1. Úvod
Tato práce je koncipována jako výpis a shrnutí důležitých poznatků, vlastností a principů technologie obecně známé jako Ethernet, jinak technologie standardu IEEE 802.3 (dále jen „Ethernet“), obecně za účelem jejího přiblížení uživatelům IT, studentům středních škol IT zaměření a jiným.
Neklade důraz za detailní osvětlení principů, výrobních procesů spojených s Ethernetem, ani na vysvětlení vlastního zajištění síťové komunikace na úrovni fyzické vrstvy modelu ISO/OSI, ale zaměřuje se pouze na věci nezbytné k pochopení principiální teoretické funkce Ethernetu.
Z důvodu poměrně odborného pojetí práce jsou pro plné porozumění nutné alespoň základní znalosti v oblasti síťové techniky a světa IT; proto také základní pojmy a termíny z tohoto sektoru nebudou vysvětlovány; ostatní budou vysvětleny přímo v textu.
2. Historie Ethernetu
2.1. POČÁTKY ETHERNETU
Ethernet je synonymem pro sítě standardu IEEE 802.3 (IEEE Standard for Information technology--Telecommunications and information exchange between systems--Local and metropolitan area networks--Specific requirements--Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications ), jinak též "1-persistent CSMA/CD LAN". V referenčním modelu ISO/OSI pokrývá fyzickou a linkovou vrstvu.
Poznámka: IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. je vedle např. ANSI jednou z nejznámějších a nejdůležitějších standardizačních organizací působících ve světě IT.
Historie Ethernetu začíná na Hawaii, kdy na tamní univerzitě vytvořili rádiovou síť ALOHA na propojení ostrovů, která je prapředkem všech sítí se sdíleným médiem. Síť Ethernet jako taková vznikla poprvé ve středisku PARC (Palo Alto Research Center) pro propojení tamních počítačů v polovině 70 let. Zde se také koncem května konala velkolepá oslava. Síť pracovala s rychlostí 2,94 Mbit/s (autoři Bob Metcalfe a David Boggs z firmy Xerox), později byla ve spolupráci firem DEC, Intel a Xerox zrychlena na 10 Mbit/s (tzv. DIX Ethernet, 1980).
Jak vůbec Ethernet přišel ke svému jménu? Říká se, že Bob Metcalfe si vzpomněl na starou teorii z 19. století o všeprostupujícím "étheru", kterým se šíří elektromagnetické vlny a tak ji kvůli paralele k všesměrovému vysílání, použitým u nové technologie, nazval Ether-netem.
2.2. STANDARDIZACE ETHERNETU
Další vývoj Ethernetu vzala do svých rukou organizace IEEE, pracovní skupina IEEE 802.3 Working Group, která předložený návrh standardu DIX Ethernet přijala v pozměněné podobě (jiný formát hlavičky rámce) jako standard 802.3. Tento standard dále žije a vyvíjí se v rámci IEEE až do dnešní (10)gigabitové podoby na rozdíl od DIX Ethernetu (též Ethernet II), jehož další vývoj byl zastaven. Firma Xerox si též ponechala vlastnictví značky "Ethernet", takže v rámci standardů IEEE 802.3 se hovoří o sítích "na bázi CSMA/CD" a Ethernetem se nazývá pouze neformálně.
2.3. LOGIKA ETHERNETU
Původní standard 802.3 z roku 1985 používal pouze koaxiální kabely, nejprve jen známý "tlustý", nebo také podle jeho barvy "žlutý" kabel (Thick Ethernet). Segment mohl být dlouhý až 500 m, více segmentů mohlo být propojeno opakovači až do max. vzdálenosti 2500 m mezi nejvzdálenějšími uzly, kterých mohlo být max. 1024. Síťová karta uzlu byla k segmentu připojena speciálním transceiverem a přípojným kabelem, topologie sítě byla výhradně sběrnicová. Tato technologie je už téměř zapomenuta. Později byla do standardu doplněna podpora "tenkého" koaxiálního kabelu (Thin Ethernet) a posléze i twinaxiální kabeláže a optického vedení.
Celá logika protokolu Ethernetu je implementována v obvodech síťového adaptéru.
Všechny rychlostní modifikace Ethernetu vyjma nejnovějšího 10-ti gigabitového Ethernetu používají stejnou komunikační metodu CSMA/CD.
Všechny však používají i stejný formát a velikost paketu. Ethernetový paket je definován na 1. a 2. vrstvě OSI.
Základní částí paketu je hlavička linkové vrstvy, která je následována daty (včetně hlaviček vyšších vrstev). Hlavičky jsou principielně 4 typů a jsou vzájemně nekompatibilní. Tyto typy jsou:
· Ethernet_II
· Ethernet_802.3
· Ethernet_802.2
· Ethernet_SNAP
Představíme si ten nejjednodušší formát – Ethernet_II.
Formát rámce Ethernetu:
Každý paket je uvozen preambulí, která slouží k synchronizaci vysílající stanice a přijímajících stanic. Následuje adresa určení (MAC) a zdrojová adresa (také MAC), číslo označující typ paketu, datová část a kontrolní součet.
