Ethernet 1 Gb/s

Standard 1000Base-X jest oparty na Fibre Channel Physical layer (FCPL). FCPL ma architekturę składającą się z 4 warstw: 2 dolnych warstw FC-0 (interfejs i medium) i dwóch górnych warstw FC-1 (kodowanie i dekodowanie). 1000Base-X dopuszcza stosowanie trzech rodzajów medium: 1000Base-X światłowód wielomodowy (laser 850 nm), 1000Base-LX - światłowód jednomodowy (laser 1300 nm) i 1000Base-CX - kabel koncentryczny. 1000Base-T przewiduje stosowanie skrętki nieekranowej (UTP). Cztery pary skrętek kat. 5 mogą mieć długość do 100m. Warstwa MAC sieci Gigabit Ethernet używa tego samego protokołu dostępu do medium (CSMA/CD) co klasyczny Ethernet. Maksymalna długość jednego segmentu sieci sprzęgającego dwie stacje jest ograniczona do wartości narzuconej przez CSMA/CD. jeśli dwie stacje dochodzą jednocześnie do wniosku, że sieć jest wolna, następuje kolizja.

Żadna z technologii stosowanych w sieci LAN nie zrobiła takiej kariery jak Ethernet. Szacuje się, że w 1996 r. 83 proc. sprzętu sieciowego wykorzystywało tę technologię. W 1995 r. komitet IEEE zaakceptował kolejną jej odmianę – standard Fast Ethernet (802.3u) – przesyłającą dane z szybkością 100 Mb/s.

Po Fast Ethernecie przyszedł czas na Gigabit Ethernet (przepływności 1 Gb/s). Jest to technologia w pełni kompatybilna z poprzednimi wersjami Ethernetu. Zachowana została metoda dostępu do medium CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Colission Detection). Sieci Gigabit Ethernet mogą pracować w trybie dupleksu oraz półdupleksu.

Światłowód i miedź

Jeśli chodzi o warstwę fizyczną, to technologia Gigabit Ethernet jest kombinacją sprawdzonych już rozwiązań: Ethernet i ANSI X3T11 Fibre Channel Specification. Gigabit Ethernet może korzystać z mediów zdefiniowanych przez 802.3z (światłowód i kabel koncentryczny) i 802.3ab (skrętka nieekranowana).

Gigabit Ethernet na kablach kategorii 5

Przejście od sieci Ethernet, pracujących z szybkościami 10 lub 100 Mb/s, do sieci o szybkościach gigabitowych jest często postrzegane jako konieczność przejścia z okablowania miedzianego na światłowodowe.

Nie jest to jednak w pełni prawda. W większości przypadków, w których sieć Fast Ethernet jest eksploatowana na kablu miedzianym, istniejące kable kategorii 5 mogą również zapewnić niezawodne działanie sieci gigabitowej.

Opracowana przez IEEE specyfikacja 1000Base-T wspiera użycie kabli kategorii 5 lub kategorii 5e (enhanced) dla transmisji gigabitowych. Skok ze 100 Mb/s do szybkości gigabitowych jest realizowany przez pewne zmiany w sygnalizacji, które umożliwiają wykorzystanie już zainstalowanych kabli w większości sieci przedsiębiorstw.

Kabel kategorii 5 jest zazwyczaj nieekranowaną skrętką, zawierającą cztery pary przewodów. Fast Ethernet (100Base-T) i Ethernet 10base-T używają tylko dwóch par, dwie pary pozostają więc nie wykorzystane. Gigabitowy Ethernet wykorzystuje wszystkie cztery pary.

Podobnie do transmisji w dupleksie (full-duplex) gigabitowy Ethernet wysyła i odbiera informacje jednocześnie. Różnica tkwi w tym, że do wysyłania/odbioru danych 1000Base-T używa czterech par, z których każda pracuje z szybkością 250 Mb/s.

Gigabit Ethernet na okablowaniu miedzianym

Pod wieloma względami działanie gigabitowego Ethernetu na okablowaniu kategorii 5 jest prostsze niż Ethernetu 10/100Mb/s. Specyfikacja 1000Base-T zapewnia automatyczną negocjację charakterystyk łącza, w tym automatyczną korekcję przesłuchów w kablu. Automatyczna negocjacja umożliwia pewnie działające połączenia kablowe pomiędzy pracującymi w standardzie 1000Base-T kartami sieciowymi, hubami, przełącznikami lub innymi urządzeniami, które mogą po zainicjowaniu portów działać w półdupleksie.

