Ethernet 10 Gb/s
ITpedia
Czym technologia 10 Gb/s różni się od poprzednich odmian technologii ethernetowych, na przykład od sieci 1 Gb/s?
Można by wymienić trzy zasadnicze różnice:
- Sieci 10 Gb/s będą pracować wyłącznie w trybie dupleksu. Półdupleks odchodzi więc do lamusa;
- Sieci 10 Gb/s będą dysponować różnymi interfejsami PMD (Physical Medium Dependent – ostatnia podwarstwa warstwy fizycznej, komunikująca się bezpośrednio z medium), które obsługują światłowody jednomodowe i wielomodowe (z możliwością transmitowania danych na odległość nawet do 40 km). Interfejsy PDM będą mogły być wykorzystywane do budowania sieci zarówno LAN, jak i MAN oraz WAN. Dlatego Ethernet 10 Gb/s to technologia uniwersalna, zdolna spełnić wymagania stawiane przez środowiska sieci lokalnych i rozległych;
- Mamy tu do dyspozycji interfejs WAN PHY (warstwa fizyczna WAN), dzięki któremu dane Ethernet 10 Gb/s będą mogły być transmitowane w transparentny sposób przez infrastruktury sieciowe oparte na technologii OC-192 SONET. Jest to zupełnie nowa jakość.
Technologia Ethernet 10 Gb/s to w dalszym ciągu „stary” Ethernet. Znaczy to, że warstwa MAC 10 Gb/s pracuje podobnie jak warstwa MAC 1 Gb/s (chodzi o sposób adresowania kart sieciowych), a pakiety 10 Gb/s mają taki sam format jak pakiety krążące po sieciach 10, 100 i 1000 Mb/s. Usytuowanie tej technologii w modelu OSI nie różni się niczym od poprzednich wersji Ethernetu.
Jak we wszystkich odmianach Ethernetu kluczową rolę odgrywa pierwsza warstwa modelu OSI. To właśnie warstwa fizyczna łączy medium (światłowód lub kabel miedziany) z drugą warstwą (warstwa łącza), a konkretnie z podwarstwą MAC (Media Access Control).
Standard Ethernet 10 Gb/s gwarantuje dostęp do wszystkich usług świadczonych przez warstwy od 2 do 7, żeby tylko wymienić takie usługi jak QoS (jakość usług świadczonych przez łącze), VoIP (przesyłanie danych audio przez sieci IP), Web caching (buforowanie danych webowych) czy DNS (rozwiązywanie nazw hostów).
Technologia ta obsługuje też wszystkie standardowe funkcje realizowane w warstwie drugiej, takie jak: funkcje oparte na standardzie 802.1p (przesyłanie pakietów w trybie multicast, czyli szybkie rozsyłanie jednego pakietu do wielu stacji przeznaczenia), funkcje oparte na standardzie 802.1q (przyznawanie różnych priorytetów poszczególnym strumieniom danych, co jest przydatne w zarządzaniu prywatnymi sieciami wirtualnymi), funkcje oparte na standardzie 802.3ad (agregowanie łączy), SNMP czy RMON.
Wymogi, takie jak minimalna i maksymalna długość ramki (64 i 1518 bajtów), pozostają niezmienione, co odnosi się też do formatu ramki Ethernet. Tak więc strumień ramek przesyłanych przez połączenie Ethernet 10 Gb/s nie będzie się niczym różnić od strumienia ramek transmitowanych przez połączenia oparte na poprzednich wersjach Ethernetu.
A czego nie będzie w Ethernecie 10 Gb/s? Nie będzie na przykład funkcji QoS, dzięki której aplikacja mogła mieć pewność, że łącze będzie zawsze oferować usługi o określonej, gwarantowanej jakości. Nie znaczy to jednak, że administratorzy nie będą mogli wykorzystywać w tym środowisku sieciowym istniejących już funkcji QoS, takich jak Diff-Serv (Differentiated Services).
Spis treści |
Co nowego?
