10GE aneb Ethernet po 30 letech (1) - trocha historie

Ethernet
Page 1 of 21
10GE aneb Ethernet po 30 letech (1) trocha historie nikoho nezabije
Asi každý z nás by si přál vypadat ve 30 letech tak dobře a mít před sebou tak skvělou budoucnost jako Ethernet. Od
svého vzniku v roce 1973 se postupně vyvinul ze síťové technologie pouze pro sdílené médium na čistě dedikované a
zvýšil svou rychlost 1000-krát. Je to ale vůbec ještě Ethernet?
Asi každý z nás by si přál vypadat ve 30 letech tak dobře a mít před sebou tak skvělou budoucnost jako Ethernet. Od
svého vzniku v roce 1973 se postupně vyvinul ze síťové technologie pouze pro sdílené médium na čistě dedikované a
zvýšil svou rychlost 1000-krát. Ovládl plně trh LAN a postupně vytlačil ostatní technologie. Nejprve Token Ring , pak FDDI
a nakonec ATM. Jedna vlastnost Ethernetu ale zůstává po celých 30 let neměnná. A tou vlastností či charakteristickým
rysem je jeho stále překvapující proměnlivost a zdokonalování, včetně jeho rozšiřování do rozlehlých sítí stejně tak jako do
éteru.
Ethernet byl úspěšný ve všech oblastech, do kterých pronikl a každým rokem proniká dále a dále. Technologická vylepšení
umožnily jeho průnik do oblasti metropolitních sítí MAN jako alternativa přenosové technologie SONET. A dokonce jako
alternativa k přístupovým technologiím xDSL na okrajích rozlehlých sítí WAN. V poslední době je ale asi nejvýznamnější
rozšíření Ethernetu díky propojení s bezdrátovými sítěmi Wi-Fi.
Trocha historie nikoho nezabije
Ethernet je synonymem pro sítě standardu IEEE 802.3, jinak též "1-persistent CSMA/CD LAN". V referenčním modelu
ISO/OSI pokrývá fyzickou a linkovou vrstvu, v modelu TCP/IP spadá pod vrstvu síťového rozhraní.
Historie Ethernetu začíná na Hawaii, kdy na tamní univerzitě vytvořili rádiovou síť ALOHA na propojení ostrovů, která je
prapředkem všech sítí se sdíleným médiem. Síť Ethernet jako taková vznikla poprvé ve středisku PARC (Palo Alto
Research Center) pro propojení tamních počítačů v polovině 70 let. Zde se také koncem května konala velkolepá oslava.
Síť pracovala s rychlostí 2,94 Mb/s (autoři Bob Metcalfe a David Boggs z firmy Xerox), později byla ve spolupráci firem
DEC, Intel a Xerox zrychlena na 10 Mb/s (DIX Ethernet, 1980).
Původní kresba Roberta M. Metcalfa k prezentaci Ethernetu na National Computer Conference v červnu 1976
Jak vůbec Ethernet přišel ke svému jménu? Traduje se, že Bob Metcalfe si vzpomněl na starou teorii z 19. století o
všeprostupujícím "etheru", kterým se šíří elektromagnetické vlny a tak kvůli paralele se všesměrovým vysíláním, použitým
u nové technologie, nazval ji "Ether"netem.
Další vývoj Ethernetu vzala do svých rukou organizace IEEE, pracovní skupina IEEE 802.3 Working Group, která
předložený návrh standardu DIX Ethernet přijala v poněkud pozměněné podobě (jiný formát hlavičky rámce) jako standard
802.3. Tento standard dále žije a vyvíjí se v rámci IEEE až do dnešní (10) gigabitové podoby na rozdíl od DIX Ethernetu
(též Ethernet II). Firma Xerox si též ponechala vlastnictví značky "Ethernet", takže v rámci standardů IEEE 802.3 se hovoří
o sítích "na bázi CSMA/CD" a Ethernetem se nazývá pouze neformálně.
Původní standard 802.3 z roku 1985 používal pouze koaxiální kabely, nejprve jen známý "tlustý", nebo také podle jeho
barvy "žlutý" kabel (Thick Ethernet). Segment mohl být dlouhý až 500 m, více segmentů mohlo být propojeno opakovači
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 2 of 21
(repeater) až do max. vzdálenosti 2500 m mezi nejvzdálenějšími uzly, kterých mohlo být max. 1024. Síťová karta uzlu byla
k segmentu připojena speciálním transceiverem a přípojným kabelem. Tato technologie něco říká už jen "síťovým
pamětníkům". Později byla do standardu doplněna podpora "tenkého" koaxiálního kabelu (Thin Ethernet) a posléze
nestíněného krouceného dvoupáru (UTP - unshielded twisted pair).
Celá logika protokolu Ethernetu je implementována v obvodech síťového adaptéru. Protokolový paket má pevný formát, s
datovým polem v rozmezí 46 - 1500 bajtů.
Všechny rychlostní modifikace Ethernetu vyjma nejnovějšího 10-gigabit Ethernetu používají stejnou komunikační metodu
CSMA/CD. Používají však i stejný formát a velikost paketu. Ethernetový paket je definován na 1. a 2. vrstvě OSI.
Základní částí paketu je hlavička linkové vrstvy, která je následována daty (včetně hlaviček vyšších vrstev). Hlavičky jsou
principielně 4 typů a jsou vzájemně nekompatibilní. Tyto typy jsou:
l
l
l
l
Ethernet_II
Ethernet_802.3
Ethernet_802.2
Ethernet_SNAP
Představme si ten nejjednodušší formát – Ethernet_II.
Formát rámce Ethernetu
Každý paket je uvozen preambulí, která slouží k synchronizaci vysílající stanice a přijímajících stanic. Následuje adresa
určení (MAC) a zdrojová adresa (MAC), číslo označující typ paketu, datová část a kontrolní součet.
Typ paketu obsahuje číslo větší než 0x05DC. Jako příklad může být použit např. číslo 0800 označují IP paket nebo 8137
označují Novell IPX paket. Ostatní čísla lze najít např. v RFC např. 1700.
Publikováno: 9. září 2003, Luboš Klaška
10GE aneb Ethernet po 30 letech (2) CSMA/CD je když...
Technologie Ethernetu je nezávisle na tom, zda jde klasický 10 Mb/s Ethernet nebo jeho rychlejší mutace Fast a Gigabit
Ethernet, založena na velice jednoduchém principu, nazývaném CSMA/CD. Je její velkou předností (hlavně ve smyslu
jednoduchosti implementace), na druhé straně ale způsobuje i základní omezení této technologie.
Technologie Ethernetu je nezávisle na tom, zda jde klasický 10 Mb/s Ethernet nebo jeho rychlejší mutace Fast a Gigabit
Ethernet, založena na velice jednoduchém principu, nazývaném CSMA/CD. Je její velkou předností (hlavně ve smyslu
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 3 of 21
jednoduchosti implementace), na druhé straně ale způsobuje i základní omezení této technologie. Princip CSMA/CD
poprvé porušil až návrh 10 Gigabit Ethernetu.
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) - stanice připravená vysílat data si "poslechne" zda přenosové médium (kabel)
nepoužívá jiná stanice. V případě, že ano, stanice zkouší přístup později až do té doby dokud není médium volné.
V okamžiku kdy se médium uvolní začne stanice vysílat svá data.
CD (Collision Detection) - stanice během vysílání sleduje zda je na médiu signál odpovídající vysílaným úrovním (tedy aby
se např. v okamžiku kdy vysílá signál 0 nevyskytl signál 1). Případ kdy dojde k interakci signálů více stanic se nazývá
kolize. V případě detekce kolize stanice generuje signál JAM a obě (všechny) stanice které v daném okamžiku vysílaly
generují náhodnou hodnotu času po níž se pokusí vysílání zopakovat.
l
l
l
fáze 1 - stanice vlevo si poslechla na drátu zda někdo vysílá, zjistila, že ne a začala sama posílat data; v okamžiku
kdy ještě signál nedorazil ke stanici vpravo si tato stanice ověřila stav média, zjistila, že je možnost zahájit vysílání
fáze 2 – obě stanice posílají data
fáze 3 – stanice vpravo zjistila kolizi a generuje signál JAM, všechny vysílající stanice zastavují vysílání a generují
náhodné číslo
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 4 of 21
Jiné zobrazení metody CSMA/CD ve formě vývojového diagramu:
Díky této jednoduchosti bylo dosaženo nízké ceny síťových adaptérů a aktivních prvků a tím i značného rozšíření
Ethernetu. Jednoduchost řešení ovšem přináší i jednu významnou nevýhodu – s narůstajícím počtem uzlů narůstá počet
kolizí a tím klesá teoretická propustnost sítě. Soubor uzlů jejichž vzájemná činnost může vygenerovat kolizi se nazývá
kolizní doména. Logicky lze odvodit, že kolizní doména by měla být co nejmenší. Používané aktivní prvky mají ke kolizní
doméně rozdílný vztah. Některé kolizní doménu rozšiřují, některé kolizní domény oddělují. Jejich volbou lze proto
propustnost sítě ovlivnit.