Inteligencja wbudowana w wielu interfejsach 1000Base-T może również negocjować użycie odpowiedniej szybkości, jeśli do takiego interfejsu zostanie omyłkowo podłączony port 100 b/s. Port gigabitowy będzie działał z najwyższą dopuszczalną przez wszystkie urządzenia szybkością, tym samym nie powodując uszkodzenia interfejsu jakiegokolwiek urządzenia. Dzięki użyciu w serwerach kart 1000Base-T i odpowiednich urządzeń przełączających przedsiębiorstwa mogą nadal wykorzystywać posiadaną infrastrukturę okablowania kategorii 5 do tworzenia efektywnych połączeń zapewniających bardzo duże szybkości.

Kilka lat temu przejście z szybkości 10 Mb/s do 100 Mb/s wydawało się zbawieniem, chociaż wiązało się z koniecznością użycia lepszych kabli. Pociągało to za sobą zwiększenie kosztów, lecz było tych kosztów warte.

Przejście ze 100 Mb/s na gigabitowe szybkości transmisji danych jest dziś jeszcze bardziej spektakularne. Jednoczesne nadawanie i odbiór danych, udoskonalone metody kodowania i wyjątkowe technologie filtrowania umożliwiają wykonanie tego kroku. Jeszcze bardziej niezwykły jest fakt, że dziesięciokrotne ulepszenie osiąga się przy użyciu istniejącej technologii okablowania. Ulepszone kable kategorii 5 i stale oczekiwane kable kategorii 6 obiecują dalsze polepszenie jakości sygnału gigabitowego.

Rodzi się pytanie wynikające z doświadczeń historii rozwoju technologii komputerowych: „Czy można oczekiwać szybkości 2 Gb/s lub może nawet 10 Gb/s na kablach kategorii 5 lub wyższych?”. Inżynierowie lubią takie wyzwania, ale w przypadku nieekranowanej skrętki odpowiedź brzmi – „raczej nie”.

Koszt mocy obliczeniowej potrzebnej do kodowania i dekodowania danych jest prawdopodobnie nie do przyjęcia i mógłby wydłużyć procesy dekodowania, filtrowania i korekcji błędów, doprowadzając do obniżenia możliwości interfejsu.

W przypadku przekroczenia przez tę technologię granicy 1 Gb/s może okazać się, że pod względem kosztu stanie się ona mniej atrakcyjna w porównaniu z technologią światłowodową.

Architektura protokołów Gigabit Ethernet

Jeśli dane wstawiane do ramki gigabitowej zajmują mniej niż 512 bajtów to jst ona powiększana do tej długości przez dodanie bitów rozszerzenia. Proces ten nosi nazwę Carrier Extension. Tak rozszerzona ramka jest traktowana przez stacje Gigabit Ethernet jako collision window (okienko sprawdzania kolizji). Parametr FSC (Frame Check Sequence) kontrolujący poprawność transmisji, jest obliczany przed dodaniem bitów rozszerzenia. Bity te są usuwane z ramki po dotarciu do stacji przeznaczenia - dopiero wtedy przystępuje ona do sprawdzania FSC. W rezultacie podwarstwa LLC nawet "nie wie", że istnieje coś takiego jak Carrier Extension.

Carrier Extension jest dość prostym rozwiązaniem. mającym pewną zasadniczą wadę: bity rozszerzenia zajmują niemałą część przepustowości łącza. Niekiedy zdarza się tak, że 448 bajtów w ramce to nic innego jak bity rozszerzenia. Dlatego oprócz Carrier Extension w sieciach Gigabit Ethernet stosuje się potokowy (grupowy) tryb transmitowania pakietów - Packet Bursting. Gdy stacja ma do wekspediowania w sieć większą liczbę pakietów, to pierwszy jest rozszerzany (jeśli zachodzi taka konieczność) o odpowiednią liczbę bitów, do długości co najmniej 512 Bajtów. Następne pakiety są transmitowane jeden za drugim przy minimalnej szczelinie oddzielającej ramkę od ramki (parametr IPG - Inter Packet Gap). Trwa to do chwili, gdy Burst Timer (1500 bajtów) osiągnie wartość zero.

Interfejs GMII jest podzielony na trzy podwarstwy: PCS, PMA i PMD, Podwarstwa PCS (Phisical Coding Sublayer) komunikuje się z podwarstwą Reconciliation, używając tego samego systemu kodowania do Fibre Channel - 8B/10B. System pracuje w ten sposób, że osiem bitów informacji jest kodowanych w dziesieciu taktach zegarowych. Sygnały Carrier Sense i Colission Detect są odbierane przez podwarstwę PCS i przekazywane do Reconciliation Subplayer. To właśnie ta podwarstwa zarządza procesem automatycznego rozpoznawania rodzaju zastosowanej technologii, dzięki któremu karta sieciowa "wie", jak pracować (z szybkością 10, 100 lub 1000 MB/s, w półdupleksie lub dupleksie).