Technologie Ethernetu tedy je, jak bylo uvedeno výše , založena na velice jednoduchém principu, nazývaném CSMA/CD (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection aneb Metoda mnohonásobného přístupu s nasloucháním nosné a detekcí kolizí.). Je jeho velkou předností (hlavně ve smyslu jednoduchosti implementace), na druhé straně ale způsobuje i základní omezení této technologie. Tato metoda přístupu k médiu je velmi efektivní při nižším zatížení sítě (cca 30 % šířky pásma), ale efektivita klesá při vetším počtu zájemců o vysílání, kdy dochází k exponenciálnímu nárůstu kolizí.Princip CSMA/CD poprvé porušil až návrh 10-ti gigabitového Ethernetu.
Ještě před jeho příchodem byla metoda CSMA/CD vyloučena ve spojeních, pracujících na principu plného duplexu (full-duplex). Zařízení pracující v tomto režimu jsou schopny současného vysílání i příjmu - na rozdíl od standardního režimu Ethernetu (poloviční, half duplex), kdy zařízení buď vysílá nebo přijímá data. Režim současného vysílání a příjmu nelze provozovat na koaxiálních kabelech - je nutný samostatný vysílací a přijímací kanál a proto jej lze uplatnit pouze na spojích s UTP nebo optickými kabely.
Protože vysílání i příjem dat probíhá na samostatných kanálech, neuplatňuje se řídící metoda CSMA/CD a tento režim je bezkolizní. Je tak možné plně efektivně využít dané přenosové pásmo. Mimo tuto výhodu je dalším přínosem zdvojnásobení přenosové kapacity spoje - součet přenosových kapacit v obou směrech.
2.4. FAST ETHERNET
Fast Ethernet s rychlostí 100 Mbit/s je v principu standardní Ethernet, jen 10x rychlejší, což podstatně rozšiřuje šířku pásma a zkracuje dobu odezev.
V současnosti je Fast Ethernet standardní technologií na ústupu pro připojení síťových pracovních stanic a plně nahradil klasický Ethernet 10Mbit/s. V nabídce výrobců síťového hardware již také žádné čistě 10Mbit/s karty, rozbočovače či přepínače nenajdete. Stále se ale samozřejmě vyrábí většina portů minimálně jako duální - 10/100 Mbit/s, častěji pak jako 10/100/100Mbit/s tzn. že umí pracovat s oběma (všemi) rychlostmi, s automatickým rozpoznáním a nastavením komunikační rychlosti po vzájemné domluvě obou protějších uzlů. Ovšem tato funkce, zvaná autonegation, je dobře známa jako častý zdroj záhadných potíží v sítích.
Dnes už je Fast Ethernet vytlačován gigabitovým Ethernetem i v SOHO sektoru. Toto značně souvisí s nenákladností výroby komponentů, zpětnou kompatibilitou a podporou ze strany výrobců hardwaru. V rámci moderního trendu integrace většiny běžně používaných komponent na mainboard výrobci až na výjimky plně přešli na 1Gbit/s rychlost ohledně síťových karet s fyzickým médiem UTP, což je v důsledku pro koncového uživatele jen dobře.
Ale nyní si zopakujme základní fakta specifikace 802.3u Fast Ethernet Ta byla organizací IEEE přijata roce 1995. Rychlost se tehdy zvýšila skokově - na „úžasných“ 100 Mbit/s, což bylo zvýšení na desetinásobek! V té době byla jediná možnost, jak zvýšit propustnost páteře nebo připojení serverů - použít technologii FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Vzhledem k její značně vysoké ceně si toto řešení mohl ale jen málokdo dovolit. Proto byl Fast Ethernet velmi rychle a dobře přijat širokou uživatelskou veřejností. Zvýšením rychlosti na desetinásobek mělo ale za následek zmenšení velikosti kolizní domény na desetinu.
Vyplývá to z principu použité přístupové metody Ethernetu, metody CSMA/CD. Ve standardu Fast Ethernet se zmenšila vzdálenost propojení opakovačů a přepínačů na 205 m v případě krouceného dvoupáru a 412 m v případě optických kabelů, koaxiální kabel byl vyloučen úplně. Překonání větší vzdálenosti pak umožnily přepínače s porty schopnými plně duplexního provozu, kde se maximální délka propojovacích optických kabelů zvětšila až na 2000 m.
100Base-T umožňuje komunikaci rychlostí 100 Mbit/s po kabeláži UTP kategorie 3, 4 a 5, STP Type 1 a optických kabelech.. Standard 100Base-T zahrnuje tyto specifikace:
· 100Base-TX;
· 100Base-FX;
· 100Base-T4;
· (100Base-T2).
Existující standardy 10Base-T a možnosti 100Base-T:
100Base-TX:
- používá jako přenosové médium twinaxiální kabel (stíněný nebo nestíněný s využitím dvou párů) s impedancí 100 ohm (min. Cat 5), nosná frekvence je 125 MHz a data jsou kódována metodou 4B5B;
- délka kabelu mezi uzlem a aktivním prvkem může být max. 100 m.
100Base-FX:
- používá jako přenosové médium multimodové optický kabel;
- délka kabelu mezi uzly může být v případě plně duplexního provozu max. 2 km; v příp. polovičního duplexu je vzdálenost ovlivněna zapojením sítě;
- existuje i modifikace používající singlemodové optický kabel s větším dosahem.
