Высокоскоростные сети
Высокоскоростные сети
Высокоскоростные сети
2.2 Высокоскоростные сети.
Введение. 2
АТМ 3
Модель STM 4
Переход на ATM 5
Статистическое мультиплексирование 5
Типы сетевых пользовательских интерфейсов ATM 5
Формат данных ATM 6
Уровень протокола ATM 6
Физический уровень 6
Контроль прохождения данных 6
100VG-AnyLAN 8
Топология 8
Оборудование 8
100VG-AnyLAN и модель OSI 9
Кадр передачи 100VG-AnyLAN 10
Физический уровень сетей 100VG-AnyLAN 11
Управление передачей данных в сетях 11
Fast Ethernet 12
100BaseT - старший брат 10BaseT 12
СОХРАНЕНИЕ ПРОТОКОЛА 13
ТРИ ВИДА FAST ETHERNET 14
БЕГУН НА КОРОТКИЕ ДИСТАНЦИИ 14
КАК УСТАНОВИТЬ 100BASET 15
ОБМАНЧИВАЯ БЫСТРОТА 15
Сети Gigabit Ethernet. 16
Стандартизация Gigabit Ethernet. 16
СТАНДАРТЫ GIGABIT ETHERNET 17
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАДЕРЖКА 17
РАСШИРЕНИЕ НЕСУЩЕЙ 18
БУФЕРНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ 19
МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ 19
ОСНОВНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ 19
Гигабитное оборудование 19
Где и как применять Gigabit Ethernet 20
Gigabit Ethernet на UTP 22
Проблемы Gigabit Ethernet. 22
ВЕРСТОВЫЕ СТОЛБЫ 24
FDDI 25
Fibre Channel 26
Основы frame relay 28
Проблемы стандартизации 28
Логическая характеристика протокола FR 28
Процедурная характеристика протокола FR 28
Управление доступом и защита от перегрузок 29
Адресация в сетях FR 30
Интерфейс локального управления 30
Логическая характеристика LMI 31
Процедурная характеристика LMI 31
Некоторые дополнения 32
Коммутируемые виртуальные каналы 33
Ретрансляция кадров и речевой трафик 33
Будущее высокоскоростных сетей. 36
КОМУ ЭТО НУЖНО? 36
НАБИРАЯ СКОРОСТЬ 37
ПРОБЛЕМЫ РАССТОЯНИЯ 38
КАЧЕСТВО УСЛУГ 39
ЧЕГО НАМ ЖДАТЬ? 40
Небольшая задержка 40
Выводы 42
Введение.
Новые требования к производительности сетей, предъявляемые
современными
приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления,
системы оперативной
обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения
соответствующих
стандартов. Привычный десятимегабитный Ethernet, долгое время
занимающий главенствующие
позиции, во всяком случае, глядя из России, активно вытесняется
более современными и
существенно более быстрыми технологиями передачи данных.
На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей, пару лет назад
представленных лишь
сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка различных
технологий, как развивающих уже
существующие стандарты, так и основанных на концептуально новых.
Среди них следует особо
выделить:
? Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI, а также его
расширенный вариант, FDDI
II, специально адаптированный для работы с информацией мультимедиа,
и CDDI,
реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI поддерживают
скорость обмена 100
Мбит/с.
? 100Base X Ethernet, представляющую собой высокоскоростной Ethernet
с множественным
доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная технология -
экстенсивное развитие
стандарта IEEE802.3.
? 100Base VG AnyLAN, новую технологию построения локальных сетей,
поддерживающую
форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100
Мбит/сек по стандартным
витым парам и оптоволокну.
? Gigabit Ethernet. Продолжение развития сетей Ethernet и Fast
Ethernet.
? ATM, технологию передачи данных, работающую как на существующем
кабельном
оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи.
Поддерживает скорости
обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой увеличения до 2.488
Гбит/сек.
? Fibre Channel, оптоволоконную технологию с коммутацией физических
соединений,
предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких скоростей.
Ориентиры -
кластерные вычисления, организация взаимодействия между
суперкомпьютерами и
высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа
рабочая станция -
суперкомпьютер. Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до
гигабита в секунду (и даже
более).
Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow
on LAN),
инициативы ANSI, призванной в будущем заменить FDDI с новым уровнем
производительности 2.4 Гбайт/сек.
АТМ
АТМ - ребенок телефонных компаний. Технология эта разрабатывалась
далеко не в расчете
на компьютерные сети передачи данных. ATM радикально отличается от
обычных сетевых
технологий. Основная единица передачи в этом стандарте - это ячейка,
в отличие от привычного
пакета. Ячейка содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка.
Частично это необходимо,
чтобы обеспечить очень маленькое время задержки при передачи
мультимедийных данных.
(Фактически, размер ячейки явился компромиссом между американским
телефонными
компаниями, которые предпочитают размер ячейки 64 байта, и
европейскими, у которых он
равен 32 байтам).
Устройства АТМ устанавливают связь между собой и передают данные по
виртуальным
каналам связи, которые могут быть временными или постоянными.
Постоянный канал связи - это
путь, по которому передается информация. Он всегда остается открытым
вне зависимости от
трафика. Временные каналы создаются по требованию и, как только
передача данных
заканчивается, закрываются.
С самого начала АТМ проектировался как система коммутации с помощью
виртуальных
каналов связи, которые обеспечивают заранее специфицированный
уровень качества сервиса
(Quality of Service - QoS ) и поддерживают постоянную или переменную
скорость передачи
данных. Модель QoS позволяет приложениям запросить гарантированную
скорость передачи
между приемником и источником, не обращая внимания на то, сколь
сложен путь между ними.
Каждый АТМ - коммутатор, связываясь с другим, выбирает такой путь,
который гарантирует
требуемую приложением скорость.
Если система не может удовлетворить запрос, то она сообщает об этом
приложению.
Правда, существующие протоколы передачи данных и приложения не имеют
никакого понятия о
QoS, так что это еще одно отличное свойство, которое никто не
использует.
Благодаря наличию таких полезных свойств АТМ никого не удивляет
всеобщее желание
продолжать совершенствование этот стандарт. Но пока существующие
реализации оборудования
довольно ограничены первоначальным подходом, который ориентировался
на другие,
некомпьютерные, задачи.
Например, АТМ не имеет встроенной системы широковещательного
оповещения (это
характерно для АТМ, есть идея, но нет стандарта). И хотя
широковещательные сообщения -
извечная головная боль для любого администратора, в некоторых
случаях они просто
необходимы. Клиент, который ищет сервер, должен иметь возможность
разослать сообщение
"Где сервер?", что бы затем, получив ответ, направлять свои запросы
уже непосредственно по
нужному адресу.
Форум АТМ специально разработал спецификации для эмуляции сети - LAN
emulation
(LANE). LANE превращает "точка-точка"-ориентированную АТМ сеть в
обычную, где клиенты и
серверы видят ее как нормальную широковещательную сеть, использующую
протокол IP (а
скоро и IPX). LANE состоит из четырех различных протоколов:
протокола конфигурации сервера
(LAN emulation configuration service - LECS), протокола сервера (LAN
emulation server - LES),
протокола общего вещания и неизвестного сервера (Broadcast and
Unknown Server - BUS) и
протокола клиента (LAN emulation client - LEC).
Когда клиент с помощью LANE пытается подключиться к сети АТМ, то
первоначально он
использует протокол LECS. Поскольку АТМ не поддерживает
широковещательных сообщений,
форум АТМ выделил специальный адрес LECS, который никто другой уже
не использует.
Посылая сообщение по этому адресу клиент получает адрес
соответствующего ему LES. Уровень
LES обеспечивает необходимые функции ELAN (emulated LAN). С их
помощью клиент может
получить адрес BUS-сервиса и послать ему сообщение "подключился
такой-то клиент", чтобы
затем BUS уровень мог, получая сообщения, переслать его всем
зарегистрировавшимся
клиентам.
Для того чтобы использовать не АТМ протоколы, необходимо
использовать LEC. LEC
работает как конвертор, эмулируя обычную топологию сети, которую
подразумевает IP.
Поскольку LANE только моделирует Ethernet, то он может устранить
некоторые старые
технологические ошибки. Каждый ELAN может использовать различные
размеры пакетов.
ELAN, который обслуживает станции, подключенные с помощью обычного
Ethernet, использует
пакеты размером 1516 байт, в то время как ELAN обеспечивающий связь
между серверами
может посылать пакеты по 9180 байт. Всем этим управляет LEC.
LEC перехватывает широковещательные сообщения и посылает их BUS.
Когда BUS
получает такое сообщение, то посылает его копию каждому
зарегистрировавшемуся LEC.
Одновременно, перед тем как разослать копии, он преобразует пакет
обратно в Ethernet-форму,
указывая вместо своего адреса широковещательный.
Размер ячейки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок является
причиной того, что только
90,5% пропускной полосы тратится на передачу полезной информации.
Таким образом, реальная
скорость передачи данных - всего лишь 140 Мбит/с. И это без учета
накладных расходов на
установку связи и прочие служебные взаимодействия между различными
уровнями протоколов -
BUS и LECS.
Да, АТМ - сложная технология и пока его использование ограничивает
LANE. Все это
сильно сдерживает широкое распространению данного стандарта. Правда,
существует
обоснованная надежда, что он действительно будет применяться, когда
появятся приложения,
которые смогут воспользоваться преимуществами АТМ непосредственно.
ATM - данной аббревиатурой может обозначаться технология асинхронной
передачи данных
(Asynchronous Transfer Mode), а не только Adobe Type Manager или
Automatoc Teller Machine, что
многим может показаться более привычным. Данную технологию
построения высокоскоростных
вычислительных сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная
масштабируемость от
небольших локальных сетей скоростями обмена 25-50 Мбит/сек до
трансконтинентальных сетей.
В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155
Мбит/сек) либо
оптоволокно.
ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии
передачи
пакетованных данных и речи на большие расстояния, традиционно
используемой для построения
телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. Поэтому прежде
всего мы рассмотрим
STM.
Модель STM
STM представляет собой сетевой механизм с коммутацией соединений,
где соединение
устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и разрывается
после ее окончания.
Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удерживают
канал, пока не сочтут
необходимым рассоединиться, независимо от того, передают они данные
или "молчат".
Данные в STM передаются посредством разделения всей полосы канала на
базовые
трансмиссионные элементы, называемые временными каналами или
слотами. Слоты объединены
в обойму, содержащую фиксированное число каналов, пронумерованных от
1 до N. Каждому
слоту ставиться в соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их
тоже может быть
несколько - от 1 до М), определяет свой набор соединений. Обойма
предоставляет свои слоты
для установления соединения с периодом Т. При этом гарантируется,
что в течение этого
периода необходимая обойма будет доступна. Параметры N, M и Т
определяются
соответствующими комитетами по стандартизации и различаются в
Америке и Европе.
В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным
номером слота в
конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении
соединения в течение
всего времени существования этого соединения.
Неправда ли, немного напоминает вокзал, от которого в определенном
направлении с
периодом Т отбывает поезд? Если среди пассажиров есть тот, которому
этот поезд подходит, он
занимает свободное место. Если такого пассажира нет, то место
остается пустым и не может
быть занято никем другим. Естественно, что пропускная способность
такого канала теряется, к
тому же осуществить одновременно все потенциальные соединения (M*N)
невозможно.
Переход на ATM
Исследования применения оптоволоконных каналов в трансокеанских и
трансконтинентальных масштабах выявили ряд особенностей передачи
данных разных типов. В
современных коммуникациях можно выделить два типа запросов:
- передача данных, устойчивых к некоторым потерям, но критичным к
возможных задержкам
(например, сигналы телевидения высокой четкости и звуковая
информация);
- передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих
потерь информации
(этот тип передачи, как правило, относится к межкомпьютерным
обменам).
Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению
запросов на
обслуживанию запросов на обслуживание, требующих большой полосы
пропускания, но при
малом времени передачи. Узел, порой, требует пиковой
производительности канала, но
происходит это относительно редко, занимая, скажем, одну десятую
времени. Для такого вида
канала реализуется одно из десяти возможных соединений, на чем,
естественно, теряется
эффективность использования канала. Было бы замечательно, если бы
существовала
возможность передать временно неиспользуемый слот другому абоненту.
Увы, в рамках модели
STM это невозможно.
Модель ATM была взята на вооружение одновременно AT&T и несколькими
европейскими
телефонными гигантами. (Кстати, это может привести к появлению сразу
двух стандартов на
спецификацию ATM.)
Главная идея заключалась в том, что необходимости в жестком
соответствии соединения и
номера слота нет. Достаточно передавать индентификатор соединения
вместе с данными на
любой свободный слот, сделав при этом пакет настолько маленьким,
чтобы в случае потери
утрата легко восполнялась бы. Все это изрядно смахивает на
коммутацию пакетов и даже
называется похоже: "быстрая коммутация коротких пакетов
фиксированной длины". Короткие
пакеты весьма привлекательны для телефонных компаний, стремящихся
сохранить аналоговые
линии STM.
В сети ATM два узла находят друг друга по "виртуальному
идентификатору соединения"
(Virtual Circuit Identifier - VCI), используемому вместо номеров
слота и обоймы в модели STM.
Быстрый пакет передается в такой же слот, как и раньше, но без
каких-либо указаний или
идентификатора.
Статистическое мультиплексирование
Быстрая коммутация пакетов позволяет решить проблему неиспользуемых
слотов
посредством статистического мультиплексирования нескольких
соединений по одной линии
связи в соответствии с параметрами их трафика. Другими словами, если
большое число
соединений носят импульсный характер (соотношение пиковой активности
к средней - 10 или
более к 1), есть надежда, что пики активности разных соединений
будут совпадать не слишком
часто. В случае совпадения один из пакетов буферизуется пока не
появятся свободные слоты.
Такой способ организации соединений при правильно подобранных
параметрах позволяет
эффективно загружать каналы. Статистическое мультиплексирование,
неосуществимое в STM, и
является основным достоинством ATM.
Типы сетевых пользовательских интерфейсов ATM
Прежде всего - это интерфейс, ориентированный на подключение к
локальным сетям,
оперирующим кадрами данных (семейства IEEE 802.x и FDDI). В этом
случае аппаратура
интерфейса должна транслировать кадры локальной сети в элемент
передачи сети ATM,
выступающей в качестве глобальной магистрали, связывающей два
значительно удаленных друг
от друга сегмента локальной сети.
Альтернативой может служить интерфейс, предназначенный для
обслуживания конечных
узлов, непосредственно оперирующих форматами данных ATM. Такой
подход позволяет
повысить эффективность сетей, требующих значительных объемов
передачи данных. Для
подключения конечных пользователей к такой сети используются
специальные мультиплексоры.
В целью администрирования такой сети на каждом устройстве
исполняется некоторый
"агент", поддерживающий обработку административных сообщений,
управление
подключениями и обработку данных соответствующего протокола
управления.
Формат данных ATM
Пакет ATM, определенный специальным подкомитетом ANSI, должен
содержать 53 байта.
5 байтов занято заголовком, остальные 48 - содержательная часть
пакета. В заголовке 24 бита
отдано идентификатору VCI, 8 бит - контрольные, оставшиеся 8 бит
отведены для контрольной
суммы. Из 48 байт содержательной части 4 байта может быть отведено
для специального
адаптационного уровня ATM, а 44 - собственно под данные.
Адаптационные байты позволяют
объединять короткие пакеты ATM в более крупные сущности, например, в
кадры Ethernet.
Контрольное поле содержит служебную информацию о пакете.
Уровень протокола ATM
Место ATM в семиуровневой модели ISO - где-то в районе уровня
передачи данных. Правда,
установить точное соответствие нельзя, поскольку ATM сама занимается
взаимодействием
узлов, контролем прохождения и маршрутизацией, причем осуществляется
это на уровне
подготовки и передачи пакетов ATM. Впрочем, точное соответствие и
положение ATM в модели
ISO не столь важны. Более существенно - понять способ взаимодействия
с существующими
сетями TCP/IP и в особенности с приложениями, требующими
непосредственного
взаимодействия с сетью.
Приложениям, имеющим непосредственный интерфейс ATM, доступны
преимущества,
предоставляемые гомогенной сетевой средой ATM.
Основная нагрузка возложена на уровень "Управления виртуальными
соединениями ATM",
дешифрующий специфические заголовки ATM, устанавливающий и
разрывающий соединений,
осуществляющий демультиплексирование и выполняющий действия, которые
от него требуются
управляющим протоколом.
Физический уровень
Хотя физический уровень и не является частью спецификации ATM, он
учитывается многими
стандартизующими комитетами. В основном, в качестве физического
уровня рассматривается
спецификация SONET (Synchronous Optical Network) - международный
стандарт на
высокоскоростую передачу данных. Определены четыре типа стандартных
скоростей обмена: 51,
155, 622 и 2400 Мбит/сек, соответствующих международной иерархии
цифровой синхронной
передачи (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). SDH специфицирует,
каким образом данные
фрагментируются и передаются синхронно по оптоволоконным каналам, не
требуя при этом
синхронизации каналов и тактовых частот всех узлов, участвующих в
процессе передачи и
восстановления данных.
