создает растущий разрыв на рынке, обслуживаемом технологией Ethernet. В то время стандарты IEEE Ethernet были сосредоточены на достижении скоростей 25 Гб/с, 100 Гб/с и выше. Несмотря на очевидную и растущую потребность в использовании потенциала полосы 1-10 Гб/с, область 2,5G/5GBASE-T не рассматривалась органом по стандартизации. Разумеется, существовал стандарт 10GBASE-T, но связанное с этим обновление кабелей явилось барьером для предприятий с унаследованной инфраструктурой.

Эти лидеры индустрии знали, что существует неизбежная потребность в промежуточной скорости Ethernet, и что важно разработать спецификацию, которая может быть реализована на практике немедленно. В конце 2014 г. ряд компаний из корпоративного сегмента объединились, чтобы согласовать новый стандарт и предоставить спецификации, которые позволят незамедлительно разработать продукт. Aquantia, Cisco Systems, Freescale (теперь NXP) и Xilinx сформировали NBASE-T Alliance с конкретной целью заполнения разрыва между стандартами Ethernet 1000BASE-T и 10GBASE-T. Деятельность группы сосредоточилась на разработке спецификаций и продуктов 2,5G/5GBASE-T и помогла разработать стандарт IEEE 802.3. К концу 2015 г. Альянс вырос до 45 членов, представляя весь спектр сетевой экосистемы: ТД, коммутаторы Ethernet, системы хранения и вычислительные системы, а также поддерживающие технологические компоненты, такие как ИС физического уровня (PHY), процессоры, разъемы, контроллеры, FPGA, микросхемы Power-over-Ethernet (PoE), кабели и тестовое оборудование. Компании-участники либо активно занимаются разработкой спецификаций или продуктов NBASE-T, либо работают в смежных областях, таких как кабельная или тестовая аппаратура.

Благодаря деятельности Альянса и других отраслевых компаний проект IEEE 802.3bz продвигался вперед очень быстро. В период с октября 2014 г. по май 2015 г. процесс быстро перешел от первоначального Call for Interest через этап исследовательской группы в работу Целевой группы по разработке спецификации. В мае 2015 г. Целевая группа 802.3bz приняла техническую основу, согласованную со спецификацией NBASE-T. Консенсус быстро сформировался на каждом этапе, и стандарт IEEE 802.3bz был утвержден на рекордной скорости в сентябре 2016 г.

Альянс NBASE-T и стандарты

NBASE-T Alliance обеспечивает спецификации физического уровня 2,5 и 5 Gigabit Ethernet PHY и продукты в соответствии со стандартом IEEE 802.3bz. Ключевыми атрибутами технологии NBASE-T являются:

• поддержка скоростей передачи данных 2,5G/5G по кабелям Cat5e/6 или выше;

• масштабируемость с точки зрения мощности и стоимости в широком спектре продуктов;

• предоставление множества функций 802.3bz с добавлением возможности «пониженной передачи» в случае проблем с производительностью на несовместимых кабельных инфраструктурах;

• совместимость с PoE, PoE +, UPoE и энергоэффективным Ethernet на всех скоростях передачи данных;

• расширение автоматического согласования Ethernet для добавленных новых скоростей передачи данных 2,5G/5G.

Установленный стандарт 10GBASE-T является технической базой для NBASE-T и 802.3bz. Хотя многие функции этих трех стандартов идентичны, некоторые из них отличаются способами совместимости.

Интерфейсы NBASE-T PHY PCS/PMA, PHY/MAC и сегмент канала идентичны и совместимы с 802.3bz, тогда как автосогласование немного отличается. Чтобы обеспечить совместимое автосогласование, системы NBASE-T могут поддерживать два режима автосогласования: автосогласование NBASE-T, а также совместимое с IEEE 802.3bz автосогласование, описанное ниже. PHY PCS/PMA

Спецификации подсистемы физического кодирования (Physical Coding Sublayer, PCS) NBASE-T основаны на стандартах IEEE 10GBASE-T PCS и подсоединения к физической среде (Physical Medium Attachment, PMA). Однако для поддержки новых скоростей передачи данных 2,5 Гб/с и 5 Гб/с был сделан ряд изменений:

• тактовая частота уменьшается на 1/2 и 1/4, чтобы обеспечить скорость передачи данных 5 Гб/с и 2,5 Гб/с соответственно;

• код с низкой плотностью проверок на четность (LDPC) для NBASE-T полностью закодирован для защиты всех битов и повышения производительности для скоростей 2,5 Гб/с и 5 Гб/с;

• спецификация NBASE-T обеспечивает возможность коррекции ошибок LDPC, а не простое обнаружение ошибок CRC-8, используемое в 10GBASE-T;

• LDPC NBASE-T также не использует кодирование DSQ128 и вместо этого передает биты LDPC, используя полный набор реализуемых состояний сигнала, доступный при модуляции PAM-16. Исходные технические показатели для уровня PCS в IEEE 802.3bz идентичны техническим требованиям спецификации NBASE-T, поэтому обеспечивается бесшовное соответствие.

