Ethernet 10Gb/s i sieci WAN

Rysunek pokazuje w jaki sposób ramki Ethernet są przesyłane przez sieć SONET/SDH. Wyobraźmy sobie sytuację gdy dwa rutery (A i B) wyposażone w interfejs 10Gb/s zainstalowaną warstwą fizyczną WAN, wymieniają między sobą pakiety. Pakiet przechodzący przez ruter A zaczyna swój żywot w warstwie IP, a następnie trafia do warstwy MAC, która buduje ramki Ethernet. Warstwa MAC przekazuje ramkę koderowi 64b/66b. Koder ten tworzy 66-bitowe słowa, każde zawierające 64 bity danych. Słowa takie są przekazywane do podwarstwy WIS w postaci odpowiednio uformowanego strumienia bitów. Dane opuszczają podwarstwę WIS jako 16-bitowe słowa i trafiają do transceivera optycznego (czyli do modułu PDM), który kieruje sygnały do światłowodu. Jak już wspomniano, istnieje kilka typów modułów PDM, które mogą obsługiwać różne światłowody i długości. Po drugiej stronie sieci SONET/SDH znajduje się ruter B, a zainstalowany w nim moduł PMD odbiera sygnały przesłane przez światłowodów i zamienia je na impulsy elektryczne, czyli na strumień bitów (konkretnie słów 16-bitowych). Następnie kolejne podwarstwy warstwy WAN PHY przekształcają słowa, dostarczając dane do warstwy MAC. Warstwa MAC identyfikuje kolejne ramki Ethernet, sprawdza ich spójność (mechanizm kontroli CRC) i usuwa zbędny już nagłówek.

Warstwa WAN PHY łączy urządzenia, takie jak przełączniki i rutery, z siecią SONET/SDH lub z inną siecią optyczną. Dzięki takiemu rozwiązaniu Ethernet 10 Gb/s może przesyłać pakiety na bardzo duże odległości. Dwa rutery oddalone od siebie o kilkadziesiąt kilometrów zachowują się wtedy tak, jakby były zainstalowane w tej samej lokalnej sieci LAN. W jaki sposób ramki Ethernet są przesyłane przez sieć SONET/SDH? Wyobraźmy sobie sytuację, gdy dwa rutery (A i B), wyposażone w interfejs 10 Gb/s z zainstalowaną warstwą fizyczną WAN, wymieniają między sobą pakiety. Pakiet przechodzący przez ruter A zaczyna swój żywot w warstwie IP, a następnie trafia do warstwy MAC, która buduje ramki Ethernet. Warstwa MAC przekazuje ramkę koderowi 64b/66b. Koder ten tworzy 66-bitowe słowa, każde zawierające 64 bity danych.

Słowa takie są przekazywane do podwarstwy WIS w postaci odpowiednio uformowanego strumienia bitów. Dane opuszczają podwarstwę WIS jako 16-bitowe słowa i trafiają do transceivera optycznego (czyli do modułu PDM), który kieruje sygnały do światłowodu. Jak już wspomniano wcześniej, istnieje kilka typów modułów PDM, które mogą obsługiwać różne światłowody i długości.

Po drugiej stronie sieci SONET/SDH znajduje się ruter B, a zainstalowany w nim moduł PMD odbiera sygnały przesłane przez światłowody i zamienia je na impulsy elektryczne, czyli na strumień bitów (konkretnie słów 16-bitowych). Następnie kolejne podwarstwy warstwy WAN PHY przekształcają słowa, dostarczając dane do warstwy MAC. Warstwa MAC identyfikuje kolejne ramki Ethernet, sprawdza ich spójność (mechanizm kontroli CRC) i usuwa zbędny już nagłówek.

W kolejnym kroku dane są przekazywane warstwie sieci i do akcji wkracza protokół IP. Należy w tym momencie zwrócić uwagę na fakt, że WAN PHY sieci Ethernet 10 Gb/s pracuje jak typowy asynchroniczny interfejs sieciowy. Każdy stopień systemu transmitowania danych działa tu niezależnie (chodzi o taktowanie) od kolejnego stopnia i zarządzającego nim zegara. Transmisja danych przebiega tu zgodnie z trybem „przechowaj i wyślij”, a więc tak samo jak w przypadku standardowych ruterów czy mostów.

Odległości

Jest rzeczą oczywistą, że interfejs PHY (warstwa fizyczna) można nazwać interfejsem typu MAN dopiero wtedy, gdy może obsługiwać połączenia o długości większej niż 5 km (a tyle właśnie wynosi maks. Długość łącza Gigabit Ethernet). Aby sieci Ethernet 10 Gb/s obsługiwały takie długości, organizacja IEEE zdefiniowała cztery typy podwarstwy PDM (Physical-Media-Dependent), usytuowanej na samym dole warstwy fizycznej. Są to: trzy typy podwarstw szeregowych PMD (jedna wykorzystująca światłowód 850 nm, druga – światłowód 1310 nm i trzecia – 1550 nm), oraz podwarstwa równoległa PMD oparta na technologii WWMD (Wide Wavelength Division Multiplexing), nazywana też technologią WDM multipleksowania zgrubnego), która wykorzystuje światłowód 1310 nm. Interfejs 1550 nm będzie obsługiwać połączenia o długości 40 km.