Контроль прохождения данных
Из-за высокой производительности сетей ATM механизм, традиционно
используемый в сетях
ТСР, непригоден. Если бы контроль прохождения был возложен на
обратную связь, то за время,
пока сигнал обратной связи, дождавшись выделения канала и пройдя все
стадии преобразования,
достигнет источника, тот успеет передать несколько мегабайт в канал,
не только вызвав его
перегрузку, но, возможно, полностью блокировав источник перегрузки.
Большинство стандартизующих организаций согласно с необходимостью
целостного подхода
к контролю прохождения. Его суть такова: управляющие сигналы
формируются по мере
прохождения данных на любой участке цепи и отрабатываются на любой
ближайшем
передающем узле. Получив соответствующий сигнал, пользовательский
интерфейс может
выбрать, как ему поступить - уменьшить скорость передачи или
сообщить пользователю о том,
что переполнение имеет место.
В основном, идея контроля прохождения в сетях ATM сводится к
воздействию на локальный
сегмент, не затрагивая при этом сегментов, чувствующих себя хорошо,
и добиваясь
максимальной пропускной способности там, где это возможно.
Стек протоколов пользовательского интерфейса в TCP/IP
Непосредственный интерфейс ATM
Данные
Приложение, канализирующее данные
TCP
Интерфейс приложения ОС
IP
Управление виртуальными соединениями
ATM
Прикладной уровень ATM
Уровень передачи данных
Драйвер интерфейса ATM
Физический уровень (SONET)
ATM
100VG-AnyLAN
В июле 1993 года по инициативе компаний AT&T и Hewlett-Packard был
организован новый
комитет IEEE 802.12, призванный стандартизовать новую технологию
100BaseVG. Данная
технология представляла собой высокоскоростное расширение стандарта
IEEE 802.3 (известного
также как 100BaseT, или Ethernet на витой паре).
В сентябре компания IBM предложила объединить в новом стандарте
поддержку Ethernet и
Token Ring. Изменилось и название новой технологии - 100VG-AnyLAN.
Технология должна поддерживать как уже существующие сетевые
приложения, так и вновь
создаваемые. На это направлена одновременная поддержка форматов
кадров данных и Ethernet, и
Token Ring, обеспечивающая прозрачность сетей, построенных по новой
технологии, для
существующих программ.
С некоторых пор витая пара повсеместно заменяет коаксильные кабели.
Ее преимущества -
большая мобильность и надежность, низкая стоимость и более простое
администрирование сети.
Процесс вытеснения коаксильных кабелей идет и у нас. Стандарт
100VG-AnyLAN ориентирован
как на витые пары (для использования пригодно любое имеющееся
кабельное хозяйство), так и
на оптоволоконные линии, допускающие значительную удаленность
абонентов. Впрочем, на
скорости обмена применение оптоволокна не сказывается.
Топология
Поскольку 100VG призвана заменить собой Ethernet и Token Ring, она
поддерживает
топологии, применяемые для этих сетей (логически общая шина и
маркерное кольцо,
соответственно). Физическая топология - обязательно звезда, петли
или ветвления не
допускаются.
При каскадном подключении хабов между ними допускается только одна
линия связи.
Образование резервных линий возможно лишь при условии, что в каждый
момент активна ровно
одна.
Стандартом предусмотрено до 1024 узлов в одном сегменте сети, но
из-за снижения
производительности сети реальный максимум более скромен - 250 узлов.
Похожими
соображениями определяется и максимальное удаление между наиболее
удаленными узлами -
два с половиной километра.
К сожалению, стандартом не допускается объединение в одном сегменте
систем,
использующих одновременно форматы Ethernet и Token Ring. Для таких
сетей предназначены
специальные 100VG-AnyLAN мосты Token Ring-Ethernet. Зато в случае
конфигурации 100VG-
Ethernet сегмент Ethernet с обычной скоростью обмена (10 Мбит/сек)
может быть присоединен
посредством простого преобразователя скорости.
В соответствии с рекомендациями IEEE 802.1D между двумя узлами одной
сети не может
быть более семи мостов.
Оборудование
Передающие среды. Для 100Base-T Ethernet используются кабели,
содержащие четыре
неэкранированные витые пары. Одна пара служит для передачи данных,
одна - для разрешения
конфликтов; две оставшиеся пары не используются. Очевидно, что
передача данных по всем
четырем парам даст выигрыш вчетверо. Замена стандартного
"манчестерского" кода более
эффективным - 5B6B NRZ - дает выигрыш еще почти вдвое (за счет
передачи двух битов данных
за один такт). Таким образом, при лишь незначительно повышении
несущей частоты (около
20%), производительность линии связи повышается в десять раз. При
работе с экранированными
кабелями, характерными для сетей Token Ring, используются две витые
пары, но при вдвое
большей частоте (благодаря тому, что кабель экранирован). При
передаче по такому кабелю
каждая пара используется в качестве фиксированного однонаправленного
канала. По одной паре
передаются входные данные, по другой выходные. Стандартное удаление
узлов, на котором
гарантируются параметры передачи - 100 метров для пар третьей и
четвертой категории и 200
метров для пятой.
Допускается использование оптоволоконных пар. Благодаря такому
носителю покрываемое
расстояние увеличивается до двух километров. Как и в случае
экранированного кабеля,
используется двунаправленное соединение.
Хабы 100VG могут соединяться каскадом, что обеспечивает максимальное
расстояние между
узлами в одном сегменте на неэкранированных кабелях до 2.5
километров.
Хабы. Главным действующим лицом при построении сети 100VG-AnyLAN
является хаб (или
концентратор). Все устройства сети, независимо от их назначения,
присоединяются к хабам.
Выделяют два типа соединений: для связи "вверх" и "вниз". Под связью
"вверх" подразумевается
соединение с хабом более высокого уровня. "Вниз" - это соединение с
оконечными узлами и
хабами более низкого уровня (по одному порту на каждое устройство
или хаб).
Чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, реализовано
два режима работы
каждого порта: конфиденциальный и публичный. В конфиденциальном
режиме каждый порт
получает только сообщения, адресованные непосредственно ему, в
публичном - все сообщения.
Обычно публичный режим используется для подключения мостов и
маршрутизаторов, а также
различного рода диагностической аппаратуры.
Для того, чтобы повысить производительность системы, адресованные
конкретному узлу
данные только ему и передаются. Данные же, предназначенные для
широкого вещания,
буферизуются до окончания передачи, а затем рассылаются всем
абонентам.
100VG-AnyLAN и модель OSI
В предполагаемом стандарте IEEE 802.12, 100VG-AnyLAN определяется на
уровне передачи
данных (2-й уровень семиуровневой модели ISO) и на физическом уровне
(1-й уровень ISO).
Уровень передачи данных разбит на два подуровня: логического
контроля соединения (LLC -
Logical Link Control) и контроля доступа к среде (MAC - Medium
Access Control).
Стандартом OSI на уровень передачи данных возлагается
ответственность за обеспечение
надежной передачи данных между двумя узлами сети. Получая пакет для
передачи от более
высокого сетевого уровня, уровень передачи данных присоединяет к
этому пакету адреса
получателя и отправителя, формирует из него набор кадров для
передачи и обеспечивает
избыточность, необходимую для выявления и исправления ошибок.
Уровень передачи данных
обеспечивает поддержку форматов кадров Ethernet и Token Ring.
Верхний подуровень - логического контроля соединений - обеспечивает
режимы передачи
данных как с установлением, так и без установления соединения.
Нижний подуровень - контроля доступа к среде - при передаче
обеспечивает окончательное
формирование кадра передачи в соответствии с протоколом,
реализованным в данном сегменте
(IEEE 802.3 или 802.5). Если же речь идет о получении пакета,
подуровень выясняет
соответствие адреса, осуществляет проверку контрольной суммы и
определяет ошибки передачи.
Логически MAC-подуровень можно разделить на три основных компонента:
протокол
приоритета запросов, система тестирования соединений и система
подготовки кадров передачи.
Протокол приоритетов запросов - Demand Priority Protocol (DPP) -
трактуется стандартом
100VG-AnyLAN как составная часть MAC-подуровня. DPP определяет
порядок обработки
запросов и установления соединений.
Когда конечный узел готов передать пакет, он отправляет хабу запрос
обычного или высокого
приоритета. Если узлу нечего передать, он отправляет сигнал
"свободен". Если узел не активен
(например, компьютер выключен), он, естественно, ничего не посылает.
В случае каскадного
соединения хабов при запросе узлом передачи у хаба нижнего уровня
последний транслирует
запрос "вверх".
Хаб циклически опрашивает порты, выясняя их готовность к передаче.
Если к передаче
приготовились сразу несколько узлов, хаб анализирует их запросы,
опираясь на два критерия -
приоритет запроса и физический номер порта, к которому присоединен
передающий узел.
Сначала, естественно, обрабатываются запросы высокого приоритета.
Такие приоритеты
используются приложениями, критичными к времени реакции, например,
полноформатными
системами мультимедиа. Администратор сети может ассоциировать
выделенные порты с
высокими приоритетами. Для того, чтобы избежать потерь
производительности, вводится
специальный механизм, не допускающий присвоения высокого приоритета
всем запросам,
исходящим от одного узла. Сделанные одновременно несколько запросов
высокого приоритета
обрабатываются в соответствии с физическим адресом порта.
После того, как обработаны все высокоприоритетные запросы,
обрабатываются запросы
нормального приоритета, в порядке, также определяемом физическим
адресом порта. Чтобы
обеспечить гарантированное время отклика, нормальному запросу,
прождавшему 200-300
миллисекунд, присваивается высокий приоритет.
При опросе порта, к которому подключен хаб нижнего уровня,
инициируется опрос его
портов и только после этого возобновляется опрос портов старшего
хаба. Таким образом, все
конечные узлы опрашиваются последовательно, независимо от уровня
хаба, с которым они
соединены.
Система тестирования соединений. При тестировании соединений станция
и ее хаб
обмениваются специальными тестовыми пакетами. Одновременно все
остальные хабы получают
уведомление о том, что где-то в сети происходит тестирование. Кроме
верификации соединений
можно получить информацию о типах устройств, подключенных к сети
(хабах, мостах, шлюзах и
конечных узлах), режимах их функционирования и адресах.
Тестирование соединений происходит при каждой инициализации узла и
при каждом
превышении заданного уровня ошибок передачи. Тестирование соединений
между хабами
аналогично тестированию соединений конечного узла.
Подготовка кадра передачи. Прежде, чем передать данные на физический
уровень,
необходимо дополнить его служебными заголовком и окончанием,
включающими в себя
заполнения поля данных (если это необходимо), адреса абонентов и
контрольные
последовательности.
Кадр передачи 100VG-AnyLAN
Предполагаемый стандарт IEEE-802.12 поддерживает три типа форматов
кадров передачи
данных: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring) и специальный
формат кадров
тестирования соединений IEEE 802.3.
Стандарт ограничивает допустимую организацию сетей, запрещая
использование различных
форматов кадров в рамках одного сегмента сети. Каждый сегмент может
поддерживать только
один логический стандарт, а для построения гетерогенных сетей
предписывается применение
специальных мостов.
Порядок передачи данных для форматов Ethernet и Token Ring одинаков
(первым передается
байт старшего разряда, последним - младшего). Различается лишь
порядок битов в байтах: в
формате Ethernet первыми передаются младшие биты, а в Token Ring -
старшие.
Кадр Ethernet (IEEE 802.3) должен содержать следующие поля:
DA - адрес получателя пакет (6 байт);
SA - адрес отправителя (6 байт);
L - указатель длины данных (2 байта);
данные пользователя и заполнители;
FCS - контрольная последовательность.
Кадр Token Ring (IEEE 802.5) содержит большее число полей. Некоторые
из них протоколом
100VG-AnyLAN не используются, а сохранены лишь для того, чтобы
обеспечить совместимость
данных с сегментами 4 и 16 Мбит/сек (при обмене через
соответствующие мосты):
АС - поле контроля доступа (1 байт, не используется);
FC - поле контроля кадра (1 байт, не используется);
DA - адрес получателя (6 байт);
SA - адрес отправителя (6 байт);
RI - информационное поле маршрутизатора (0-30 байт);
поле информации;
FCS - контрольная последовательность (4 байта).
Физический уровень сетей 100VG-AnyLAN
В модели ISO физическому уровню вменяется непосредственный процесс
передачи битов
данных от одного узла к другому. Разъемы, кабели, уровня сигналов,
частоты и другие
физические характеристики описываются именно этим уровнем.
В качестве электрического стандарта передачи данных разработчики
решили вернуться к
известному способу прямого двухуровнего кодирования (NRZ-коду), где
высокий уровень
сигнала соответствует логической единице, а низкий - нулю. Когда-то,
на заре эры цифровой
передачи данных, от такого способа отказались. В основном, это было
связано с трудностями
синхронизации и произошло вопреки большей плотности информации на
один такт несущей
частоты - два бита за один такт.
Использование кодировки 5B6B, предопределяющей равное число нулей и
единиц в
передаваемых данных, позволяет получить достаточную синхронизацию.
Даже наличие трех
битов одного уровня подряд (а большее их число запрещено кодировкой
и интерпретируется как
ошибка) не успевает привести к рассинхронизации передатчика и
приемника.
Таким образом, при избыточности кода 20% пропускная способность
канала увеличивается
вдвое. При тактовой частоте 30 МГц обеспечивается передача 25
Мбит/сек исходных данных по
одной паре, суммарный объем передачи по четырем парам одного кабеля
составляет 100
Мбит/сек.
Управление передачей данных в сетях
Сети, построенные на неэкранированной витой паре, используют все
четыре пары кабеля и
могут функционировать как в полнодуплексном (для передачи сигналов
управления), так и
полудуплексном режиме, когда все четыре пары используются для
передачи данных в одном
направлении.
В сетях на экранированной паре или оптоволокне реализованы два
однонаправленных канала:
один на пример, другой на передачу. Прием и передача данных может
осуществляться
одновременно.
В сетях на оптоволокне или экранированной паре передача данных
происходит аналогично.
Небольшие отличия определяются наличием постоянно действующих в обе
стороны каналов.
Узел, например, может получать пакет и одновременно отправлять
запрос на обслуживание.
Fast Ethernet
Ethernet, не смотря на весь его успех, никогда не был элегантным.
Сетевые платы имеют
только рудиментарные понятие об интеллекте. Они действительно
сначала посылают пакет, а
только затем смотрят, передавал ли данные кто-либо еще одновременно
с ними. Кто-то сравнил
Ethernet с обществом, в котором люди могут общаться друг с другом,
только когда все кричат
одновременно.
Как и его предшественник, Fast Ethernet использует метод передачи
данных CSMACD (Carrier
Sense Multiple Access with Collision Detection - Множественныый
доступ к среде с контролем
несущей и обнаружением коллизий). За этим длинным и непонятным
акронимом скрывается
очень простая технология. Когда плата Ethernet должна послать
сообщение, то сначала она ждет
наступления тишины, затем отправляет пакет и одновременно слушает,
не послал ли кто-нибудь
сообщение одновременно с ним. Если это произошло, то оба пакета не
доходят до адресата. Если
коллизии не было, а плата должна продолжать передавать данные, она
все равно ждет несколько
микросекунд, прежде чем снова попытается послать новую порцию. Это
сделано для того, чтобы
другие платы также могли работать и никто не смог захватить канал
монопольно. В случае
коллизии, оба устройства замолкают на небольшой промежуток времени,
сгенерированный
случайным образом, а затем предпринимают новую попытку передать
данные.
Из-за коллизий ни Ethernet, ни Fast Ethernet никогда не смогут
достичь своей максимальной
производительности 10 или 100 Мбит/с. Как только начинает
увеличиваться трафик сети,
временные задержки между посылками отдельных пакетов сокращаются, а
количество коллизий
увеличивается. Реальная производительность Ethernet не может
превышать 70% его
потенциальной пропускной способности, и может еще ниже, если линия
серьезно перегружена.
Ethernet использует размер пакета 1516 байт, который прекрасно
подходил, когда он только
создавался. Сегодня это считается недостатком, когда Ethernet
используется для взаимодействия
серверов, поскольку серверы и линии связи имеют обыкновение
обмениваться большим
количеством маленьких пакетов, что перегружает сеть. Кроме того,
Fast Ethernet налагает
ограничение на расстояние между подключаемыми устройствами тАУ не
более 100 метров и это
заставляет проявлять дополнительную осторожность при проектировании
таких сетей.
Сначала Ethernet был спроектирован на основе шинной топологии, когда
все устройства
подключались к общему кабелю, тонкому или толстому. Применение витой
пары лишь частично
изменило протокол. При использовании коаксиального кабеля коллизия
определялась сразу
всеми станциями. В случае с витой парой используется "jam" сигнал,
как только станция
определяет коллизию, то она посылает сигнал концентратору, последний
в свою очередь
рассылает "jam" всем подключенным к нему устройствам.
