Сети Gigabit Ethernet (стандарты IEEE 802.3z и 802.Sab)

В 1996 году комитет IEEE 802.3, одобрил проект стандартизации Gigabit Ethernet 802.3z и 11 компаний (3Com, Bay Networks, Cisco, Compaq, Granite, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks и VLSI Technology) организовали альянс Gigabit Ethernet Alliance — GEA [24] ведущих производителей сетевого оборудования для выработки единого стандарта и выпуска взаимосовместимых продуктов Gigabit Ethernet.

В настоящее время альянс GEA (более 100 компаний) обеспечивает связь между техническим комитетом по стандартизации IEEE 802.3 и производителями сетевого оборудования [25].

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

Структура уровней стандарта Gigabit Etherne, GMII интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet приведены на рис. 19. Здесь, как и в стандарте Fast Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов (с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8В/10 В [26], а, с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код ТХ/T2 [27]). Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого интерфейса GMII (gigabit media independent interface).

Рис. 19.

GМII интерфейс обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем и расширяет возможности интерфейса МII (поддерживает скорость 10, 100 и 1000 Мбит/с). Он имеет отдельные 8-разрядные приемник и передатчик и поддерживает как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GM1I интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию, два сигнала состояния линии (первый указывает наличие несущей, а второй — отсутствие коллизий), ряд других сигнальных линий и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средозависимых интерфейсов, может подключаться, например, к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса.

Подуровень физического кодирования PCS. При подключении интерфейсов группы 1000Base-X подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8В/10 В (стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel). Аналогично стандарту FDDI (только на основе более сложной кодовой таблицы), каждые 8 входных битов, предназначенных для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10-битные символы. Кроме этого, в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10-битные символы, например, используемые для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимально размера 512 байт).

При подключении интерфейса 1000Base-T подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование для обеспечения передачи по витой паре UTP сat.5 на расстояние до 100 м (линейный код ТХ/T2, разработанный компанией Level One Communications [28, 29]).

Кроме того, этим подуровнем генерируются два сигнала состояния линии (наличие несущей и отсутствие коллизий).

Подуровни РМА и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов (традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое ОВ).

Подуровень РМА преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, а также выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD.

Подуровень PMD определяет оптические (электрические) характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определяются 4 типа физических интерфейсов среды, стандарта отраженные в спецификациях стандарта Gigabit Ethernet 802.3z (1000Base-X) и 802. Заb (1000Base-T), (рис. 20).

1000Base-X — основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel (технологии взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов). Fibre Channel имеет 4-уровневую архитектуру, где два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet.

Блочный код 8В/10 В аналогичен коду 4В/5 В (стандарта FDDI). Но сам код 4В/5 В не обеспечивает баланса по постоянному току и поэтому в стандарте FDDI предусмотрен специальный дополнительный узел (поддерживающий баланс по постоянному току с дрейфом в пределах ± 10%). В коде 8В/10 В полностью отсутствует дрейф постоянной составляющей.

Отметим, что отсутствие баланса потенциально может привести к зависящему от передаваемых данных нагреванию лазерных диодов, поскольку передатчик может передавать больше битов 1 (излучение есть), чем 0 (излучения нет), что может быть причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях передачи.

• 1000Base-X подразделяется на три физических интерфейса [30]:
  • — 1000Base-SX — определяет лазеры с длиной волны излучения в диапазоне 770 — 860 нм, мощностью излучения передатчика от -10 до 0 дБм, с отношением ON/OFF (сигнал/нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника не хуже -17 дБм, насыщение приемника 0 дБм;
  • — 1000Base-LX — определяет лазеры с допустимой длиной волны излучения в диапазоне 1270 — 1355 нм, мощностью излучения передатчика от -13,5 до -3 дБм, с отношением ON/OFF не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника не хуже -19 дБм, насыщение приемника -3 дБм;
  • — 1000Base-CX — экранированная витая пара (SIP «twinax») на короткие расстояния.

Для справки в табл. 9 приведены основные характеристики оптических приемопередающих модулей Gigabit Ethernet [31], выпускаемых фирмой Hewlett Packard для стандартных интерфейсов 1000Base-SX (модель HFBR-5305, = 850 нм) и 1000Base-LX (модель HFCT-5305, = 1300 нм).

Таблица 9.

Поддерживаемые расстояния для стандартов 1000Base-X приведены в табл. 10.

При кодировании 8В/10 В битовая скорость в оптической линии составляет 1250 бит/с, т. е., полоса пропускания участка кабеля (допустимой длины) должна превышать 625 МГц. Из табл. 10 видно, что этот критерий для строчек 2 — 6 выполняется. Из-за большой скорости передачи Gigabit Ethernet особое внимание уделяется построению протяженных сегментов, где предпочтение отдается одномодовому ОВ, а характеристики оптических приемопередатчиков желательно иметь значительно выше.