Nowy Ethernet wprowadza wiele zmian do dwóch warstw modelu OSI – łącza danych i fizycznej. Pojawiają się nowe interfejsy, które będą obsługiwać połączenia MAN i WAN. Dodatkowo nowa specyfikacja zakłada, że pakiety będą przesyłane tylko w trybie dupleksu – wszystkie poprzednie wersje Ethernetu obsługiwały też półdupleks. Inna zmiana polega na tym, że znika wsparcie dla automatycznego negocjowania szybkości łącza (specyfikacja 802.3ae). Rozwiązanie to miało w zamyśle jej twórców usprawnić pracę całego środowiska sieciowego, ale w praktyce sprawiało wiele kłopotów. Testowanie sieci będzie teraz łatwiejsze.
Ale największe zmiany szykują się w warstwie fizycznej. Nowy standard przewiduje dwa typy warstwy fizycznej (PHY):
- LAN/PHY (obsługująca dane z szybkością 10 Gb/s),
- WAN/PHY (obsługująca dane z szybkością 9,58464 Gb/s, czyli jak technologia SONET OC-192).
IEEE postarała się o to, aby zintegrować w ramach nowego standardu w maksymalnie przezroczysty sposób dwie technologie:
- sieci SONET/MAN,
- sieci WAN.
Chociaż standardowe sieci Ethernet MAN cieszą się wciąż dużą popularnością, to firmy telekomunikacyjne wykorzystują głównie technologię SONET (SONET to skrót od Synchronous Optical NETwork; synchroniczne sieci optyczne – specyfikacja definiująca parametry światłowodów, ramki, sposób multipleksowania i generowania wiązek światła oraz hierarchię sygnałów optycznych, odpowiadająca SDH). Rozwiązanie polegające na przesyłaniu ramek Ethernet przez sieci SONET/SDH przyczyni się do tego, że Ethernet wkroczy do środowisk MAN i WAN.
Aby rozwiązać problem wynikający z faktu, że interfejsy fizyczne LAN i WAN pracują z różnymi szybkościami, IEEE wbudował w warstwę MAC mechanizm spowalniający, który pozwala obniżyć szybkość pracy interfejsu WAN z 10 do 9,6 Gb/s. Następnie określony element warstwy fizycznej (chodzi o podwarstwę interfejsu WAN noszącą nazwę WIS – WAN Interface Sublayer) przejmuje obsługę ramek SONET/SDH, koduje i dekoduje dane i zarządza błędami. Podwarstwa WIS nie jest w 100 proc. zgodna z interfejsem SONET/SDH, ale pracuje podobnie jak SONET/SDH, dzięki czemu interfejsy fizyczne LAN i WAN są kompatybilne.
Wynik jest taki, że przełączniki Ethernet, wyposażone w interfejsy SONET/SDH (lub w pewne elementy takich interfejsów, takie jak multipleksery add/drop zawierające interfejsy Ethernet 10 Gb/s), mogą przesyłać pakiety Ethernet przez połączenia SONET/MAN i SONET/WAN z szybkością przewidzianą przez standard OC-192. Systemy zarządzające połączeniami SONET/SDH mogą identyfikować i monitorować ruch pakietów Ethernet zakodowanych w ramkach SONET/SDH, co jest doskonałym rozwiązaniem dla usługodawców internetowych.
Podwarstwa MAC (warstwa łącza)
Warstwa ta pracuje w podobny sposób jak warstwy MAC obsługujące technologie Ethernet 100 Mb/s i 1 Gb/s. Warstwa MAC 10 Gb/s używa takiego samego modelu adresowania kart sieciowych i ramek, mających taki sam format, z tym wszakże wyjątkiem, iż obsługuje wyłącznie jeden tryb transmisji – dupleks. Sieci Ethernet 10 Gb/s nie będą przesyłać pakietów w trybie półdupleksu.
Stacje podłączone do jednej z poprzednich wersji sieci Ethernet mogły współużytkować medium, wykorzystując mechanizm znany pod nazwą Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect (CSMA/CD – system wielodostępu ze śledzeniem częstotliwości nośnej i wykrywaniem kolizji). Wielu użytkowników sieci komputerowych myśli, że Ethernet i protokół CSMA/CD to nierozłączne elementy. Otóż nie. Ethernet może istnieć bez półdupleksu.
