3.9. Технология 10 Gigabit Ethernet (802.3ae)

На проводившейся в мае 2002 года в Лас-Вегасе (США, штат Невада) выставке NetWorld+Interop была впервые продемонстрирована 10-гигабитная сеть общей протяженностью 200 км. Сеть объединяла устройства, изготовленные более чем двадцатью различными фирмами.

Стандарт 10GE (802.3ae) определяет только дуплексный режим работы, поэтому он используется исключительно в коммутируемых ЛС.

Несмотря на пугающую скорость, технология 10GE сохранила протокол доступа к среде (MAC), минимальную и максимальную длину, а также структуру пакета, совпадающие со спецификациями IEEE 802.3. Поэтому устройства, соответствующие новому стандарту, могут взаимодействовать с оборудованием предыдущих разновидностей Ethernet [39, 40].

Вместе с тем сети 10GE отличаются от своих предшественников не только возросшей скоростью передачи. Во-первых, транспортировка трафика в них осуществляется только в дуплексном режиме, что позволяет исключить коллизии и более полно реализовать потенциал среды передачи. Это позволило отказаться от протокола CSMA/CD, который сильно сдерживал производительность сетей Ethernet. Во-вторых, в сетях 10GE используются только волоконно-оптические соединения. Предусмотрено несколько способов передачи по различным типам оптоволоконного кабеля, что позволяет обеспечить дистанцию от 26 м до 40 км. Ориентация на оптику заставила прямо указать в стандарте допустимые виды оптического волокна и алгоритмы передачи [1, 5].

В архитектуре Ethernet физический уровень (PHY) разделен на несколько подуровней, а ключевое значение имеют подуровни: физического кодирования (Physical Coding Sublayer, PCS) и зависимый от физической среды (PMD). Спецификации 802.3ae определяют два физических интерфейса: для ЛС (LAN PHY) и ГС (WAN PHY), причем второй фактически является расширением первого. Оба они используют один и тот же подуровень PMD и, следовательно, поддерживают одинаковые длины соединений.

Отличие между LAN- и WAN-интерфейсами существует лишь на уровне кодирования. Основное назначение интерфейса LAN PHY заключается в увеличении пропускной способности существующих сетей GE. Предполагается, что со временем он найдет применение в коммутируемых оптических средах, подключаемых к глобальным магистралям.

Существенной особенностью нового стандарта является способность оборудования 10GE взаимодействовать с сетями SONET/SDH, которая означает возможность передавать пакеты Ethernet по каналам SONET/SDH с высокой эффективностью.

В результате экспансия технологии Ethernet на распределенные городские сети, которая началась с появлением стандарта GE (802.3z), теперь распространится на ГС. Именно этой цели служит интерфейс WAN PHY. Поддержка упрощенного формата кадров SONET/SDH – главное, что отличает два физических интерфейса друг от друга. Поскольку полоса пропускания интерфейсов SONET OC-192/SDH STM-64 мало отличается от таковой для 10GE (9,29 Гбит/с и 10 Гбит/с соответственно), разработка единого протокола MAC для двух физических интерфейсов с близкими значениями скорости передачи не вызвала особых затруднений.

В то же время в целях значительного удешевления будущего оборудования 10GE члены рабочей группы 802.3ae отказались от достижения полной совместимости с сетями SONET/SDH. В частности, допустимая нестабильность задержки передачи, методы синхронизации и ряд оптических характеристик сетей SONET/SDH не получили отражения в подготовленном стандарте. 10GE, как и следовало ожидать, остался асинхронным протоколом.

Для кодирования данных на физическом уровне выбран алгоритм 64B/66B вместо 8B/10B, используемого в сетях GE. Это позволило повысить эффективность использования полосы пропускания: если в сетях 1000Base-T для достижения информационной пропускной способности 1 Гбит/с требовалась физическая полоса 1,25 Гбит/с, то в сетях 10GE вполне достаточно 3-процентного превышения (10,3 Гбит/с).

Платой за возросшую эффективность являются ограниченные возможности исправления ошибок передачи. И только внедрение алгоритма упреждающей коррекции ошибок (Forward Error-Correction, FEC) и усовершенствованных методов восстановления сигналов позволило удержать надежность сетей Ethernet на прежнем уровне.