Таблица 10.

• * Все расстояния, за исключением последнего (25 м), предполагают использование дуплексного режима
• ** Большее расстояние может обеспечивать оборудование некоторых производителей, оптические сегменты без промежуточных ретрансляторов/усилителей могут достигать 100 км.
• *** Может требоваться специальный переходной шнур (см. ниже — Особенности использования многомодовых ВОК)

Например, компания NBase выпускает коммутаторы с портами Gigabit Ethernet, обеспечивающими расстояния до 40 км по одномодовому ОВ без ретрансляции — используются узкоспектральные DFB-лазеры, работающие на длине волны 1550 нм [32].

В ходе исследований по разработке спецификаций 1000Base-SX и 1000Base-LX выявлена особенность, связанная с использованием лазерных передатчиков совместно с многомодовым ОВ.

Известно, что многомодовое ОВ ориентировано на совместное использование со светоизлучающими диодами (спектр излучения 30−50 нс). Такое квазикогерентное излучение попадает в ОВ по всей площади светонесущей сердцевины, в результате возбуждается огромное число модовых групп. Распространение такого сигнала можно описать на языке межмодовой дисперсии. Эффективность использования светодиодов в передатчиках стандарта Gigabit Ethernet низкая из-за высокой частоты модуляции (скорость битового потока в оптической линии равна 1250 Мбод, а длительность одного импульса — 0,8 нс). Максимальная скорость, когда еще используются светодиоды для передачи сигнала по многомодовому ОВ, составляет 622,08 Мбит/с (STM-4, с учетом избыточности кода 8В/10 В, битовая скорость в оптической линии 777,6 Мбод).

Поэтому Gigabit Ethernet стал первым стандартом, регламентирующим использование лазерных оптических передатчиков совместно с многомодовым ОВ. Площадь ввода излучения в ОВ от лазера значительно меньше, чем размер сердцевины многомодового ОВ. В технологическом процессе производства стандартных многомодовых ОВ допускается наличие некритичных (при традиционном использовании ОВ) дефектов (отклонений в пределах допустимого), в наибольшей степени сосредоточенных вблизи оси сердцевины ОВ. Хотя такое ОВ удовлетворяет требованиям стандарта, когерентный свет от лазера, введенный по центру такого ОВ, проходя через области неоднородности показателя преломления, расщепляется на небольшое число мод, которые затем распространяются по ОВ разными оптическими путями и с разной скоростью. Это явление известно как дифференциальная модовая задержка DMD. В результате появляется фазовый сдвиг между модами, приводящий к нежелательной интерференции на приемной стороне и к значительному росту числа ошибок (рис. 21 а). Этот эффект проявляется при стечении ряда обстоятельств: неудачный выбор ОВ, лазерного передатчика (разумеется, удовлетворяющие стандарту) и условия ввода излучения вОВ. Физически, эффект DMD обусловлен тем, что энергия когерентного источника распределяется между небольшого числа мод, а некогерентного — равномерно возбуждает огромное число мод. Эффект DMD, проявляется сильней при использовании длинноволновых лазеров (окно прозрачности 1300 нм) [33, 34]. Эта особенность приводит к уменьшению максимальной длины сегмента на основе многомодового ВОК, что регламентируется стандартом.

Интерфейс 1000Base-LX. Чтобы сохранить большее расстояние и избежать непредсказуемости поведения канала Gigabit Ethernet из-за DMD-эффекта, предложено вводить излучение не в центральную часть сердцевины многомодового ОВ. Излучение из-за апертурного расхождения успевает равномерно распределиться по всей сердцевине ОВ, сильно ослабляя проявление эффекта, хотя максимальная длина сегмента и после этого остается ограниченной (табл. 10).

А.

Б Рис. 21.

Для подобных применений разработаны специальные переходные одномодовые оптические шнуры МСР (mode conditioning patch-cords), у которых один из соединителей (а именно тот, который планируется сопрягать с многомодовым ОВ) имеет небольшое смещение от оси сердцевины ОВ. Оптический шнур, у которого один соединитель — Duplex SC со смещенной сердцевиной, а другой — обычный Duplex SC обозначаются как МСР Duplex SC-Dupiex SC. Разумеется, такой шнур не подходит для использования в традиционных сетях, например в Fast Ethernet, из-за больших вносимых потерь на стыке с МСР Duplex SC. Переходной шнур МСР может быть комбинированным на основе одномодового и многомодового ОВ и содержать элемент смещения между волокнами внутри себя. Тогда одномодовым концом он подключается к лазерному передатчику. Что же касается приемника, то к нему может подключаться стандартный многомодовый соединительный шнур. Использование переходных МСР шнуров позволяет заводить излучение в многомодовое ОВ через область, смещенную на 10 — 15 мкм от оси (рис. 21 6) [35, 36]. Таким образом, сохраняется возможность использования интерфейсных портов 1000Base-LX и с одномодовыми ВОК, поскольку там ввод излучения будет осуществляться строго по центру сердцевины ОВ.