Для того чтобы снизить перегрузку, сети стандарта Ethernet
разбиваются на сегменты,
которые объединяются с помощью мостов и маршрутизаторов. Это
позволяет передавать между
сегментами лишь необходимый трафик. Сообщение, передаваемое между
двумя станциями в
одном сегменте, не будет передано в другой и не сможет вызвать в нем
перегрузки.
Сегодня при построении центральной магистрали, объединяющей серверы
используют
коммутируемый Ethernet. Ethernet-коммутаторы можно рассматривать как
высокоскоростные
многопортовые мосты, которые в состоянии самостоятельно определить,
в какой из его портов
адресован пакет. Коммутатор просматривает заголовки пакетов и таким
образом составляет
таблицу, определяющую, где находится тот или иной абонент с таким
физическим адресом. Это
позволяет ограничить область распространения пакета и снизить
вероятность переполнения,
посылая его только в нужный порт. Только широковещательные пакеты
рассылаются по всем
портам.
100BaseT - старший брат 10BaseT
Идея технологии Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе
следующего года группа
производителей объединилась в Союз Fast Ethernet (Fast Ethernet
Alliance, FEA). Целью FEA
было как можно скорее получить формальное одобрение Fast Ethernet от
комитета 802.3
Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute
of Electrical and Electronic
Engineers, IEEE), так как именно этот комитет занимается стандартами
для Ethernet. Удача
сопутствовала новой технологии и поддерживающему ее альянсу: в июне
1995 года все
формальные процедуры были завершены, и технологии Fast Ethernet
присвоили наименование
802.3u.
С легкой руки IEEE Fast Ethernet именуется 100BaseT. Объясняется это
просто: 100BaseT
является расширением стандарта 10BaseT с пропускной способностью от
10 М бит/с до 100
Мбит/с. Стандарт 100BaseT включает в себя протокол обработки
множественного доступа с
опознаванием несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier
Sense Multiple Access
with Collision Detection), который используется и в 10BaseT. Кроме
того, Fast Ethernet может
работать на кабелях нескольких типов, в том числе и на витой паре.
Оба эти свойства нового
стандарта весьма важны для потенциальных покупателей, и именно
благодаря им 100BaseT
оказывается удачным путем миграции сетей на базе 10BaseT.
Главным коммерческим аргументом в пользу 100BaseT является то, что
Fast Ethernet
базируется на наследуемой технологии. Так как в Fast Ethernet
используется тот же протокол
передачи сообщений, что и в старых версиях Ethernet, а кабельные
системы этих стандартов
совместимы, для перехода к 100BaseT от 10BaseT требуются
меньшие капитальные вложения, чем для установки других видов
высокоскоростных сетей.
Кроме того, поскольку 100BaseT представляет собой продолжение
старого стандарта Ethernet,
все инструментальные средства и процедуры анализа работы сети, а
также все программное
обеспечение, работающее на старых сетях Ethernet должны в данном
стандарте сохранить
работоспособность. Следовательно, среда 100BaseT будет знакома
администраторам сетей,
имеющим опыт работы с Ethernet. А значит, обучение персонала займет
меньше времени и
обойдется существенно дешевле.
СОХРАНЕНИЕ ПРОТОКОЛА
Пожалуй, наибольшую практическую пользу новой технологии принесло
решение оставить
протокол передачи сообщений без изменения. Протокол передачи
сообщений, в нашем случае
CSMA/CD, определяет способ, каким данные передаются по сети от
одного узла к другому через
кабельную систему. В модели ISO/OSI протокол CSMA/CD является частью
уровня управления
доступом к среде (Media Access Control, MAC). На этом уровне
определяется формат, в котором
информация передается по сети, и способ, каким сетевое устройство
получает доступ к сети (или
управление сетью) для передачи данных.
Название CSMA/CD можно разбить на две части: Carrier Sense Multiple
Access и Collision
Detection. Из первой части имени можно заключить, каким образом узел
с сетевым адаптером
определяет момент, когда ему следует послать сообщение. В
соответствии с протоколом CSMA,
сетевой узел вначале "слушает" сеть, чтобы определить, не передается
ли в данный момент
какое-либо другое сообщение. Если прослушивается несущий сигнал
(carrier tone), значит в
данный момент сеть занята другим сообщением - сетевой узел переходит
в режим ожидания и
пребывает в нем, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает
молчание, узел начинает
передачу. Фактически данные посылаются всем узлам сети или сегмента,
но принимаются лишь
тем узлом, которому они адресованы.
Collision Detection - вторая часть имени - служит для разрешения
ситуаций, когда два или
более узла пытаются передавать сообщения одновременно. Согласно
протоколу CSMA, каждый
готовый к передаче узел должен вначале слушать сеть, чтобы
определить, свободна ли она.
Однако, если два узла слушают в одно и тоже время, оба они решат,
что сеть свободна, и начнут
передавать свои пакеты одновременно. В этой ситуации передаваемые
данные накладываются
друг на друга (сетевые инженеры называют это конфликтом), и ни одно
из сообщений не
доходит до пункта назначения. Collision Detection требует, чтобы
узел прослушал сеть также и
после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, то узел
повторяет передачу через
случайным образом выбранный промежуток времени и вновь проверяет, не
произошел ли
конфликт.
ТРИ ВИДА FAST ETHERNET
Наряду с сохранением протокола CSMA/CD, другим важным решением было
спроектировать
100BaseT таким образом, чтобы в нем можно было применять кабели
разных типов - как те, что
используются в старых версиях Ethernet, так и более новые модели.
Стандарт определяет три
модификации для обеспечения работы с разными видами кабелей Fast
Ethernet: 100BaseTX,
100BaseT4 и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны
на витую пару, а
100BaseFX был разработан для оптического кабеля.
Стандарт 100BaseTX требует применения двух пар UTP или STP. Одна
пара служит для
передачи, другая тАУ для приема. Этим требованиям отвечают два
основных кабельных стандарта:
EIA/TIA-568 UTP Категории 5 и STP Типа 1 компании IBM. В 100BaseTX
привлекательно
обеспечение полнодуплексного режима при работе с сетевыми серверами,
а также использование
всего двух из четырех пар восьмижильного кабеля - две другие пары
остаются свободными и
могут быть использованы в дальнейшем для расширения возможностей
сети.
Впрочем, если вы собираетесь работать с 100BaseTX, используя для
этого проводку
Категории 5, то вам следует знать и об его недостатках. Этот кабель
дороже других
восьмижильных кабелей (например Категории 3). Кроме того, для работы
с ним требуется
использование пробойных блоков (punchdown blocks), разъемов и
коммутационных панелей,
удовлетворяющих требованиям Категории 5. Нужно добавить, что для
поддержки
полнодуплексного режима следует установить полнодуплексные
коммутаторы.
Стандарт 100BaseT4 отличается более мягкими требованиями к
используемому кабелю.
Причиной тому то обстоятельство, что в 100BaseT4 используются все
четыре пары
восьмижильного кабеля: одна для передачи, другая для приема, а
оставшиеся две работают как
на передачу, так и на прием. Таким образом, в 100BaseT4 и прием, и
передача данных могут
осуществляться по трем парам. Раскладывая 100 Мбит/с на три пары,
100BaseT4 уменьшает
частоту сигнала, поэтому для его передачи довольно и менее
высококачественного кабеля. Для
реализации сетей 100BaseT4 подойдут кабели UTP Категорий 3 и 5,
равно как и UTP Категории 5
и STP Типа 1.
Преимущество 100BaseT4 заключается в менее жестких требованиях к
проводке. Кабели
Категорий 3 и 4 более распространены, и, кроме того, они существенно
дешевле, нежели кабели
Категории 5, о чем не следует забывать до начала монтажных работ.
Недостатки же состоят в
том, что для 100BaseT4 нужны все четыре пары и что полнодуплексный
режим этим протоколом
не поддерживается.
Fast Ethernet включает также стандарт для работы с многомодовым
оптоволокном с 62.5-
микронным ядром и 125-микронной оболочкой. Стандарт 100BaseFX
ориентирован в основном
на магистрали - на соединение повторителей Fast Ethernet в пределах
одного здания.
Традиционные преимущества оптического кабеля присущи и стандарту
100BaseFX:
устойчивость к электромагнитным шумам, улучшенная защита данных и
большие расстояния
между сетевыми устройствами.
БЕГУН НА КОРОТКИЕ ДИСТАНЦИИ
Хотя Fast Ethernet и является продолжением стандарта Ethernet,
переход от сети 10BaseT к
100BaseT нельзя рассматривать как механическую замену оборудования -
для этого могут
потребоваться изменения в топологии сети.
Теоретический предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet составляет
250 метров; это всего
лишь 10 процентов теоретического предела размера сети Ethernet (2500
метров). Данное
ограничение проистекает из характера протокола CSMA/CD и скорости
передачи 100Мбит/с.
Как уже отмечалось ранее, передающая данные рабочая станция должна
прослушивать сеть в
течение времени, позволяющего убедиться в том, что данные достигли
станции назначения. В
сети Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с (например 10Base5)
промежуток времени,
необходимый рабочей станции для прослушивания сети на предмет
конфликта, определяется
расстоянием, которое 512-битный кадр (размер кадра задан в стандарте
Ethernet) пройдет за
время обработки этого кадра на рабочей станции. Для сети Ethernet с
пропускной способностью
10 Мбит/с это расстояние равно 2500 метров (см. Рис. 1).
С другой стороны, тот же самый 512-битный кадр (стандарт 802.3u
задает кадр того же
размера, что и 802.3, то есть в 512 бит), передаваемый рабочей
станцией в сети Fast Ethernet,
пройдет всего 250 м, прежде чем рабочая станция завершит его
обработку (см. Рис. 2). Если бы
принимающая станция была удалена от передающей станции на расстояние
свыше 250 м, то кадр
мог бы вступить в конфликт с другим кадром на линии где-нибудь
дальше, а передающая
станция, завершив передачу, уже не восприняла бы этот конфликт.
Поэтому максимальный
диаметр сети 100BaseT составляет 250 метров (см. Рис.3).
Чтобы использовать допустимую дистанцию, потребуется два повторителя
для соединения
всех узлов. Согласно стандарту, максимальное расстояние между узлом
и повторителем
составляет 100 метров; в Fast Ethernet, как и в 10BaseT, расстояние
между концентратором и
рабочей станцией не должно превышать 100метров. Поскольку
соединительные устройства
(повторители) вносят дополнительные задержки, реальное рабочее
расстояние между узлами
может оказаться еще меньше. Поэтому представляется разумным брать
все расстояния с
некоторым запасом.
Для работы на больших расстояниях придется приобрести оптический
кабель. Например,
оборудование 100BaseFX в полудуплексном режиме позволяет соединить
коммутатор с другим
коммутатором или конечной станцией, находящимися на расстоянии до
450 метров друг от
друга. Установив полнодуплексный 100BaseFX, можно соединить два
сетевых устройства на
расстоянии до двух километров.
КАК УСТАНОВИТЬ 100BASET
Кроме кабелей, которые мы уже обсудили, для установки Fast Ethernet
потребуются сетевые
адаптеры для рабочих станций и серверов, концентраторы 100BaseT и,
возможно, некоторое
количество коммутаторов 100BaseT.
Адаптеры, необходимые для организации сети 100BaseT, носят название
адаптеров Ethernet
10/100 Мбит/с. Данные адаптеры способны (это требование стандарта
100BaseT) самостоятельно
отличать 10 Мбит/с от 100 Мбит/с. Чтобы обслуживать группу серверов
и рабочих станций,
переведенных на 100BaseT, потребуется также концентратор 100BaseT.
При включении сервера или персонального компьютера с адаптером
10/100 последний выдает
сигнал, оповещающий о том, что он может обеспечить пропускную
способность 100Мбит/с.
Если принимающая станция (скорее всего, это будет концентратор) тоже
рассчитана на работу с
100BaseT, она в ответ выдаст сигнал, по которому и концентратор, и
ПК или сервер
автоматически переходят в режим 100BaseT. Если концентратор работает
только с 10BaseT, он
не подает ответный сигнал, и ПК или сервер автоматически перейдут в
режим 10BaseT.
В случае мелкомасштабных конфигураций 100BaseT можно применить мост
или коммутатор
10/100, которые обеспечат связь части сети, работающей с 100BaseT, с
уже существующей сетью
10BaseT.
ОБМАНЧИВАЯ БЫСТРОТА
Подытоживая все вышесказанное, заметим, что, как нам кажется, Fast
Ethernet наиболее
хорош для решения проблем высоких пиковых нагрузок. Например, если
кто-то из пользователей
работает с САПР или программами обработки изображений и нуждается в
повышении
пропускной способности, то Fast Ethernet может оказаться хорошим
выходом из положения.
Однако если проблемы вызваны избыточным числом пользователей в сети,
то 100BaseT
начинает тормозить обмен информацией при примерно 50-процентной
загрузке сети- иными
словами, на том же уровне, что и 10BaseT. Но в конце концов, это
ведь не более чем расширение
10BaseT.
Сети Gigabit Ethernet.
Вопрос тАЬGigabit Ethernet - это Ethernet или нет?тАЭ отнюдь не
праздный, и, хотя Gigabit Ethernet
Alliance отвечает на него утвердительно на том основании, что эта
технология использует тот же
формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же
механизмы контроля
потоков и те же управляющие объекты, все же Gigabit Ethernet
отличается от Fast Ethernet
больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. (К тому же, например,
Hewlett-Packard полагает, что он
имеет больше сходства со 100VG-AnyLAN, чем с Fast Ethernet.) В
частности, если для Ethernet
было характерно разнообразие поддерживаемых сред передачи, что
давало повод говорить о том,
что он может работать хоть по колючей проволоке, то в Gigabit
Ethernet волоконно-оптические
кабели становятся доминирующей средой передачи (это, конечно, далеко
не единственное
отличие, но с остальными мы подробнее познакомимся ниже). Кроме
того, Gigabit Ethernet
ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет
гораздо более высокие
требования к качеству проводки. Иными словами, он гораздо менее
универсален, чем его
предшественники.
Стандартизация Gigabit Ethernet.
Институт IEEE, вероятнее всего, примет решение о переносе даты
выпуска стандарта 802.3z
Gigabit Ethernet Task Force. Его ратификация вначале была намечена
на март, но нерешенные
вопросы физического уровня, похоже, заставят перенести утверждение
стандарта на июнь
текущего года. тАЬЭто решение заставит наиболее консервативную часть
потребителей отложить
приобретение подобных продуктов, которые в любом случае еще не
готовы выйти на этот
рыноктАЭ, - считает Джон Армстронг, аналитик компании Dataquest. По
его словам, набор
характеристик Gigabit Ethernet будет утвержден во втором квартале
1997 года, поэтому
серьезных вопросов с интероперабельностью не возникнет.
Основные трудности при использовании Gigabit Ethernet связаны с
возникновением
дифференциальной задержки сигналов (differential mode delay, DMD) в
многомодовых
волоконных кабелях. Эта задержка появляется при использовании
некоторых комбинаций
многомодового волокна и лазерных диодов, применяемых для ускорения
передачи данных по
волоконному кабелю. В результате возникают нарушения синхронизации
(своего рода дрожание)
сигнала, ограничивающие максимальное расстояние, на которое могут
передаваться данные по
Gigabit Ethernet.
Компания Cisco Systems намерена решить вопросы физического уровня
путем замены в
своих недавно анонсированных аппаратных системах преобразователей
гигабитного интерфейса.
Таким образом, для настройки аппаратуры на спецификации
окончательного стандарта не
потребуется вносить никаких внутренних изменений. тАЬВ худшем случае
изменения коснутся
только реализации физического уровня, - заявляет Джеф Моссман,
системный инженер Cisco. -
Для этого будет достаточно замены конвертера гигабитного
интерфейсатАЭ.
Патрик Гуай, старший менеджер 3Com, заявил, что его компания
гарантирует соответствие
своих продуктов окончательному стандарту Gigabit Ethernet.
Потребители, купившие системы
Gigabit Ethernet компании 3Com до ратификации стандарта, при
необходимости смогут
модернизировать их совершенно бесплатно. тАЬЭто очень похоже на
гарантию, которую мы давали
нашим потребителям в случае перехода на 56-килобитную технологию
модемов, - сказал Гуай. -
Мы абсолютно уверены в направлении развития стандарта, так что легко
можем дать такую
гарантиютАЭ. Единственный серьезный вопрос, пока остающийся нерешенным
для Gigabit Ethernet,
по словам Гуая, - это возможность использования неэкранированной
витой пары. Но поскольку,
по его мнению, эта технология еще не скоро дойдет до уровня
настольных систем, пользователи
не пострадают от данного недостатка новой технологии.
Мелинда Лебарон, аналитик компании Gartner Group, советует
потребителям, которые уже
работают с Gigabit Ethernet, обратиться к производителям систем,
которыми они пользуются, по
поводу возможности внесения изменений на физическом уровне. Тем, кто
только предполагает
использовать Gigabit Ethernet, но пока не заключил договор с
каким-либо определенным
производителем, следует выяснить подобные планы у всех потенциальных
поставщиков.