Z výše uvedených principů metody CSMA/CD vyplývají její nejdůležitější vlastnosti:
l
l
l
l
není deterministická, nezaručuje tedy přístup ke sdílenému médiu v konečném čase;
proto není příliš vhodná pro řízení a aplikace v reálném čase;
se zatížením klesá její efektivita;
topologie sítě musí být alespoň v logickém smyslu sběrnicová.
Ještě před příchodem 10 Gigabit Ethernetu byla metoda CSMA/CD vyloučena ve spojeních, pracujících na principu plného
duplexu (full-duplex). Zařízení pracující v tomto režimu jsou schopny současného vysílání i příjmu - na rozdíl od
standardního režimu Ethernetu (poloviční, half duplex), kdy zařízení buď vysílá nebo přijímá data. Režim současného
vysílání a příjmu nelze provozovat na koaxiálních kabelech - je nutný samostatný vysílací a přijímací kanál a proto jej lze
uplatnit pouze na spojích s UTP nebo optickými kabely.
Protože vysílání i příjem dat probíhá na samostatných kanálech, neuplatňuje se řídící metoda CSMA/CD a tento režim je
bezkolizní. Je tak možné plně efektivně využít dané přenosové pásmo. Mimo tuto výhodu je dalším přínosem
zdvojnásobení přenosové kapacity spoje - součet přenosových kapacit v obou směrech.
Příště se už podíváme na současné používané rychlé varianty Ethernetu.
Publikováno: 15. září 2003, Luboš Klaška
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 5 of 21
10GE aneb Ethernet po 30 letech (3) - Fast
Ethernet, první rychlejší varianta
V dnešním pokračování našeho malého historického ohlédnutí a zamyšlení si zopakujeme hlavní principy první rychlejší,
dnes nejpoužívanější varianty Ethernetu. Zjednodušeně řečeno, Fast Ethernet s rychlostí 100 Mb/s je v principu standardní
Ethernet, jen 10 x rychlejší, což podstatně rozšiřuje šířku pásma a zkracuje dobu odezev.
V dnešním pokračování našeho malého historického ohlédnutí a zamyšlení si zopakujeme hlavní principy první rychlejší,
dnes nejpoužívanější varianty Ethernetu. Fast Ethernet s rychlostí 100 Mb/s je v principu standardní Ethernet, jen 10 x
rychlejší, což podstatně rozšiřuje šířku pásma a zkracuje dobu odezev.
V současnosti je Fast Ethernet standardní technologií pro připojení síťových pracovních stanic a plně nahradil klasický
Ethernet 10Mb/s. V nabídce výrobců síťového hardware již také žádné čistě 10Mb/s karty, rozbočovače či přepínače
nenajdete. Stále se ale samozřejmě vyrábí většina portů jako duální (10/100 Mb/s), tzn. že umí pracovat s oběma
rychlostmi, s automatickým rozpoznáním a nastavením komunikační rychlosti po vzájemné domluvě obou protějších uzlů.
Že tato vlastnost, zvaná autonegotation, není až tak spolehlivá, může být často problematická a zdrojem záhadných potíží,
se můžete mj. dočíst v našem článku „Věříte funkci autonegotation?“ a v související diskuzi čtenářů.
Otázkou pak zůstává, kdy se naplní čas i Fast Ethernetu a bude odsunut „do důchodu“ za svým předchůdcem. Gigabit
Ethernet začíná s dodávkami nových počítačů již pomalu přicházet i na desktopy a to dříve než aplikace, které by byly
schopny plně využít jeho kapacitu. Ta skutečnost, že současné desktopy nezvládnou zpracovat přenosovou rychlost sítě
větší než několik desítek Mb/s je nepodstatná... Hlavně podnikové sítě tak postupně přejdou na Gigabit Ethernet, aby byly
připraveny na budoucí aplikace, později stejně tak malé sítě, prostě protože to bude běžným vybavením nových počítačů.
Souvisí to s nástupem 10 Gigabit Ethernet do páteřních sítí v zájmu dodržení základních pravidel návrhů LAN – zde
konkrétně potřebě (či nutnosti, aby taková konfigurace měla vůbec smysl) alespoň řádově vyšší kapacity nadřazeného
spoje či uplinku, agregujícího kapacitu více připojených uzlů (uplink z přepínače pracovní skupiny na páteř či k serveru).
Ale nyní si již tedy zopakujme základní fakta specifikace 802.3u Fast Ethernet Ta byla organizací IEEE přijata roce 1995.
Rychlost se tehdy zvýšila skokově - na „úžasných“ 100 Mb/s, což bylo zvýšení na desetinásobek! V té době byla jediná
možnost, jak zvýšit propustnost páteře nebo připojení serverů - použít technologii FDDI (Fiber Distributed Data Interface).
Vzhledem k její značně vysoké ceně si toto řešení mohl ale jen málokdo dovolit. Proto byl Fast Ethernet velmi rychle a
dobře přijat širokou uživatelskou veřejností. Zvýšením rychlosti na desetinásobek mělo ale za následek zmenšení
maximální vzdálenosti mezi uzly (velikosti kolizní domény) na desetinu. Vyplývá to z principu použité přístupové metody
Ethernetu, metody CSMA/CD. Ve standardu Fast Ethernet se zmenšila vzdálenost propojení opakovačů a přepínačů na
100 m v případě krouceného dvoupáru a 412 m v případě optických kabelů, koaxiální kabel byl vyloučen úplně. Překonání
větší vzdálenosti (až 2 km) pak umožnily přepínače s porty schopnými plně duplexního provozu, kde se délka
propojovacích optických kabelů zvětšila na 2000 m.
100Base-T umožňuje komunikaci rychlostí 100 Mb/s po kabeláži UTP kategorie 3, 4 a 5, STP Type 1 a optických kabelech,
což zajišťuje maximální. Standard 100Base-T zahrnuje tři specifikace:
l
l
l
100Base-TX
100Base-FX
100Base-T4
Obrázek znázorňuje srovnání mezi existujícími médii standardu 10Base-T a možnostmi 100Base-T.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 6 of 21
Existující standardy 10Base-T a možnosti 100Base-T
100Base-TX
l
l
používá jako přenosové médium kroucený dvoupár (stíněný nebo nestíněný s využitím dvou párů) s impedancí 100
ohm (min. Cat 5), nosná frekvence je 125 MHz a data jsou kódována metodou 4B5B;
délka kabelu mezi uzlem a aktivním prvkem může být max. 100 m.
100Base-FX
l
l
l
používá jako přenosové médium multimodový optický kabel;
délka kabelu mezi uzly může být v případě plně duplexního provozu max. 2 km; v příp. polovičního duplexu je
vzdálenost ovlivněna zapojením sítě;
existuje i modifikace používající singlemodový optický kabel s větším dosahem.
100Base-T4
l
l
l
l
používá jako přenosové médium kroucený dvoupár (stíněný nebo nestíněný) s impedancí 100 ohm, vychází vstříc
stávajícím instalacím se staršími, méně kvalitními kabely (Cat 3 a 4);
používá všechny 4 páry kabelu, signál se přenáší třemi páry s nosnou frekvencí 25 MHz s kódováním 8B6T a čtvrtý
je využit pro detekci kolizí;
délka kabelu mezi uzlem a aktivním prvkem může být max. 100 m;
technologie není příliš rozšířena.
Publikováno: 22. září 2003, Luboš Klaška
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 7 of 21
10GE aneb Ethernet po 30 letech (4)
- o jedné technické lahůdce Gigabit
Ethernetu
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě
gigabitového Ethernetu to byla Gigabit Ethernet Alliance (GEA). Specifikace přitom zachovává metodu CSMA/CD a jak
min. a max. velikost paketů, tak rozumnou délku segmentů. Jak je to možné?
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě
gigabitového Ethernetu to byla Gigabit Ethernet Alliance (GEA). Specifikace přitom zachovává metodu CSMA/CD a jak
min. a max. velikost paketů, tak rozumnou délku segmentů. Jak je to možné?