100Base-T4:
- používá jako přenosové médium twinaxiální kabel (stíněný nebo nestíněný) s impedancí 100 ohm, vychází vstříc stávajícím instalacím se staršími, méně kvalitními kabely (Cat 3 a 4);
- používá všechny 4 páry kabelu, signál se přenáší třemi páry s nosnou frekvencí 25 MHz s kódováním 8B6T a čtvrtý je využit pro detekci kolizí;
- délka kabelu mezi uzlem a aktivním prvkem může být max. 100 m;
- technologie není příliš rozšířena.
2.5. GIGABIT ETHERNET
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě gigabitového Ethernetu to byla Gigabit Ethernet Alliance. Specifikace přitom zachovává metodu CSMA/CD a jak min. a max. velikost paketů, tak rozumnou délku segmentů. Jak je to možné?
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě gigabitového Ethernetu sehrává podobnou roli konsorcium Gigabit Ethernet Alliance. Bylo vytvořeno za účelem podpory vývoje produktů pro nový standard v květnu 1996. Zakládajících členů bylo 11 (3Com, Bay Networks, Cisco Systems, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun Microsystems, UB Networks a VLSI Technology). Celkem mělo sdružení více než 100 členů a hrálo významnou roli při vývoji nového standardu - při pracích na technických řešeních a návrzích standardů.
Vlastní vývoj standardu byl ale v péči výboru 802.3 organizace IEEE, který odstartoval práce na novém standardu již v listopadu 1995 vytvořením studijní skupiny, jejímž úkolem bylo posoudit možnosti škálovatelnosti Fast Ethernetu, nejlépe až ke gigabitové rychlosti. Protože první studie vypadaly nadějně, mohly být v červenci 1996 zahájeny práce v nově vytvořeném podvýboru 802.3z Gigabit Ethernet Task Force.
2.5A Carrier Extension
Jak jsme se již dříve uvedli, Gigabitový Ethernet používá stejnou přístupovou metodu k médiu jako standardní a Fast Ethernet, tedy metodu CSMA/CD. Také je obecně známo, že tato metoda omezuje velikost kolizní domény. Vyplývá to z nutnosti detekce kolizí všemi zúčastněnými stanicemi a délka segmentů je tedy určena fyzikálními zákonitostmi - rychlostí šíření světla v daném segmentu a velikostí rámce (tedy dobou vysílání).
Minimální velikost rámce Ethernetu je 64 bajtů. Ta je právě dána standardem 802.3 pro zajištění toho, aby stanice neskončila svoje vysílání dříve, než první bit rámce dosáhne vzdáleného konce kabelu, kde může nastat kolize s jiným rámcem, a případný interferenční signál kolize (JAM, 32 bitů) se nevrátí zpět k vysílající (a zároveň poslouchající) stanici.
Tato minimální velikost rámce se nazývá slot size (a pro Ethernet je uvedených 64 bajtů), odvozenou hodnotou je tzv. slot time, minimální čas, po který stanice musí vysílat.
Max. vzdálenost mezi dvěma uzly standardního Ethernetu je v případě žlutého koax. kabelu 2,5 km (při max. počtu čtyř opakovačů). Zvýšení přenosové rychlosti tedy musí být vykoupeno:
· buď zachováním slot time (tj. zachováním min. velikosti rámce) a zmenšením segmentu;
· nebo zvětšením slot time (tj. zvětšením min. velikosti rámce) při zachování velikosti segmentu.
Standard Fast Ethernet vyřešil tento problém prvním z uvedených způsobů, tj. redukcí délky segmentů. Max. velikost kolizní domény se zmenšila v případě UTP kabelů na 100 m.
V případě gigabitového Ethernetu se tvůrci specifikace nutně dostali ke stejnému rozhodování. Gigabitový Ethernet je opět 10x rychlejší. Při zachování stejné slot size (min. velikosti rámce) by došlo k redukci segmentů na pouhých 10 m. A to není příliš smysluplné řešení.
Autoři specifikace přitom za chovali jak min. a max. velikost paketů standardního Ethernetu, tak rozumnou délku segmentů. V čem je ta finta?
Gigabitový Ethernet používá sice stejný minimální rámec o velikosti 64 bajtů, ale zvětšenou hodnotu slot size na 512 bajtů. Že by tyto dvě hodnoty měly být stejné, jak jsme si uvedli o pár odstavců výše? Nemusí, uvědomíme-li si, že slot time je doba vysílání paketů minimální délky, potřebná k zajištění detekce kolizí všemi zúčastněnými uzly. Potřebujeme-li zachovat zpětnou kompatibilitu, tedy stejnou velikost min. rámce, musíme tento rámec vysílat delší dobu. Jak? Jednoduchým doplněním o neplatná data na požadovanou velikost.
V praxi uvedené řešení funguje tedy tak, že je-li rámec menší než 512 bajtů, je doplněn na velikost 512 bajtů neplatnými speciálními symboly, tzv. Carrier Extension. Každý vysílaný rámec tak má min. velikost 512 bajtů a je splněna podmínka dostatečného slot time, doby pro vysílání a detekci kolizí i těch nejmenších paketů.
Upravený rámec s rozšířením Carrier Extension je znázorněn na obrázku. Kontrolní součet FCS (Frame Check Sequence) je ale počítán pouze z původního rámce, bez doplňujících symbolů. Ty jsou odstraněny ještě před tím, než je FCS kontrolováno na straně příjemce. Vrstva LLC (Logical Link Control) tak o této "fintě", tedy rozšíření příliš krátkých rámců vůbec neví a může s rámcem zacházet standardním způsobem.