СТАНДАРТЫ GIGABIT ETHERNET
Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение
физических
стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI
X3T11 Fibre Channel, точнее,
два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1
(кодирование и
декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre
Channel определяет в
настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet
она была увеличена до 1,25
гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем
скорость передачи
данных в 1 Гбит/с.
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. Учитывая
это, бюро по
стандартам IEEE удовлетворило в марте 1997 г. запрос на создание
отдельного комитета по
разработке стандарта физического уровня 1000BaseT для четырехпарных
кабелей с
неэкранированными витыми парами Категории 5 длиной 100 м (т. е. для
сетей с диаметром 200
м, как и в 100BaseT). Эта группа получила наименование 803.2ab.
Данный стандарт будет
опираться на иную схему кодирования, нежели Fibre Channel, и,
вероятнее всего, появится на год
позже, чем остальные три стандарта.
ТАБЛИЦА 1 - СТАНДАРТЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ
Интерфейс
физического
уровня
Тип кабеля
Максимальная
протяженность (в скобках
диаметр волокна)
Типичные приложения
1000BaseSX
Многомодовый кабель с
коротковолновым лазером (850 нм)
220 м (62,5 мкм); 500 м (50
мкм)
Короткие магистрали
1000BaseLX
Многомодовый и одномодовый
кабель с длинноволновым лазером
(1300 нм)
Многомодовый: 550 м (62,5
мкм);550 м (50 мкм)
Одномодовый: 5 км (9 мкм)
Короткие магистрали
Территориальные
магистрали
1000BaseCX
Короткий медный кабель
(STP/коаксиал)
25 м
Межсоединение
оборудования в
монтажном шкафу
1000BaseT
4-парный неэкранированный
Категории 5
100 м
Горизонтальные трассы
Все четыре стандарта отличаются покрываемыми расстояниями и
планируемыми применениями
(см. Таблицу 1).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАДЕРЖКА
Первоначальная дата принятия стандарта (март 1998 г.) была
перенесена комитетом IEEE
802.3z на более поздний срок, когда была обнаружена проблема
дифференциальной задержки
(Differential Mode Delay, DMD). Она проявляется только при
определенных комбинациях
излучателей (лазеров) и многомодового оптического кабеля невысокого
качества и не
свойственна менее скоростным технологиям.
Эффект дифференциальной задержки состоит в том, что один излучаемый
лазером импульс
света возбуждает несколько мод в многомодовом волокне. Эти моды, или
пути распространения
света, могут иметь разную длину и разную задержку. В результате при
распространении по
волокну отдельный импульс может даже разделиться на несколько
импульсов, а
последовательные импульсы могут накладываться друг на друга, так что
исходные данные будет
невозможно остановить.
Такая рассинхронизация (jitter) встречается все же довольно часто,
поэтому 802.3z Task Force
и отложила принятие стандарта. Предложенное решение заключается в
том, что световой сигнал
источника формируется предварительно специальным образом, а именно
свет от лазера
распределяется равномерно по диаметру волокна, в результате чего он
больше напоминает свет
от светоизлучающего диода. Цель подобной процедуры состоит в более
равномерном
распределении энергии сигнала между всеми модами.
РАСШИРЕНИЕ НЕСУЩЕЙ
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 (или кванта времени - time slot) 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). Мы выбрали 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. Конечно, за-частую и такого повышения достаточно, но все же
подобное решение очень
уж неэффективно.
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
передачу серии кадров подряд, а не протокольный блок данных третьего
уровня (пакет)). 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.
Проведенное AMD моделирование показывает, что в полудуплексной
топологии с
коллизиями сеть Gigabit Ethernet позволяет достичь пропускной
способности 720 Мбит/с при
полной нагрузки сети (см. Рисунок 2). Тем не менее подобные
ухищрения (расширение несущей
и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа
к среде CSMA/CD в его
теперешнем виде 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 полнодуплескной
топологии без коллизий
реальная пропускная способность может превзойти указанный
72-процентный барьер и
приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.
БУФЕРНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ
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.
МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ
Механизмы контроля потоков определяются стандартом 802.3х, и, в
принципе, их
использование необязательно. Суть их в следующем. 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.
ОСНОВНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Очевидно, что первоначально Gigabit Ethernet будет использоваться
для увеличения
пропускной способности каналов между коммутаторами и соединений
между коммутаторами и
серверами, о чем свидетельствует и тот факт, что среди первых
продуктов для Gigabit Ethernet
оказались именно гигабитные модули для коммутаторов и сетевые платы
для серверов.
Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет
резко поднять
пропускную способность магистрали вашей 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 пользователей мощных рабочих
станций.
Среди других потенциальных применений - модернизация локальной
магистрали Fast Ethernet
и территориальной магистрали FDDI. В последнем случае, например,
все, что нужно сделать, -
это установить новые интерфейсные модули в маршрутизаторы,
коммутаторы или
концентраторы (в зависимости от того, как организована сеть FDDI), а
саму проводку менять не
нужно. Наконец, высокопроизводительные рабочие станции можно будет
подключать к
концентраторам (если таковые появятся), буферным распределителям и
коммутаторам.
Гигабитное оборудование
Размышляя о закупке коммутатора для Gigabit Ethernet, следует в
первую очередь обращать
внимание на календарные планы поставок разных производителей, среди
которых есть новички
(вроде Alteon Networks, Extreme Networks, Foun-dry Networks, Packet
Engines и Prominet) и
крупные, устоявшиеся игроки (3Com, Bay Networks, Cabletron, Cisco
Systems).
Главное с технической точки зрения - чтобы коммутатор имел
пропускную способность
физического носителя (wire-speed throughput) на всех интерфейсах и
чтобы его шина могла
поддерживать работу всех портов с полной загрузкой. Некоторые
коммутаторы - например, Ace-
Switch компании Alteon - легко перегружаются.
Коммутатор Ace-Switch имеет восемь портов на 10/100 Мбит/с и два
порта Gigabit Ethernet,
однако пропускная способность его шины - всего 2,5 Гбит/с. "Поэтому
емкость устройства
практически полностью исчерпывается при подключении к нему двух
гигабитных каналов", -
говорит пользователь Gigabit Ethernet Стив Льюис, сетевой
администратор компании DynCorp.
Необходимо также выяснить, масштабируется ли сеть на большое число
коммутаторов,
считает Джеймин Патель, руководитель подразделения деловой
инфраструктуры
консультативной компании Predictive Systems.
"Покупатели должны задавать целый ряд вопросов, - говорит Патель. -
Поддерживаются ли
запасные каналы связи между коммутаторами? Возможна ли балансировка
нагрузки при
использовании нескольких каналов связи между коммутаторами? Каким
образом можно
связывать между собой отдельные участки гигабитной сети в пределах
кампуса?"
Покупателя может заинтересовать и то, поддерживается ли в устройстве
коммутация третьего
уровня. "Многие коммутаторы Gigabit Ethernet старшего класса
выпускаются со встроенными
функциями коммутации третьего уровня; таким образом, можно одним
выстрелом убить двух
зайцев", - говорит Мак-Аскилл.
Компании, подобные Rapid City Communications (недавно приобретена
Bay), Extreme и
Foundry, обеспечивают
коммутацию на скорости физического носителя и маршрутизацию на
каждом порту. Однако
некоторые производители - например, Pro-minet - пока не сумели
встроить в свои изделия
функции коммутации третьего уровня.
Несомненно, стоит ознакомиться и с тем, как поддерживаются основные
функции
коммутатора тАУ виртуальные LAN, зеркальное отображение портов,
многоадресная рассылка, а
также ограничения на поддерживаемое пространство MAC-адресов. Кроме
того, необходимо
проверить, можно ли подключить коммутатор к магистрали АТМ, - на тот
случай, если в
будущем понадобится совместно использовать эти технологии.
А как насчет поддержки QoS и протокола RSVP (Resource Reservation
Protocol) в
коммутаторах для Gigabit Ethernet? По мнению аналитиков, об этом
говорить пока рано. "RSVP
позволяет только запрашивать полосу пропускания; никто не
гарантирует, что сеть сможет
выполнить этот запрос или хотя бы отреагировать на него", -
утверждает Мак-Аскилл. К тому
же, стандарты в данной области появятся нескоро. Internet
Engineering Task Force пытается
установить соответствие между запросами RSVP и QoS стандарта ATM,
что позволит
объединять сети с передачей ячеек и пакетов и предоставлять единые
услуги. "Однако до этого
еще далеко", - говорит он. Тот, кому требуется QoS прямо сейчас,
должен обратить внимание на
АТМ.
Работа над стандартом Gigabit Ethernet будет закончена только в 1998
г., поэтому покупателю
остается либо надеяться на то, что оборудование разных
производителей окажется совместимым,
либо просто покупать все у одного производителя. В любом случае
стоит спросить у
производителя, можно ли будет модифицировать его продукты таким
образом, чтобы они
поддерживали окончательную версию стандарта.
Где и как применять Gigabit Ethernet
Стандарт Gigabit Ethernet (GE) появился в подходящее время.
Поскольку коммутирующие
устройства для сетей Ethernet с пропускной способностью 10 и 100
Мбит/с уже получили
достаточно широкое распространение, стандарт Ethernet на 1 Гбит/с
можно считать следующим,
вполне своевременным шагом. Однако Gigabit Ethernet не является
простым расширением
хорошо знакомого стандарта Ethernet. Хотя GE-устройства должны легко
встраиваться в
существующие сети и быть простыми в использовании и управлении, они
также должны
выдерживать большие нагрузки, а следовательно, иметь повышенную
надежность.
Ниже кратко описаны типы продуктов для Gigabit Ethernet, которые
появятся на рынке к
середине 1997 г., и те особенности, на которые пользователям следует
обратить внимание при
оценке таких продуктов.Для передачи данных с гигабитными скоростями
будут выпущены
продукты пяти типов: сетевой адаптер (network interface card - NIC)
Gigabit Ethernet,
соединяющие Ethernet-сегменты со скоростями 100 Мбит/с и 1 Гбит/с,
полностью гигабитные
коммутаторы и ретрансляторы, а также маршрутизаторы, способные на
такое быстродействие.
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. Стандарт Gigabit Ethernet
требует использования
адаптеров третьего поколения со встроенными RISC-процессорами,
выполняющими
интеллектуальные функции выгрузки, присущие конкретному хосту.
Поступающие данные направляются непосредственно из сети в области
памяти сервера,
которые сразу же становятся доступными для приложений. Это исключает
многократные
прерывания в процессе копирования пакетов.
Такие сетевые адаптеры могут вызывать единственное прерывание ЦП для
многих пакетов
данных. 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 тАЬадаптивныетАЭ
прерывания, частота которых может меняться в зависимости от загрузки
сети. Интеллектуальные
адаптеры Gigabit Ethernet будут оценивать загрузку сети, чтобы
определить, какой метод и когда
использовать.
Самые первые коммутирующие продукты распределятся по двум очевидным
направлениям:
некоторые из них будут просто предоставлять GE-порты, другие -
обрабатывать интенсивный
трафик внутренними средствами.
Другими словами, часть продуктов будет просто объединять несколько
портов Fast Ethernet в
единый интерфейс Gigabit Ethernet и, следовательно, потребует
пропускной способности всего в
несколько сотен Мбит/c. К ним, в основном, будут относиться
модернизированные продукты
Fast Ehternet, и их разумнее всего разворачивать на периферии
гигабитного ядра. Другие
коммутирующие продукты будут предназначены для поддержки гигабитной
пропускной
способности нескольких портов.
Роль коммутатора Gigabit Ethernet существенно отличается от роли
подобных коммутаторов
на 10 или 100 Мбит/с. Когда по магистрали локальной сети
устремляются гигабитные потоки
трафика, состоящего из смеси данных, графики, голоса и видео,
магистральные коммутаторы
должны обладать высоким уровнем функциональности. Управление
трафиком, контроль
перегрузок и обеспечение качества сервиса (quality-of-service -
QoS), которые до недавнего
времени были уделом АТМ, теперь становятся заботой Gigabit Ethernet.
В некоторых GE-коммутаторах полоса пропускания будет распеределяться
по очень простому
алгоритму, за счет чего резко снизится стоимость так называемых
тАЬтолстыхтАЭ каналов и появится
возможность реорганизовать сети с небольшими затратами, чтобы
удовлетворить большую часть
требований со стороны трафика. В других устройствах будут
реализованы возможности
улучшения QoS и сокращения объема широковещательной передачи на
основе предложенных
стандартов Real-time Transfer Protocol и Resource Reservation
Protocol .
Перед внедрением GE-коммутаторов потребуется провести их
дополнительное тестирование,
в результате которого должны быть получены гарантии, что они
совместимы с имеющимся
оборудованием третьего уровня и позволяют обеспечить простоту
конфигурирования и
управляемость сети. Выбор более простого подхода к обеспечению
широкополосности может
стать тактическим ходом. Однако со временем коммутаторы Gigabit
Ethernet должны объединить в себе технологии управления трафиком на
основе стандартов и
коммутацию транспортного уровня, чтобы получить возможность
соответствовать требованиям,
предъявляемым к большим сетям.
Разница между коммутаторами Gigabit Ethernet транспортного уровня с
функциями QoS и
АТМ-коммутаторами (а также между самими гигабитными коммутаторами)
будет достаточно
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.
Поэтому для модернизации сети до уровня Gigabit Ethernet, несложной
с точки зрения
использования имеющихся систем Ethernet, требуется тщательный учет
различных аспектов.
Gigabit Ethernet на UTP
На январском совещании рабочей группы было решено запросить
разрешение на начало
нового проекта, нацеленного на передачу сигналов с гигабитными
скоростями по
неэкранированной витой паре (unshielded twisted pair - UTP). В
качестве среды передачи данных
предложено использовать кабель пятой категории на неэкранированной
витой паре (ISO 11801),
по которому можно передавать данные на расстояния до 100 м.
Неэкранированный кабель пятой категории, содержащий четыре пары
проводов, является
наиболее распространенным типом кабельной проводки -примерно в
половине установленных
локальных сетей применяется именно он. Предполагается, что для
передачи данных со
скоростью 1000 Мбит/с по кабелю, рассчитанному на работу при
частотах не выше 100 МГц,
будут использованы последние достижения полупроводниковой технологии
и цифровой
обработки сигнала; это необходимо для кодировки сигнала и
балансировки линии.
Проблемы Gigabit Ethernet.
Вы наверняка наслышаны о следующем поколении Ethernet, технологии
Gigabit Ethernet,
обещающей сверхвысокую производительность для корпоративных сетей.
Возможно, вы также в
курсе, что сети Gigabit Ethernet появятся очень скоро, и все будут
использовать только их, что
поможет решить большинство ваших основных проблем с сетями.
По всей видимости, многие производители хотят, чтобы картина была
именно такой. Но на
самом деле технология Gigabit Ethernet не появится в ближайшее
время. Информация об уже
существующих готовых продуктах воспринимается весьма скептически. Да
и круг проблем,
которые технологии предстоит решить, весьма ограничен, по крайней
мере в этом десятилетии.
Некоторые производители в своих рекламных проспектах и пресс-релизах
уверяют, что
пользоваться этой технологией будет легче легкого, так как она
представляет собой тот же
Ethernet, хотя и значительно более мощный. Однако, работая в
условиях напряженной загрузки
сетей будущего, Gigabit Ethernet должен значительно превосходить по
своим функциональным
возможностям традиционный Ethernet. Простого количественного роста
недостаточно. Gigabit
Ethernet, например, придется работать с чувствительным к задержкам
информационным
потоком, да и вообще с такими типами трафика, которые сейчас трудно
себе представить.
Когда же на самом деле мы получим технологию Gigabit Ethernet?
Первые, я подчеркиваю,
первые стандарты могут появиться не раньше 1998 года. Но сейчас мы
даже не знаем, какие
правила передачи данных тогда будут действовать. Мы не знаем также,
какие ограничения на
расстояния будут актуальны к тому времени. К тому же в последний
раз, когда я интересовалась
этим вопросом, общепринятые стандарты на кабельную проводку для
локальных сетей не
предусматривали передачи данных со скоростью большей, чем 100
Мбит/с.
Даже если первые технологические стандарты появятся к 1998 году,
пройдет еще много
времени, прежде чем будет выработан полный комплект стандартов. Уже
более 80 придирчивых
компаний состоит на данный момент в сообществе Gigabit Ethernet
Alliance. Можете себе
представить, как быстро им удастся прийти к какому-либо решению.
Предсказания быстрого распространения технологий совершенно
голословны. В одном
заявлении, взятом на вооружение энтузиастами всего нового,
говорится, что 80% сетевых
администраторов планирует перейти на Gigabit Ethernet. Звучит
впечатляюще, но надо заметить,
что опрос проводился среди 40 крупнейших компаний (остальные
опрашиваемые представляли
сетевых интеграторов). Опыт мне подсказывает, что лидирующие
компании поддержат любое
начинание. Это вовсе не означает, что технология действительно
лучше, чем другие. Это не
означает также, что компания собирается заниматься данной
технологией.