Gigabit Ethernet Alliance
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě
gigabitového Ethernetu sehrává podobnou roli konsorcium Gigabit Ethernet Alliance (GEA, www.gigabit-ethernet.org). Bylo
vytvořeno za účelem podpory vývoje produktů pro nový standard v květnu 1996. Zakládajících členů bylo 11 (3Com, Bay
Networks, Cisco Systems, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun Microsystems, UB Networks a
VLSI Technology). Celkem mělo sdružení více než 100 členů a hrálo významnou roli při vývoji nového standardu - při
pracích na technických řešeních a návrzích standardů.
Vlastní vývoj standardu byl ale v péči výboru 802.3 organizace IEEE (http://www.ieee.org), který odstartoval práce na
novém standardu již v listopadu 1995 vytvořením studijní skupiny, jejímž úkolem bylo posoudit možnosti škálovatelnosti
Fast Ethernetu, nejraděj až ke gigabitové rychlosti. Protože první studie vypadaly nadějně, mohly být v červenci 1996
zahájeny práce v nově vytvořeném podvýboru 802.3z Gigabit Ethernet Task Force.
Carrier Extension – jedna technická lahůdka
Jak jsme se již dříve uvedli, gigabitový Ethernet používá stejnou přístupovou metodu k médiu jako standardní a Fast
Ethernet, tedy metodu CSMA/CD. Také je obecně známo, že tato metoda omezuje velikost kolizní domény. Vyplývá to z
nutnosti detekce kolizí všemi zúčastněnými stanicemi a délka segmentů je tedy určena fyzikálními zákonitostmi - rychlostí
šíření světla v daném segmentu a velikostí rámce (tedy dobou vysílání).
Minimální velikost rámce Ethernetu je 64 bajtů. Ta je právě dána standardem 802.3 pro zajištění toho, aby stanice
neskončila svoje vysílání dříve, než první bit rámce dosáhne vzdáleného konce kabelu, kde může nastat kolize s jiným
rámcem, a případný interferenční signál kolize se nevrátí zpět k vysílající (a zároveň poslouchající) stanici.
Tato minimální velikost rámce se nazývá slot size (a pro Ethernet je uvedených 64 bajtů), odvozenou hodnotou je tzv. slot
time, minimální čas, po který stanice musí vysílat.
Max. vzdálenost mezi dvěma uzly standardního Ethernetu je v případě žlutého koax. kabelu 2,5 km (při max. počtu čtyř
opakovačů). Zvýšení přenosové rychlosti musí být vykoupeno:
l
l
l
buď zachováním slot time (tj. zachováním min. velikosti rámce) a zmenšením segmentu;
nebo zvětšením slot time (tj. zvětšením min. velikosti rámce) při nezměněné velikosti segmentu;
kombinací obou způsobů.
Standard Fast Ethernet vyřešil tento problém prvním z uvedených způsobů, tj. redukcí délky segmentů. Max. velikost
kolizní domény se zmenšila v případě UTP kabelů na 200 m, resp. 210 m.
V případě gigabitového Ethernetu se tvůrci specifikace nutně dostali ke stejnému rozhodování. Gigabitový Ethernet je opět
10 krát rychlejší (než Fast Ethernet). Při zachování stejné slot size (min. velikosti rámce) by došlo k redukci segmentů na
pouhých 10 m. A to jistě uznáte, není příliš smysluplné řešení.
Autoři specifikace přitom zachovali jak min. a max. velikost paketů standardního Ethernetu, tak rozumnou délku segmentů.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 8 of 21
V čem je ta finta?
Gigabitový Ethernet používá sice stejný minimální rámec o velikosti 64 bajtů, ale zvětšenou hodnotu slot size na 512 bajtů.
Že by tyto dvě hodnoty měly být stejné, jak jsme si uvedli o pár odstavců výše? Nemusí, uvědomíme-li si, že slot time je
doba vysílání paketů minimální délky, potřebná k zajištění detekce kolizí všemi zúčastněnými uzly. Potřebujeme-li zachovat
zpětnou kompatibilitu, tedy stejnou velikost min. rámce, musíme tento rámec vysílat delší dobu. Jak? Jednoduchým
doplněním o neplatná data na požadovanou velikost.
V praxi uvedené řešení funguje tedy tak, že je-li rámec menší než 512 bajtů, je doplněn na velikost 512 bajtů neplatnými
speciálními symboly, tzv. Carrier Extension. Každý vysílaný rámec tak má min. velikost 512 bajtů a je splněna podmínka
dostatečného slot time, doby pro vysílání a detekci kolizí i těch nejmenších paketů.
Upravený rámec s rozšířením Carrier Extension je znázorněn na obrázku. Kontrolní součet FCS (Frame Check Sequence)
je ale počítán pouze z původního rámce, bez doplňujících symbolů. Ty jsou odstraněny ještě před tím, než je FCS
kontrolováno na straně příjemce. Vrstva LLC (Logical Link Control) tak o této "fintě", tedy rozšíření příliš krátkých rámců
vůbec neví a může zacházet s rámcem standardním způsobem.
Rámec Ethernetu s rozšířením Carrier Extension.
Publikováno: 24. září 2003, Luboš Klaška
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 9 of 21
10GE aneb Ethernet po 30 letech (5) Gigabit Ethernet, nebo-li rychleji, stále
rychleji
Byly přijaty celkem čtyři specifikace pro fyzická média, definovány ve dvou standardech - 802.3z (1000Base-X) pro optické
kabely a 802.3ab (1000Base-T) pro metalickou kabeláž. Standardy pro optické kabely byly přijaty docela rychle, nad
použitím metalické kabeláže se návrháři zapotili nepoměrně více.
Fyzická vrstva gigabitového Ethernetu používá kombinaci osvědčených standardů původního Ethernetu a specifikace ANSI
X3T11 Fibre Channel. Byly přijaty celkem čtyři specifikace pro fyzická média, definovány ve dvou standardech - 802.3z
(1000Base-X) pro optické kabely a 802.3ab (1000Base-T) pro metalickou kabeláž. Standardy pro optické kabely byly přijaty
poměrně rychle, nad použitím metalické kabeláže se návrháři zapotili nepoměrně více.
Specifikace 1000Base-SX je určena pro levná mnohavidová vlákna pro kratší horizontální vedení nebo páteřní aplikace.
Pro překlenutí větších vzdáleností jednovidovými vlákny je pak určena specifikace 1000Base-LX.
Na metalickou kabeláž jsou zaměřeny dvě specifikace. První z nich, 1000Base-CX je určena pro krátká propojení (do 25
m) stíněným kabelem typu twinax, např. propojení serverů a přepínačů v serverových farmách. Druhá specifikace pro
metalickou kabeláž, 1000Base-T, byla vyvíjena samostatnou skupinou 802.3ab pro UTP kabeláž kategorie 5 standardních
horizontálních rozvodů budov (100 m).
1000Base-X
Standard 1000 Base-X je založen na fyzické vrstvě specifikace Fibre Channel. Technologie Fibre Channel je již v praxi
dostatečně ověřenou technologií, proto její využití značně urychlilo práce na vývoji nového standardu.
Fibre Channel má pětivrstvou architekturu. Návrháři gigabitového Ethernetu použili dvě nejnižší vrstvy této architektury pro
specifikaci fyzické vrstvy 1000Base-X, a to vrstvu FC-0 (Interface and media) a vrstvu FC-1 (Encode/Decode).
Současná technologie Fibre Channel pracuje s rychlostí 1,063 Gb/s. Aby se dosáhlo přenosové rychlosti dat 1Gb/s, musel
být tato pracovní rychlost zvýšena na 1, 250 Gb/s. Pro serializaci vysílaných dat bylo použito kódovací schema 8B/10B, pro
optické kabely již ověřené komponenty - zdroje 850 nm pro vícevidová vlákna a 1300 nm pro jednovidová vlákna.
Ve specifikaci 1000Base-X jsou tak specifikovány tři přenosová média:
l
l
l
1000Base-SX 850 nm laser pro mnohavidová vlákna;
1000Base-LX 1300 nm laser pro jednovidová a mnohavidová vlákna;
1000Base-CX pro stíněné kabely "twinax" STP (Shielded Twisted Pair), 150 ohmů.
V tabulce jsou pak uvedeny max. délky segmentů, které je možné dosáhnout při použití těchto kabelů.
Specifické problémy přináší použití optických kabelů pro vysokorychlostní přenosy. Problematika DMD (Differential Mode
Delay) způsobila také zdržení při schvalování standardů 1000Base-X.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 10 of 21
Disperze signálu v dlouhém mnohavidovém vlákně způsobuje zkreslení signálu a ztrátu paketů.
