Основная | О фирме  | Новости  | Продукция |  Продажа  | Поддержка  | Разное |

Оптические дороги Ethernet

Леонид Бараш

Ни одна из существующих сетевых технологий не может сравниться с Ethernet ни по величине инсталлированной базы, ни по темпам развития. Оптические же версии Ethernet позволили этой сугубо офисной технологии шагнуть далеко за пределы локальных сетей и утвердиться не только в сетях масштаба кампуса, но и потеснить своих собратьев в городских и даже в глобальных сетях.

    Приход оптоволоконной эры столь же неотвратим, как и приход налогового инспектора. По крайней мере, в магистральных сетях. Этому способствует ряд факторов, объединившихся в синергическом альянсе, а именно: фантастические возможности персональных компьютеров, разработка многообещающих оптических технологий, таких, как мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) и полностью оптическая коммутация, постоянное снижение стоимости и улучшение качества оптоволокна. Ну а что касается приложений, то они ведут себя, как газ в пустоте: как только увеличивается пропускная способность канала, сразу же возникают приложения, готовые полностью ее использовать.
    Если же рассматривать наше сетевое будущее с точки зрения технологий, то здесь на роль лидера в ближайшее время претендует лишь Ethernet. Эта технология, выросшая в тепличных условиях офиса, с появлением высокоскоростных версий вырвалась из его стен и, как кукушонок, начинает вытеснять своих собратьев в масштабах кампусов (CAN), в городских (MAN) и даже глобальных сетях (WAN). И завоевание новых территорий стало возможным именно благодаря оптоволоконным технологиям. Поэтому словосочетание Optical Ethernet, которым мы и будем из соображений удобства пользоваться в дальнейшем, вскоре, очевидно, станет весьма популярным. Какова же ситуация в этой области IT сегодня? Прежде чем ее рассмотреть, сделаем небольшой исторический экскурс.


Краткий курс истории Optical Ethernet
    Технология Ethernet была определена как открытая спецификация в начале 80-х консорциумом компаний, в который входили Digital Equipment, Intel и Xerox. Результирующий стандарт назвали DIX Ethernet Spec., но он более известен как 10Base-5 или Thick (толстый) Ethernet. Цель разработки заключалась в продвижении относительно высокопроизводительной и недорогой цифровой сетевой технологии с разделяемой средой передачи в сектор локальных офисных сетей (LAN). В 1983 г. LAN/MAN Standards Committee принимает стандарт 802.3 для разделяемой среды передачи, в основу которого ложится механизм распределенного управления доступом к среде, названный Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD). Стандарт оказался крайне удачным, и дальнейшее его развитие включило такие возможности, как соединения точка--точка, дуплексный режим для неразделяемых каналов, высокоскоростные версии.
    Некоторые характеристики Ethernet выдержали испытание временем и сохранились до наших дней. К ним относятся формат фрейма, содержащий минимальный и максимальный размеры пакета, поле "тип протокола", МАС-адреса отправителя и получателя. А поскольку МАС-адрес каждой интерфейсной карты является уникальным, то это позволяет без особых проблем подключать новые устройства для расширения сети.
    Нужно отдать должное разработчикам, сразу же предусмотревшим в стандарте возможность использования оптоволоконных каналов. Первый оптический стандарт, который назывался Fiber Optic Inter-Repeater Link (FOIRL), был принят в 1987 г. и являлся частью спецификации оптического репитера. Он разработан с целью обеспечить связь типа точка--точка между двумя относительно далеко (до 1 км) отстоящими репитерами. Стандарт поддерживал пропускную способность 10 Mbps по двум многомодовым оптоволоконным кабелям, образующим дуплексный канал, и использовал излучение длиной 850 нм.
    Несколькими годами позже был принят стандарт 10Base-F с такими же средой передачи и длиной волны, обратно совместимый с FOIRL. Идентификатор 10Base-F относился к группе из трех типов оптических сегментов: 10Base-FL, 10Base-FB и 10Base-FP, которые были несовместимы друг с другом по оптическим интерфейсам.