Minimalna długość ramki Ethernet wynosi 64 bajty. Ograniczenie to jest konieczne – stacja ekspediująca w sieć ramkę nie może bowiem zakończyć swej aktywności, zanim pierwszy bit tej ramki nie dotrze do stacji docelowej. Wynika to z prostego założenia – minimalny czas potrzebny na wykrycie kolizji jest równy czasowi, w jakim sygnał przemierza cały odcinek łącza. Ten czas jest definiowany przez Slot Time (wyrażony w mikrosekundach) lub Slot Size (w bajtach). W sieciach Ethernet parametr Slot Size wynosi 64 bajty i długość ramki nie może być mniejsza. Maksymalna długość łącza w sieci Ethernet wynosi 2,5 km (pięć odcinków połączonych ze sobą czterema wzmacniakami).

Oczywiście ze wzrostem szybkości transmisji danych (mierzonej w bitach na sekundę) czas potrzebny na przesłanie ramki ulega skróceniu. Jeśli więc długość ramki (przy zachowaniu tej samej długości łącza) nie ulega zmianie, to stacja nadająca dane robi to tak szybko, że nie jest w stanie wykrywać kolizji. Aby nie dopuścić to tego, należy albo zwiększyć parametr Slot Time (czyli zwiększyć minimalną długość ramki), albo zmniejszyć długość łącza. W sieci Fast Ethernet maksymalną długość łącza zmniejszono do 100 m, dzięki czemu parametr Slot Time pozostał taki sam jak w sieci Ethernet.

W przypadku sieci Gigabit Ethernet należałoby zmniejszyć długość łącza do 10 m, jeśli minimalna długość ramki miałaby pozostać taka sama. Nie wchodziło to oczywiście w grę, bo tak krótkie łącze nie zadowalałoby nikogo. Pozostało więc rozwiązanie polegające na zwiększeniu minimalnej długości ramki. Dlatego parametr Slot Size wynosi w sieci Gigabit Ethernet 512 bajtów.

Projektanci sieci Gigabit Ethernet chcieli jednak, aby technologia była kompatybilna z Ethernetem i Fast Ethernetem. Dlatego zdecydowano się nie zmieniać parametru definiującego minimalną długość ramki (czy też mówiąc konkretnie odcinka zajmowanego przez pola: SFD, DA, SA, typ/długość i DANE), a posłużyć się rozszerzeniem Carrier Event. Dzięki tej operacji minimalna długość odcinka zajmowanego przez dane i bity kontrolne pozostała w sieciach Ethernet, Fast Ethernet i Gigabit Ethernet taka sama – 64 bajty.

GMII (Gigabit Media Independent Interface) to interfejs sprzęgający MAC i warstwę fizyczną, dzięki któremu podwarstwa MAC może wymieniać dane z różnego rodzaju mediami. GMII jest rozszerzeniem interfejsu Media Independent Interface (stosowanego w sieciach Fast Ethernet) i może wymieniać dane z łączami przesyłającymi pakiety z szybkością 10, 100 lub 1000 Mb/s. GMII ma do dyspozycji dwie oddzielne ścieżki o szerokości ośmiu bitów każda i dlatego może pracować w trybie półdupleksu i dupleksu. Interfejs bada stan łącza, odczytując dwa stany: nośna i kolizja.

Podwarstwa Reconcilation Sublayer (RS) mapuje te stany, przekazując je w formie sygnałów Physical Signalling podwarstwie MAC. GMII może więc – używając tego samego kontrolera MAC – komunikować się z łączem opartym na światłowodzie (wielomodowym i jednomodowym) oraz z łączem wykorzystującym miedź (kabel ekranowany i skrętka nieekranowana).

Podwarstwa PMA (Physical Medium Attachment) odbiera bity z dolnej warstwy i po odpowiednim przetworzeniu przekazuje je do górnej warstwy (i odwrotnie). Najniższa podwarstwa nosi nazwę PMD (Physical Medium Dependent), a jej integralną częścią jest MDI (Media Dependent Interface), definiujący fizyczne parametry łącza (łączówki, wtyki itp.).

Buforowany dystrybutor

W sieciach Gigabit Ethernet, opartych na technologii współdzielonego dostępu do medium, jest stosowany (oprócz klasycznego repeatera) nowy rodzaj węzła sieci, tzw. buforowany dystrybutor.

Buforowany dystrybutor to specyficzny hub, który:

1. Sprzęga dwa lub więcej łączy 802.3, przetwarzając pakiety z szybkością 1 Gb/s;
2. Tak jak repeater standardu 802.3 nie potrafi filtrować pakietów – odbierane pakiety są bezwarunkowo kierowane do wszystkich portów (oprócz portu generującego dany pakiet), z wykorzystaniem technologii współdzielonego dostępu do medium, czyli badania stanu łącza i unikania kolizji.

