Сеть Ethernet. Коммутируемый Ethernet.
Ethernet - удивительная, высокопроизводительная технология, пока сеть заполнена пакетами не более чем на 40 процентов. Если количество пакетов увеличивается, то возникает больше коллизий и все больше пакетов приходится пересылать повторно. Чем больше загружен стандартный Ethernet, тем больше у вас проблем.
Есть люди, которые говорят, что на самом деле Ethernet не обеспечивает пропускную способность 10 Мбит в секунду, потому что нельзя достичь такой скорости передачи данных, подключив в сегмент 20 узлов, каждый из которых занимал бы 500 Кбит в секунду. В такой ситуации происходит очень много коллизий и повторных передач, из-за чего реальная пропускная способность оказывается 4—5 Мбит в секунду. Технически это правильно, но этот тест показывает Ethernet с худшей стороны.
Если у вас только два узла, соединенные Ethernet, один из которых посылает данные, а другой их получает, то вы получите скорость передачи, близкую к 10 Мбитам в секунду. В этом случае коллизий почти не будет. Более того, чем короче сегмент физической сети, тем меньше вероятность наложения пакетов. На двух станциях, соединенных коротким проводом, реально получают скорость 9 Мбит в секунду без дополнительной настройки.
Некоторые умные люди считают, что проблема Ethernet заключается не в методе доступа CSMA/CD, а в постоянных коллизиях. Если бы они могли себе представить, как соединить каждые два компьютера в сети отдельным сегментом Ethernet — Эврика! Получается коммутируемый Ethernet. Коммутируемый Ethernet — система, в которой "интеллектуальный" концентратор передает пакеты из порта, в который входит узел-источник данных, только в порт, в который входит узел назначения, анализируя МАС-адреса. Это позволяет различным узлам передавать пакеты независимо и не вызывая лишних коллизий. Следовательно, каждая пара компьютеров соединена как бы выделенным каналом.
Коммутируемые сети Ethernet с интеллектуальным "матричным концентратором" в центре могут обеспечить выделенные сети для любых высокопроизводительных систем, в том числе и серверов. Первым такое оборудование начала производить фирма Kalpana, рисунок ниже демонстрирует их коммутируемый Ethernet:
Благодаря использованию технологии коммутируемый Ethernet разделяемые сегменты сети работают с обычными для Ethernet скоростями, но это не спасает их от перегрузок и многочисленных ошибок в пакетах, свойственных классической сети Ethernet. В выделенных сегментах серверов почти нет коллизий, и производительность приближается к теоретическому пределу 10 Мбит в секунду.
Быстрый Ethernet.
Основная идея быстрого Ethernet довольно проста: оставить без изменений все старые форматы кадров, интерфейсы, процедуры и лишь уменьшить битовый интервал со 100 нc до 10 нc. Как это технически осуществить? Можно скопировать принцип, применяемый с 10Base-5 или 10Base-2, но в 10 раз уменьшить максимальную длину сегмента. Однако преимущества проводки 10Base-T были столь неоспоримы, что практически все системы типа «быстрый Ethernet» в результате были построены именно на этом типе кабеля. Таким образом, в быстром Ethernet используются исключительно концентраторы (хабы) и коммутаторы; никаких моноканалов с ответвителями типа «зуб вампира» или с BNC-коннекторами здесь нет.
Название Тип Длина сегмента Преимущества
100Base-T4 Витая пара 100м Использование неэкранированной витой пары категории 3
100Base-TX Витая пара 100м Полный дуплекс при 100 Мбит/с (витая пара категории 5)
100Base-FX Оптоволокно 2000м Полный дуплекс при 100 Мбит/с; большая длина сегмента
Из четырех витых пар одна всегда направляется на концентратор, одна — от концентратора, а две оставшиеся переключаются в зависимости от текущего направления передачи данных. Для достижения скорости 100 Мбит/с от манчестерского кодирования пришлось отказаться, однако, учитывая сегодняшние тактовые частоты и небольшие расстояния между станциями ЛВС, без него вполне можно обойтись. Кроме того, по линии посылаются троичные сигналы, то есть О, 1 или 2. При использовании трех витых пар в направлении передачи данных это означало передачу 1 из 27 возможных символов за один такт, то есть 4 бита плюс некоторая избыточность, что при тактовой частоте в 25 МГц как раз и составляет требуемые 100 Мбит/с. Кроме того, есть еще обратный канал, работающий на скорости 33,3 Мбит/с по оставшейся витой паре. Такая схема, известная как 8В/6Т (8 битов в виде 6 троичных цифр), вряд ли получит приз за элегантность, но зато она работает на уже имеющихся в каждом офисе кабелях.