Typ kabelu
Vzdálenost
Vlnová délka zdroje
jednovidové vlákno (9 mikronů)
5000 m
1300 nm (LX)
mnohavidové vlákno (50 mikronů)
525 m
550 m
850 nm (SX)
1300 nm (LX)
mnohavidové vlákno (62,5 mikronů)
275 m
500 m
850 nm (SX)
1300 nm (LX)
STP kabely
25 m
Maximální délky segmentů standardu 1000Base-X
1000Base-T
1000Base-T je standard pro gigabitový Ethernet po metalickém vedení typu UTP (100 ohmů). Cílem bylo dosáhnout délky
segmentu 100 m pro čtyřpárový kabel kategorie 5, vyhovující standardu ANSI/EIA-568-A, nebo jeho ekvivalentu ISO/IEC
11801:1995 a splňujícího požadavky části ANNEX A předchozí specifikace. Přijetí standardu 1000Base-T ukončillo proces
schvalování gigabitového Ethernetu v červnu 1999 .
Potíže působila nutnost vývoje nové technologie a signálních schémat pro kódování, současně přitom zachování
kompatibility s předchozími standardy. Gigabitový Ethernet sice teoreticky může pracovat na stometrovém segmentu
kabelu UTP kategorie 5 - pokud je ale dráha signálu homogenní. Jakmile vložíme do cesty jakoukoliv nehomogenitu konektory, patch cordy - dochází k odrazům signálu. V případě 10 Mb/s Ethernetu nebyl tento problém vůbec bolestivý,
objevil se sice u 100 Mb/s Fast Ethernetu s přísnějšími požadavky na provedení kabeláže, u 1000 Mb/s Gigabit Ethernetu
již pak způsobuje tyto vážné potíže.
Rozhraní GMII
Pro možnost připojení libovolné fyzické vrstvy k univerzální MAC vrstvě, používané všemi verzemi Ethernetu, přišli autoři
specifikace gigabitového Ethernetu s novým univerzálním rozhraním, GMII (Gigabit Media Independent Interface). Je to
vlastně rozšíření rozhraní MII (Media Independent Interface), používaném ve standardu Fast Ehernet. Rozhraní GMII
používá i stejné řídící a správní informace jako MII a podporuje všechny používané rychlosti Ethernetu - 10, 100 a 1000
Mb/s jak při polovičním, tak při plném duplexu.
Příště se už podíváme na návrh zatím nejrychlejší varianty Ethernetu, s donedávna nepředstavitelnou „astronomickou“
přenosovou rychlosti 10 Gb/s.
Publikováno: 25. září 2003, Luboš Klaška
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 11 of 21
10GE aneb Ethernet po 30 letech (6) základní charakteristika a vývoj standardu
10GE
Architektura Ethernetu se za uplynulých 30 let vyvinula ze sítí s rychlostí 10 Mb/s se sdíleným přístupem k médiu, tvořeným
koaxiálním kabelem, postupně na přepínané sítě s dedikovaným připojením každého uzlu na kroucené dvoulince nebo s
plně duplexními optickými spoji v případě Fast a Gigabit Ethernetu.
Poslední varianta technologie Ethernetu, 10 Gigabit Ethernet (10GE) dle standardu IEEE 802.3ae zajišťuje opět
kompatibilitu s předchozími verzemi, ale navíc i kompatibilitu s technologiemi TDM a DWDM v optických sítích. Vznikla tak
technologie, umožňující vytvářet jednotné prostředí na celé přenosové trase v lokálních i rozlehlých sítích. Ale k tomu se
dostaneme později.
10 Gigabit Ethernet - end-to-end technologie
Ve smyslu klasického vrstvového OSI modelu, Ethernet je protokol 2. vrstvy a pokrývá tedy spodní dvě vrstvy - fyzickou a
linkovou. 10GE zůstává Ethernetem, používá IEEE 802.3 Ethernet MAC protokol a stejné rámce jako 10, 100, a 1000 Mb/s
Ethernet. Ačkoliv standard IEEE 802.3 pro Gigabit Ethernet podporuje poloviční i plně duplexní přenos, na trhu se uplatnily
v přepínaných sítích pouze plně duplexní produkty. Z tohoto důvodu pracovní skupina IEEE 802.3ae Task Force rozhodla,
že 10GE bude pouze plně duplexní. Díky tomu zde neexistuje omezení vzdálenosti mezi uzly, vyplývající z principu
přenosové metody, tato vzdálenost je omezena pouze fyzikálními vlastnostmi přenosového média a optických přenosových
prvků. Jinými slovy, protože při plně duplexním spojení nedochází ke kolizi paketů, je dosah spoje omezen pouze optickou
přenosovou soustavou a ne velikostí kolizní domény.
Gigabit Ethernet byl dokončen a formálně schválen v červnu 1998. Ani ne rok poté, v březnu 1999 se utvořila pracovní
skupina Higher Speed Study Group (HSSG) se záměrem prozkoumání technických možností vytvoření desetkrát rychlejší
varianty. Asi nejdůležitějším podnětem, které pak vedlo na základě doporučení této skupiny organizaci IEEE k vytvoření
pracovní skupiny 802.3ae task force v lednu 2000, byla snaha zamezit vzniku proprietárních a tedy pravděpodobně
nespolupracujících řešení. Práce začaly velice rychle, už v září 2000 spatřila světlo světa první verze návrhu standardu,
druhá pak v prosinci 2000. Největší debaty se vedly, ostatně jako při vzniku všech předchozích verzí o tom
nejpodstatnějším v technologii Ethernetu, o rozhraní fyzické vrstvy PHY (physical layer) a vrstvy PMD (physical media
dependent), ke kterým se ostatně záhy dostaneme. Standard 802.3ae byl formálně ratifikován v červnu 2002 a je dostupný
na adrese http://grouper.ieee.org/groups/802/3/ae/index.html.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 12 of 21
Vývoj standardu 10 Gigabit Ethernet
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě
gigabitového Ethernetu konsorcium Gigabit Ethernet Alliance, v případě 10 gigabitového Ethernetu to byla 10GE Alliance
(10GEA - www.10gea.org). Zakládajícími členy byly společnosti Nortel Networks, ExtremeNetworks, Sun Microsystems,
Intel, 3Com, World Wide Packets, a CiscoSystems.
Příště se podíváme na již zmíněné vrstvy PHY a PMD.
Publikováno: 31. října 2003, Luboš Klaška
10GE aneb Ethernet po 30 letech (7) fyzická a linková vrstva 10GE
Fyzická vrstva Ethernetu (PHY) připojuje přenosové médium k linkové (MAC) vrstvě a definuje elektrické a optické signály,
stav linky, časování, kódování dat a obvody potřebné pro jejich příjem a vysílání. Tyto funkce zajišťuje v rámci fyzické
vrstvy několik podvrstev, z nichž jsou nejdůležitější vrstva PCS a PMD.
V minulém díle jsme si řekli, že ve smyslu klasického vrstvového OSI modelu je Ethernet protokol 2. vrstvy a pokrývá tedy
dvě spodní vrstvy – linkovou a fyzickou. Druhá, linková vrstva (Data Link Layer, často označovaná jako MAC podle své
nejvýznamnější složky) zajišťuje přístup ke sdílenému médiu a adresaci na fyzickém spojení, formát rámce a pravidla pro
jeho odvysílání. A protože 10GE používá IEEE 802.3 Ethernet MAC protokol a stejné rámce jako 10, 100, a 1000 Mb/s
Ethernet, zůstává Ethernetem.
Fyzická a linková vrstva 10GE
Fyzická vrstva Ethernetu (PHY) nebo-li první vrstva OSI modelu připojuje přenosové médium k linkové (MAC) vrstvě a
definuje elektrické a optické signály, stav linky, časování, kódování dat a obvody potřebné pro jejich příjem a vysílání. Tyto
funkce zajišťuje v rámci fyzické vrstvy několik podvrstev, z nichž jsou nejdůležitější vrstva PCS (physical coding sublayer),
mající na starosti kódování bitů a vrstva PMD (physical media dependent sublayer), do které spadá definice optického
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 13 of 21
přenosu signálu.