Szeregowe interfejsy PMD pracują dokładnie tak, jak się nazywają: wysyłają zawsze sygnały szeregowo, seriami jeden po drugim, w przeciwieństwie do podwarstwy PMD, opartej na architekturze równoległej.

Interfejs WDM pracuje w taki sposób, że wiele wiązek światła, każda mająca inną długość, jest wysyłanych równolegle, a odbiornik usytuowany po drugiej stronie łącza identyfikuje je i przekazuje dalej.

Jak widać, w sieciach Ethernet 10 Gb/s znajdziemy wiele typów interfejsów, każdy stanowiący integralną część warstwy fizycznej PHY. Interfejsy te są reprezentowane przez podwarstwy PMD, które mają niewiele wspólnego z podobnymi podwarstwami obsługującymi wcześniejsze wersje sieci Ethernet. Sieć Fast Ethernet zapożyczyła mechanizm kodowania warstwy fizycznej z sieci FDDI. Sieć Gigabit Ethernet zapożyczyła taki mechanizm z sieci Fibre Channel. W sieci Ethernet 10 Gb/s wszystkie typy podwarstwy PMD zostały opracowane od nowa.

Zarządzanie

A w jaki sposób będzie można zarządzać sieciami Ethernet 10 Gb/s? Wiadomo przecież, że używane obecnie analizatory protokołów i próbniki RMON (Remote Monitoring) ledwie sobie dają radę z olbrzymią ilością danych krążących po sieci 1 Gb/s. A teraz przyjdzie im obsługiwać 10 razy większy ruch pakietów. To tak, jakby komuś spragnionemu zaproponować łyk wody z węża strażackiego. Dlatego wszystkie narzędzia zarządzające sieciami 10 Gb/s i monitorujące je będą musiały używać liczników 64-bitowych. Liczniki 32-bitowe wyzerowałyby się bardzo szybko i zaczęły odliczać zdarzenia od początku, co doprowadziłoby oczywiście do chaosu.

Posłużmy się prostym przykładem: jeśli pakiet ma długość 256 bajtów (a taką właśnie długość mają typowe pakiety przesyłane przez Internet), to w środowisku 10 Gb/s 32-bitowy licznik bajtów zostanie wyzerowany po niespełna 4 s, a licznik pakietów dojdzie do kresu swoich możliwości i wróci do zera po 16 min. Widać z tego, że liczniki 64-bitowe są absolutnie niezbędne.

Można też będzie korzystać z usług narzędzi z licznikami 32-bitowymi, ale tylko takich, które wykorzystują technologię próbkowania. Jednak technologia próbkowania nadaje się dobrze tylko do średnioterminowego i długoterminowego monitorowania sieci. Na przykład próbnik RMON (lub agent RMON osadzony w przełączniku) może z powodzeniem wykorzystywać technologię próbkowania do budowania raportów zawierających dane statystyczne o pracy poszczególnych portów. Niestety, technologia próbkowania nie zdaje egzaminu w przypadku krótkoterminowego monitorowania sieci, czyli nie może być wykorzystywana przez takie narzędzia jak analizatory protokołów, ponieważ podstawą działania takich urządzeń jest kontrolowanie ruchu pakietów w czasie rzeczywistym.

Okablowanie

Przy każdej próbie wdrożenia nowych interfejsów warstwy sieciowej pierwszoplanową rolę odgrywa zawsze okablowanie. Projektanci sieci będą musieli sprawdzić, czy istniejące już okablowanie poradzi sobie z pakietami generowanymi z szybkością 10 Gb/s i czy długości połączeń odpowiadają wymogom nowej specyfikacji.

Tak czy inaczej miedź nie wchodzi w tym przypadku w grę. W sieciach Gigabit Ethernet można stosować kable miedziane (co przewiduje specyfikacja 1000Base-T). W sieciach Ethernet 10 Gb/s należy zapomnieć o miedzi. Tu będziemy mieli do czynienia tylko ze światłowodami. Nie będzie to chyba taki wielki kłopot, ponieważ większość wdrożonych instalacji Gigabit Ethernet (i co za tym idzie i interfejsów) jest oparta wyłącznie na światłowodach.

Aplikacje LAN

W sieciach LAN i kampusowych technologia 10 Gb/s będzie wykorzystywana do agregowania przepustowości. Tam, gdzie Gigabit Ethernet nie wystarcza, z pomocą przyjdzie Ethernet 10 Gb/s. środowiskiem, w którym będzie można stosować z powodzeniem technologię Ethernet 10 Gb/s, będzie sieć szkieletowa wykorzystująca połączenia Gigabit Ethernet. W środowisku takim są stosowane przełączniki klasy workgroup, które komunikują się z grupami roboczymi, wykorzystując do tego celu wiele interfejsów 100 Mb/s, a z siecią szkieletową wymieniają pakiety przez jedno połączenie Gigabit Ethernet.