Устройство системы 100Base-TX, использующей витые пары категории 5, проще, так как кабели этого типа могут работать с сигналами на частоте 125 МГц. Поэтому для каждой станции используются только две витые пары: одна к концентратору, другая от него. Прямое битовое кодирование не используется. Вместо него имеется специальная система кодирования, называемая 4В/5В. Она является последователем FDDI и совместима с ней. Каждая группа из четырех тактовых интервалов, каждый из которых содержит один из двух сигнальных значений, образует 32 комбинации. 16 из них используются для передачи четырехбитных групп 0000, 0001, 0010,..., 1111. Оставшиеся 16 используются для служебных целей — например, для маркировки границ кадров. Используемые комбинации тщательно подбирались с целью обеспечения достаточного количества передач для поддержки синхронизации с тактогенератором. Система 100Base-TX является полнодуплексной, станции могут передавать на скорости 100 Мбит/с и одновременно принимать на той же скорости. Зачастую кабели 100Base-TX и 100Base-T4 называют просто 100Base-T.
Последний вариант, 100Base-FX, использует два оптических многомодовых кабеля, по одному для передачи в каждом направлении, то есть также полный дуплекс на скорости 100 Мбит/с в каждом направлении. Кроме того, расстояние между станциями при этом может достигать 2 км.
В 1997 году, пойдя навстречу потребностям пользователей, комитет 802 ввел в стандарт новый тип кабеля, 100Base-T2, позволяющий организовать работу быстрой сети Ethernet на основе двух витых пар третьей категории. Однако для отработки довольно сложного алгоритма кодирования потребовался соответствующий цифровой сигнальный процессор, что сделало данное расширение довольно дорогим удовольствием. Пока что вследствие своей чрезвычайной сложности, цены и перехода многих организаций на витые пары пятой категории 100Base-T2 используется мало.
В системах 100Base-T могут применяться два типа концентраторов. В концентраторе все входящие линии (по крайней мере, все линии, подключенные к одной плате) логически соединены с образованием единой области столкновений. Применяются все стандартные алгоритмы, включая двоичный откат; таким образом, система работает аналогично старой доброй сети Ethernet. В частности, в каждый момент времени может передавать только одна станция. Другими словами, концентраторы работают с полудуплексными соединениями.
В коммутаторе все приходящие кадры буферируются на плате, обслуживающей линию. Хотя при таком подходе карты и сам концентратор становятся дороже, все станции могут передавать (и принимать) кадры одновременно, что значительно повышает суммарную производительность системы, часто на порядок и более. Хранящиеся в буфере кадры обмениваются между картой источника и картой приемника по высокоскоростной объединительной плате. Объединительная плата никак не стандартизована. В этом нет необходимости, так как она спрятана глубоко внутри коммутатора. Кроме того, это предоставляет свободу производителям коммутаторов, которые будут состязаться, пытаясь создать все более быструю плату. Поскольку оптоволоконные кабели системы 100Base-FX слишком длинны для алгоритма столкновений, стандартного для сети Ethernet, их следует присоединять к буферированным коммутируемым концентраторам, так чтобы каждый кабель представлял собой отдельную область столкновений.
.В заключение разговора о быстром Ethernet стоит отметить, что практически все коммутаторы могут поддерживать и 10-, и 100-мегабитные станции. Это сделано для пущего удобства тех, кто постепенно обновляет аппаратуру. В стандарт включена возможность автоматического выбора станциями оптимальной скорости (10 или 100) и полудуплексного или полнодуплексного режима. Большая часть аппаратуры быстрого Ethernet использует эту функцию для самонастройки.