Rámec Ethernetu s rozšířením Carrier Extension:
Fyzická vrstva gigabitového Ethernetu používá kombinaci osvědčených standardů původního Ethernetu a specifikace ANSI X3T11 Fibre Channel. Byly přijaty celkem čtyři specifikace pro fyzická média, definovány ve dvou standardech - 802.3z (1000Base-X) pro optické kabely a 802.3ab (1000Base-T) pro metalickou kabeláž. Standardy pro optické kabely byly přijaty poměrně rychle, nad použitím metalické kabeláže se návrháři zapotili nepoměrně více.
Specifikace 1000Base-SX je určena pro levná multimodová vlákna pro kratší vedení nebo páteřní aplikace. Pro překlenutí větších vzdáleností singlemodovými vlákny je určena specifikace 1000Base-LX.
Na metalickou kabeláž jsou zaměřeny dvě specifikace. První z nich, 1000Base-CX je určena pro krátká propojení (25m) kabelem typu STP, např. propojení serverů a přepínačů v serverových farmách. Druhá specifikace pro metalickou kabeláž, 1000Base-T, byla vyvíjena samostatnou skupinou 802.3ab pro strukturovanou UTP kabeláž (100m).
1000Base-X
Standard 1000 Base-X je založen na fyzické vrstvě specifikace Fibre Channel. Jelikož Fibre Channel je již v praxi dostatečně ověřenou technologií, její využití značně urychlilo práce na vývoji nového standardu.
Fibre Channel má pětivrstvou architekturu. Návrháři gigabitového Ethernetu použili dvě nejnižší vrstvy této architektury pro specifikaci fyzické vrstvy 1000Base-X, a to vrstvu FC-0 (Interface and media) a vrstvu FC-1 (Encode/Decode).
Současná technologie Fibre Channel pracuje s rychlostí 1,063 Gbit/s. Aby se dosáhlo efektivní přenosové rychlosti dat 1Gbit/s, musela být tato pracovní rychlost zvýšena na 1, 250 Gbit/s. Pro serializaci vysílaných dat bylo použito kódovací schéma 8B/10B, pro optické kabely již ověřené komponenty - zdroje 850 nm pro multimodová vlákna a 1300 nm pro singlemodová vlákna.
Ve specifikaci 1000Base-X jsou tak specifikovány tři přenosová média:
· 1000Base-SX 850nm laser pro multimodová vlákna;
· 1000Base-LX 1300nm laser pro singlemodová a multimodová vlákna;
· 1000Base-CX pro twinaxiální stíněné kabely STP, 150 ohmů.
V tabulce jsou pak uvedeny max. délky segmentů, které je možné dosáhnout při použití těchto kabelů.
Specifické problémy přináší použití optických kabelů pro vysokorychlostní přenosy. Problematika DMD (Differential Mode Delay) způsobila také zdržení při schvalování standardů 1000Base-X. Disperze signálu v dlouhém multimodovém vlákně způsobuje zkreslení signálu a ztrátu paketů.
Typ kabelu Vzdálenost Vlnová délka zdroje
singlemodové vlákno (9 mikronů) 5000m 1300nm (LX)
multimodové vlákno (50 mikronů) 525m/550m 850nm (SX,)1300nm (LX)
multimodové vlákno (62,5 mikronů) 275m/500m 850nm (SX),1300nm (LX)
STP kabely 25m N/A (CX)
1000Base-T je standard pro gigabitový Ethernet po metalickém vedení typu UTP (100 ohmů). Cílem bylo dosáhnout délky segmentu 100 m pro čtyřpárový kabel kategorie 5, vyhovující standardu ANSI/EIA-568-A, nebo jeho ekvivalentu ISO/IEC 11801:1995 a splňujícího požadavky části ANNEX A předchozí specifikace. Přijetí standardu 1000Base-T ukončilo proces schvalování gigabitového Ethernetu v červnu 1999.
Potíže působila nutnost vývoje nové technologie a signálních schémat pro kódování, současně přitom zachování kompatibility s předchozími standardy. Gigabitový Ethernet sice teoreticky může pracovat na stometrovém segmentu kabelu UTP kategorie 5 - pokud je ale dráha signálu homogenní. Jakmile vložíme do cesty jakoukoliv nehomogenitu - konektory, patch cordy - dochází k odrazům signálu. V případě 10 Mbit/s Ethernetu nebyl tento problém vůbec bolestivý, objevil se sice u 100 Mbit/s Fast Ethernetu s přísnějšími požadavky na provedení kabeláže, u 1000 Mbit/s Gigabit Ethernetu již pak způsoboval vážné potíže.
2.5B Rozhraní GMII
Pro možnost připojení libovolné fyzické vrstvy k univerzální MAC vrstvě, používané všemi verzemi Ethernetu, přišli autoři specifikace gigabitového Ethernetu (802.3z) s novým univerzálním rozhraním, GMII (Gigabit Media Independent Interface). Je to rozšíření rozhraní MII (Media Independent Interface), používaném ve standardu Fast Ethernet Rozhraní GMII používá i stejné řídící a správní informace jako MII a podporuje všechny používané rychlosti Ethernetu - 10, 100 a 1000 Mbit/s jak při polovičním, tak při plném duplexu.