Какие же проблемы может решить Gigabit Ethernet? Вероятно, если
возникнет
необходимость объединить несколько коммутаторов Fast Ethernet, эта
технология будет как
нельзя кстати. Однако сложные проблемы, с которыми многим
организациям предстоит
встретиться в ближайшие пять лет, выходят далеко за рамки
обеспечения более широких каналов
при объединении коммутаторов Fast Ethernet. В таких новых областях,
как корпоративные сети, а
также видео- и голосовые локальные сети, необходимо наличие системы,
умеющей обращаться с
множеством типов и непредсказуемыми моделями трафика.
Уже сегодня существует технология ATM (Asynchronous Transfer Mode -
режим
асинхронной передачи данных), способная решить подобные проблемы.
Зачем же ждать, пока
устаревающий Ethernet будет пересмотрен, переработан и переименован?
Я подозреваю, что производители, которые не могут похвастаться
выпуском работающей
продукции для ATM, пытаются попридержать рынок. Трудно поверить, что
сетевые
администраторы приостановят запланированные изменения и будут
терпеливо дожидаться
появления технологии Gigabit Ethernet.
Gigabit Ethernet не станет жизнеспособной системой еще как минимум в
течение полутора
лет, и, кроме того, многие проблемы этой технологии пока не решены.
Конечно, Gigabit Ethernet сыграет важную роль в объединении
коммутаторов Fast Ethernet,
но он никогда не сможет привлечь внимание тех сетевых
администраторов, которые хотят найти
решение основных проблем управления магистральной сети корпорации.
Некоторые изъяны инфраструктуры могут оказать пагубное влияние на
производительность.
Перегрузки способны вызвать значительные проблемы, так как некоторые
серверы, сетевые
платы, шины и другие сетевые компоненты могут не справляться с
гигабитными скоростями, что
приведет к досадным заторам в сети.
Недостаточная емкость памяти и кэша может также иметь негативный
эффект. Например,
системы, у которых емкость кэша меньше 1 Мбайт, особенно подвержены
перегрузкам.
Другой фактор - блокирующая или неблокирующая архитектура. Очевидно,
неблокирующая
архитектура имеет преимущества в области производительности, так как
она позволяет избежать
потери пакетов. Кроме того, неблокирующая архитектура
предпочтительнее при больших
объемах трафика.
Близкий вопрос - полнодуплексная или полудуплексная система.
Большинство коммутаторов
Gigabit Ethernet работают в полнодуплексном режиме, и, хотя у
двунаправленного канала есть
свои преимущества, полнодуплексная передача способна переполнить
сеть. Главное, чтобы
коммутаторы имели достаточно внутренней емкости для обслуживания
трафика.
Управление потоками имеет решающее значение для предотвращения хаоса
в сети. С
помощью протокола 802.3х принимающие устройства могут "попросить"
передающую станцию
приостановить передачу, пока буфер коммутатора не освободится для
приема следующих
данных. Эта схема пригодна для полнодуплексных каналов Ethernet,
Fast Ethernet и Gigabit
Ethernet. Но некоторые все же полагают, что этот подход недостаточно
эффективен, так как в
результате перегрузка перемещается из одной части сети в другую.
Gigabit Ethernet имеет относительно примитивные функции QoS, в
частности, по сравнению
с аналогичными функциями ATM. Несмотря на то что схемы, подобные
RSVP и RTP,
рассматриваются некоторыми специалистами как эффективные механизмы
для обеспечения
качества услуг в Gigabit Ethernet, они, скорее всего, не в состоянии
гарантировать достаточную
производительность для таких приложений, как видео и мультимедиа, в
особенности с их
усложнением в будущем.
Черновой стандарт IEEE 802.1q описывает теги для трафика в
виртуальных локальных сетях
(Virtual LAN, VLAN), а 802.1p - идентификаторы приоритета, с помощью
которых коммутаторы
могут передавать запросы конечных станций о получении приоритета для
их трафика вдоль пути
передачи данных.
Что касается производителей, их мнения относительно того, когда
качество услуг будет все
же реализовано, как правило, расходятся. "Мы станем поддерживать
RSVP, когда стандарт будет
окончательно готов", - говорит Рэнди Каук, системный инженер в
Foundry Networks. Однако
другие производители уже включают поддержку RSVP в свои продукты.
ВЕРСТОВЫЕ СТОЛБЫ
Ограничение на расстояние может стать весьма существенным фактором.
Спецификация
802.3 предусматривает ограничение на расстояние между станциями, а
это приводит к
проблемам при использовании таких высокоскоростных технологий, как
Gigabit Ethernet. Для
решения этой проблемы рабочая группа 802.3z предложила несколько
видоизменить схему
CSMA/CD в Gigabit Ethernet, чтобы протяженность сегмента при
гигабитных скоростях можно
было увеличить до 200 м.
Эта схема предусматривает увеличение минимального размера пакета с
64 до 512 байт.
Пакеты размером менее 512 байт дополняются до нужного размера,
благодаря чему передающая
станция может обнаружить коллизию до завершения передачи.
По утверждению Боба Гона, менеджера программы по Gigabit Ethernet в
3Com, "у некоторых
были сомнения относительно того, что некоторые типы оптического
кабеля смогут
поддерживать передачу на расстояния, определенные для Gigabit
Ethernet". Эти опасения
касались в первую очередь многомодового оптического кабеля, а
причиной беспокойства была
такая потенциальная проблема, как различие в задержке (Differential
Mode Delay).
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. Рисунок 3
иллюстрирует два различных сценария модернизации оптической сети.
Несмотря на опасения в связи с ограничениями на протяженность
многомодового
оптического кабеля модернизация оптической магистрали до гигабитных
скоростей не вызывает
особых проблем. В случае магистрали здания (А) пользователи
достаточно добавить коммутатор
Gigabit Ethernet, а в случае территориальной магистрали (Б)
модернизация осуществляется с
помощью Gigabit Ethernet или буферного дистрибьютора.
Размер кадра - весьма неоднозначный вопрос ввиду его потенциального
влияния на
производительность сети.
К счастью, Gigabit Ethernet использует тот же формат кадра (от 64 до
1500 байт), что и
стандартные Ethernet и Fast Ethernet.
Недавняя разработка предусматривает увеличение максимального размера
кадра Ethernet с
1500 до 9000 байт.
Называемые гига-кадрами (jumbo-frames), они уже реализованы в
системах Alteon Networks.
По словам директора по рыночным связям Дэвида Каллиша, реализовать
этот подход компанию
подтолкнуло, в частности, то обстоятельство, что многие пользователи
помещают серверы в
кольцо FDDI. При правильной реализации гига-кадры позволяют
сократить число
обрабатываемых сетевой платой кадров.
FDDI
Fiber Distribution Data Interface или FDDI был создан в середине
80-х годов специально для
объединения наиболее важных участков сети. Хотя для рабочей станции
скорость передачи
данных в 10 Мбит/с была великолепной, то для межсерверных
коммуникаций она была явно
недостаточна. Исходя из этих потребностей, FDDI был спроектирован
для связи между
серверами и другими важными участками сети и предусматривал
возможность управления
процессом передачи и его высокую надежность. Это основная причина
из-за который он до сих
пор занимает такое заметное место на рынке.
В отличие от Ethernet FDDI использует кольцевую структуру, где
устройства объединяются в
большое кольцо и передают данные последовательно один другому. Пакет
может проследовать
больше чем через 100 узлов, прежде чем дойдет до адресата. Но не
путайте FDDI с Token Ring! В
Token Ring используется только один маркер, который передается от
одной машине к другой.
FDDI использует другую идею - так называемый временной маркер.
Каждая машина посылает
данные следующей в течении определенного периода времени, о котором
они договариваются
заранее когда подключаются к кольцу. Станции могут посылать пакетов
одновременно, если
позволяет время.
Поскольку другие машины не должны ждать, пока освободится среда
передачи, то размер
пакета может достигать 20000 байт, хотя большинство использует
пакеты размером 4500 байт,
всего лишь в три раза больше пакета Ethernet. Тем не менее, если
пакет предназначен для
рабочей станции, подключенной к кольцу с помощью Ethernet, то его
размер не будет превышать
1516 байт.
Одно из самых больших достоинств FDDI - это высокая надежность.
Обычно он состоит из
двух или более колец. Каждая машина может получать и посылать
сообщения своим двум
соседям. Это схема позволяет функционировать сети даже если оборвали
кабель. Когда кабель
порван, устройства на обоих концах разрыва начинают работать как
заглушка и система
продолжает функционировать как одно кольцо, которое проходит через
каждое устройство
дважды.
Поскольку каждый конкретный путь однонаправлен и устройства передают
данные в
указанное время, то такая схема полностью исключает коллизии. Это
позволяет FDDI достичь
практически полной теоретической пропускной способности, которая
фактически составляет
99% от теоретически возможной скорости передачи данных. Высокая
надежность двойного
кольца при условии всего выше сказанного заставляет потребителей
продолжать покупать
оборудование FDDI.
Fibre Channel
Локальные сети, несмотря на несомненные достоинства, несут в себе и
ограничения,
являющиеся обратной стороной их гибкости и дешевизны. Прежде всего,
они связаны с тем, что
сеть по своему определению - разделяемый ресурс, обязанный всем
своим пользователям
обеспечить адекватный сервис. Естественно, возникают проблемы,
связанные с коллективным
доступом к разделяемому ресурсу, вызывающие определенное, пусть даже
фиксированное, время
ожидания обслуживания, а иногда и отказ в обслуживании. Управление
приоритетами
полностью эту проблему не решает. Кроме того, необходимость
маршрутизации, а также
фиксированная длина атомов данных приводят к потерям
производительности и избыточности.
Да и передача больших массивов данных связана с потерями из-за
фрагментации и высокой
вероятности ошибок. Кроме того, традиционные локальные сети
только-только добрались до
рубежа в 100 Мбит/сек, когда как для передачи полноформатного
сигнала телевидения высокой
четкости (1024х768, 32 бита, 30 кадров/сек) необходима
производительность 755 Мбит/сек.
В идеале, для задач, критичных к скорости и надежности, можно
построить сеть, состоящую
из двух узлов, работающих в дуплексном режиме, по сравнительно
простому протоколу с
минимальной избыточностью, и на оптическом кабеле, обеспечивающем
приемлемую полосу
пропускания. Недостаток такой сети налицо: она объединяет всего двух
участников обмена, да и
стоит изрядно. Тем не менее, есть немало приложений, когда можно
заплатить такую цену.
Например, если речь идет о взаимодействии внутри кластера
высокопроизводительных рабочих
станций или об обмене между кластером и интеллектуальным массивом
накопителей. Такая
технология получила название канала, а использование оптоволокна
предопределило название
Fibre Channel (FC).
Для создания стандарта Fibre Channel по инициативе компаний IBM, Sun
и HP создана Fibre
Channel Association.
FC - это технология, обеспечивающая высокоскоростной,
двунаправленный асинхронный
обмен между двумя точками. Для построения разветвленной сети
используются коммутаторы
соединений. Последовательный обмен позволяет при относительно малых
затратах обеспечить
значительную протяженность соединения. В отличие от других канальных
архитектур, FC
поддерживает сетевой обмен в формате IP. Так как нет необходимости в
разделении передающей
среды между несколькими абонентами, для каждого соединения
используется вся
производительности канала.
Декларированные скорости обмена для линий связи лежать в диапазоне
100 Мбит/сек -
1Гбит/сек. Длина каждой такой линии - до 10 км. Двунаправленность
канала, в случае
сбалансированной загрузки, обеспечивает удвоенную
производительность.
Кроме взаимодействия точка-точка FC поддерживает коммуникационные
протоколы FDDI и
IP. Поддерживается и обмен с устройствами SCSI, что весьма
существенно при работе с
массовой памятью. Таким образом, подключенному к FC-линку узлу
доступны не только
абоненты FC, но и взаимодействие с локальными и глобальными сетями.
FC-технология предоставляет три класса обслуживания. В отличие от
традиционных сетей,
любой класс обслуживания доступен всего на двух узлах. Кроме того,
каждый класс
обслуживания может быть интегрирован с сервисами других протоколов.
Класс 1 - это физическое соединение или система с коммутацией
соединений.
Класс 2 - коммутация пакетов без установления соединений, когда
обеспечивается
гарантированная передача с подтверждением о приеме.
Класс 3 - широконаправленное вещание без установления соединений и
подтверждения
получения.
Поддерживается также смешанный режим, Intermix. В этом режиме вся
полоса канала
выделяется под прямое соединение, но допускается его разделение
передачами без установления
соединений, когда некоторая часть полосы свободна. Смешанный режим
обеспечивает доступа
даже к тем узлам, которые обладают большой активностью, требующей
максимальной
пропускной способности.
Для построения FC-сетей, в основном, применяются три топологии.
Первая, применяемая наиболее широко, основана на коммутации
физических каналов и
требует как минимум одного переключателя. Вторая - это простое
соединение точка-точка.
Третья, называемая "Управляемая петля" (Arbitrated Loop), не требует
наличия переключателей и
использует медленные кабели, поэтому обладает ограничениями по
полосе пропускания и
возможному удалению узлов.
Все соединения являются физическими и каждое из них имеет
фиксированные концы,
определяемые в момент инициализации соответствующих узлов. В
качестве узла может
выступать интерфейс внешней сети, например ATM или FDDI.
В явном виде протокол спецификацией FC не определяется. Считается,
что операционной
системе уже известны адреса всех устройств, подключенных к FC, а
вопрос взаимодействия
возможен непосредственно на обслуживающие узлы программы.
Основы frame relay
Проблемы стандартизации
Ретрансляция кадров (frame relay, FR) - это метод доставки сообщений
в сетях передачи
данных (СПД) с коммутацией пакетов (в отличие от СПД с коммутацией
каналов и сообщений).
Первоначально разработка стандарта FR ориентировалась на цифровые
сети интегрированного
обслуживания (ISDN - Integrated Services Digital Networks), однако
позже стало ясно, что FR
применим и в других СПД (здесь под данными понимается любое
сообщение, представленное в
цифровой форме). К числу достоинств метода прежде всего необходимо
отнести малое время
задержки, простой формат кадров, содержащих минимум управляющей
информации, и
независимость от протоколов верхних уровней ЭМВОС.
В настоящее время разработкой и исследованием стандартов FR
занимаются три организации:
Frame Relay Forum (FRF) - международный консорциум, включающий в
себя свыше 300
поставщиков оборудования и услуг, среди которых 3Com, Northern
Telecom, Digital, Cisco, Netrix,
Ascom Timeplex, Newbridge Networks, Zilog и др.; American National
Standards Institute (ANSI,
Американский национальный институт по стандартизации); Международный
союз электросвязи
(ITU-T).
Любой международный стандарт имеет (и всегда будет иметь) множество
прикладных
реализаций, что зачастую приводит к несовместимости
аппаратно-программных средств разных
производителей. Международные организации неоднократно пытались
решить данную
проблему. Результатом одной из таких попыток (предпринятой FRF) стал
проект стандарта,
включающего в себя спецификации ANSI, которые обязательны для
выполнения членами FRF. В
январе 1992 г. этот проект был доработан Техническим комитетом FRF и
утвержден собранием
членов FRF.
Логическая характеристика протокола FR
FR является бит-ориентированным синхронным протоколом и использует
"кадр" в качестве
основного информационного элемента - в этом смысле он очень похож на
протокол HDLC (High
Level Data Link Control). Однако FR обеспечивает не все функции
протокола HDLC; многие из
элементов кадра HDLC исключены из основного формата кадра FR (в
последнем адресное поле и
поле управления HDLC совмещены в единое адресное поле). Структура
кадра FR (рис.1)
включает в себя следующие элементы.
Рисунок 1. Структура и формат кадра frame relay.
Одним из основных отличий протокола FR от HDLC является то, что он
не предусматривает
передачу управляющих сообщений (нет командных или супервизорных
кадров, как в HDLC).
Для передачи служебной информации используется специально выделенный
канал
сигнализации. Другое важное отличие - отсутствие нумерации
последовательно передаваемых
(принимаемых) кадров. Дело в том, что протокол FR не имеет никаких
механизмов для
подтверждения правильно принятых кадров.
Процедурная характеристика протокола FR
Протокол FR является весьма простым по сравнению с HDLC и включает в
себя небольшой
свод правил и процедур организации информационного обмена. Основная
процедура состоит в
том, что если кадр получен без искажений, он должен быть направлен
далее по
соответствующему маршруту. При возникновении проблем, связанных с
перегрузкой сети FR, ее
узлы могут отказываться от каких-либо кадров.