Problem polega tu często na tym, że połączenie Gigabit Ethernet stanowi wąskie gardło. Zagregowana przepustowość wszystkich interfejsów Fast Ethernet (np. 48 portów) przewyższa znacznie przepustowość jednego łącza Gigabit Ethernet. Można wtedy stosować technologię agregowania łącz, znaną jako grupowanie portów (trunking) lub technologię multipleksowania zwrotnego, ale często metody takie nie zdają egzaminu.

Stosowane obecnie przełączniki, wspierające technologię agregowania połączeń, pozwalają grupować maks. 8 portów, tworząc w ten sposób jedno wysoko wydajne połączenie. Praktyka wykazuje jednak, że rozwiązanie takie ma swoje słabe strony. Chodzi o to, że wydajność takiego węzła sieci pozostawia nieraz wiele do życzenia, szczególnie gdy wspiera on takie funkcje jak QoS (jakość świadczonych usług) czy praca w trybie „failover” (awaryjne przełączanie portów).

Zamiast agregować połączenia, można do takich przełączników wprowadzić porty Ethernet 10 Gb/s. Wystarczy zamienić interfejs 1 Gb/s na 10 Gb/s i wszystko jest gotowe – oczywiście pod warunkiem, że główna magistrala danych przełącznika i jego motor przełączania pakietów poradzą sobie z tak dużą liczbą pakietów.

Kolejne środowisko, w którym technologia Ethernet 10 Gb/s może odegrać dużą rolę, to farmy serwerów, które muszą komunikować się ze światem zewnętrznym przez superszybkie połączenia. Nie pojawiły się jeszcze co prawda tak szybkie serwery, które zapychają połączenie 1 Gb/s (chociaż jest to tylko kwestią czasu), ale są przecież klastry komputerowe, które potrafią już to zrobić. Tak więc farmy serwerów, a w przyszłości nawet pojedyncze superserwery, są niejako skazane na technologię Ethernet 10 Gb/s.

Aplikacje MAN/WAN

Jednak największe zmiany nastąpią w sieciach MAN i WAN. Kolejna wersja Ethernetu nie tylko rozszerzy zasięg istniejących sieci komputerowych, ale przyczyni się do powstania zupełnie nowych aplikacji, których dzisiaj jeszcze nie ma, ponieważ eksploatowane obecnie sieci rozległe oferują zbyt małe przepustowości.

Specjaliści sądzą, że jednym z pierwszych środowisk, w których pojawią się interfejsy Ethernet 10 Gb/s, będą sieci metropolitarne (MAN). Przemawiają za tym nie tylko względy techniczne, ale i ekonomiczne: interfejsy Ethernet 10 Gb/ są dużo tańsze niż każde rozwiązanie oparte na technologii SONET/SDH.

Zobaczmy na przykład, jak wygląda dzisiaj typowa sieć MAN. Aby połączyć ze sobą wiele biur, należy dzisiaj stosować kosztowne rozwiązania oparte na pierścieniu SONET/SDH. Ruch Ethernet generowany przez każdą lokalizację (biuro) musi być konwertowany na ruch SONET/SDH, co jest realizowane przez urządzenia (przełączniki/rutery) wyposażone w oba rodzaje interfejsów: w Ethernet i w przesyłający pakiety przez łącza SONET/SDH. Następnie ruch taki jest kierowany przez multipleksery add/drop bezpośrednio do pierścienia SONET/SDH.

W sieci Ethernet 10 Gb/s wszystko staje się prostsze. Urządzenia sieciowe mogą same transportować ramki Ethernet między poszczególnymi stacjami końcowymi – wykorzystując istniejącą już infrastrukturę SONET/SDH, ponieważ nowa specyfikacja fizyczna dla sieci WAN (WAN/PHY) jest kompatybilna (chodzi o szybkość przesyłania danych) ze specyfikacją SONET/SDH. Można wtedy budować dowolne połączenia WAN, ponieważ interfejs WAN/PHY obsługuje ramki w taki sposób, że cały ruch Ethernet może być kierowany bezpośrednio do długodystansowych połączeń SONET/SDH. Używając interfejsów WAN/PHY i dzierżawiąc od firm telekomunikacyjnych niewykorzystane włókna światłowodów, przedsiębiorstwa mogą wdrażać nowe aplikacje, takie jak zdalne archiwizowanie danych, odzyskiwanie danych po awarii systemu czy instalowanie witryn webowych i zarządzanie nimi. Tylko patrzeć, jak do sieci MAN/WAN wkroczy technologia Ethernet 10 Gb/s. Proszę przy tym zauważyć, że zarówno sieci LAN, jak i sieci WAN mogą być wtedy oparte na każdym typie podwarstwy PMD (trzy podwarstwy szeregowe i jedna równoległa). To duży plus technologii Ethernet 10 Gb/s.