Standard :Max. délka segmentu ::Médium :::Poznámka
- 10Base-5 :500m ::Thick koax (1cm) :::Původní řešení; použití externích transcieverů; připojení pomocí tzv. drop kabelů
- 10Base-2 :200m ::Thin koax (0,5cm) :::Navrženo pro snížení nákladů na kabelové vedení aj.; integrované transcievery; připojení „T“ konektory
- 10Base-T ::UTP(STP) :::Použití 2/4 párů UTP
- 10Base-F ::Fiber
- 100Base-TX :100m ::UTP/STP :::Použití 2/4 párů UTP Cat. 5
- 100Base-T2 :100m ::UTP/STP :::Použití 2/4 párů UTP Cat. 3.4,5
- 100Base-T4 :100m ::UTP/STP :::Použití 4/4 párů UTP Cat. 3,4,5
- 100Base-FX :2000m ::2x Fiber :::Varianta přenosu po 2 optických vláknech. Dosah 2km za full-duplex
- 1000Base-T :100m ::UTP/STP :::Použití 4/4 párů UTP Cat. 5
- 1000Base-CX :25m ::STP
- 1000Base-SX :525m ::Fiber
- 1000Base-LX (:550m) :5000km ::Fiber :::Delší dosah za použití singlevidového vlákna
3. Současnost Ethernetu
3.0. 10G ETHERNET
Poslední varianta technologie Ethernetu, 10-Gigabitový Ethernet (dále jen 10GE) dle standardu IEEE 802.3ae zajišťuje opět kompatibilitu s předchozími verzemi, ale navíc i kompatibilitu s technologiemi TDM a DWDM v optických sítích. Vznikla tak technologie, umožňující vytvářet jednotné prostředí na celé přenosové trase v lokálních i rozlehlých sítích.
Předpokládané využití 10GE:
Ve smyslu klasického vrstvového OSI modelu, Ethernet je protokol 2. vrstvy a pokrývá tedy spodní dvě vrstvy - fyzickou a linkovou. 10GE zůstává Ethernetem, používá IEEE 802.3 Ethernet MAC protokol a stejné rámce jako 10, 100, a 1000 Mbit/s Ethernet. Ačkoliv standard IEEE 802.3 pro Gigabit Ethernet podporuje poloviční i plně duplexní přenos, na trhu se uplatnily v přepínaných sítích pouze plně duplexní produkty. Z tohoto důvodu pracovní skupina IEEE 802.3ae Task Force rozhodla, že 10GE bude pouze plně duplexní. Díky tomu zde neexistuje omezení vzdálenosti mezi uzly, vyplývající z principu přenosové metody, tato vzdálenost je omezena pouze fyzikálními vlastnostmi přenosového média a optických přenosových prvků. Jinými slovy, protože při plně duplexním spojení nedochází ke kolizi paketů, je dosah spoje omezen pouze optickou přenosovou soustavou a ne velikostí kolizní domény.
Gigabit Ethernet byl dokončen a formálně schválen v červnu 1998. Ani ne rok poté, v březnu 1999 se utvořila pracovní skupina Higher Speed Study Group (HSSG) se záměrem prozkoumání technických možností vytvoření desetkrát rychlejší varianty. Asi nejdůležitějším podnětem, které pak vedlo na základě doporučení této skupiny organizaci IEEE k vytvoření pracovní skupiny 802.3ae task force v lednu 2000, byla snaha zamezit vzniku různorodých a tedy pravděpodobně nespolupracujících řešení. Práce začaly velice rychle, už v září 2000 spatřila světlo světa první verze návrhu standardu, druhá pak v prosinci 2000. Největší debaty se vedly, ostatně jako při vzniku všech předchozích verzí o tom nejpodstatnějším v technologii Ethernetu, o rozhraní fyzické vrstvy PHY (physical layer), ke kterým se záhy dostaneme.
Vývoj standardu 10GE:
Tak jako v případě vývoje Fast Ethernetu sehrálo významnou roli průmyslové sdružení Fast Ethernet Alliance, v případě gigabitového Ethernetu konsorcium Gigabit Ethernet Alliance, v případě 10GE to byla 10GE Alliance. Zakládajícími členy byly společnosti Nortel Networks, ExtremeNetworks, Sun Microsystems, Intel, 3Com, World Wide Packets, a Cisco Systems.
3.0.1. Modifikace PHY vrstvy (optika)
Fyzická vrstva Ethernetu (PHY) nebo-li první vrstva OSI modelu připojuje přenosové médium k linkové (MAC) vrstvě a definuje elektrické a optické signály, stav linky, časování, kódování dat a obvody potřebné pro jejich příjem a vysílání. Tyto funkce zajišťuje v rámci fyzické vrstvy několik podvrstev, z nichž jsou nejdůležitější vrstva PCS (physical coding sublayer), mající na starosti kódování bitů a vrstva PMD (physical media dependent sublayer), do které spadá definice optického přenosu signálu.