Узлам сети FR разрешено уничтожать искаженные кадры, не уведомляя об
этом
пользователя. Искаженным считается кадр, которому присущ какой-либо
из следующих
признаков:
нет корректного ограничения флагами;
имеется менее пяти октетов между флагами;
нет целого числа октетов после удаления бит обеспечения
прозрачности; наличествует
ошибка в FCS;
искажено поле адреса (для случая, когда проверка не выявила ошибки в
FCS);
содержится несуществующий DLCI;
превышен допустимый максимальный размер (в некоторых вариантах
реализации стандартов
FR возможна принудительная обработка кадров, превышающих допустимый
максимальный
размер).
Для FR характерно:
заполнение канала связи комбинацией "флаг" при отсутствии данных для
передачи;
резервирование одного DLCI для интерфейса локального управления и
сигнализации;
содержание поля данных пользователя в любом кадре не должно
подвергаться какой-либо
обработке со стороны АКД (могут обрабатываться лишь данные в
локальном канале
управления).
Управление доступом и защита от перегрузок
Управление доступом к сети FR возлагается на интерфейс локального
управления (Local
Management Interface - LMI). Именно LMI (он будет рассмотрен ниже)
реализует интерфейс UNI.
Доступ в сеть FR обеспечивают интерфейсы FR ("порты FR") и
FR-адаптеры -
сборщики/разборщики кадров FR (FR assembler/disassembler, FRAD).
Добиться высокой эффективности использования пропускной способности
физических линий
и каналов связи, а также исключения перегрузок узлов связи и всей
сети FR позволяет метод
статистического мультиплексирования кадров, который подразумевает:
постоянное "наблюдение" АКД за потоком заявок от пользователей на
передачу сообщений и
за текущей загрузкой сети (линий, каналов и узлов связи);
перераспределение свободного (и высвобождающегося) ресурса
пропускной способности в
соответствии с реальными потребностями абонентов;
предоставление пользователям каналов информационного обмена,
удовлетворяющих их
требованиям.
Данный метод обеспечивает синхронный ввод сообщений пользователей в
высокоскоростной
канал связи на основе соглашений, заключенных между пользователем и
поставщиком услуг
сети FR, которые включают в себя следующие параметры:
максимальный размер поля информации в кадре FR (в октетах);
пропускная способность порта, посредством которого абонент
подключается к сети FR;
гарантированная скорость передачи данных (Committed Information
Rate, CIR), при этом
обеспечивается требуемое качество доставки;
гарантированный объем передачи информации (Committed Burst Size, Bc)
- при обеспечении
требуемого качества доставки;
дополнительный объем передачи информации (Excess Burst Size, Be) -
качество передачи
данных может снижаться.
Предварительные соглашения реализуются следующим образом.
Абонент выбирает (и оплачивает) пропускную способность порта и
гарантированную
скорость передачи данных для PVC.
Узел доступа к сети FR измеряет "реальную потребность абонента" в
ресурсе пропускной
способности канала связи.
Если этот ресурс (выраженный реальной скоростью передачи информации)
не превышает
CIR, то кадры передаются без изменений. Если требуемая скорость
превышает CIR, но
соответствует пропускной способности порта, то бит DE
устанавливается в "1", что дает
возможность удалять эти кадры при возникновении перегрузок (абонент
также имеет право
решать, какие кадры для него менее важны). Наконец, если превышена
пропускная способность
порта, кадры уничтожаются вне зависимости от каких-либо условий.
Абонент способен воспользоваться предварительным соглашением и для
того, чтобы
уменьшить свои затраты следующим оригинальным способом. Некоторые
операторы сетей
(поставщики услуг) предлагают значительные скидки при передаче
кадров с битом DE,
установленным в "1". При наличии в сети значительного запаса
пропускной способности абонент
может определить CIR равной "0". В этом случае во всех передаваемых
кадрах бит DE будет
установлен в "1".
Адресация в сетях FR
Адреса DLCI в кадре FR служат лишь для идентификации логических
каналов между
пользователями и сетью; другими словами, они имеют только локальное
значение и не
обеспечивают внутрисетевой адресации. Все информационные кадры,
передаваемые через
конкретный логический канал в любом направлении (от абонента или к
абоненту), содержат
одинаковый DLCI.
В связи с тем, что DLCI носит локальный характер, АКД обязана
обладать способностью
определения принадлежности проходящего кадра конкретному PVC. Внутри
сети FR могут
использоваться различные сетевые адреса. Для разных интерфейсов одно
и то же значение DLCI
может применяться многократно.
Стандарты FR (ANSI, ITU-T) распределяют двухоктетные адреса DLCI
между
пользователями и сетью следующим образом:
0 - используется для канала локального управления (LMI);
13/415 - зарезервированы для дальнейшего применения; 1
63/4991 - используются абонентами для нумерации PVC и SVC;
9923/41007 - используется сетевой транспортной службой для
внутрисетевых соединений;
10083/41022 - зарезервированы для дальнейшего применения;
1023 - используются для управления канальным уровнем (в кадрах,
которые "переносят"
сквозные сообщения управления интерфейсом, связывающим протоколы
более высоких
уровней).
Таким образом, в любом интерфейсе FR для оконечных устройств
пользователя отводится
только 976 адресов DLCI.
Интерфейс локального управления
Протокол FR обеспечивает высокоскоростную транспортировку данных и,
соответственно,
предоставляет абоненту требуемый ресурс пропускной способности сети
(линий и каналов
связи). Поскольку этот протокол стандартизирован только для PVC, то
пока отсутствуют
стандарты для процедур установления и разъединения соединений. Кроме
того, не
рассматриваются процедуры управления потоком и исправления ошибок.
Таким образом,
протокол FR определяет лишь базовый механизм передачи данных и не
предполагает никакого
механизма локального управления и контроля за состоянием связи.
Интерфейс локального управления (LMI) был разработан, в первую
очередь, с целью
предоставления пользователю информации о состоянии и конфигурации
PVC. LMI применяется
только в оконечном аппаратно-программном обеспечении пользователя и
выполняет следующие
функции:
уведомление абонента о включении, наличии и отключении PVC;
уведомление абонента о готовности заранее сконфигурированного PVC;
последовательный опрос АКД для подтверждения целостности соединения.
При разработке новых стандартов FR интерфейс LMI входит в них
неотъемлемой частью,
поэтому международные организации, занимающиеся стандартизацией FR,
и фирмы-
производители проводят активную работу по скорейшему принятию
единого стандарта LMI.
Такой стандарт окажется особенно актуальным при переходе сетей FR на
SVC.
Логическая характеристика LMI
Интерфейс LMI соответствует логической и процедурной характеристикам
базового
стандарта FR. Различие состоит в расширении заголовка кадра FR с
целью размещения
дополнительных полей стандарта LMI, поэтому в дальнейшем расширенный
кадр FR мы будем
называть кадром LMI. Его базовый формат представлен на рис. 4 и
включает в себя (кроме
флагов и проверочной последовательности) следующие элементы.
8
7
6
5
4
3
2
1
Назначение
1
0
1
1
1
1
1
1
0
Флаг
2
0
0
0
0
0
0
0
0
Заголовок: DCLCI=0, CR=0
3
0
0
0
0
0
0
0
1
DE=0, FECN=0, DECN=0
4
0
0
0
0
0
0
1
1
Индикатор ненумерованного кадра
5
0
0
0
0
1
0
0
0
Определитель протокола
6
0
0
0
0
0
0
0
0
Вызываемый номер (только для SVC)
7
Тип сообщения
8
Первый информационный элемент
9
10
11
12
13
..
..
N-й информационный элемент
Проверочная последовательность
0
1
1
1
1
1
1
0
Флаг
Рисунок 4. Базовый формат кадра LMI.
Заголовок. Им служит стандартный заголовок FR, в котором адрес DLCI
всегда имеет
значение "0", показывающее, что это - кадр LMI.
Индикатор ненумерованного кадра. Данное поле всегда кодируют как
"00000011", чтобы
обеспечить процедурную и логическую совместимость с ISDN.
Определитель протокола. Этот октет всегда устанавливается в
"00001000", чем
обеспечивается процедурная и логическая совместимость с ISDN.
Вызываемый номер. Октет зарезервирован для организации SVC. При
создании PVC он
кодируется "00000000".
Тип сообщения. Данный октет предназначен для идентификации типа
управляющего
сообщения, передаваемого через интерфейс LMI. В настоящее время
стандартизированы три
типа управляющих сообщений - "Запрос установления соединения",
"Запрос разъединения" и
"Смешанное сообщение". Первые два типа относятся к SVC, а последний
- к PVC. В этом октете
восьмой бит всегда устанавливается в "0", а биты 7..5 - "111", что
указывает на смешанное
сообщение. Как кодируются остальные биты, показано на рис. 5.
Тип сообщения
8
7
6
5
4
3
2
1
Смешанные сообщения
0
1
1
1
-
-
-
-
Состояние
0
1
1
1
1
1
0
1
Запрос состояния
0
1
1
1
0
1
0
1
Рисунок 5. Кодирование поля "Тип сообщения" кадра LMI для смешанных
сообщений.
Информационные элементы. На них отводятся один или несколько октетов
в пределах кадра
LMI, т. е. информационные элементы имеют переменную длину.
Процедурная характеристика LMI
LMI предусматривает три стратегии локального управления:
синхронное симплексное управление (ССУ);
синхронное дуплексное управление (СДУ);
асинхронное управление (АУ).
Синхронное симплексное управление. Для осуществления ССУ
используются два типа
сообщений: "Запрос состояния" (STATUS ENQUIRY) и "Состояние"
(STATUS). С помощью этих
сообщений LMI проверяет целостность соединения, уведомляет о
включении или выключении, а
также о готовности PVC.
Синхронное дуплексное управление. При использовании ССУ
ответственность за генерацию
сообщения "Запрос состояния" лежит полностью на ООД, а за генерацию
сообщения
"Состояние" - на АКД. Такая процедура приемлема для многих
приложений, однако
предпочтительнее, чтобы каждая из сторон интерфейса LMI могла
обеспечивать требуемые для
противоположной стороны параметры и коэффициент готовности.
СДУ - необязательная часть стандарта FR, которая может
использоваться только при
заключении соглашения между сторонами (абонент-сеть). СДУ отличается
от ССУ только
одним: сообщения "Запрос состояния" и "Состояние" имеют право
передавать обе стороны
интерфейса (рис. 9). При СДУ обе стороны интерфейса FR передают
сообщение "Запрос
состояния" через определенный временной интервал (T391), "требуют"
ответа - сообщения
"Состояние" (T392), а также запрашивают информацию о полном
состоянии (N391).
Асинхронное управление. Главным недостатком ССУ и СДУ является
потенциальная
задержка информирования ООД (или АКД) об изменениях сетевых PVC.
Например, при
задержке, равной 60 с, и CIR 64 кбит/с пользователь направит в сеть
приблизительно 3,5 Mбит
данных, прежде чем получит информацию о состоянии PVC.
Стратегия АУ позволяет при изменении состояния PVC сети FR сразу
передавать
стандартные сообщения "Запрос состояния" и "Состояние". Эти
сообщения содержат
информацию только об отдельных PVC, которые изменили свое состояние.
Проверка
целостности соединения также основана на генерации
последовательности специальных
пронумерованных кадров и проверке корректности ее передачи. АУ может
осуществляться
совместно с ССУ и СДУ, однако если в сети FR применяются
одновременно SVC и PVC, то
рекомендуется использовать только АУ.
Некоторые дополнения
На первый взгляд, ретрансляция кадров является достаточно простым
механизмом
информационного обмена, но при более глубоком анализе оказывается
чрезвычайно сложной. FR
присущи практически все проблемы, связанные с обеспечением
надежности и качества передачи
сигналов (физический уровень ЭМВОС). При ее осуществлении необходимо
обеспечивать
синхронизацию и защиту от ошибок, которые, несмотря на высокое
качество линий и каналов
связи (это одно из основных условий применения FR), могут возникать
в случае сбоев в работе
аппаратно-программных средств связи.
Современный стандарт frame relay (FR) описывает протокол и интерфейс
"пользователь-сеть"
(ИПС) только для постоянных виртуальных каналов (ПВК), поэтому в
основном используется в
сетях со статическими методами и способами маршрутизации
информационных потоков. Вместе
с тем при создании глобальной широкополосной FR-сети, в которой
будут применяться
коммутируемые виртуальные каналы (КВК) и динамическое управление
потоками информации,
возникает необходимость объединения существующих корпоративных и
локальных FR-сетей.
Такая интеграция требует единого подхода к "философии"
функционирования КВК и разработке
стандарта интерфейса "сеть-сеть" (ИСС). В настоящее время
разработкой и исследованием этого
стандарта активно занимаются консорциум Frame Relay Forum (FRF),
Американский
национальный институт стандартизации (ANSI) и Международный союз
электросвязи (МСЭ).
ИСС - это интерфейс (шлюз), основным назначением которого является
обеспечение
эффективного взаимодействия нескольких FR-сетей в рамках глобальной
FR-сети с целью
высококачественного обслуживания (с высокой вероятностью
обслуживания заявки абонентов)
пользователей при ведении ими информационного обмена. Следовательно,
ИСС, в первую
очередь, должен поддерживать высокоскоростную доставку данных,
управление
информационными потоками при возникновении перегрузок, сигнализацию
и доставку
служебной информации о состоянии канала связи. Проект стандарта FRF
на ИСС аналогичен
стандарту на ИПС, но, в отличие от последнего, рассматривает
интерфейс локального
управления (LMI) только с асинхронным дуплексным управлением (АДУ).
Коммутируемые виртуальные каналы
Общепризнанно, что FR становится более эффективным методом доставки
сообщений при
условии использования КВК (которые создаются только на период
информационного обмена и
"закрываются" сразу после него). Однако реализация КВК, кажущаяся на
первый взгляд простой,
представляет собой наиболее сложную проблему при стандартизации
протоколов и интерфейсов
FR. Это связано, в первую очередь, с различными взглядами
производителей и международных
организаций на применение КВК в сетях FR. Более того, существует
точка зрения, в
соответствии с которой вообще ставится под сомнение необходимость
КВК. Поэтому FRF не
принял стандартов на применение КВК.
Для цифровых сетей с интеграцией услуг был принят только один
стандарт (рекомендация
МСЭ Q.933), который описывает системы сигнализации для служб
ретрансляции кадров. FRF
согласился лишь с тем, что указанная рекомендация будет служить
основой для будущего
стандарта на использование КВК. Однако она посвящена лишь логической
и процедурной
характеристикам протокола FR для КВК в любых FR-сетях (не
обязательно в цифровых сетях с
интеграцией услуг).
Поля, используемые в кадре КВК, идентичны полям кадра LMI-процедур -
за исключением
полей "Вызываемый номер", "Тип сообщения" и "Информационные
элементы".
Ретрансляция кадров и речевой трафик
Метод ретрансляции кадров разрабатывался как синхронный метод
доставки данных в ISDN
(и не только в ISDN). Соответственно, все реализующие этот метод
механизмы и качество
обслуживания (QoS) определялись для всех видов трафика, кроме
речевого. Традиционные сети
с пакетной коммутацией, использующие различные способы коммутации
пакетов, обычно
применяют низкоскоростные каналы связи и не имеют возможности
доставки сообщений,
чувствительных к задержке. Другими словами, для этих сетей
характерна большая часто
меняющаяся задержка доставки сообщений.
Известно, что такая задержка обуславливается, с одной стороны,
скоростью коммутации в
узле связи (УС), а с другой, пропускной способностью магистральной
линии связи. Значительное
снижение задержки может быть достигнуто за счет применения метода
ретрансляции кадров и
магистральных линий связи с высокой пропускной способностью. Таким
образом, FR-сеть
способна "транспортировать" чувствительный к задержкам трафик. Но
одно дело - передача
трафика данного типа по сети с динамической маршрутизацией, а другое
- обеспечение
приемлемого качества обслуживания пользователей.
Среди проблем, связанных с передачей речевого трафика, -
необходимость обеспечения
постоянной скорости такой передачи. Вся информация, которая
содержится в оцифрованном по
методу импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) речевом сигнале,
передаваемом со скоростью 64
кбит/с, важна для восстановления исходного речевого сообщения на
приемной стороне. Однако
разработаны методы, которые дают возможность снизить требования к
полосе пропускания
оцифрованного речевого сигнала:
компрессия (сжатие). Благодаря ей можно снизить скорость с 64 до 8
кбит/с и менее. Во
многих известных мультиплексорах реализованы алгоритмы, позволяющие
уменьшить скорость
передачи. Нижний предел сжатия речевого сигнала еще не достигнут,
исследования в данной
области продолжаются. Конечно, при увеличении степени компрессии это
начинает сказываться
на качестве восстанавливаемого речевого сообщения. Однако
человеческое ухо способно
уловить и распознать речь, которая была подвергнута очень сильному
сжатию;
детектирование шума (подавление речевых пауз). Исследования
показывают, что типичная
человеческая речь на 60-70% состоит из пауз. Их необходимо
детектировать, чтобы исключить
передачу шума через сеть и тем самым обеспечить высокую
эффективность ее
функционирования.