Fyzická vrstva LAN versus WAN
Standard IEEE 802.3ae pro 10 GE definoval 2 typy fyzické vrstvy, LAN PHY a WAN PHY. První představuje klasické
jednoduché řešení, známé z předchozích pomalejších verzí - Ethernet přenášený po optickém vlákně. Tato varianta je
určena pro lokální sítě a do budoucna by měla ovládnout i sítě rozlehlé. Druhý typ fyzické vrstvy, WAN PHY, slouží jako
volitelné rozhraní ke stávající přenosové infrastruktuře SONET, používané v rozlehlých sítích. Cílem bylo definovat takovou
fyzickou vrstvu, která pracuje se stejnou přenosovou rychlostí jako instalovaná řada SONET/SDH systémů, které ve verzi
OC-192c/SDH VC-4-64c (respektive STM-64) používají také přenosovou rychlost 10 Gb/s (9,58 Gb/s). Takto definované
rozhraní umožňuje připojit 10 GE přepínače a směrovače k přenosovým zařízením SONET a využít je jako přenosové
médium na 1. vrstvě. Rozhraní WAN PHY tedy umí z rámců Ethernetu vytvářet zjednodušené rámce pro SONET a naopak,
ale není to vlastní SONET rozhraní, protože zde nejsou z důvodu zachování přijatelné ceny implementovány pokročilé
funkce jako např. přesná synchronizace času atd. WAN PHY pracuje jako každé jiné asynchronní rozhraní, z toho vyplývá
potřeba rozhraní WAN PHY na přepínačích a směrovačích se (store and forward) buffery na obou stranách 10 GE spoje.
SONET/SDH systém je tedy opravdu využíván jen jako přenosové médium, neboli jakési virtuální optické vlákno.
Obě dvě vrstvy LAN PHY a WAN PHY podporují stejné podvrstvy PMD a proto umožňují použití stejných optických
transceiverů a propojení na stejnou vzdálenost. Odlišují se navzájem jen kódovací podvrstvou PCS. Obě vrstvy mohou
používat úsporný kód 64B/66B, kdy režie představuje jen dva bity na každou osmici přenášených bajtů, u WAN PHY je pro
proud bitů v pomocné podvrstvě WIS (WAN interface sublayer) převeden na tzv. WIS rámce, které jsou ekvivalentem
rámců standardu STS-192c.
Publikováno: 3. listopadu 2003, Lubo š Klaška
10GE aneb Ethernet po 30 letech (8) optické transceivery (PMD) a podporovaná
média
Skupina 802.3ae Task Force definovala u standardu pro desetigigabitový Ethernet čtyři typy optických transceiverů pro
různé vlnové délky. V případě 10GE jsou frekvence pro zdroje optického signálu založené na LED diodách příliš vysoké a
proto se nejen u jednovidových, ale i u vícevidových vláken uplatňuje jako jediný zdroj světla laser.
Skupina 802.3ae Task Force definovala u standardu pro desetigigabitový Ethernet 4 typy optických transceiverů pro různé
vlnové délky:
l
l
l
l
1310 nm PMD pro jednovidová optická vlákna s dosahem 10 km
1550 nm PMD pro jednovidová optická vlákna s dosahem 40 km
850 nm PMD pro vícevidová vlákna 500 MHz*km 50/125 mikronů s dosahem 65 m
1310 nm CWDM PMD pro vícevidová vlákna 160 MHz*km 62.5/125 mikronů s dosahem 300 m
Pro přenos signálu jsou tedy k dispozici obvyklé typy optických vláken - vícevidová (multimode) a jednovidová
(singlemode) - a obvyklé vlnové délky (850 nm, 1310 nm a 1550 nm). Dochází ale ke změně používaných zdrojů
optického signálu. Až do technologie Gigabit Ethernetu se používaly u vícevidových vláken LED diody a u jednovidových
vláken polovodičové lasery. V případě desetigigabitového Ethernetu jsou frekvence pro LED diody příliš vysoké a proto se i
u vícevidových vláken uplatňuje jako jediný zdroj světla laser.
Nyní se pojďme podívat na jednotlivé specifikace a jejich účel. PMD pro jednovidová vlákna s vlnovou délkou 1550 nm je
určena pro stávající používaná vlákna a možnost instalace 10GE v metropolitních sítích i v privátních korporátních sítích
s nutností překlenutí větších vzdáleností. Tato specifikace tak umožňuje providerům budovat jednoduché Ethernetové sítě
s přepínáním za přijatelnou cenu bez nutnosti využití technologií SONET či ATM.
PMD pro vlnovou délku 1310 nm a jednovidová vlákna je určena pro připojení sítí 10GE ke stávající infrastruktuře SONET.
Varianta 1310 nm CWDM PMD je založena na technologii wavelength division multiplexing a je určena pro již používaná
vícevidová vlákna 160 MHz*km 62.5/125 mikronů s dosahem 300 m. Toto rozhraní též umožňuje dosah 10 km s
jednovidovými vlákny.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 14 of 21
Poslední PMD pro vícevidová vlákna s parametry 500 MHz*km 50/125 mikronů je navržena se záměrem umožnit levné
propojení např. datových center, dosažitelná vzdálenost činí jen 65 m.
Následující tabulka shrnuje typy optických transceiverů optických vláken a dosažitelných vzdáleností.
PMD
podporovaná
vlákna
průměr
[mikrometr]
modální šířka
vlákna
[MHz*km]
min. rozsah
délek
[m]
850 nm Serial 10GBASE-S
vícevidová
50,0
500
65
1310 nm CWDM 10GBASE-LX4
vícevidová
62,5
160
300
1310 nm CWDM 10GBASE-LX4
jednovidová
9,0
-
10 000
1310 nm Serial 10GBASE-L
jednovidová
9,0
-
10 000
1550 nm Serial 10GBASE-E
jednovidová
9,0
-
40 000
Pozn:
MHz*km ... jednotka pro měření přenosové kapacity vlákna. Hodnota ukazuje omezení kapacity vlákna, čímž je
určena max. vzdálenost v závislosti na přenosové rychlosti.
CWDM: Coarse wavelength division multiplexing
Kombinací 4 typů PMD a dvou verzí fyzické vrstvy existuje 8 variant 10GE. Protože ale trh neprojevil dostatečný zájem o
variantu WAN PHY LX4 CWDM, najdete jen 7 typů. Pro desetigigabitový Ethernet se používá obvyklé označení 10GBASE*, kde * identifikuje konkrétní variantu. Skládá se ze dvou až tří písmen, kde:
1.
2.
3.
písmeno = vlnová délka (S=short=850 nm, L=long=1,310 nm, E=extra long=1,550 nm)
písmeno = LAN nebo WAN PHY (W = WAN PHY; R = LAN PHY; X = kódování 8B/10B, je vždy LAN PHY)
písmeno - počet vlnových délek (1 = jedna, sériový přenos, vynechává se; 4 = čtyři, CWDM)
Publikováno: 20. listopadu 2003, Lubo š Klaška
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 15 of 21
10GE aneb Ethernet po 30 letech (9) paralelní MAC a rozhraní XAUI
MAC vrstva 10/100 a Gigabit Ethernetu pracuje sériově při vysílání i příjmu dat, včetně řídících znaků na začátku i konci
rámce a časování a synchronizace. U 10GE je situace mnohem složitější. Aby byla dosažena požadovaná rychlost 10
Gb/s, IEEE změnila způsob práce MAC vrstvy na paralelní.
MAC vrstva 10/100 a Gigabit Ethernetu pracuje sériově při vysílání i příjmu dat, včetně řídících znaků na začátku i konci
rámce a časování a synchronizace. U 10GE je situace mnohem složitější. Aby byla dosažena požadovaná rychlost 10
Gb/s, IEEE změnila způsob práce MAC vrstvy na paralelní. Proud dat je postupně po jednotlivých bajtech rozdělen do čtyř
kanálů (Lane 0 – 3).
Ethernetové rámce mají jasně definovány začátek a konec pomocí speciálních znaků (tzv. delimiters) a 12 bajtovou
mezerou interpacket gap (IPG), určující minimální velikost mezery (tzv. idle time) mezi pakety. Jak ale ošetřit značení a
odstup paketů při paralelním přenosu u 10 GE? Při rozdělení sériového proudu dat do čtyř kanálů nelze předpovědět, na
který připadne poslední bajt rámce a tak je obtížné určit první bit dalšího rámce – nezbytný to předpoklad pro zajištění
synchronizace a časování. Standard 802.3ae přišel s řešením: první řídící znak nebo úplně první bajt nového datového
rámce musí být vždy přiřazen prvnímu kanálu.
Toto elegantní a jednoduché řešení ale na druhé straně komplikuje v MAC vrstvě zpracování IPG, s přímým vlivem na
výkonnost. IEEE vyřešila i tento problém a definovala celkem tři možnosti řešení, jak lze buď doplněním, zkrácením nebo
„zprůměrováním“ (kombinace prvních dvou metod) IPG zajistit přiřazení prvního bajtu nového rámce prvnímu kanálu. Popis
těchto metod již ale vybočuje ze zaměření a rozsahu tohoto seriálu.
Rozhraní XAUI
Mezi mnoho technických inovaci 10 Gigabit Ethernetu patří také rozhraní XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface). Jde
o rozhraní fyzické vrstvy (MAC-PHY), sloužící jako rozšíření či alternativa k nativnímu rozhraní 10 Gigabit Media
Independent Interface (XGMII), trpícímu značným fyzickým omezením.