Fyzická a linková vrstva 10GE:
Standard IEEE 802.3ae pro 10 GE definoval 2 typy fyzické vrstvy, LAN PHY a WAN PHY. První představuje klasické jednoduché řešení, známé z předchozích pomalejších verzí - Ethernet přenášený po optickém vlákně. Tato varianta je určena především pro lokální sítě. Druhý typ fyzické vrstvy, WAN PHY, slouží jako volitelné rozhraní ke stávající přenosové infrastruktuře SONET, používané v rozlehlých sítích. Cílem bylo definovat takovou fyzickou vrstvu, která pracuje se stejnou přenosovou rychlostí jako instalovaná řada SONET/SDH systémů, které ve verzi OC-192c/SDH VC-4-64c (STM-64) používají také přenosovou rychlost 10 Gbit/s (9,58 Gbit/s). Takto definované rozhraní umožňuje připojit 10 GE přepínače a směrovače k přenosovým zařízením SONET a využít je jako přenosové médium na 1. vrstvě. Rozhraní WAN PHY tedy umí z rámců Ethernetu vytvářet zjednodušené rámce pro SONET a naopak, ale není to vlastní SONET rozhraní, protože zde nejsou z důvodu zachování přijatelné ceny implementovány pokročilé funkce jako např. přesná synchronizace času atd.
Poznámka.: Pro metalickou kabeláž je definována jiná PHY vrstva, jejíž rozbor ale vybočuje ze zaměření a odborného rozsahu práce, a proto se jí nebudeme zabývat. Jednoduchý popis této vrstvy je však zahrnut v informacích o standardu 10Gbase-T, o tři stránky dále.
Obě dvě vrstvy LAN PHY a WAN PHY podporují stejné podvrstvy PMD a proto umožňují použití stejných optických transceiverů a propojení na stejnou vzdálenost. Odlišují se navzájem jen kódovací podvrstvou PCS. Obě vrstvy mohou používat úsporný kód 64B/66B, kdy režie představuje jen dva bity na každou osmici přenášených bajtů, u WAN PHY je pro proud bitů v pomocné podvrstvě WIS (WAN interface sublayer) převeden na tzv. WIS rámce, které jsou ekvivalentem rámců standardu STS-192c.
MAC vrstva 10/100/1000E pracuje sériově při vysílání i příjmu dat, včetně řídících znaků na začátku i konci rámce a časování a synchronizace. U 10GE je situace mnohem složitější. Aby byla dosažena požadovaná rychlost 10 Gbit/s, IEEE změnila způsob práce MAC vrstvy na paralelní. Proud dat je postupně po jednotlivých bajtech rozdělen do čtyř kanálů (Lane 0 – 3).
Ethernetové rámce mají jasně definovány začátek a konec pomocí speciálních znaků (delimiters) a 12 bajtovou mezerou interpacket gap (IPG), určující minimální velikost mezery (idle time) mezi pakety. Jak ale ošetřit značení a odstup paketů při paralelním přenosu u 10 GE? Při rozdělení sériového proudu dat do čtyř kanálů nelze předpovědět, na který připadne poslední bajt rámce a tak je obtížné určit první bit dalšího rámce, což je nezbytný předpoklad pro zajištění synchronizace a časování. Standard 802.3ae přišel s řešením, že první řídící znak nebo úplně první bajt nového datového rámce musí být vždy přiřazen prvnímu kanálu.
Toto elegantní a jednoduché řešení ale na druhé straně komplikuje zpracování rámců v MAC vrstvě, s přímým vlivem na výkonnost. IEEE vyřešila i tento problém a definovala celkem tři možnosti řešení, jak lze buď doplněním, zkrácením nebo „zprůměrováním“ (kombinace prvních dvou metod) zajistit přiřazení prvního bajtu nového rámce prvnímu kanálu
3.0.2. Rozhraní XAUI
Mezi mnoho technických inovaci 10GE patří také rozhraní XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface). Jde o rozhraní fyzické vrstvy (MAC-PHY), sloužící jako rozšíření či alternativa k nativnímu rozhraní 10 Gigabit Media Independent Interface (XGMII), trpícímu značným fyzickým omezením.
V čem spočívá ono omezení? XGMII je nativní, plně duplexní 32 bitové datové rozhraní (4x8 bitů plus časové a řídící signály, celkem 74pinů) mezi linkovou a fyzickou vrstvou 10GE s příliš krátkým dosahem, doporučuje se jen max. 7 centimetrů. Ve velkých a výkonných páteřních přepínačích s velkými interface moduly to představuje citelné omezení pro propojení jednotlivých čipových sad, karet či optických modulů.
XAUI má sloužit především jako prodloužení tohoto propojení logické (linkové) částí 10GE (končícím rozhraním XGMII) a tvořené jednou sadou čipů, a druhou sadou čipů pro fyzickou vrstvu.
Rozhraní XAUI používá čtyři nezávislé sériové kanály pro oba směry a po každém z nich jsou přenášena data s kódováním 8B/10B a rychlostí 3,125 Gbit/s (aby byla výsledná rychlost přenosu vlastních dat právě 10 Gbit/s). Nejsou problémy s časovou synchronizací dat jako u XGMII, které musí mít pro časový signál samostatný vodič. Díky tomu stačí 16 pinů (čtyři páry v každém směru) a dosah se prodlouží o 50 centimetrů.
Vlastní konverze se děje v jednotce nazvané XGXS (XAUI Extender Sublayer). Po XAUI se signál dovede k čipům či kartě realizujícím fyzickou vrstvu. Zde je proud dat rekonstruován zpět na původní 32 bitový XGMII formát.