Эти и другие методы могут с успехом использоваться при пакетировании
оцифрованных
речевых сообщений. В настоящее время проводятся активные работы по
их стандартизации и
внедрению в различные службы передачи речевого трафика в пакетной
форме. Большинство
проблем стандартизации связано с "природой" самих сетей с пакетной
коммутацией. В первую
очередь, это относится к нумерации пакетов, которая необходима для
обеспечения
гарантированной доставки пакетов в их естественной
последовательности. Дело в том, что
пакеты могут иметь различные внутрисетевые задержки, обусловленные
всевозможными
экстремальными ситуациями в сети - отказами линий и узлов связи,
перегрузками, блокировками
и т. п.
ITU-T принял Рекомендацию G.764, которая определяет механизм
сегментирования
оцифрованного речевого сигнала и формирования соответствующих
пакетов. Однако этот
стандарт не решает многих проблем, к которым относятся:
детектирование шума с целью снижения объема входного трафика.
Необходимо
детализировать процедуры анализа входного речевого трафика,
подавления речевых пауз и
передачи синхронизирующих последовательностей для определения начала
и окончания речевых
и "неречевых" последовательностей;
нумерация серий пакетов для обеспечения доставки последних в их
естественной
последовательности. В случае потери пакета возможно одно из двух
решений: а) повторная
передача пакета от источника (что резко повышает общесетевую
задержку); б) передача адресату
"паузы" в том месте последовательности, где должен был находиться
утерянный пакет;
задержка при обеспечении синхронизации, цель которой - исключение
нарушений в
обслуживании пользователей. Процедура состоит из синхронизации всех
пакетов, при передаче
которых каждый УС вносит свою индивидуальную транзитную задержку. На
приемной стороне
входящие пакеты накапливаются в приемном буфере и поступают в ООД с
постоянной
задержкой.
С Рекомендацией G.764 тесно связана Рекомендация G.727, которая
определяет процедуры
обработки речевого сигнала в соответствии с алгоритмом адаптивной
дифференциальной ИКМ
(АДИКМ) и вводит понятия "информационных" и "дополнительных
служебных" бит.
Рекомендация G.727 устанавливает механизм разделения "речевого"
пакета на составные части, в
одной из которых размещаются информационные биты, а в другой -
дополнительные служебные
биты. Целью такого разделения является обеспечение возможности
уничтожения (при
необходимости) дополнительных служебных бит при доставке "речевых"
пакетов, что приводит
к уменьшению длины последних. А это, в свою очередь, способствует
снижению сетевой
нагрузки.
Базовая FR-сеть должна обеспечивать следующее:
требуемое качество обслуживания, что подразумевает малую вероятность
ошибки и
предоставление пользователю минимально необходимой пропускной
способности. Сеть должна
поддерживать доставку ООД абонентов всех пакетов, содержащих
информационные биты
(АДИКМ), при любых условиях функционирования;
возможность обслуживания пользователей, имеющих различные
приоритеты.
Чувствительный к задержке трафик должен иметь наивысший приоритет;
при его передаче
аппаратура канала данных (АКД) должна приостанавливать передачу
другого трафика
(сообщений, находящихся в выходной очереди). Это важное свойство
сети пока не отражено в
международных стандартах и его реализация полностью зависит от
производителей аппаратно-
программных средств для FR-сетей;
специальные процедуры, с помощью которых уничтожаются дополнительные
служебные
биты и, одновременно, защищаются информационные биты. Их
использование позволит
избежать негативных последствий, связанных с сетевой перегрузкой,
которая снижает качество
речевого сообщения;
применение методов подавления речевых пауз и/или компрессии речевого
сигнала (в точках
доступа), благодаря которым можно будет минимизировать объем
трафика, передаваемого по
сети;
уменьшение максимального размера кадров (наиболее вероятно - до 128
октетов) неречевого
трафика. Это позволит избежать появления задержек, связанных с
нахождением в очереди на
передачу очень длинных кадров. Однако это требование противоречит
основной цели
применения сетей с ретрансляцией кадров, в соответствии с которой
последние выступают в
качестве транспортной среды между отдельными ЛС, использующими, как
правило, кадры
больших размеров;
достаточно большую скорость передачи в магистральных линиях связи с
целью уменьшения
задержки, связанной с распространением сигналов. Скорость должна
составлять 2,048 Мбит/c и
выше.
Если эти условия выполнены (т. е. речевым кадрам действительно
присваивается наивысший
приоритет, сеть обеспечивает низкую вероятность ошибки на бит, а
также реализует методы
передачи только информационных бит и удаления дополнительных бит),
то существует
возможность передачи речевого трафика через FR-сеть.
FRF принял только один стандарт для FR-сетей, специализирующихся на
передаче речевого
трафика. В нем была предпринята попытка "перенесения" Рекомендации
ITU-T G.764,
определяющей стандарты для пакетирования речевого трафика, в
стандарты FR. На рис. 8
представлен механизм преобразования пакета G.764 в кадр FR. Пакет
G.764 имеет две части, в
первой из которых размещены информационные биты, а во второй -
служебные. Следовательно,
этот пакет может быть "вложен" в два кадра FR, один из которых
включает в себя заголовок
кадра и информационные биты, а другой - заголовок кадра и служебные
биты.
АКД всегда будет устанавливать такое значение CIR, при котором кадры
с
информационными битами будут гарантированно доставляться через сеть.
В кадрах с
дополнительными битами DE (бит, указывающий на то, что при
необходимости данный кадр
можно уничтожить) будет всегда устанавливаться в "1" абонентским
оборудованием (в точке
доступа к сети). Следовательно, такие кадры будут восприниматься АКД
как не требующие
выделения дополнительного ресурса пропускной способности.
При таком подходе возможна передача речевого трафика через FR-сеть,
но все процедурные
детали механизма доставки должны быть заранее оговорены.
Будущее высокоскоростных сетей.
С принятием стандарта Gigabit Ethernet скорости передачи свыше 1
Гбит/с стали
рассматриваться в качестве следующего ориентира. Что же эти новые
технологии могут собой
представлять и где они могут применяться?
В последние два года при упоминании в прессе или на компьютерных
выставках слова
Ethernet к нему часто добавляли Gigabit. В Ethernet нет ничего
нового, однако достижение этой
повсеместно применяемой технологией гигабитных скоростей ожидалось
рынком с нетерпением,
так что производители спешили опередить друг друга в предложении
продуктов.
В конце июня 1998 г. Институт инженеров по электротехнике и
электронике (IEEE)
ратифицировал стандарт Gigabit Ethernet 802.3z. Данный шаг был
скорее формальностью,
поскольку уже более года многие производят модули для каскадирования
и коммутаторы в
соответствии с данным стандартом. Между тем вместо того, чтобы
почивать на лаврах после
нескольких лет упорной работы над разработкой высокоскоростного
стандарта, сетевая отрасль,
похоже, не желает останавливаться на достигнутом и исследует
возможности достижения
скоростей свыше 1 Гбит/с.
Эти "мультигигабитные" технологии Ethernet находятся пока на
начальном этапе своей
разработки, поэтому еще рано составлять планы, как лучше
распорядиться дополнительной
пропускной способностью. Иными словами, время звонить местному
дистрибьютору и
спрашивать у него продукты быстрее Gigabit Ethernet пока не пришло.
Однако мы думаем, что
читателю будет небезынтересно познакомиться с состоянием дел в
разработке более быстрых
технологий 802.3 и стоящих на их пути препятствий. Появление
подобных технологий открыло
бы новые возможности для территориальных и глобальных сетей.
КОМУ ЭТО НУЖНО?
Учитывая, что стандарт IEEE 802.3z на Gigabit Ethernet был принят
совсем не давно и что во
многих корпоративных сетях только-только начинают осваиваться
гигабитные технологии,
возникает пессимистичный, но очевидный вопрос: кому нужна технология
Ethernet со
скоростями, превышающими 1 Гбит/с? Очевидно, мультигигабитные
скорости необходимы не
каждому и не во всякой сетевой среде, однако, согласно отраслевым
экспертам, данные
технологии найдут свое применение.
Дейв Робертс, директор по маркетингу маршрутизирующих коммутаторов
Accelar из
компании Bay Networks, считает, что сети Ethernet, функционирующие с
мультигигабитными
скоростями, постепенно займут место Ethernet на 1 Гбит/с. "С
увеличением скорости переход
будет происходить естественным образом во многом аналогично тому,
как это имело место с
100BaseT и Gigabit Ethernet, тАФ развивает он свою мысль. тАФ Сначала
новая технология
применяется в основном на линиях между коммутаторами и в соединениях
с серверами, т. е. там,
где совокупные объемы передаваемых данных велики. По мере снижения
стоимости она
начинает реализовываться и в качестве интерфейса с клиентами".
Робертс добавил, что
технология Ethernet на 1 Гбит/с распространится на другие области
сети помимо линий между
коммутаторами, а мультигигабитная технология может занять место
Gigabit Ethernet на
магистрали.
Следующий этап развития Ethernet наступит, когда пользователям
потребуются в
магистральной сети скорости передачи данных, превышающие гигабитные.
Кроме того, эта
технология может применяться сетевыми компаниями в их конкурентной
борьбе с
поставщиками телекоммуникационных услуг. Этого мнения придерживается
Лю Аронсон из
лаборатории HP Labs компании Hewlett-Packard (вместе с другими
исследователями он работает
над проектом повышения объема передаваемых данных по существующим
волоконно-
оптическим кабелям).
Таким образом, магистральные сети станут первым местом применения
мультигигабитных
технологий, когда пропускная способность в 1 Гбит/с окажется для них
недостаточной.
Применение последней из технологий Ethernet ограничивается в
основном территориальными
сетями комплекса зданий, но не стоит удивляться, если будущие версии
проникнут за их
пределы.
НАБИРАЯ СКОРОСТЬ
Еще несколько лет назад самой распространенной скоростью передачи
данных в сетях
Ethernet была 10 Мбит/с. В то время казалось, что для большинства
приложений этого вполне
достаточно. Между тем магистральные сети постепенно становились
"узким местом", а каналы
между коммутаторами перестали справляться с потоком данных. В
результате сообщество
производителей и IEEE стали искать возможности расширить 802.3
Ethernet за пределы 10
Мбит/с.
Задача состояла в том, чтобы найти способ отображать кадры Ethernet
на физический уровень,
функционирующий со скоростью более 10 Мбит/с. Стандарты Fast
Ethernet удалось принять и
внедрить относительно безболезненно, поскольку рабочая группа IEEE
решила заимствовать
технологию из сетей FDDI, поддерживающих скорости в 100 Мбит/с.
"Если взглянуть на стандарты 100BaseFX и 100BaseTX, то они, по сути,
представляют собой
модификацию физического уровня FDDI, тАФ говорит Дейв Робертс из
компании Bay Networks. тАФ
Соответствующие микросхемы уже были реализованы, а это огромное
преимущество". Кроме
того, производители и пользователи знали, как данная технология
должна работать, что
позволяло значительно ускорить процесс разработки и стандартизации.
"Образно говоря, мы
знали, как добраться из пункта A в пункт B", тАФ добавил Робертс.
Аналогично, когда начались дискуссии о том, как передавать кадры
Ethernet со скоростью 1
Гбит/с, разработчики стандартов обратились к апробированной
технологии, наиболее для этого
подходящей. В результате они позаимствовали характеристики
физического уровня Fibre
Channel тАФ после определенной доработки эта технология была способна
передавать трафик
Ethernet с невообразимой ранее скоростью. "Хотя сети Fast Ethernet
работали с более низкими
скоростями, разговоры с производителями показали, что имеющиеся
компоненты Fast Ethernet
будет достаточно легко использовать для реализации гигабитных
скоростей, тАФ говорит Робертс.
тАФ Встретившиеся препятствия были вполне преодолимы".
Поскольку такая практика заимствования позволяет не разрабатывать
новую технологию
целиком, реализация как стандарта 802.3u (Fast Ethernet), так и
802.3z (Gigabit Ethernet) заняла
менее трех лет. Подобные сжатые сроки были практически немыслимы,
когда речь шла о таких
важных спецификациях, как Ethernet. Здравый смысл подсказывает, что
определение стандартов
Ethernet для скоростей свыше 1 Гбит/с потребует несколько больше
времени. Тому есть
несколько причин.
Прежде всего, это отсутствие согласия по поводу того, что Ethernet
будет представлять собой
на следующем эволюционном шаге своего развития. Многие призывают к
скачку сразу до 10
Гбит/с, в то время как другие предпочитают более осторожный подход,
предлагая в качестве
отправной точки 2 Гбит/с с постепенным увеличением скорости до 4, 8,
а возможно, и 10 Гбит/с.
"Сегодня 10 Гбит/с воспринимается в качестве следующего шага, но это
слишком большой
прыжок, тАФ считает Робертс. тАФ Совершить его будет очень и очень
непросто".
Еще одной причиной того, почему мультигигабитная технология Ethernet
может оказаться не
столь легко достижимой целью, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet,
является отсутствие
физического уровня, которым бы разработчики стандарта могли
воспользоваться для передачи
кадров Ethernet с еще более высокой скоростью.
"Ввиду отсутствия очевидного кандидата на роль физического уровня в
10 Гбит/с, который
мы могли бы использовать (или который кто-то уже разработал),
предстоящий путь потребует
определенных усилий", тАФ говорит Робертс.
Вероятным претендентом на роль такого транспорта может стать SONET,
механизм, который
технология ATM использует для достижения высоких скоростей передачи
данных.
Отображаемые в транспортный сервис SONET ячейки ATM могут
передаваться со скоростями
155 Мбит/с (соответствующей SONET OC-3) или 622 Мбит/с
(соответствующей OC-12).
Достоинством SONET является возможность масштабирования. Уровень
OC-48 около 2,4
Гбит/с уже определен, а в принципе SONET может наращиваться до
OC-192 (около 10 Гбит/с) и
выше. Похоже, SONET имеет смысл использовать для мультигигабитных
сетей Ethernet, однако
разработчики должны определить, как отображать более высокие уровни
Ethernet на физический
уровень. Для SONET характерны такие недостатки, как высокие
накладные расходы, но тем не
менее возможность получить готовый транспорт для скоростей свыше 1
Гбит/с остается очень
привлекательной и с точки зрения стоимости. Если SONET, в конечном
счете, найдет место в
будущих стандартах, то это откроет естественный способ расширения
технологии Ethernet в
область глобальных сетей.
тАЬЕще один подход к достижению скоростей свыше Gigabit Ethernet
состоит в применении
транкинга тАФ метода, когда несколько линий объединяются в один
логический канал, тАФ поясняет
Дуг Руби, вице-президент по маркетингу продуктов компании Lucent
Technologies. тАФ Вместо 1
Гбит/с вы можете получить совокупную пропускную способность в 2 или
5 Гбит/с (в
зависимости от потребностей)тАЭ. Он добавил также, что благодаря
транкингу пользователи не
ограничены пределом 1 Гбит/с, и им не нужно переходить на какую-то
новую технологию.
Между тем независимо от того, какой физический уровень и какой метод
будет выбран в
качестве базиса для разработки мультигигабитных технологий Ethernet,
неизменным остается
вопрос тАФ способность проложенной оптической кабельной системы
поддерживать возросшую
скорость передачи данных и доставлять их на нужные расстояния.
ПРОБЛЕМЫ РАССТОЯНИЯ
В период утверждения стандарта 802.3z организация Gigabit Ethernet
Task Force столкнулась
с так называемой дифференциальной задержкой (Differential Mode
Delay, DMD), тАФ она состоит в
рассинхронизации сигналов при применении лазеров для передачи данных
на большие
расстояния по многомодовому волоконно-оптическому кабелю. Из-за
высоких скоростей Gigabit
Ethernet эта технология оказалась первой, где обнаружилась подобная
проблема. (Подробнее о
DMD рассказывается во врезке "Небольшая задержка".)
Кроме того, физические характеристики многомодового
волоконно-оптического кабеля не
позволяют применять Gigabit Ethernet на очень больших расстояниях, а
с увеличением скорости
проблемы лишь усугубляются. "Ясно, что многомодовый
волоконно-оптический кабель достиг
потолка своей пропускной способности, тАФ говорит Аронсон из HP Labs.
тАФ Речь может идти
лишь о коротких участках длиной в 275 м для 62-микронного
волоконно-оптического кабеля при
максимуме в 550 м, но в случае четырех-, восьми- или десятикратного
увеличения скорости
Gigabit Ethernet эти расстояния придется пропорционально сократить".
Для многих приложений это окажется бесполезным, поскольку
протяженность
магистрального канала составляет обычно как минимум 300 м. Аронсон
отметил, что, если взять
в качестве примера Ethernet на 10 Гбит/с, предельное расстояние для
многомодового волоконно-
оптического кабеля составит от 50 до 70 м, чего, очевидно,
недостаточно даже для настольных
систем, не говоря уже о магистралях.