Гигабитная сеть Ethernet.
Гигабитные сети Ethernet строятся по принципу «точка — точка», в них не применяется моноканал, как в исходном 10-мегабитном Ethernet, который теперь, кстати, величают классическим Ethernet. Простейшая гигабитная сеть, показанная на схеме "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 (схема "б"). Но в любом случае к одному кабелю гигабитного Ethernet всегда присоединяются два устройства, ни больше, ни меньше.
Гигабитный 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 периферийными компьютерами 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 быстром Ethernet.
Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Хаб 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 64-байтный) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальная длина сегмента 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 64-байтного кадра при 1 Гбит/с успел бы много чего наделать даже за то время, пока его кадр прошел только десятую часть пути в одну сторону, не говоря уже о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно.
Гигабитный Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели. Работа на скорости 1 Гбит/с означает, что источник света должен включаться и выключаться примерно раз в наносекунду. Светодиоды просто не могут работать так быстро, поэтому здесь необходимо применять лазеры. Стандартом предусматриваются две операционных длины волны: 0,85 мкм (короткие волны) и 1,3 мкм (длинные). Лазеры, рассчитанные на 0,85 мкм, дешевле, но не работают с одномодовыми кабелями.
Название Тип Длина сегмента Преимущества
1000Base-SX Оптоволокно 550м Многомодовое волокно (50, 62,5 мкм)
1000Base-LX Оптоволокно 5000м Одномодовое (10 мкм) или многомодовое (50, 62,5 мкм) волокно
1000Base-CX 2 экранированные витые пары 25м Экранированная витая пара
1000Base-T 4 неэкранированные витые пары 100м Стандартная витая пара 5-й категории
Новый стандарт использует новые правила кодирования сигналов, передающихся по оптоволокну. Манчестерский код при скорости передачи данных 1 Гбит/с потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это слишком сложно и занимает слишком большую долю пропускной способности. Вместо манчестерского кодирования применяется схема, называющаяся 8В/10В. Как нетрудно догадаться по названию, каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи по волокну десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодовых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:
- ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;
- ни в одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести единиц.
Почему именно такие правила?
Во-первых, они обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком.
Во-вторых, количество нулей и единиц стараются примерно выровнять. К тому же многие входящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, вероятно, выберет из них то, которое сравняет число нулей и единиц.
Ссбалансированному количеству нулей и единиц потому придается такое значение, что необходимо держать постоянную составляющую сигнала на как можно более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи без изменений. Люди, занимающиеся computer science, не в восторге от того, что преобразовательные устройства диктуют те или иные правила кодирования сигналов, но жизнь есть жизнь.
Гигабитный Ethernet, построенный на 1000Base-T, использует иную схему кодирования, поскольку изменять состояние сигнала в течение 1 нс для медного кабеля затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется одним из пяти уровней напряжения. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01,10 или 11. Есть еще специальное, служебное значение напряжения. На одну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна 125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с. Пятый уровень напряжения был добавлен для специальных целей — кадрирования и управления.
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 контроля потока (так было и в быстром Ethernet, хотя эти системы довольно сильно различаются).
Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться на некоторое время. Служебные кадры — это, на самом деле, обычные кадры Ethernet, в поле Туре которых записано 0x8808. Первые два байта поля данных — командные, а последующие, по необходимости, содержат параметры команды. Для контроля потока используются кадры типа PAUSE, причем в качестве параметра указывается продолжительность паузы в единицах времени передачи минимального кадра. Для гигабитного Ethernet такая единица равна 512 нс, а паузы могут длиться до 33,6 мс.
Гигабитный Ethernet был стандартизован, и комитет 802 заскучал. Тогда IEEE предложил ему начать работу над 10-гигабитным Ethernet. Начались долгие попытки найти в английском алфавите какую-нибудь букву после z. Когда стало очевидно, что такой буквы нет в природе, от старого подхода решено было отказаться и перейти к двухбуквенным индексам. Так в 2002 году появился стандарт 802.3ае. Судя по всему, появление 100-гигабитного Ethernet уже тоже не за горами.