10Base-FL (Fiber Link) разрабатывался для замены FOIRL. Он поддерживает длину сегмента до 2 км. Эта технология позволяла связать два компьютера, или два репитера, или компьютер и репитер. Все сегменты 10Base-FL являлись соединениями типа точка--точка с трансивером на каждом конце. Компьютер подсоединялся к среде передачи (в типичном случае -- к двум оптоволоконным кабелям 62,5/125) с помощью внешнего трансивера, а сетевая карта компьютера -- к трансиверу кабелем AUI (Attachment Unit Interface). Прием и передача велись по отдельным кабелям, что позволяло опционально организовать дуплексный канал.

10Base-FB (Fiber Backbone) -- эта технология разрабатывалась исключительно для соединения двух репитеров и не допускала непосредственного соединения компьютера и репитера. Кроме того, что она поддерживала длину индивидуального сегмента до 2 км, технология позволяла увеличить количество репитеров, которое могло быть использовано в сети. Это достигалось с помощью специального синхронизирующего протокола. Стандарт предусматривал те же типы кабеля и коннекторы, что и 10Base-FL, однако порты репитеров этих двух типов не могли быть прямо соединены из-за различия сигнальных протоколов. 10Base-FB не поддерживал также дуплексный режим.

10Base-FP (Fiber Passive) -- реализация данной спецификации представляет собой систему пассивной "звезды". Ее "луч" может достигать 500 м, а концентратор -- связывать до 33 компьютеров. Поскольку концентратор не требовал питания, то эта технология идеально подходила для мест, куда нельзя подвести электричество. Устройство получало оптический сигнал от специального трансивера 10Base-FP и распределяло его равномерно по всем остальным трансиверам, подключенным к нему, включая и тот, от которого получен сигнал. Технология не поддерживала дуплексный режим и вообще не получила широкого распространения.
    Как видно, из всех вариантов стандарта 10Base-F только 10Base-FР годился для непосредственного объединения компьютеров в сеть, да и тот не имел поддержки. Совсем другая картина наблюдается в оптических версиях Fast Ethernet.

100Base-FX является частью стандарта 802.3u Fast Ethernet, разработанного в 1994 г. Для передачи использовался многомодовый кабель и длина волны 1300 нм и, таким образом, он не был совместим ни с одним стандартом 10Base-F. Это объясняется тем, что разработчики решили использовать для него проверенный временем физический уровень FDDI, который при скорости 100 Mbps предусматривал длину волны 1300 нм.
    Стандарт 100Base-FX допускал максимальную длину сегмента 412 м в полудуплексном режиме и более 2 км в дуплексном. По сути, это была "оптоволоконная версия" спецификации 100Base-TX: витая пара и коннекторы заменялись на их оптоволоконные эквиваленты. Стандарт обеспечивал легкое сопряжение с сетями FDDI и SONET, использующими ту же длину волны. Подобная совместимость стала возможной благодаря тому, что в процессе развития технологии Ethernet удалось полностью отделить цифровую логику от аналоговой. В стандарте Fast Ethernet уровень раздела называется Media Independent Interface (MII). На самом деле драйверам совершенно безразлично, какой тип волокна (одномодовый или многомодовый) используется и на какой длине волны происходит передача. Результатом этого подхода было то, что производители компонентов для Fast Ethernet смогли обеспечить большую их гибкость и совместимость, чем предусматривал непосредственно стандарт.

100Base-SX был ратифицирован в июне 2000 г., на шесть (!) лет позже предыдущего. Основная мотивация для его разработки -- возможность инкрементной миграции (и тем самым снижение стоимости) к Fast Ethernet для оптоволоконных сетей Ethernet предыдущего поколения. Стандарт предусматривает скорость передачи 100 Mbps, использование многомодового оптоволокна и света с длиной волны 850 нм (номинально). Длина сегмента достигает 500 м. Вследствие дистанционных ограничений стандарт не рассматривается как решение для магистрали, хотя, конечно, ничто не препятствует его использованию для этой цели в случае небольших расстояний.