V čem spočívá ono omezení? XGMII je nativní, plně duplexní 32 bitové datové rozhraní (4x8 bitů plus časové a řídící
signály, celkem 74pinů) mezi linkovou a fyzickou vrstvou 10GE s příliš krátkým dosahem, doporučuje se jen max. 7
centimetrů. Ve velkých a výkonných páteřních přepínačích s velkými interfejsovými moduly to představuje citelné omezení
pro propojení jednotlivých čipových sad, karet či optických modulů.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 16 of 21
XAUI má sloužit především jako prodloužení tohoto propojení logické (linkové) částí desetigigabitového Ethernet (končícím
rozhraním XGMII) a tvořené jednou sadou čipů, a druhou sadou čipů pro fyzickou vrstvu.
Rozhraní XAUI používá čtyři nezávislé sériové kanály pro oba směry a po každém z nich jsou přenášena data s kódováním
8B/10B a rychlostí 3,125 Gb/s (aby byla výsledná rychlost přenosu vlastních dat právě 10 Gb/s) Nejsou problémy
s časovou synchronizací dat jako u XGMII, které musí mít pro časový signál samostatný vodič. Díky tomu stačí 16 pinů
(čtyři páry v každém směru) a dosah se prodlouží o 50 centimetrů.
Vlastní konverze se děje v jednotce nazvané XGXS (XAUI Extrender Sublayer). Po XAUI se signál dovede k čipům či kartě
realizujícím fyzickou vrstvu. Zde je proud dat rekonstruován zpět na původní 32 bitový XGMII formát.
Pro přijetí a rozšíření rozhraní XAUI byly důležité testy vzájemné spolupráce produktů jednotlivých výrobců, které ukázalo
jeho robustnost a dobrou funkci, dosažená bitová chybovost byla pod 10-12. Více informací o testech interoperability lze
nalézt na http://www.iol.unh.edu/consortiums/10gec.
Publikováno: 2. prosince 2003, Lubo š Klaška
10GE aneb Ethernet po 30 letech (10) 10GE po metalice
Ideu přenosu desetigigabitového Ethernetu po měděných kabelech a umožnění tak podstatného snížení nákladů pro
aplikace na krátké vzdálenosti se snaží realizovat dvě pracovní skupiny v organizaci IEEE. Některé odhady říkají,
že 10GE po mědi bude stát jen polovinu ceny své optické alternativy.
Ideu přenosu desetigigabitového Ethernetu po měděných kabelech a umožnění tak podstatného snížení nákladů pro
aplikace na krátké vzdálenosti se snaží realizovat dvě pracovní skupiny v organizaci IEEE. Vhodnými aplikacemi by měly
být podle navrhovatelů stohování a propojování přepínačů nebo serverů do clusterů v datových a výpočetních centrech, a
potenciálně připojení výkonných desktopů.
10GBase-CX4
První z obou skupin pracuje na specifikaci 10GBase-CX4, nebo-li IEEE 802.3ak, ta je určena k přenosu 10 Gigabit
Ethernetu po čtyřech párech twinaxiálního měděného kabelu. Dosažená vzdálenost by měla být omezena na 15 metrů
nebo ještě méně, použití by tedy bylo opravdu jen v rámci výpočetních středisek, např. k propojení serverů.
10GBase-CX4 může pomoci snížit náklady na propojení - twinaxiální kabel je sice dražší než optické vlákno, ale pro
spojení na krátkou vzdálenost souhrnná cena mědi bude nižší. Standard by mohl být připraven do konce roku 2004 a první
produkty v roce 2005.
10GBase-T
Pracovní skupina 10GBase-T získala označení IEEE 802.3an. Tato specifikace je určena pro přenos 10 Gigabit Ethernetu
po kroucené dvoulince běžně používané Cat 5 a měla by být nástupce 1000Base-T.
Skupina 10GBase-T zvažovala dva různé přístupy - jeden protěžoval rychlost vůči vzdálenosti a druhý naopak protěžoval
vzdálenost vůči rychlosti, u obou pak záleželo na kvalitě použité kabeláže.
l
l
Preference vzdálenosti vůči rychlosti - tradičních 100 metrů zůstává zachováno, ale skutečnou rychlost 10 Gb/s
bude možné dosáhnout jen na kabeláži Cat 7. S kabeláží Cat 5E dosáhnete jen okolo 2.5 Gb/s, s kabeláží Cat 6
dosáhnete rychlosti 5 Gb/s.
Preference rychlosti vůči vzdálenosti - skutečnou rychlost 10 Gb/s dosáhnete na všech třech typech kabeláže - ale
bude se měnit dosažitelná vzdálenost. S kabeláží Cat 5E dosáhnete 40 až 50 m, s kabeláží Cat 6 to bude 50 až 70
m, plných 100 m to bude opět jen na kabeláži Cat 7.
Podle posledních informací to vypadá, že se v IEEE rozhodli pro druhý z uvedených přístupů. Tzn., že 10 Gb/s dosáhnete
na všech třech typech kabeláže - ale bude se měnit dosažitelná vzdálenost. U kabeláže kategorií 5E a 6 nedostačuje max.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 17 of 21
přenosová frekvence (je potřeba 625 MHz) a úroveň přeslechů. Dokončení standardu 10GBase-T nelze očekávat dříve než
v roce 2005. Případný přechod od 10GBase-CX4 (u kterého očekává dřívější přijetí i produkty) ke standardu 10GBase-T by
neměl činit problémy, protože oba pravděpodobně budou používat rozhraní XAUI. Mezi výrobce čipů, přepínačů a kabelů,
kteří přislíbily podporu pro nejméně jeden z uvedených standardů, patří 3Com, Avaya, Broadcom, Cisco, Extreme
Networks, Force10 Networks, Foundry Networks, HP, Intel, Marvell a Solarflare.
Měď je levnější
Některé odhady říkají, že 10GE po mědi bude stát jen polovinu ceny své optické alternativy. Zpočátku bude cena produktů
pro 10GE po mědi osm nebo devět krát vyšší jak u Gigabit Ethernetu, ale po několika letech by měla klesnout na dvou až
trojnásobek Gigabit Ethernetu – tzn. 400 až 600 dolarů/port.
10 Gigabit Ethernet Alliance ukončila svoji činnost
Poté, co byly naplněny cíle sdružení, bylo 28. srpna tohoto roku oficiálně rozpuštěno. Aliance byla vlastně následníkem
obdobného sdružení Gigabit Ethernet Aliance, která plnila obdobné funkce u gigabitového Ethernetu. Také stará webová
stránka http://www.gigabit-ethernet.org byla přesměrována na http://www.10gea.org. Tato stránka bude ale podle
oznámení také zrušena do konce roku, takže případní zájemci o kvalitní technické dokumenty a informace „přímo od
zdroje“ by neměli váhat s její návštěvou.
A co dál?
Ačkoliv standard 10GE ještě není plně dokončen, ve vývojových laboratořích se samozřejmě již hledí dále kupředu. Pro
podnikové sítě nejsou rychlosti přes 10 Gb/s zatím pravděpodobně zajímavé, pro přenosové sítě poskytovatelů služeb ale
zajisté jsou a mohly by mít velký vliv právě na možnosti a druh poskytovaných služeb.
"Padesát procent členů 802.3ae si myslí, že dalším krokem by měla být rychlost 40 Gb/s," říká Johnathan Thatcher,
předseda pracovní skupiny IEEE 802.3ae a CTO společnosti Worldwide Packets." Ale my jsme vždy zrychlili 10 krát."
Inženýři neradi objevují již vynalezené. Tak jako fyzická vrstva (PHY) Gigabitu Ethernetu byla založena na technologii Fibre
Channel a některé 10G PHY mají blízko k OC-192, 40GE by mohl být pravděpodobně příští krok, tak jako rychlost 40 Gb/s
je blízká k již existující technologii OC-768 SONET.
Jiní by šli ale ještě dále. Jsou nakloněni buď variantě 100 Gb/s nebo 160 Gb/s, protože čtyřicet gigabitů za sekundu je příliš
malé navýšení na to, aby upoutalo dostatečný zájem uživatelů. Příčinou zůstávání u SONET technologie (160 Gb/s je
rychlost OC-3072) je její spolehlivost a fakt, že zde bude pravděpodobně existovat ještě několik roků.