Одним из лежащих на поверхности решений является применение
одномодового волоконно-
оптического кабеля, что устраняет проблему DMD. Между тем, по мнению
Брайана Лемоффа,
технического специалиста HP Labs, использование одного лазера для
передачи данных с высокой
скоростью на большие расстояния по одному оптическому волокну все
равно не решит
проблемы ограничений на максимально допустимое расстояние. К тому же
в большинстве
существующих инсталляций применяется многомодовый
волоконно-оптический кабель, и
пользователи вряд ли захотят заменять свою дорогостоящую кабельную
инфраструктуру.
"Единственным реальным решением задачи многократного увеличения
пропускной способности
волоконно-оптического кабеля остается технология мультиплексирования
с разделением по
длинам волн (Wavelength Division Multiplexing, WDM)", тАФ считает он.
WDM предусматривает
передачу световых импульсов по одному и тому же оптическому волокну
одновременно
несколькими лазерами. (Подробнее о WDM рассказывается в статье Э.
Кларк "WDM: новые
горизонты оптоволокна" в апрельском номере LAN за прошлый год.)
Исследователи из
лаборатории HP Labs работают над проектом применения четырех
недорогих лазеров для
передачи на четырех длинах волн, в результате чего ограничения на
расстояния останутся
прежними, а совокупная пропускная способность увеличится.
На весенней выставке и конференции Networld+Interop 1998 г.,
проходившей в Лас-Вегасе,
специалисты HP продемонстрировали возможность увеличения скорости
передачи данных по
каждому из четырех каналов кабеля до 2,5 гигабод при совокупной
скорости передачи 10 гигабод
на расстояние до 275 м. (Скорость измерялась в гигабодах, а не в
гигабитах, поскольку
демонстрация проводилась на физическом уровне без кодирования
Ethernet.)
Чтобы сделать мультигигабитные технологии реальностью, коллектив
Лемоффа
рассматривает несколько конфигураций WDM. Одна из них состоит из
четырех каналов, на 1,25
гигабод каждый (всего 5 гигабод), при расстоянии 275 м. С учетом
кодирования Ethernet это
позволяет получить скорость передачи до 4 Гбит/с (из-за 20%
накладных расходов).
Другой сценарий дает возможность удвоить скорость при сокращении
расстояния вдвое, т. е.
достичь скорости 10 гигабод на участке длиной 150 м. При изменении
схемы кодирования
достигаемая скорость может оказаться близка к 10 Гбит/с. В противном
случае (при сохранении
схемы кодирования) она составит 8 Гбит/с (из-за накладных расходов).
Последним вариантом, который исследователи из HP Labs и считают
наиболее
перспективным, является применение лазерной технологии с длиной
излучаемой волны 1300
нанометров в целях увеличения расстояния до 600тАУ700 м. Если скорость
передачи данных по
каждому каналу удвоить до 2,5 гигабод, то покрываемое расстояние для
многомодового
волоконно-оптического кабеля уменьшится примерно до 300 м. Данная
технология совместима
также с одномодовыми волоконно-оптическими кабелями, протяженность
которых может
достигать 10 км.
Эти 1300-нанометровые лазеры намного дороже тех, которые работают на
более коротких
длинах волн, но коллектив разработчиков HP считает, что достижения в
области резонаторных
поверхностных лазеров (vertical-cavity surface emitting laser)
способны снять проблему высокой
стоимости. Между тем эти исследования только начались, и для
достижения результатов
предстоит проделать долгий путь.
тАЬМы не стремимся конкурировать с телекоммуникационными компаниями в
области
дальней связитАЭ, тАФ сказал Лемофф. Он пояснил, что HP пытается создать
модуль, стоимость
которого примерно эквивалентна стоимости существующих модулей
Gigabit Ethernet. Этот
модуль будет иметь приблизительно тот же размер и позволит применять
те же самые разъемы
для многомодового волоконно-оптического кабеля.
тАЬПереход от Gigabit Ethernet к технологии на основе WDM потребует
поэтапного решения
нескольких важных технических проблем, тАФ считает сотрудница
лаборатории HP Labs Лайза
Бакмэн. тАФ Нам понадобятся оптические компоненты для объединения и
разделения светового
сигнала с разной длиной волны и лазерная технология, отличная от
той, что мы сегодня имеемтАЭ.
Она отметила также, что ее коллектив работает над технологией
физического уровня,
использовать которую могли бы любые технологии более высокого
уровня, например Ethernet
или ATM.
КАЧЕСТВО УСЛУГ
Если одни производители и пользователи с пониманием и воодушевлением
относятся к
перспективе передачи кадров Ethernet со скоростями свыше 1 Гбит/с,
то другие имеют на этот
счет иное мнение. тАЬМожет быть, вместо того, чтобы тратить время и
деньги на разработку
технологии следующего поколения, лучше с максимальной выгодой
использовать то, что мы
имеем сегодня?тАЭ тАФ спрашивают они. Дуг Руби из компании Lucent тоже
задается этим
вопросом. В январе 1998 г. Lucent завершила 200-миллионную сделку по
приобретению фирмы
Prominet, пионера в области разработки Gigabit Ethernet. Она стала
частью группы по продуктам
для корпоративной инфраструктуры в организации сетевых систем
передачи данных компании
Lucent.
тАЬМне кажется, пока слишком рано говорить, что следующим шагом будет
Ethernet на 10
Гбит/с. Более того, я абсолютно уверен, что следующий шаг будет
инымтАЭ, тАФ полагает Руби. Он
говорит, что при появлении три года назад технология Fast Ethernet
сразу стала пользоваться
устойчивым высоким спросом, однако, если сравнивать с историей Fast
Ethernet, Gigabit Ethernet
появился слишком рано, поэтому его пропускной способности хватит еще
надолго. Из-за этого
Руби больше волнуют вопросы обеспечения на гигабитных скоростях
качества услуг (Quality of
Service, QoS).
тАЬСегодня стандарты определяют не просто передачу битов по кабелю, а
построение всей
коммутационной системы, такой, как ATM, а это уже не просто
физический уровень OC-3, а
целый комплекс спецификаций (таких, как управление потоком данных и
маршрутизация), тАФ
говорит Руби. тАФ Я считаю, что Ethernet будет развиваться в том же
направлениитАЭ.
Он добавил, что несмотря на то, что некоторые проблемы качества
услуг можно разрешить в
рамках таких стандартов, как IEEE 802.1p (для описания полей пакетов
для задания различных
уровней приоритетов) или RSVP (для запроса у маршрутизатора
требуемых ресурсов), они все
же не решают всех проблем. тАЬМне часто приходится разговаривать с
администраторами сетей,
но они затрудняются ответить, сколько они готовы потратить на
управление пропускной
способностью в локальной сети, тАФ рассказывает Руби. тАФ Они могут
расходовать немало средств
на каналы глобальных сетей, но к локальным сетям это не имеет
отношениятАЭ. По этой причине
качество услуг не обеспечивается даже в тех территориальных сетях,
где используется ATM тАФ
все данные там доставляются по мере возможности. Качество услуг
предоставляется обычно на
границе сети тАФ между локальной и глобальной сетью.
Существующие протоколы обеспечения QoS критикуют за то, что они (в
частности, протокол
RSVP) недостаточно хорошо масштабируются для мультимегабитной
Ethernet. Вместе с тем
Руби считает, что масштабирование тАФ не проблема. Проблема
заключается в том, как заставить
приложения сообщать сети требования к пропускной способности и
задержке при передаче.
тАЬПриложения не понимают требований к пропускной способности и
задержке и ничего не знают
о реальных возможностях сети, тАФ говорит Руби. тАФБольшинство
администраторов сетей,
которых я знаю, с большой настороженностью относятся к тому, что
приложения должны будут
обращаться к сети с запросами по поводу необходимых ресурсовтАЭ.
Такие протоколы, как RSVP, IEEE 802.1p и 802.1Q (еще один метод
задания меток пакетов в
соответствии с приоритетом), позволяют в определенных ситуациях
максимально эффективно
использовать имеющуюся пропускную способность, но Руби также
является сторонником
управления сетью в соответствии с правилами. Данная концепция,
привлекающая к себе сегодня
немало внимания, позволяет сделать сеть интеллектуальнее тАФ она будет
больше знать о типе
передаваемого трафика и о том, куда направляются данные. Руби
говорит, что за счет
применения элементов управления, определения пользователей, групп
приложений и сетевых
объектов, контроля за использованием ими сетевых ресурсов имеющейся
пропускной
способности будет достаточно для большинства клиентов. тАЬЯ убежден,
что для решения в
кратчайшие сроки проблемы пропускной способности нам нужно вернуться
назад к вопросам
качества услуг, рассмотрев их с точки зрения администраторов сетейтАЭ,
тАФ полагает Руби.
ЧЕГО НАМ ЖДАТЬ?
Итак, для перехода к мультимегабитным сетям Ethernet еще предстоит
решить немало
проблем. Хотя исследования и разработки различных аспектов данной
технологии уже начались,
до появления конечного продукта нужно пройти немалый путь. Теперь,
когда IEEE
ратифицировал стандарт 802.3z, мы можем ожидать, что вскоре
кто-нибудь предложит создать
еще одну рабочую группу для разработки Ethernet следующего
поколения.
Когда отрасль будет иметь лучшее представление о потенциальных
способах использования
мультимегабитных сетей Ethernet и о препятствиях на пути к их
созданию, приверженцы Ethernet
(даже при появлении более быстрых и привлекательных технологий)
получат еще одну новую
возможность.
Небольшая задержка
С переходом технологии Ethernet к скоростям 100 Мбит/с и 1 Гбит/с
разработчики
столкнулись с тем, что импульсы лазерного света проходят по
многомодовому оптическому
волокну по разным маршрутам. Часть из них следует по прямой вдоль
центральной оси
оптического волокна, другие же на своем пути отражаются от
поверхности волокна. Чем
большее расстояние проходит импульс, тем сильнее он размазывается,
поскольку для одних
импульсов маршрут оказывается короче, чем для других.
Это явление, получившее название дифференциальной задержки моды
(Differential Mode
Delay, DMD), затрудняет прием импульсов на другом конце кабеля
(приемнику труднее их
различить). На больших скоростях передачи данных проблема DMD,
характерная для
многомодового волоконно-оптического кабеля из-за его способности
поддерживать несколько
мод, становится еще более острой.
Такое явление, как DMD, существовало всегда, но до того, как
гигабитные скорости стали
возможными, оно не представляло проблем. тАЬИз-за DMD импульс света
тАЬсмазываетсятАЭ на
другом конце многомодового волокна, и принимающему трансиверу трудно
различить импульс,
тАФ говорит Дейв Робертс, директор по маркетингу Accelar компании Bay
Networks. тАФ При
гигабитных скоростях импульсы следуют с очень малыми интервалами, и
любое тАЬсмазываниетАЭ
приводит к наложению соседних импульсовтАЭ. В технологии Fast Ethernet
промежуток между
импульсами в десять раз больше, чем в случае Gigabit Ethernet.
Явление DMD возникает не в каждом волокне и не для каждого лазера тАФ
проблема возникает
только при определенной комбинации лазера и кабеля. Тем не менее оно
заставило рабочую
группу Gigabit Ethernet Task Force пересмотреть некоторые оптические
спецификации стандарта
802.3z.
При увеличении скорости передачи данных в сети Ethernet DMD может
потенциально
вызвать немало проблем, поскольку оно характерно для многомодового
кабеля, широко
применяемого в современных кабельных системах. Избежать данной
проблемы позволяет
использование одномодового волоконно-оптического кабеля, в котором
явление DMD не
возникает (однако это очень дорогостоящее решение), или учет DMD при
разработке
мультигигабитных стандартов.
Выводы
До настоящего времени системные администраторы были ограничены в
выборе средств для
построения центральных магистралей своих сетей. С появлением новых
технологий возникла
другая проблема тАУ что выбрать? Это была серьезная борьба всех трех
стандартов, но в конце
концов победил FDDI.
Хотя сегодня FDDI занимает прочное положение на рынке, мы не
принимали это во
внимание. До недавнего времени это был действительно единственный
выбор. Он обладает
репутацией старой, проверенной технологии. FDDI победил потому, что
он получил хорошие
или отличные оценки во всех оцениваемых категориях.
Решающим фактором в нашем сравнении стала категория надежности, где
FDDI получил
высшую оценку. Архитектура двойного кольца позволяет функционировать
системе даже при
обрыве кабеля и быстро находить неисправность. Установка и настройка
не вызывает ни каких
проблем, да и при оценке скорости передачи данных он не казался
очень медленным. Во время
дневных тестов все три конкурента показывали примерно равные
скорости. В ночных тестах
FDDI немного уступал в скорости АТМ. Тем не менее ясно, что FDDI -
заходящая звезда в
галактике сетевых технологий и дни ее сочтены.
С другой стороны Fast Ethernet - это восходящая звезда. Эта
технология занимает второе
место и очень сильно приближается к FDDI. Fast Ethernet имеет два
преимущества - низкая
стоимость популярность ее предшественницы, технологии Ethernet.
Fast Ethernet доказала свою простоту в установке и хорошо держалась
в скоростных
испытаниях против АТМ. В категории стоимости она получила высшую
оценку, правда на
удивление близко с ней оказалась и FDDI.
Хотя некоторые поставщики и предлагают свои высоконадежные решения
на базе Fast
Ethernet, базовая технология не предусматривает никакого механизма
повышения надежности.
Этот недостаток, наряду с тем фактом что Fast Ethernet не обладает
развитыми функциями
управлением, привели к тому что он занял лишь второе место.
155 Мбит/с АТМ технология самая молодая из трех. Настолько новая,
что чернила еще не
успели высохнуть на ее спецификациях. (На самом деле это означает,
что не все стандарты еще
устоялись, особенно в области технологий глобальных сетей). Правда,
АТМ уже сейчас
предлагает самую высокую скорость передачи данных (155 Мбит/с против
100 Мбит/с у Fast
Ethernet ). А в будущем, возможность очень простой модификации
оборудования и скорость
передачи данных до 2.54 Гбит/с если конечно это будет работать.
Как и Fast Ethernet АТМ победила в двух категориях из шести. Но
очень плохие результаты в
категории установка и настройка отбросили ее на третье место.
Установить само оборудование
не тяжело, но если вы хотите использовать LANE, то это потребует от
вас больших усилий и
головной боли, если вы конечно не любите вводить 40-разрядные
адреса. Изощренные функции
управления сетью дают администратору полный контроль над всей сетью
и скоростью передачи
данных в ней. Это свойство очень сильно повышает рейтинг АТМ.
Главное достоинство Gigabit Ethernet состоит, по выражению Джефа
Мартина, менеджера по
маркетингу продуктов в Bay Networks и вице-президента по
коммуникациям в Gigabit Ethernet
Alliance, "во второй части названия". "Благодаря использованию
кадров Ethernet он выглядит как
Ethernet и представляет расширение того, к чему пользователи давно
привыкли".
Стоимость составляет другое достоинство Gigabit Ethernet. Данные о
цене за порт для
различных типов систем, включая разделяемый и коммутируемый Gigabit
Ethernet, приводятся
обычно на основании информации Dell'Oro Group и целей IEEE. Согласно
этим данным,
гигабитные системы имеют весьма привлекательные цены из расчета
около 920 (разделяемый) и
1400 (коммутируемый) долларов за порт по сравнению с коммутируемым
FDDI (1850 долларов)
и ATM на 622 Мбит/с (2800 долларов).
"Интересно взглянуть на различия в ценах на маршрутизацию и
коммутацию, - говорит
Пасмор из Decisys. тАУ Вы сможете получить маршрутизацию по цене
коммутации. ASIC - это
ASIC, и производителю изготовление продукта, "умеющего" осуществлять
маршрутизацию на
третьем уровне, обойдется во столько же, что и "не умеющего" это
делать. Данное
обстоятельство вызовет большие перемены в отрасли".
Gigabit Ethernet масштабируема и способна обеспечить весьма
эффективную структуру из
конца в конец. Кроме того, миграция от существующих сетей к Gigabit
Ethernet относительно
проста. (Но это не означает, что Gigabit Ethernet вписывается без
проблем в любую архитектуру,
о чем мы поговорим в разделе об интероперабельности.)
Два фактора оказываются не в пользу Gigabit Ethernet. Во-первых, она
опирается на схему
передачи без установления соединения, причем пакеты имеют переменную
длину. Во-вторых,
несмотря на то что рабочая группа 802.3ab работает над
спецификациями физического
интерфейса для UTP Категории 5 протяженностью 100 м, наиболее
вероятной средой передачи
для такой высокоскоростной технологии будет служить оптоволокно, а
это означает более
высокие цены на оборудование.
Несмотря на плавность перехода от Ethernet 10/100 к Gigabit Ethernet
в общем случае
интероперабельность не является чем-то безусловным. Производители
реализуют технологию
каждый по-своему, а это означает, что некоторые продукты не смогут
должным образом
взаимодействовать друг с другом.
Вместе с этим смотрят:
Вычислительные системы и микропроцессорная техникаВычитание в позиционных системах счисленияГазозарядные мониторыГенератор случайных чисел