Автосогласование

Автосогласование позволяет устройствам, основанным на разных стандартах Ethernet, сосуществовать в сети. Это уменьшает риск сбоев в сети, возникающих из-за несовместимых технологий. Стандарты IEEE 802.3, предшествующие 802.3bz, не поддерживают автосогласование для 2,5 Гб/с и 5 Гб/с. Решения NBASE-T выполняют автосогласование, расширяя существующую схему 10GBASE-T с одним отличием. Автосогласование NBASE-T вводит тегированное сообщение с уникальным идентификатором организации — Organizationally Unique Identifier (OUI) Tagged Message, как определено в приложении 28C.6 стандарта 802.3-2012, для оповещения возможностей NBASE-T PHY, режима NBASE-T 5G и режима NBASE-T 2,5G. NBASE-T PHY отправляет страницы Base, Next и Extended. Страница сообщений содержит OUI, который IEEE назначил Альянсу NBASE-T, — 0xFA073E. За страницей OUI следует страница с неформатированным сообщением, содержащим возможности NBASE-T. Тегированное сообщение OUI и неформатированная страница сообщений инкапсулируются внутри одной Extended Message Page и одной Extended Unformatted Page, как описано в приложении 28C стандарта 802.3-2012. Системы NBASE-T поддерживают стандартную функцию автосогласования IEEE 802.3bz с помощью обновления прошивки.

Интерфейс PHY/MAC

IEEE 802.3 определяет 10 Gigabit Media Independent Interface (XGMII) между PHY и MAC как логический интерфейс, а не как физический интерфейс. Стандарт IEEE 802.3bz аналогичен, но оставляет определение физических реализаций интерфейса PHY/MAC отрасли. Определенные разработчиком де-факто MII существуют, наиболее распространенные из которых указаны в спецификациях Cisco Systems, Serial Gigabit MII и Quad Serial Gigabit MII, SGMII, QSGMII, USGMII и USXGMII соответственно. Эти интерфейсы позволяют использовать несколько скоростей передачи данных и несколько портов через единую схему параллельно-последовательного/последовательно-параллельного преобразователя (Serializer/Deserializer, SerDes). Альянс NBASE-T выпустил спецификации для интерфейса PHY/MAC на основе этих спецификаций с целью ускорения развертывания системы.

Link Segment

Link Segment (сегмент канала), указанный в IEEE 802.3bz, определяет требования к разъему RJ45 и кабелю между двумя конечными точками. Спецификация включает в себя полосу пропускания канала, вносимые потери, обратные потери и перекрестные помехи как между четырьмя витыми парами сегмента связи, так и между соседними кабелями. Альянс NBASE-T инициировал разработку спецификаций 2,5/5Gigabit Link Segment, внеся эти спецификации в IEEE 802.3bz Task Force, и эта важная работа была включена в стандарт IEEE 802.3bz. В технических отчетах Альянса NBASE-T описывается, как 2,5GBASE-T и 5GBASE-T могут использоваться на установленных кабелях категории 5е и категории 6. Поскольку NBASE-T задает те же интерфейсы PCS/PMA, что и 802.3bz, NBASE-T PHY полностью совместимы с 802.3bz Link Segment.

***

Учитывая ощутимый спрос на промежуточную между 1000BASE-T и 10GBASE-T Ethernet скорость передачи данных по устаревшей инфраструктуре, 2,5/5Gigabit Ethernet являются важным дополнением к набору современных сетевых стандартов с немедленными приложениями. Альянс NBASE-T сыграл ключевую роль в признании этой необходимости, заложил надежную, проверенную основу для плавного принятия жизнеспособного стандарта и предоставил достандартные спецификации и продукты, которые соответствуют требованиям, или требует не более чем обновления программного обеспечения/прошивки, чтобы быть совместимыми со стандартом. В результате этих усилий предприятия, испытывающие ограничения Gigabit Ethernet, уверенно и экономически эффективно получают доступ к данным в два-пять раз быстрее по существующей инфраструктуре кабельных сетей.

По материалам NIST