My, běžní uživatelé, si můžeme o těchto astronomických rychlostech budoucího Ethernetu zatím nechat jen zdát a
maximálně se s kolegy opět sázet „...kolik to bude příště?“
Publikováno: 21. prosince 2003, Lubo š Klaška
Za Ethernetové rámce větší a chytřejší
Maximální velikost Ethernetových rámců, 1 518 bajtů, je jedním ze základních rysů této technologie, který je neměnný již
30 let. Např. pokus o standardizaci Jumbo rámců se právě kvůli tomuto faktu nepovedl, navzdory jejich potenciálním
technickým výhodám. Snahy o zvětšení velikosti Ethernetových rámců ale nepolevují. K jakým výsledkům se novátoři
dopracovali?
Maximální velikost Ethernetových rámců, 1 518 bajtů, je jedním ze základních rysů této technologie, který je neměnný již
30 let. Např. pokus o standardizaci Jumbo rámců se právě kvůli tomuto faktu nepovedl, navzdory jejich potenciálním
technickým výhodám. Snahy o zvětšení velikosti Ethernetových rámců ale nepolevují. Aktuální je v tomto směru činnost
standardizační organizace IEEE. Na ad hoc setkání skupiny IEEE 802.1 v září minulého roku byl vznesen požadavek na
vytvoření nové studijní skupiny, která by měla hledat odpovědi na možnosti rozšiřování velikosti Ethernetových rámců.
Co je hnací silou nového úsilí? Tentokrát to není snaha přenést v jednom rámci více užitečného zatížení – uživatelských
dat tak jako v případě Jumbo rámců. Práce skupiny IEEE 802.1 požaduje, aby v rámcích bylo zahrnuto více informací -
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 18 of 21
rozšíření maximální velikosti 802.3 rámce a změna jeho formátu tak, aby vyhověl existujícímu IEEE 802.3 QTag Prefixům,
a dalším aplikacím, vyžadujícím přídavné informace jako IEEE 802.1ad Provider Bridges a IEEE 802.1AE MACSec.
V současné době by podpora standardů 802.1 vyžadovala dodatečných 64 až 128 oktetů , ale další rozvoj těchto
standardů by mohl vyžadovat ještě pár oktetů navíc. Skupina 802.1 žádala zahájení projektu pro definici větší maximální
velikosti rámce 802.3 v rozsahu 1650 až 2048 oktetů a jaké by mohlo být největší zvýšení maximálních rozměrů rámce s
minimálním dopadem na již existující sítě a standardy.
Pojďme se dívat na problémy, které by taková změna vyvolala. Otázkou číslo jedna, kterou bylo nutné hned zkraje
zodpovědět, bylo "Je to opravdu nezbytné?". Změna maximální velikosti rámce může mít nezamýšlené důsledky pro
mnoho dalších technologií. To je důvod, proč hned druhým nastoleným požadavkem byla zpějtná kompatibilita. Za třetí,
jestliže by pak došlo k prodlužení rámců, nebylo by vhodné omezit použití větších rámců jen na ty spoje které jejich výhod
opravdu využijí? Bylo nutné zvážit také dopad změny na kvalitu služeb, efektivity, a zvláště rozptyl zpoždění (jitter).
V prosinci 2004 získala studijní skupina status IEEE task force s označením 802.3as. Ukončilo se tak období debat, zda-li
vůbec formát rámců měnit, a byl stanoven jasný cíl – vytvořit nový standard. O změně velikosti a formátu ale stále ještě
nebylo rozhodnuto.
K významnému pokroku došlo na zasedání 802.3as task force v březnu. Maximální velikost obálky rámce byla stanovena
na 2 000 bajtů. Přidaný objem vůči stávajícímu standardu (1 518 bajtů) bude využit pro další informace v hlavičce a
zakončení rámce, ne pro data. Byl tak potvrzen směr daný již odmítnutím Jumbo rámců – než zvyšování efektivity přenosů
zvětšováním poměru uživatelská data/řídící informace je žádoucí zvětšit objem řídících informací. Nová velikost rámce prý
byla stanovena s dostatečnou rezervou pro další budoucí aplikace, takovouto zásadní změnu jistě nelze dělat příliš často.
Nepříliš zodpovězenou otázkou zůstává, zda si s takovou zásadní změnou poradí všechny stávající aplikace.
A kdy bychom se mohli dočkat standardu? Podle těch největších optimistů to bude již za rok. Nechme se tedy překvapit.
Více informací viz:
IEEE 802.3as
802.1ad - Provider Bridges
802.1AE - Media Access Control (MAC) Security
Gigabit Ethernet Jumbo Frames
Publikováno: 22. června 2005, Luboš Klaška
10 Gb/s po plastovém optickém vlákně
Jestliže se zajímáte i o jiné alternativy přenosových médií pro vysokorychlostní sítě než jsou skleněná optická vlákna či
metalické kabely, možná vás bude zajímat pokrok ve vývoji plastových optických vláken. Sdružení POF@ 10G ohlásilo
úspěšný datový přenos rychlostí 10 Gb/s na vzdálenost 100 m při využití komponent, které již letos budou běžně dostupné.
Jestliže se zajímáte i o jiné alternativy přenosových médií pro vysokorychlostní sítě než jsou skleněná optická vlákna či
metalické kabely, možná vás bude zajímat pokrok ve vývoji plastových optických vláken (POF - Plastic Optical Fibre). Pro
podporu jejich vývoje pro vysoké přenosové rychlosti a využití v datových sítích bylo založeno nové průmyslové sdružení s
názvem POF@ 10G. Zaměřilo se na využití plastových optických vláken nejnovějšího typu, a to s gradientním indexem
lomu (GI-POF - Graded Index Plastic Optical Fibre). Členy sdružení jsou výrobci optických kabelů, konektorů, čipů a
dalších optických komponent. Tato skupina v březnu ohlásila úspěšný datový přenos po POF rychlostí 10 Gb/s na
vzdálenost 100 m při využití komponent, které již letos budou běžně dostupné. Smyslem snahy tohoto sdružení je využití
GI-POF jako reálné alternativy k metalickým kabelážím pracujícím na této rychlosti, konkrétně ke standardu IEEE
10GBase-T. Ten je v současnosti v závěrečné fázi dohadování a pracovní výbor IEEE 802.3an Task Force doufá, že jeho
definitivní podoba bude schválena na červencovém zasedání.
GI-POF slibují vůči skleněným vláknům mnoho výhod. Nejen o 50% nižší cenu komponent a až o 75 % nižší potřebný
příkon ve srovnání s ostatními technologiemi, ale i pokud jde o snadnost použití a instalace, k zakončení kabelů stačí
krimpovací konektory, vyžadující minimální požadavky na speciální vybavení a zácvik. Navíc se vyznačují extrémní
mechanickou odolností - průměr plastových optických vláken je několikrát větší než průměr vláken skleněných.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 19 of 21
Při výše zmíněné úspěšné demonstraci bylo použito vlákno GI-POF s vysílacími diodami typu Vertical Cavity Surface
Emitting Laser (VCSEL) na vlnové délce 850 nm a přijímači Receive Optical Sub Assembly (ROSA). Přijímač byl vylepšen
systémem Electronic Dispersion Control (EDC), umožňujícím dosažení ztrátového výkonu menšího než 1,5 W. Všechny
optické komponenty použité v tomto testu by již letos měly být komerčně běžně dostupné a vytváří tak možnost použití GIPOF jako alternativu pro rychlé spoje 10 Gb/s Ethernetu např. v datových centrech, kde samozřejmě dostačuje max.
vzdálenost 100 m.
Pár poznámek k problematice optických kabelů
Optické kabely jsou principálně dvou typů – jednovidové (single mode) a vícevidové (multimode). Vlákno má dva
základní parametry, dané číslem uváděným u popisu typu kabelu. U multimodového je to buď 62,5/125, u singlemodového
je to 9/125. Jde o to, že vlákno je vlastně tvořeno dvěma typy materiálu, jejichž přechod působí odraz paprsku, jenž se
vláknem přenáší. První číslo je tedy průměr jádra, ve kterém je paprsek přenášen a druhé číslo je průměr obalu, který
zajišťuje přechodový efekt působící odraz a zároveň i určitou část mechanické stability vlákna. V multimodovém kabelu je
možné přenášet poměrně velké množství modů paprsků (tzv. vidy). Tento typ je ovšem náchylnější na disperzi (tj.
deformaci) signálu a tím omezuje jak maximální délku, tak i přenosovou kapacitu. Siglemodové vlákno přenáší pouze jeden
mod (vid), jehož disperze je minimální – z toho vyplývá použitelnost na podstatně větší vzdálenosti a vyšší frekvence
signálu (a tím i přenosová kapacita).