Dystrybutor dysponuje specjalną pamięcią (buforem), w której może przechowywać przez jakiś czas pakiety przed wyekspediowaniem ich w sieć. Dystrybutor pracuje zgodnie ze standardem 802.3x (sterowanie przepływem pakietów i zapobieganie przeciążeniom łącza) oraz może transmitować i odbierać ramki generowane przez protokół 802.3x.

Sposoby wdrażania technologii Gigabit Ethernet

Buforowany dystrybutor jest wieloportowym wzmacniakiem (repeater) obsługującym pakiety w trybie pełnego dupleksu. Każdy port dysponuje kolejkami, wejściową FIFO (First Out First In) i wyjściową FIFO. Port odbiera ramkę i umieszcza ją w kolejce wejściowej. Następnie dystrybutor kieruje ramkę do wszystkich kolejek wyjściowych (oprócz tej, która towarzyszy portowi odbierającemu tę ramkę). Ponieważ port dystrybutora nie musi się obawiać kolizji (dupleks), to łącze może mieć dowolną długość (zależy ona od wydolności samego medium, a nie jest z góry narzucona przez protokół CSMA/CD). Ponieważ stacja wysyłająca pakiety może szybko zapełnić kolejkę FIFO, to oba stanowiska (stacja i dystrybutor) korzystają z usług systemu kontrolującego pzepływ pakietów.

Łącza Gigabit Ethernet są najczęściej stosowane do szybkiego przesyłania danych między przełącznikami i ruterami, przełącznikami i serwerami lub do sprzęgania w jeden organizm wielu przełączników. Ostatnio coraz częściej Gigabit Ethernet trafia w postaci kart 1000Base-T do użytkowników sieci – w ich desktopach.

Wprowadzanie Ethernetu 1 Gb/s do systemów sieciowych dokonuje się najczęściej na dwa sposoby:

1. Przez modyfikację sieci szkieletowej Fast Ethernet, łącząc w jeden organizm przełączniki Fast Ethernet (100 Mb/s) z przełącznikiem Gigabit Ethernet (1000 Mb/s). Przełącznik Fast Ethernet (agregujący ruch pakietów generowanych z szybkością 100 Mb/s) jest w tym scenariuszu wymieniany na przełącznik Gigabit Ethernet (agregujący ruch pakietów 1000 Mb/s. Z usług przełącznika Fast Ethernet korzystały węzły sieci pracujące z szybkością 100 Mb/s (do których podłączono stacje robocze 10 i 100 Mb/s, dysponujące interfejsami obu standardów). Po modyfikacji z usług przełącznika Gigabit Ethernet będą korzystać węzły sieci 1000 Mb/s (do których będzie można podłączyć te same stacje robocze: 10 i 100 Mb/s). Sieć szkieletowa Gigabit Ethernet oparta na technologii przełączania pracuje bardzo wydajnie, co pozwala przyłączać do niej nowe segmenty sieci LAN albo zwiększać liczbę stanowisk instalowanych w każdym z segmentów;
2. Przez modyfikowanie łączy sprzęgających przełączniki z serwerami, dzięki czemu stacje robocze mogą szybko wymieniać dane z serwerami plików i serwerami aplikacji. Najprostszy scenariusz polega na wymianie przełącznika Fast Ethernet (z usług którego korzystają z jednej strony stacje robocze 10 i 100 Mb/s, z drugiej – serwery; po drodze są oczywiście przełączniki lub huby) na przełącznik Gigabit Ethernet. Po przeprowadzeniu tej operacji szybko pracujące łącze – sprzęgające przełącznik z serwerami – pracuje dziesięciokrotnie szybciej. Jedyna poważna modyfikacja polega tu na wymianie kart sieciowych Fast Ethernet (zainstalowanych w serwerach) na Gigabit Ethernet.

Można jeszcze instalować karty 1000Base-T w pecetach, ale pod warunkiem, że aplikacje uruchamiane na komputerach PC skonsumują taką przepustowość. W przeciwnym razie inwestycja się nie zwróci.

Ramki Jumbo

Szereg przełączników Gigabit Ethernet obsługuje ramki Jumbo. Technologia ta została opracowana przez firmę Alteon, a następnie wykorzystana przez wielu producentów sprzętu sieciowego.

U podstaw opracowania takiej ramki legło przekonanie, że poszczególne porcje transmitowanych danych powinny być jak najdłuższe, tak aby można było osiągnąć jeszcze większą wydajność. Wiadomo przecież, że każdemu pakietowi towarzyszy nagłówek, który należy odczytać i poddać analizie, aby przetworzyć pakiet w odpowiedni sposób. A to wymaga czasu. Im dłuższe są ramki, tym mniej nagłówków i szybsza transmisja danych.