Гигабитный Ethernet

Сильные стороны сетей Ethernet очевидны — детальная проработанность и выверенность технологии, огромный опыт практической эксплуатации основанных на ней сетей во всем мире, дешевизна оборудования. Общеизвестны и слабые — разделяемый доступ к среде передачи, сильно ограничивающий масштабируемость.

Этот «неисправимый дефект» вспоминается сразу же, как только предпринимается очередная попытка радикально поднять пропускную способность сетей Ethernet. Еще в 1993 году, когда появился стандарт Fast Ethernet, казалось, что предел скорости передачи достигнут. Поэтому последовавшие вскоре разговоры о гигабитном варианте все той же технологии не вызывали ничего, кроме скепсиса. Тем не менее, прошло четыре года, и на рынке появились первые устройства Gigabit Ethernet, а еще немного спустя, в 1998 году, институт IEEE принял соответствующий стандарт (802.3z).

Конечно, было бы наивно полагать, что принципы, заложенные создателями Ethernet еще в 1972 году, ко второй половине 90-х не претерпели никаких изменений. Протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий (CSMA/CD) удалось «разогнать» до гигабитной скорости благодаря нескольким техническим находкам, прежде всего расширению несущей и пакетной передаче. Метод расширения несущей устранил зависимость минимальной длины передаваемых кадров от величины временного кванта. Появление в сетях Gigabit Ethernet режима пакетной передачи дало возможность организовывать в сетевом узле конвейерную пересылку групп кадров, сохранив старый служебный интерфейс MAC-уровня. Более того, пакетная передача повысила эффективность обработки нескольких кадров одним сетевым узлом и тем самым уменьшила негативную роль эффекта захвата физической среды.

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных.

Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире.

Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. При переходе от Ethernet к Fast Ethernet сохранение минимального размера кадра привело к уменьшению диаметра сети с 2 км для 10BaseT до 200 м для 100BaseT. Однако перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Очевидно, что в этом случае станции в разделяемой сети оказались бы в буквальном смысле "на коротком поводке", поэтому рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.

Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).

Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). Это самый худший вариант, но даже с учетом того, что средняя длина кадра составляет на практике 200-500 байт, пропускная способность возрастет всего лишь до 300-400 Мбит/с.

С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров (к сожалению, термин "пакетная передача", как обычно переводится на русский язык английское понятие "bursting", может привести к путанице, так как он подразумевает пакет как передачу сразу серии кадров, а не пакет как блок данных. В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию.

Все эти меры позволяют достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузки сети. Тем не менее, подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD себя практически изжил.

Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплексной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.

Одним из способов обойти ограничения, связанные с расширением несущей, является использование так называемых буферных распределителей. Этот новый класс устройств (иногда их еще называют полнодуплексными повторителями) представляет собой нечто среднее между повторителем и коммутатором.

Все порты гигабитного буферного распределителя работают в полнодуплексном режиме и задействуют механизмы контроля потоков, определенные стандартом IEEE 802.3х. Как обычный повторитель Ethernet, он передает поступивший кадр на все свои порты; как и коммутатор Ethernet, способен принимать кадры на нескольких портах одновременно, при этом поступившие кадры помещаются в буферы. При заполнении буферов распределитель задействует механизмы управления потоками для информирования передающего узла о необходимости приостановить передачу. Такой подход позволяет достичь близкой к номинальной пропускной способности в разделяемом сегменте Gigabit Ethernet.

Если принимающая станция (узел) на одном конце прямого соединения оказывается, перегружена, то она отправляет передающей станции так называемый "кадр приостановки передачи" (pause frame) с просьбой отказаться от передачи кадров на определенный промежуток времени. В результате передающая станция останавливает передачу данных на указанный промежуток времени. Однако принимающая станция может отправить кадр с нулевым временем ожидания с тем, что отправитель возобновил передачу.