Итак, нам осталось описать стандарты Gigabit Ethernet (GE) и 10 GE, определить место, занимаемое Optical Ethernet в сетях различных масштабов, а также рассмотреть современные тенденции в этой области сетевых технологий. 

Компьютерное Обозрение   #18-19, 16 - 22 мая 2001

Краткий курс истории Optical Ethernet
   Итак, на очереди Gigabit Ethernet (GE). При создании спецификации 1000Base-X разработчики, как и в случае с Optical Fast Ethernet, пошли по проторенному пути -- использовали комбинацию уже зарекомендовавших себя стандартов IEEE 802.3 и ANSI X3T11 Fibre Channel.
Стандарт 1000Base-X в своей оптоволоконной части описывает два варианта: 1000Base-LX и 1000Base-SX.


1000Base-LX (long wavelength) предусматривает использование как многомодового, так и одномодового оптоволокна и излучения с длиной волны в диапазоне 1270--1355 нм. Длинноволновой лазер дороже, чем коротковолновой, зато допускает более длинные дистанции. Для полудуплексного режима передачи длина сегмента составляет 316 м, тогда как для дуплексного -- 550 м для многомодового оптоволокна и 5 км для одномодового.

1000Base-SX (short wavelength) предполагает передачу только по многомодовому оптоволокну и длину волны в диапазоне 770--860 нм. Длина сегмента в полудуплексном режиме передачи составляет 275 м для волокна 62,5/125 и 316 м для волокна 50/125. В дуплексном режиме соответствующие величины имеют значения 275 и 550 м.

    Нужно сказать, что, хотя стандарт предусматривает полудуплексный режим передачи, большинство коммерческих реализаций предназначены для соединений типа точка--точка и дуплексного режима.
    Как и в случае Fast Ethernet, многие компании поставляют на рынок оригинальные разработки с характеристиками, значительно превышающими предусмотренные стандартом IEEE 802.3z. Существуют устройства, которые используют длину волны 1550 нм и могут передавать сигналы на расстояния до 150 км без дополнительных репитеров или усилителей. Все это стало возможным благодаря тому, что, как и для Fast Ethernet, управляющая логика Gigabit Ethernet отделена от управления средой передачи. Правда, в отличие от Fast Ethernet для него не существует формального определения уровня MII. Его роль выполняет новый стандарт GigaBit Interface Converter (GBIC). Специфицированный вначале для Fibre Channel, GBIC был доработан для поддержки GE и стал стандартом de facto для GE-интерфейса.