Pro přijetí a rozšíření rozhraní XAUI byly důležité testy vzájemné spolupráce produktů jednotlivých výrobců, které ukázalo jeho robustnost a dobrou funkci, dosažená bitová chybovost byla pod 10-12.
Poznámka: Toto rozhraní není používáno všemi standardy zahrnutými pod 802.3, aplikuje se dle potřeby nebo předpokládaného využití jednotlivých standardů.
3.0.3. Přenosová média
3.0.3A Optika
Jak je možno vidět na schématu datových vrstev 10GE v části ‚Modifikace PHY vrstvy‘, PHY vrstva 10GE je definována pro zdroje laseru o vlnových délkách 850, 1310 a 1550nm. (-W) varianty jsou technologie, které používají WAN PHY, ostatní pouze LAN PHY.
10GBase-SR (SW)("short range"):
Je navržen k překonání krátkých vzdáleností (26 – 82m, závislé na kvalitě použité kabeláže; max. 300m se speciálním kabelem) přes multimodový kabel, za použití laseru o vlnové délce 850nm.
10GBase-LRM:
Vznikl jako prodloužení životnosti starých FDDI 62.5µm multimodových vedení, instalovaných pro 100Mbit/s sítě v ranných 90’. Maximální velikost segmentu je 220m.
10GBase-LR (LW)("long range"):
Optická technologie dalekého dosahu – 10GE přes 1310nm singlemodovou kabeláž. Cílem byl především dosah alespoň 10km, ale často s ní není problém dosáhnout vzdáleností až 25km bez ztráty dat.
10GBase-ER (EW)("extended range"):
Podporuje vzdálenosti do 40km za použití singlemodového kabelu (1550nm laser ).
Mimo rámec IEEE bylo výrobci vyvinuto speciální (PHY) rozhraní navazující na ER, které je schopno přenášet data až na vzdálenost 80km. Je nazváno 10GBase-ZR a je založeno na specifikacích PHY vrstvy OC-192/STM-64 SDH/SONET.
10GBase-LX4:
Tento standard používá pro multimodový kabel 4 různé zdroje laseru operující rychlostí 4x3.125Gbit/s, každý o unikátní vlnové délce; dosah až 300m. Pro singlemodový kabel standard definuje použití zdroje laseru o vlnové délce 1310nm při dosahu až 10km.
Standard Dosah Médium Typ laseru
10Gbase-SR/W 26-82m (300m) Multimodové 850nm
10Gbase-LR/W 10km (až 25km) Multimodové 1310nm
10Gbase-ER/W 40km (80km) Singlemodové 1550nm
3.0.3B Metalika
Ideu přenosu 10GE po měděných kabelech a umožnění tak podstatného snížení nákladů pro aplikace na krátké vzdálenosti se snažily realizovat dvě pracovní skupiny v organizaci IEEE. Vhodnými aplikacemi měly původně být podle navrhovatelů stohování a propojování přepínačů nebo serverů do clusterů v datových a výpočetních centrech, a potenciálně připojení výkonných desktopů.
>
10GBase-CX4:
Specifikace 10GBase-CX4, nebo-li IEEE 802.3ak je určena k přenosu 10GE po čtyřech párech twinaxiálního měděného kabelu. Dosažená vzdálenost je omezena na 15 metrů nebo ještě méně, je tedy používána víceméně jen v rámci výpočetních středisek, např. k propojení serverů. (aplikace XAUI)
10GBase-T:
Pracovní skupina 10GBase-T získala označení IEEE 802.3an. Tato specifikace je určena pro přenos 10GE po UTP kabelu běžně používané Cat 5 a je nástupcem 1000Base-T.
Jedná se o kompletní definice nové fyzické vrstvy, která se musí vypořádat s rušením, přeslechy, odrazy signálů ve čtyřpárovém kabelu: předpokládá se využití pulsně amplitudové modulace (PAM, Pulse Amplitude Modulation)
Skupina 10GBase-T zvažovala dva různé přístupy - jeden protěžoval rychlost vůči vzdálenosti a druhý naopak protěžoval vzdálenost vůči rychlosti, u obou pak záleželo na kvalitě použité kabeláže.
· Preference vzdálenosti vůči rychlosti - tradičních 100 metrů zůstává zachováno, ale skutečnou rychlost 10 Gbit/s bude možné dosáhnout jen na kabeláži Cat 7. S kabeláží Cat 5E dosáhnete jen okolo 2.5 Gbit/s, s kabeláží Cat 6 dosáhnete rychlosti 5 Gbit/s;
· Preference rychlosti vůči vzdálenosti - skutečnou rychlost 10 Gbit/s dosáhnete na všech třech typech kabeláže - ale bude se měnit dosažitelná vzdálenost. S kabeláží Cat 5E dosáhnete 40 až 50 m, s kabeláží Cat 6 to bude 50 až 70 m, plných 100 m to bude opět jen na kabeláži Cat 7.
