3.7. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet
После появления Fast Ethernet администраторы скоро почувствовали ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные к 100-мегабитному каналу, перегружали 100-мегабитные магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. Технология Gigabit Ethernet (GE) (802.3z, 802.3ab – на витой паре) добавляет новую ступень иерархии – 1000 Мбит/с. Она позволяет эффективно строить крупные ЛС, в которых мощные серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль GE объединяет их, обеспечивая достаточно большой запас пропускной способности.
Разработчики технологии GE сохранили большую степень преемственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. GE использует те же форматы кадров, работает в дуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяемой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями [1, 5].
В ходе разработки технологии GE были успешно решены следующие достаточно сложные проблемы [1].
Обеспечение приемлемого диаметра сети для полудуплексного режима работы. В связи с ограничениями, накладываемыми методом доступа CSMA/CD на длину кабеля, версия GE для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 м при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Но поскольку существует большое число применений, требующих увеличить диаметр сети хотя бы до 200 м, необходимо было решить эту задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet.
Разработчики использовали главное ограничение Ethernet, гарантирующее обнаружение коллизии: время передачи кадра минимальной длины должно быть больше времени оборота сигнала. Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байтов (4096 битов). Соответственно, время оборота сигнала теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что сделало допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. Для увеличения длины кадра до требуемой величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до новой длины (448 байтов) так называемым расширением – полем, заполненным запрещенными символами взятого за основу избыточного кода 8B/10B, которые нельзя принять за коды данных.
Кроме того, возник вопрос: надо ли вообще передавать после доставки каждого кадра короткую квитанцию, да еще в длинном кадре? Разработчики разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без «сдачи» среды другим станциям. Этот режим носит название «режим пульсаций» (монопольный пакетный режим) (Burst Mode), и станция может передать подряд несколько кадров общей длиной не более 65536 битов, то есть 8192 байтов (это предел называется длиной пульсации, BurstLength). Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байтов, а передавать их подряд до исчерпания предела в 8192 байта (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Если станция начала передавать кадр, и данный предел достигнут, то кадр разрешается передать до конца. Увеличение совмещенного кадра до 8192 байтов несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.
Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволокна достижение такой скорости представляет некоторые проблемы, так как технология Fiber Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии GE, обеспечивает всего 800 Мбит/с (битовая скорость на линии в этом случае примерно 1000 Мбит/с, но при методе логического кодирования 8B/10B полезная битовая скорость на 20% меньше скорости импульсов на линии).
В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:
многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125 и 50/125 (диаметры в мкм). Используются излучатели с разной длиной волны: короткой (S) – 850 нм, длинной (L) – 1300 нм. Первые намного дешевле, но допустимая длина кабеля уменьшается, так как затухание более чем в два раза выше. Для спецификации 1000Base-SX предельная длина оптоволоконного сегмента кабеля 62,5/125 составляет 220 м, а кабеля 50/125 – 500 м. Причем, эти предельные значения могут достигаться только для дуплексной передачи данных. Для полудуплексной передачи максимальные значения длины сегментов всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные расстояния 220 м и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля (160-500 МГц/км). Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками (600-1000 МГц/км). В этом случае длину кабеля можно увеличить примерно до 800 м;
одномодовый волоконно-оптический кабель. Для спецификации 1000Base-LX применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм, максимальная длина кабеля – 5000 м. Данная спецификация могла бы работать и на многомодовом кабеле, но длиной до 550 м;
двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом. Это твинаксиальный кабель (Twinax) с волновым сопротивлением 150 Ом (2×75 Ом) (В спецификации 1000-CX этот кабель определен как экранированный сбалансированный медный кабель). Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен экранирующей оплеткой. При этом получается режим полудуплексной передачи. Для обеспечения дуплексной передачи необходимы еще две пары коаксиальных проводников. Максимальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 м, поэтому рассматриваемое решение подходит только для связи оборудования, расположенного в одной комнате [1, 5].
Начал выпускаться и специальный кабель, содержащий четыре коаксиальных проводника – Quad-кабель. Он внешне напоминает кабель UTP категории 5 и имеет близкий к нему внешний диаметр и гибкость.
Поддержка кабеля на витой паре (спецификация 802.3ab). Это самая сложная задача. Она на первый взгляд кажется неразрешимой – ведь даже для 100-мегабитных протоколов пришлось использовать достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля!
Как известно, каждая пара UTP категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля (как и в технологии 100VG-AnyLAN). Это сразу позволило уменьшить скорость передачи по каждой паре до 250 Мбит/с. Но и для такой скорости необходимо было разработать метод кодирования со спектром не выше 100 МГц. Кроме того, на первый взгляд, одновременное использование 4 пар лишает сеть возможности распознавать коллизии. Но на все эти вопросы комитет 802.3ab нашел удачные ответы.
Для кодирования данных был применен код PAM5, использующий 5 уровней потенциала (-2, -1, 0, +1, +2). Поэтому за один такт по одной паре передается в среднем 2,322 бита информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом, если использовать не все коды, а передавать 8 битов за такт (по 4 парам), то требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с выдерживается и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код PAM5 содержит 54 = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем 4 парам 8 битов информации, то для этого потребуется всего 28 = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код PAM5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу пропускания 100 МГц кабеля UTP категории 5.
Для распознавания коллизий и организации дуплексного режима разработчики применили технику, использованную при организации дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу друг другу передатчиков по диапазону частот, оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4 пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код PAM5, но оригинальную схему гибридной развязки H (рис.3.11) [1].
Рис.3.11. Схема гибридной развязки H
Здесь схема гибридной развязки H позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема, и для передачи (так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet). Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала свой сигнал. Это непростая операция, для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor, DSP). Такая техника уже прошла проверку практикой, но в модемах и сетях ISDN она применялась совсем на других скоростях.
В полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается коллизией, а в дуплексном – нормой.
Cпецификация 802.3ab стандартизована, и сегодня для поддержки технологии GE не нужно заменять уже установленную проводку UTP категории 5 на новую, с применением волоконно-оптического кабеля (со своими сложностями монтажа) или UTP категории 7.