Praca w trybie półdupleksu ma tę wadę, że łącza oparte na tym protokole nie mogą mieć większych długości (wiąże się to z tym, że trzeba tu wykrywać kolizje, co przy dłuższych łączach nie jest technicznie możliwe). W przypadku Ethernetu 1 Gb/s (który może pracować w trybie półdupleksu, ponieważ wykorzystuje protokół CSMA/CD) zdecydowano się zastosować technikę rozszerzania nośnej. Następuje to wtedy, gdy dane wstawione do ramki zajmują mniej niż 512 bajtów, a ramka musi mieć taką sumą długość jak ramki 10 i 100 Mb/s, po to, aby można było wykrywać kolizje. W sieciach 10 Gb/s nie ma wykrywania kolizji ani protokołu CSMA/CD i nie ma takiego problemu. Warstwa MAC nie musi rozszerzać ramek (chodzi o ich wielkość), a łącze może mieć długość nawet kilkudziesięciu kilometrów, jeśli tylko zastosowana technika transmitowania danych pozwala na to. Ramki MAC mogą mieć w przypadku sieci 10 Gb/s długość tylko 64 bajtów i nie trzeba tu już rozszerzać nośnej.
W obszarze warstwy fizycznej Ethernet 10 Gb/s można rozróżnić następujące podwarstwy, licząc od góry, czyli od pierwszej podwarstwy występującej po podwarstwie MAC:
- MII (Media Independent Interface),
- PSC (Physical Coding Sublayer),
- PMA (Physical Medium Attachment),
- PMD (Physical Medium Dependent),
- MDI (Medium Dependent Interface).
MDI to po prostu konektor łączący medium z podwarstwą PMD.
Podwarstwy tworzące warstwę fizyczną MDI – Media Independent Interface
- MDI - Media Independent Interface
Podwarstwa MDI pełni rolę interfejsu sprzęgającego warstwę MAC (warstwa łącza) z warstwą fizyczną. MDI izoluje warstwę MAC od warstwy fizycznej, tak aby ta pierwsza mogła obsługiwać różne wersje warstwy fizycznej (czyli LAN PHY i WAN PHY). - PCS – Physical Coding Sublayer
Podwarstwa PCS odpowiada za kodowanie i dekodowanie strumieni danych przesyłanych do warstwy MAC i odbieranych z niej. To właśnie w obszarze tej podwarstwy jest wykonywane odpowiednie kodowanie danych, decydujące o tym, czy mamy do czynienia z warstwą fizyczną LAN, czy też z warstwą fizyczną WAN. - PMA – Physical Medium Attachment
Podwarstwa PMA odpowiada za odpowiednie formowanie (szeregowanie) poszczególnych grup sygnałów, tak aby przybrały postać strumienia bitów zrozumiałego dla urządzenia warstwy fizycznej obsługującego transmisję szeregową. Podwarstwa ta zawiera też mechanizm odpowiedzialny za synchronizowanie przysyłanych sygnałów. - PMD – Physical Medium Dependent
Podwarstwa PMD odpowiada za transmitowanie sygnałów. Typowa podwarstwa PMD zawiera wzmacniacz, modulator i układ, który kształtuje w odpowiedni sposób sygnały. Różne typy podwarstw PMD obsługują różne media. Można jeszcze wspomnieć o ostatnim stopniu, to jest o MDI (Media Dependent Interface). Pod nazwą tą kryją się konektory przystosowane do obsługiwania różnego rodzaju mediów.
Warstwa fizyczna – architektura szeregowa i równoległa
W przypadku sieci 10 Gb/s są proponowane dla tej warstwy dwa rozwiązania: tzw. szeregowe i równoległe. Rozwiązanie szeregowe jest oparte na jednym szybko pracującym bloku 10 Gb/s (składającym się z podwarstw PCS/PMA/ PMD), podczas gdy rozwiązanie równoległe używa wielu takich bloków, każdy pracujący z mniejszą szybkością niż docelowa 10 Gb/s.