Optical Ethernet сегодня

    Optical Ethernet давно уже не служит лишь "оптическим каналом", с помощью которого соединяют изолированные локальные сети. Это, скорее, системы, обеспечивающие расширяемость и функциональность, недостижимые при реализации на витой паре.
    Развитие оптоволоконных технологий позволило использовать Ethernet в сетях разных масштабов. В локальных они применяются в электрически зашумленной среде или в случае необходимости обеспечить высокую степень безопасности. В сетях масштаба кампуса (CAN) магистральные каналы длиной более 200 м также реализуются с помощью оптоволокна. Но инфраструктура таких сетей резко меняется. Если раньше она базировалась на маршутизаторах, то сейчас эти устройства повсеместно заменяются на Ethernet-коммутаторы, предоставляющие выделенный порт для каждого узла сети. Такие коммутаторы, как правило, оборудуются высокоскоростным портом Fast/Gigabit Ethernet для подключения к маршрутизатору, который, в свою очередь, обеспечивает выход в глобальную сеть. Но на этом процесс реструктуризации кампусных сетей не оканчивается. Появление маршрутизирующих коммутаторов с поддержкой технологии виртуальных сетей (VLAN) и низкая стоимость модулей GBIC по сравнению с маршрутизаторами приводят к вытеснению последних из сетей масштаба кампуса.
    Технология GE позволила Optical Ethernet начать борьбу за место под солнцем в городских сетях (MAN). Она предоставила операторам возможность предлагать прямые службы Ethernet подписчикам, соединяя их всего лишь несколькими маршрутизаторами с внешним миром. Однако Ethernet-сервисы не являются основным стимулом для распространения технологии в сетях MAN. Скорее, им служит желание уменьшить количество маршрутизаторов в сетях, используя везде, где это возможно, коммутацию на уровне 2. Смысл здесь в том, что каждый маршрутизатор на пути следования пакетов тратит немало времени на выбор маршрута, увеличивая тем самым задержку их продвижения. В идеальном случае маршрутизаторы должны служить лишь буфером между управляемыми доменами, обеспечивая точку управления доступом, адресами, а также безопасность (посредством брандмауэров). Но внутри управляемого домена они лишь вносят дополнительную сложность и требуют соответствующего персонала для обслуживания.
    Что касается глобальных сетей (WAN), то Ethernet-транспорт еще не получил распространения в системах дальней связи, однако положение может измениться с появлением 10 GE (но об этом дальше). Причем препятствием здесь не служат дистанционные ограничения GE, поскольку большинство систем дальней связи используют плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн (DWDM), которое по своей природе обеспечивает передачу данных на большие расстояния. Однако такие свойства Ethernet-технологий, как высокая пропускная способность, низкая стоимость и простота, безусловно, обеспечат им надлежащее место в глобальных сетях.

Optical Ethernet завтра
    Ближайшее будущее Ethernet связано с 10-гигабитовыми технологиями. Почему ближайшее? Да потому, что ходят вполне обоснованные слухи, что индустрия на этом не собирается остановиться. Несмотря на то что ратификация стандарта IEEE P802.3ae для 10 GE ожидается в марте 2002 г., некоторые производители уже демонстрируют прототипы устройств, обеспечивающих передачу данных со скоростью 10 Gbps. Так, к примеру, на прошедшей в Лас-Вегасе выставке NetWorld+Interop 2001 компании Nortel Networks и Foundry Networks продемонстрировали модули 10 Gbps Ethernet для своих коммутаторов высокого уровня.
    Возвращаясь к стандарту 802.3ае, отметим, что рассматривается только его оптический вариант. Наибольшие трудности вызывает реализация физического уровня. Дебаты идут как об архитектуре (параллельная или последовательная), так и о скорости передачи. Каковы же предложения?
    Одно из них предполагает использовать очень короткие каналы с параллельным потоком данных по оптоволоконному плоскому кабелю, состоящему из 12 многомодовых волокон. Этот вариант предназначается для связи компьютеров в пределах одной комнаты.
    Второе -- базируется на WDM-устройствах: четыре приемника и четыре передатчика с лазерами, излучающими в диапазоне 1300 нм. Каждая пара передатчик--приемник обеспечивает скорость передачи сигнала 3,125 гигабод, что составляет 2,5 Gbps для потока данных.
    Третий вариант стандарта основывается на последовательном интерфейсе с использованием схемы кодирования 64B/66B (64 бита преобразуются в 66) взамен схемы 8B/10B, применяемой в Gigabit Ethernet. Частота передачи бит 10,3 Gbps дает в результате скорость потока данных 10 Gbps. Это предложение агрессивно поддерживается поклонниками "чистого" Ethernet, которых привлекает простота оперирования в "пространстве" скоростей, кратных 10.
    Сторонники четвертого предложения, а ими выступают операторы дальней связи, ратуют за совместимость будущего стандарта с сетями SONET OC-192, предусматривающими скорость передачи бит 9,953 Gbps. Его недостатками являются, в частности, то, что скорость передачи не кратна точно 10 относительно Fast Ethernet и что SONET отнюдь не дешевая транспортная сеть. Правда, эта технология используется всеми основными телефонными компаниями мира, и все устройства OC-192 совместимы с системами DWDM. К тому же скорость 9,953 Gbps так близка к 10 Gbps, что вряд ли найдутся приложения, которые "заметят" разницу. Однако, будучи "настоящей" технологией Ethernet, стандарт IEEE 802.3ae унаследует и все ее недостатки. Это значит, что 10 GE не будет иметь встроенного управления качеством сервиса (QoS). Но ничто не мешает сетевым администраторам использовать для приоритезации потоков существующие методы, такие, как Diff-Serv (Differentiated Services). С его помощью соответствующим портам коммутатора можно присвоить необходимый уровень приоритета.