Все эти расширения старого, разработанного ещё в 80-е годы Ethernet, вместо разработки с нуля новой технологии, свободной от старых ограничений, сделаны из соображений совместимости. Гигабитный Ethernet можно свободно встраивать в работающие сети, не заменяя их и не останавливая работу.

Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет резко поднять пропускную способность магистрали локальной сети и поддерживать в результате большее число как коммутируемых, так и разделяемых сегментов Fast Ethernet. Установка сетевой платы Gigabit Ethernet на сервер дает возможность расширить канал с сервером и таким образом увеличить производительность рабочих станций. Остальные части сети продолжают работать на имеющемся оборудовании без какой-либо перенастройки.

При модернизации серверов и рабочих станций для перехода на гигабитные скорости от пользователей потребуется тщательный выбор сетевого адаптера. При скорости 1 Гбит/с ЦП не сможет поддерживать пропускную способность сети, если NIC не обладает интеллектуальными функциями взаимодействия с хост-машиной. Это относится также и к GE-интерфейсам маршрутизаторов и коммутаторов меньшей мощности.

Традиционно производительность рабочей станции зависит от архитектуры ее шины и памяти, а также от рабочей частоты ЦП. Компьютеры с 32-разрядной шиной PCI могут передавать пакетный трафик со скоростью 1 Гбит/с, тогда как 64-разрядная шина PCI обеспечивает вдвое большую пропускную способность (2 Гбит/с).

Таким образом, повышение скорости работы шины является основным фактором готовности к переходу на гигабитные скорости. Однако при такой скорости ЦП системы может легко израсходовать все 100% ресурсов на организацию передачи данных между приложениями и сетью, а на выполнение самих приложений или других задач операционной системы вычислительной мощности не останется.

В этих случаях применяются интеллектуальные сетевые адаптеры (аналогично интеллектуальным контроллерам жёстких), имеющие собственный процессор для обработки сетевых пакетов. Такие сетевые адаптеры могут вызывать единственное прерывание ЦП для многих пакетов данных, записывая данные сразу в оперативную память. Тем самым радикально изменяется отношение числа пакетов к числу прерываний, и решаются проблемы, масштабируемости, присущие более старым конструкциям. Это позволяет повысить не только пропускную способность, но и эффективность работы приложений за счет высвобождения ресурсов ЦП. Кроме того, для таких адаптеров отношение числа пакетов к числу прерываний может быть задано пользователем или установлено автоматически. Это позволяет реализовать “адаптивные” прерывания, частота которых может меняться в зависимости от загрузки сети.

Разница между коммутаторами Gigabit Ethernet может быть весьма значительной. Пользователям придется выбирать, оснастить ли каждый узел сети возможностью интеллектуальной обработки трафика и процессором высокой производительности или спроектировать эту сеть так, чтобы решить большую часть проблем только за счет увеличения пропускной способности.

Gigabit Ethernet имеет относительно примитивные функции QoS, в частности, по сравнению с аналогичными функциями ATM.

Рабочая группа Gigabit Ethernet 802.3z предложила изменить спецификацию Gigabit Ethernet с целью смягчить проблему дифференцированной задержки. Эта редакция позволит организовывать соединения Gigabit Ethernet протяженностью до 260, 440 или 550 м, в зависимости от диаметра оптического волокна и типа используемого лазера. Несмотря на опасения в связи с ограничениями на протяженность многомодового оптического кабеля модернизация оптической магистрали до гигабитных скоростей не вызывает особых проблем. Размер кадра - весьма неоднозначный вопрос ввиду его потенциального влияния на производительность сети. Gigabit Ethernet использует тот же формат и размер кадра (от 64 до 1500 байт), что и стандартные Ethernet и Fast Ethernet, но может использовать и специальные кадры увеличенного размера до 9000 байт (jumbo-frames). Такие кадры позволяют сократить число обрабатываемых сетевой платой кадров и снизить служебный трафик.

Дата добавления: 2014-01-06