Что же касается интерфейсов, зависящих от среды передачи, то из исходного многообразия потенциальных вариантов в окончательной версии стандарта остались пять – два для многомодового и три для одномодового волокна. На применение в ЛС, в первую очередь, ориентирован интерфейс волнового мультиплексирования (Wave[length] Division Multiplexing, WDM) на длине волны 1310 нм. Используемое при этом многомодовое волокно (62,5/125 мкм) является в настоящее время наиболее распространенным, а длина соединений 300 м – довольно высока по меркам ЛС Ethernet. В другом интерфейсе для ЛС задействовано менее популярное многомодовое волокно 50/125 мкм. При этом рабочая длина волны составляет 850 мкм, а дальность связи – всего 65 м. Данный интерфейс оставлен в окончательной версии стандарта в основном по экономическим соображениям: он предлагает недорогой вариант организации высокоскоростных соединений между серверами.

Остальные интерфейсы рассчитаны на применение в магистральных каналах городских сетей и ГС. Максимальная длина соединения доведена до 40 км (в стандарте 802.3z она равнялась 5 км).

Чтобы максимально использовать существующую инфраструктуру (уже проложенный оптоволоконный кабель), разработчикам стандарта пришлось пойти на введение нескольких не совместимых друг с другом физических интерфейсов. Физический уровень технологии 10GE включает следующие элементы:

• независимый от среды интерфейс 10 Гбит (10 Gigabit Media Independent Interface, XGMII). Он представляет собой дуплексную шину шириной 32 бита на прием и передачу и набор управляющих сигналов. Будучи строго синхронным, этот интерфейс, согласно рекомендациям, не может быть длиннее 7 см. Для соединения устройств уровня данных и физического на относительно больших расстояниях (до 50 см) разработан опциональный последовательный интерфейс 10 Гбит для присоединения устройств (10 Gigabit Attachment Unit Interface, XGAUI);

• подуровень применения, необходимый для того, чтобы подуровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс XGMII;

• подуровень PHY, включающий следующие подуровни:

  • подуровень PCS, обеспечивающий три варианта:

1. логическое кодирование 64B/66B – используется при одноканальной передаче в ЛС и ГС;

2. 8B/10B – применяется только в ЛС при четырехканальной передаче с использованием волнового мультиплексирования (WDM). При этом передача осуществляется одновременно четырьмя лазерами, имеющими различные длины волн (цвета);

3. 64B/66B с дополнительным подуровнем интерфейса с ГС (WAN Interface Sublayer, WIS), который производит преобразование в формат кадра SONET и синхронизацию;

• подуровень подключения к физической среде (Physical Medium Attachment, PMA), который осуществляет окончательную подготовку данных к отправке.

• подуровень PMD, работу которого обеспечивают лазер и фотоприемник (один или четыре). Наличие нескольких вариантов PMD объясняется тем, что для работы с различными типами оптоволоконного кабеля требуются разные длины волны инфракрасного излучения, в зависимости от материала, из которого изготовлена светопроводящая жила. Обозначения типов (спецификации) 10GE в зависимости от рабочей длины волны и типа кодирования приведены в табл.4 [1, 5, 39, 40].

Таблица 4

Спецификация	Тип кодирования		Наличие WIS	Длина волны
	8B/10B	64B/66B		850 нм	1310 нм WDM	1310 нм	1550 нм+
10GBASE-SR		+		+
10GBASE-SW		+	+	+
10GBASE-LX4	+				+
10GBASE-LR		+				+
10GBASE-LW		+	+			+
10GBASE-ER		+					+
10GBASE-EW		+	+				+

Описанные элементы физического уровня показаны на рис.3.12 (сверху вниз) [39, 40].

Рис.3.12. Три группы физических интерфейсов 10GE

В зависимости от длины волны и типа кабеля (одно- или многомодовый) дальность связи может изменяться от 26 м до 40 км. Максимальная дальность для различных типов кабеля и разновидностей 10GE приведена в табл.5 [39, 40].

С точки зрения рядового пользователя возможности технологии 10GE представляют исключительно академический интерес. Ведь не секрет, что к корпоративному сектору только-только подобрались сети GE, а о дальнейшем увеличении скорости передачи не может быть и речи.