Сферы приложений 10 GE
    Вряд ли следует ожидать, что технология 10 GE с ее стоимостью и, вообще говоря, несколько избыточными возможностями найдет широкое применение в локальных и кампусных сетях. Здесь для достижения необходимой пропускной способности скорее всего будет использоваться группировка каналов. Тем не менее есть ряд ситуаций, когда переход на 10 GE окажется весьма кстати. Типичными кандидатами являются коммутируемые магистрали, которые уже сегодня используют 1 GE.

Рис. 1


    Практически все современные коммутаторы Fast Ethernet для рабочих групп имеют один или даже два порта Gigabit Ethernet для связи с магистральными устройствами. Кроме этого, потоки данных на границе сети могут легко не только исчерпать, но и перегрузить гигабитовую магистраль. Ведь достаточно часто в сетях устанавливаются коммутаторы с 48 портами 100 Mbps, что интегрально дает поток данных со скоростью, намного превышающей возможности канала 1 GE. Другим узким местом, где применение 10 GE может быть оправдано, являются каналы от/к серверным фермам. Ожидается также, что эта технология начнет использоваться в кластерных решениях либо в качестве канала между узлами, либо для подсоединения к сетям хранения данных SAN. Конечно, скорее всего в сетях этого масштаба даже один канал 10 GE не будет в первое время загружен полностью. Тем не менее уже сегодня существуют серверы, создающие трафик, соизмеримый со значением 1 Gbps. Очевидно, коммутаторы 1 GE уже будут плохо справляться с потоками от нескольких таких серверов. И здесь технология 10 GE окажется на своем месте (рис. 1).

Рис. 2


Однако ожидается, что сферами, где 10-гигабитовые технологии Ethernet будут наиболее эффективны и внесут радикальные изменения, станут городские и глобальные сети. Внедрение грядущего стандарта явится не просто экстенсивным расширением существующих сетей, оно приведет к появлению новых приложений, которые раньше были просто невозможны из-за ограниченной полосы пропускания.
    Считается, что в городских сетях SONET будет постепенно вытесняться 10 GE, поскольку стоимость интерфейса последнего гораздо ниже. Сегодня в типичных сетях масштаба города для соединения далеко расположенных офисов компании арендуют у сервис-провайдеров кольцо SONET (рис. 2). При этом для транспорта по кольцу SONET трафик Ethernet должен быть предварительно преобразован коммутаторами или маршрутизаторами. При использовании в качестве транспортной технологии 10 GE ситуация значительно упростится. Пакеты Ethernet будут передаваться из конца в конец в своем нативном виде (рис. 3).

Рис. 3


Что касается глобальных сетей, то с распространением технологии DWDM дистанционные ограничения больше не являются серьезным препятствием для использования Ethernet в системах дальней связи. Internet-провайдеры и сетевые провайдеры смогут создавать высокоскоростные каналы низкой стоимости между магистральными коммутаторами и маршрутизаторами, прямо подсоединяясь к транспортным сетям SONET и DWDM (рис. 4).

Рис. 4

Компьютерное Обозрение   #21, 30 мая - 5 июня 2001