Implementacja szeregowa
W implementacji tej mamy do czynienia z jednym kanałem fizycznym, który przesyła dane z pełną szybkością 10 Gb/s. W modelu tym podwarstwa MAC przesyła słowo po słowie do modułu PCS. Moduł ten koduje dane zgodnie z wcześniej opracowanym algorytmem szyfrowania i tak zaszyfrowane sygnały przekazuje modułowi PMA. Z kolei moduł PMA szereguje sygnały i wysyła je do modułu PMD, który komunikuje się bezpośrednio ze światłowodem pracującym z szybkością 10 Gb/s.
Model szeregowy ma wiele zalet. Jest prosty i nie wymaga stosowania skomplikowanych i drogich układów multipleksowania i demultipleksowania, które są integralną częścią modelu równoległego. W modelu szeregowym mamy do czynienia z jednym światłowodem i z jednym urządzeniem laserowym. Istnieją już technologie, które obsługują szybkość 10 Gb/s (takie jak na przykład 10G-SONET/OC-192). Zwolennikiem modelu szeregowego jest firma Lucent, która zademonstrowała stosowne rozwiązanie, dzięki któremu dane są transmitowane w tym trybie przez światłowód wielomodowy na odległość do 300 m.
Implementacja równoległa
W przypadku implementacji równoległej mamy do czynienia z wieloma kanałami fizycznymi, które można tworzyć na dwa sposoby: stosując kilka oddzielnych kabli lub technikę multipleksowania WDM (Wavelength Division Multiplexing). Przy transmitowaniu danych dystrybutor multipleksuje dane odbierane z podwarstwy MAC, formując strumienie tzw. miniramek. Każdy taki strumień jest przekazywany do jednego z odpowiadających mu modułów PSC. Każdy moduł PCS koduje strumień danych i przekazuje zakodowane sygnały modułowi PMA. Moduł PMA szereguje te sygnały i wysyła dalej z szybkością tyle razy mniejszą od szybkości 10 Gb/s, ile jest równoległych fizycznych kanałów obsługujących konkretne połączenie. Jeśli kanałów takich będzie 10, to każdy moduł PMA będzie przesyłać dane z szybkością 1 Gb/s.
Podstawowa zaleta modelu równoległego polega na tym, że moduły PSC/PMA/PMD mogą pracować z mniejszymi szybkościami i dlatego mogą je obsługiwać tańsze układy, na przykład oparte na technologii CMOS. Wadą jest natomiast to, że trzeba tu stosować dodatkową warstwę (chodzi o dystrybutor i kolektor sygnałów), a architektura jego wymaga stosowania wielu oddzielnych modułów PSC/PMA/PMD.
Jak już wspomniano wcześniej, implementacja modelu równoległego może polegać na zastosowaniu wielu oddzielnych kabli lub techniki multipleksowania WDM.
Aby osiągnąć szybkość 10 Gb/s, można zastosować 10 równoległych światłowodów, każdy pracujący z szybkością 1 Gb/s. A światłowody takie są już dostępne, dlatego proces przechodzenia na nową technologię nie będzie trudny. Jest tu jednak jedno „ale”. Koszt takiego łącza będzie 10 razy większy niż łącza 1 Gb/s. Z ekonomicznego punktu widzenia jest to nie do przyjęcia. Kiedy jednak pojawią się światłowody pracujące z szybkością 2,5 Gb/s, można będzie zaakceptować takie rozwiązanie. Wystarczy wtedy zastosować tylko cztery światłowody. Technika taka może być atrakcyjna w przypadku budowania łączy o długości do 200 m. Chodzi o to, że w przypadku takiej długości rozwiązanie oparte na multipleksowaniu (WDM) jest droższe niż rozwiązanie oparte na czterech równoległych światłowodach. Wydaje się jednak, że przyszłość należy do rozwiązania opartego na multipleksowaniu, które z czasem musi potanieć.