Šíření paprsků v multimodovém kabelu
Šíření paprsků v singlemodovém kabelu
Způsob, jakým optické vlákno paprsek vede, záleží na tom, jak se mění optické vlastnosti (konkrétně tzv. index lomu refraction index) v průřezu jádra vlákna. Mění-li se skokem, jde o vlákno, se stupňovitým indexem lomu (step index
fiber). Pokud se index lomu na přechodu mezi jádrem vlákna a jeho pláštěm nemění skokem, ale plynule, jde o vlákno s
tzv. gradientním indexem lomu (graded index fiber).
Šíření signálu gradientním vláknem
Systémy Electronic Dispersion Control (EDC) jsou nutné k potlačení modální disperze ve vláknu. Modální disperze je
veličina zkreslení, která se udává v ns/km a představuje rozdíl mezi nejrychlejším a nejpomalejším světelným paprskem.
Multividové vlákna mají tlustší jádro, světelný paprsek má více prostoru a může probíhat v jádru více cestami. Více módů
(světelných paprsků) v přenosu může vést k rušení signálu na straně přijímače, které je nutné elektronickými obvody
eliminovat.
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 20 of 21
Modální disperze v optickém vláknu
Systém Electronic Dispersion Control (EDC)
Aplikace POF
Až donedávna bylo využití plastových optických vláken omezeno jak malými dosažitelnými přenosovými rychlostmi, tak
vzdáleností. Pro většinu průmyslových i spotřebitelských aplikací vyhovují prvky, umožňující rychlost až 400 Mb/s a
vzdálenost 50 m při užití vláken PMMA. Nová plastová vlákna s gradientním indexem umožnily zvýšit přenosovou rychlost
přes 1 Gb/s pro aplikace gigabitového Ethernetu a rozhraní DVI. Pro zvýšení dosahu pak vedl vývoj k vláknům PF
(perfluorinated fiber) s útlumem 25 dB/km, dalším vývojem bylo dosaženo útlumu až 10 dB/km v rozsahu vlnových délek
650 až 1 300 nm. PF vlákna se také vyrábějí s gradientním indexem lomu a přenosovým pásmem větším než 4 GHz na
100m.
Přes pokrok v dosažených přenosových rychlostech a vzdálenostech stále existuje spousta aplikací, kterým postačuje
menší přenosová vzdálenost než 100 m (spotřební a lékařská elektronika, domácí sítě, průmyslové řízení). Sdružení 1394
Trade Association a POFTO (Plastic Optical Fiber Trade Organization) se např. snaží o přijetí sériové sběrnice IEEE 1394
založené na POF jako standardu 1394b s přenosovou vzdáleností 50 m.
Nejnadějnější oblastí pro využití plastových optických vláken je automobilový průmysl. Koncern Daimler-Benz založil
sdružení výrobců automobilů a jejich komponent, jehož cílem je standardizovat datovou sběrnici, založenou na POF s
názvem MOST (Media OrientedSystems Transport). Zatím tato sběrnice je navržena pro rychlost 28 Mb/s, předpokládá se
navýšení na 56 až 155 Mb/s.
Zakládajícími členy POF@10G jsou:
Archcom Technologies Inc www.archcomtech.com
Asahi Glass Company Ltd www.agc.co.jp
Chromis Fiberoptics www.chromisfiber.com
Nexans www.nexans.com
Phyworks Ltd www.phyworks-ic.com
Picolight Corporation www.picolight.com
Jen měsíc po založení sdružení POF@10G a demonstraci 10 Gb/s přenosu na vzdálenost 100 m po plastových optických
vláknech byla ohlášena konference POF World West 2006, věnovaná této technologii a jejím aplikacím. Měl by zde být
prezentován návrh gigabitových Ethernetových sítí, sítí Fast Ethernetu na vzdálenost 400 m a nejnovější pokrok ve vývoji
POF ethernetových transceiverů, využívající levných prvků MOST z automobilového průmyslu.
Publikováno: 5. června 2006, Luboš Klaška
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007
Ethernet
Page 21 of 21
Standard pro 10 Gigabit Ethernet po
metalické kabeláži (10GBase-T) dospěl do
finále
Již brzy se na trhu dočkáme standardizovaných produktů pro 10 Gigabit Ethernet po měděné kabeláži, protože IEEE dala
8. června definitivní požehnání standardu 802.3an. Pro přijetí hlasovalo více než 90% členů pracovní skupiny IEEE
802.3an Task Force. Poté byl výborem IEEE Standards Board schválen bez připomínek ke zveřejnění.
Standard 802.3an je určen pro přenos 10 Gigabit Ethernetu po metalické kabeláži typu nestíněný kroucený dvoupár
(unshielded twisted pair - UTP) na vzdálenost 100 metrů. Tato vzdálenost by měla být dosažitelná ale jen s UTP kabeláži
typu Category 7 (Cat7) a Category 6a (Cat6a). S kabeláží typu Category 6 (Cat6) můžeme očekávat dosažení max.
vzdálenosti jen okolo 55 metrů. Ještě menší vzdálenosti dosáhneme s dnes nejrozšířenější kabeláží v podnikové sféře,
typem Category 5e (Cat5e), a to jen 45 metrů.
Z historie vývoje standardu 10GBase-T
Pracovní skupina 10GBase-T (IEEE 802.3an Task Force) byla ustavena komisí IEEE 802 v listopadu 2003. Spolu s tím
byly definovány požadavky na protokol 10GBase-T, jehož metalická verze měla být rozpracována ve standardu IEEE
802.3an. Skupina 10GBase-T měla za úkol rozpracovat poznatky, ke kterým dospěla během předchozích 12 měsíců
skupina přípravná. Ukázalo se, že všechny kabelážní systémy definované v posledních existujících verzích standardů, tedy
Cat5e, Cat6 i Cat7 jsou schopné přenášet data rychlostí 10 gigabitů za sekundu, ale ne všechny na vzdálenost 100m
kterou zadání standardu požadovalo.
Pracovní skupina IEEE 802.3an Task Force proto zvažovala dva různé přístupy - jeden protěžoval rychlost vůči vzdálenosti
a druhý naopak protěžoval vzdálenost vůči rychlosti, u obou pak záleželo na kvalitě použité kabeláže.
•
Preference vzdálenosti vůči rychlosti - tradičních 100 metrů zůstává zachováno, ale skutečnou rychlost 10 Gb/s
bude možné dosáhnout jen na kabeláži Cat 7. S kabeláží Cat 5E dosáhnete jen okolo 2.5 Gb/s, s kabeláží Cat 6
dosáhnete rychlosti 5 Gb/s.
•
Preference rychlosti vůči vzdálenosti - skutečnou rychlost 10 Gb/s dosáhnete na všech třech typech kabeláže ale bude se měnit dosažitelná vzdálenost. S kabeláží Cat 5E dosáhnete 40 až 50 m, s kabeláží Cat 6 to bude 50
až 60 m, plných 100 m to bude opět jen na kabeláži Cat 7.
V IEEE se rozhodli pro druhý z uvedených přístupů. Rozsáhlý program měření parametrů kanálu zjišťoval Shannonovy
kapacity (indikátor kvality a rychlosti přenosu dat) většiny typů standardizovaných měděných kabelážních systémů.
Vyplynulo z něj, že pro provoz plně duplexního 10GBase-T Ethernetu je nutná Shannonova kapacita na prahu 18-20
Gbit/s. Tato prahová kapacita sice může být dosažena při použití standardizovaných kabelážních systémů, ale na úkor
vzdálenosti. Jasně se ukázala omezení existujících nestíněných kabelážních systémů Cat5e a Cat6 zvláště s ohledem
Power Sum Alien Crosstalk (PSANEXT) - pro dosažení potřebné Shannonovy kapacity 18-20 Gbit/s při přenosové
vzdálenosti 100m je zapotřebí na UTP kabeláži Cat6 zajistit potlačení PSANEXT okolo 20 dB. Testy provedené během
studia tohoto problému jasně ukázaly výhody stíněných systémů. Základní fyzika praví, že stíněné kabely mají mnohem
lepší odolnost proti rádiovému rušení než kabely nestíněné. Při dnes uvažovaných frekvencích musíme vzít v úvahu i
významný příspěvek PSANEXT generovaný zářezovými bloky propojovacího panelu a propojovacími kabely na jeho přední
straně. U kabeláže kategorií 5E a 6 nedostačuje max. přenosová frekvence (je potřeba 625 MHz) a úroveň přeslechů.
Jestliže se budou výrobci chovat jako vždy v minulosti, již brzy se na trhu dočkáme standardizovaných produktů. Více
informací o UTP kabelážích typu Category 7 a Category 6 se dozvíte v našem článku Co můžeme očekávat od nové
kabeláže Category 6 a 7?
Publikováno: 19. června 2006, Josef Ptáček
file://C:\Documents and Settings\spse\My Documents\eth\ethernet.htm
13.3.2007