IEEE se rozhodli pro druhý z uvedených přístupů. Rozsáhlý program měření parametrů kanálu zjišťoval Shannonovy kapacity (indikátor kvality a rychlosti přenosu dat) většiny typů standardizovaných měděných kabelážních systémů. Vyplynulo z něj, že pro provoz plně duplexního 10GBase-T Ethernetu je nutná Shannonova kapacita na prahu 18-20 Gbit/s. Tato prahová kapacita sice může být dosažena při použití
standardizovaných kabelážních systémů, ale na úkor vzdálenosti. Jasně se ukázala omezení existujících nestíněných kabelážních systémů Cat5e a Cat6 zvláště s ohledem Power Sum Alien Crosstalk (PSANEXT) - pro dosažení potřebné Shannonovy kapacity 18-20 Gbit/s při přenosové vzdálenosti 100m je zapotřebí na UTP kabeláži Cat6 zajistit potlačení PSANEXT okolo 20 dB. Testy provedené během studia tohoto problému jasně ukázaly výhody stíněných systémů.
Návrh byl bez připomínek schválen IEEE 8. června letošního roku; pro návrh hlasovalo 90% členů.
Standard Dosah Médium Poznámka
10GBase-CX4 15m STP
10Gbase-T 100m UTP/STP Uvedený dosah platí při použití UTP Cat. 7
3.1. Využití 10GE
S technologií 10GE dnes se ve firemním sektoru počítá jako s levným vysokokapacitním připojení k WAN (Internetu),jako navazující prostředek koncového rozvodu páteřních sítí (páteřní aplikace) pro potřeby ISP a také například pro interní propojení serverových farem, clusterů, výzkumných institucí, zařízení a univerzit.
Do sektoru SOHO se 10GE pravděpodobně nedostane příliš brzy, pro zejména oproti dnes již běžným 1Gbit/s řešením velmi vysoké náklady na realizaci sítě (UTP cat. 7/STP, optická zařízení).
4. Budoucnost Ethernetu
27. listopadu 2006 v Dallasu, tedy před necelými dvěma týdny, padlo konečné rozhodnutí o tom, kam se technologie Ethernetu bude ubírat dále do budoucna.
Speciální studijní skupina v rámci IEEE rozpracovávající další možnosti (zvýšení rychlosti) standardu 802.3 více než 75% hlasů pro odsouhlasila, co bude dalším krokem ve vývoji Ethernetu, Z navrhovaných variant 40/80/120Gbit/s, které by znamenaly další přiblížení se technologiím SONET, a variantě 100Gbit/s – přímým pokračovatelem 10GE uspěla právě varianta 100Gbit/s, kde rozhodujícím faktorem bylo úsilí a čas potřebný k dosažení vyšší rychlosti a předpokládané potřeby IT komunity v tomto čase. Ethernet tak dále pokračuje v nastoleném trendu zvyšování přenosové rychlosti 10x při každém postupu vpřed.
Očekává se, že nový standard spatří světlo světa na přelomu let 2009-2010, a to nejprve pro optické síťové prvky. Přimět jej pracovat na klasické metalické kabeláži ale bude daleko větším problémem než kdy předtím, jelikož už při rychlosti 10Gbit/s jsme se dostali na hranici technických možností UTP; vyloučené to ale není. Mimo jiné bude také třeba vypořádat se zbytkovým teplem, vysokým příkonem a pro efektivní rychlost 100Gbit/s příliš pomalou mezičipovou komunikaci v síťových zařízeních.
Nasazení 100GE bude s jistotou naprosto stejné jako u předchozích verzí Ethernetu – postupně od různých univerzit, výzkumných a vědeckých center (kde již dnes rychlost 10GE nedostačuje) přes páteřní sítě ke koncovému uživateli. Uvidíme, zda se brzy dočkáme i 1Tbit/s Ethernetu..
5. Závěr
Vzhledem k tomu, že jednotlivé kapitoly jsou víceméně samostatně uzavřeny, zmínil bych zde pouze vlastní názor ohledně výsledné podoby práce.
Cíle, které jsem si stanovil jsem splnil, v rámci možností. Patří mezi ně např.: rozbor na středně odborné úrovni při dobré srozumitelnosti, přiblížení technologie širšímu portfoliu uživatelů IT, rozšíření vlastních znalostí, aj..
Musím přiznat, že jsem měl neustálé nutkání do práce přidávat další a další „rozšíření“, detailnější pohledy, atd. – prostě a jednoduše stále více informací, jenomže jsem usoudil že pitvat některé věci jako třeba E 10Base sítě v praxi před 20 lety je pro dnešního uživatele – potenciálního čtenáře této práce zbytečné, a další věci typu práce fyzické vrstvy až na úroveň signálního kódování, fyzické metody přenosu, opticko-elektrické transmitery, funkce ovládacích čipů, administrace a management E sítí v praxi, zpracování vlastností jednotlivých druhů kabeláže, návrh strukturované kabeláže pro stavební objekty, využití E pro SOHO a ostatní sektory, jak čelit nastávajícím problémům při zvyšování rychlosti, atp., buď dalece vybočují z okruhu mých současných znalostí a rozhledu anebo by mi jejich nastudování a zpracování zabralo příliš mnoho času, kterého v poslední době moc nemám.
Na druhou stranu ale, pokud budu na vysoké škole studovat obor zabývající se IT, plánuji tuto práci rozšířit na úroveň minimálně diplomové práce, samozřejmě s odpovídajícím přizpůsobením koncepce a zaměření práce.
This article was originally published by CyberArmy.net in the CyberArmy Library.
|
|