Таблица 5

Тип кабеля	62,5-мкм многомодовый		50-мкм многомодовый			Одномодовый
Ширина полосы кабеля, МГц×км	160	200	400	500	2000
SR/SW	26 м	33 м	66 м	82 м	300 м
LR/LW						10 км
ER/EW						40 км
LX4	300 м	240 м	300 м			10 км

На первый взгляд, появление стандарта 10GBASE-xx кажется вполне логичным, эволюционным развитием технологии Ethernet. Однако существует эмпирическое правило, утверждающее, что на каждый 1 Гц частоты последовательного интерфейса приходится 1 Гц тактовой частоты процессора. При этом получается, что только для загрузки сетевого интерфейса потребуется процессор с тактовой частотой 20 ГГц. Но процессор должен выполнять еще и некоторую полезную работу, так что его тактовая частота должна быть повышена как минимум до 40 ГГц. Увеличением числа процессоров требуемой скорости обработки добиться также сложно, поскольку при этом возрастают накладные расходы [1].

Поэтому можно предположить, что, по крайней мере, на первом этапе, технология 10GE будет применяться для соединения групп пользователей и устройств. Такой характер носят, прежде всего, ГС и сети мегаполисов. Однако и в ЛС новая технология может найти применение довольно быстро, особенно при подключении сетевых устройств хранения данных (Network Attached Storage, NAS) и сетей запоминающих устройств (Storage Area Networks, SAN), а также для организации высокопроизводительных магистралей.

В свое время заслуженную популярность у пользователей завоевал интерфейс малых компьютерных систем (Small Computer System Interface, SCSI) – стандарт высокоскоростного интерфейса через шину микропроцессора с устройствами ввода-вывода (например, жесткими дисками). Подключение накопителей и групп накопителей к сети 10GE открывает широкие возможности для внедрения протокола «SCSI поверх Internet» (iSCSI), так как пропускная способность вдвое превышает максимально достижимую при подключении устройств напрямую по интерфейсу Ultra320 SCSI (320 × 16 = 5120 бит/с). Это дает как выигрыш в пропускной способности интерфейса, так и возможность разместить накопители вне офиса, в безопасном месте.

Применение технологии 10GE в сетях масштаба города позволит, с одной стороны, повысить пропускную способность в 10 раз, а с другой — упростить администрирование за счет применения одной и той же архитектуры на всех уровнях обмена данными согласно эталонной модели OSI.

Наибольшую выгоду применение технологии 10GE сулит в ГС. Наличие WAN PHY обеспечивает дешевый и эффективный способ подключения сетей на основе Ethernet к существующей инфраструктуре SONET/SDH. Это позволяет подключать пакетно-ориентированные коммутаторы сетей IP/Ethernet к синхронным сетям SONET/SDH и аппаратуре временного мультиплексирования (TDM).

Необходимо подчеркнуть, что Ethernet была и остается асинхронной, пакетно-ориентированной технологией обмена данными, при которой синхронизация поддерживается только на уровне пакетов. Но вместе с тем каждый концентратор, коммутатор или маршрутизатор, приняв пакет, (при необходимости) может произвести его пересинхронизацию. Синхронные протоколы, такие как SONET/SDH, требуют от всех устройств, участвующих в обмене данными, полного синхронизма во избежание ухода тактовой частоты и связанных с этим ошибок.

Подуровень WAN PHY позволяет подключать такие устройства, как коммутаторы и маршрутизаторы, непосредственно к синхронным сетям SONET/SDH. Таким образом, два маршрутизатора будут вести себя так, как если бы они были соединены друг с другом напрямую, через обыкновенный сегмент Ethernet.

Для облегчения администрирования ГС на основе 10GE WAN PHY обеспечивает служебную информацию по соединениям SONET/SDH, что позволяет управляющему персоналу отслеживать и администрировать соединения через WAN PHY согласно их истинной природе.

Таким образом, технология Ethernet почти утратила свой первоначальный абсолютно асинхронный характер; ушел в прошлое и метод доступа к среде CSMA/CD, делавший сети Ethernet во многом почти непредсказуемыми. И самое главное – технология Ethernet сделала очередной шаг по превращению в средство телекоммуникации в традиционном его понимании [1, 5, 39, 40].