Интерфейс 1000Base-SX. Так как интерфейс 1000Base-SX стандартизован только для пользования с многомодовым ОВ, то смещение области ввода излучения от центральной оси ОВ можно реализовать внутри самого устройства, и тем самым снять необходимость использования согласующего оптического шнура.

1000Base-T — это стандарт Gigabit Ethernet передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре 250 Мбит/с. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях — двойной дуплекс (dual duplex) 1000Base-Т. Технически реализовать…

Расширение носителя

Символы этого поля не несут служебной информации, но заполняя канал увеличивают «коллизионное окно» и коллизия регистрируется всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если следует передать короткий (меньше 512 байт) кадр, то добавляется поле (расширение носителя), дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. На рис. 23 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя (здесь: SFD — Start of frame Delimiterограничитель начала кадра, DA — Destination Address — адрес назначения, SA — Source Address — адрес источника, L — длина поля данных (для кадра 8902.3), Т — тип поля данных (для кадра Ethernet_II), FCS — Frame Check Sequence — контрольная последовательность кадра) .

Рис. 23.

Пакетная перегруженность

Расширение носителя позволяет сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet и поддержать такой же диаметр коллизионного домена. Но такое решение приводит к затратам полосы пропускания (448 байт (512 — 64) теряется при передаче короткого кадра).

Компанией NBase Communications предложена модернизация стандарта путем введения так называемой пакетной перегруженности (packet bursting), позволяющей эффективно использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт, и отправляется.

Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением — межкадровый интервал заполняется символами расширения (рис. 24 а).

Рис. 24.

При этом среда не замолкает между посылками коротких кадров, и другие устройства сети не могут вклиниться в передачу. Подобное сопряжение кадров можно выполнять до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий (поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого оригинального кадра, включая расширение носителя), что увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках (рис. 24 б).

Типы устройств

В настоящее время поставляется полный перечень сетевых продуктов Gigabit Ethernet: сетевые карты, повторители, коммутаторы, а также маршрутизаторы. Предпочтение отдается устройствам с оптическим интерфейсами (1000Base-FL, 1000Base-SX) Duplex SC. Устройства с интерфейсом 1000Base-T на UTP cat.5 с протяженностью сегментов до 100 м появились в 2000 году.

Сетевая карта Gigabit Ethernet выпускаются на шины PCI, SBus и др. Их основные технические характеристики приведены ниже (на примере сетевой карты G-NIC, выпускаемой фирмой Packet Engines [38]):

• — 64/32-разрядный PCI-мастер адаптер обеспечивает на частоте 33 МГц пропускную способность 2 Гбит/с.
• — Два независимых процессора, ответственных за прием и передачу пакетов, существенно разгружают центральный процессор рабочей станции.
• — Поддержка стандартов IEEE 802.3х дуплексной передачи и IEEE 802.3z обеспечивает максимальную совместимость с другими устройствами.

Поставляются драйверы для операционных систем: Windows 95 (NDIS3); Windows NT (NDIS4, NDIS5, Intel и DEC Alpha процессоры); Novell NetWare (ODI 3.12 или выше); Solaris (2.5x, PCI и SBus); DEC UNIX (4.3 BSD); SGI IRIX (5.3 и 2); HP-UX (10.20); Linux; FreeBSD.

Буферный повторитель. Устройства Ethernet поддерживают дуплексный режим как на физическом уровне, так и на уровне MAC. Но традиционные повторители с портами RJ-45 (10Base-T, 100Base-TX) из-за логической топологии шины внутри себя могут поддерживать только полудуплексный режим, что создает коллизионный домен ограниченного диаметра. Хотя в стандарте Gigabit Ethernet допускается использование традиционных повторителей, более эффективным является применение нового устройства — буферного повторителя. Протокол CSMA/CD реализует метод доступа к сети (но не к сегменту), а буферный повторитель — это многопортовое устройство с дуплексными каналами связи (рис. 25, архитектура буферного повторителя Gigabit Ethernet), где каждый порт имеет входной и выходной буферы.

Рис. 25.

Удаленное устройство, подключенное к повторителю, также должно поддерживать дуплексную связь на физическом и MAC уровнях. Очередной кадр, прибывая на входной порт, размещается в очереди входного буфера порта и далее пересылается в выходные буферы остальных портов (за исключением выходного буфера этого порта). Внутри повторителя отрабатывается протокол CSMA/CD, на основе которого кадры из входных буферов переходят в выходные буферы других портов.

Поскольку в сегментах нет коллизий, ограничения на их длину могут возникать только из-за физических характеристик кабельной системы. В этой связи ВОК представляется более перспективным, чем витая пара, ограниченная длиной 100 м.

Удаленный узел при передаче серии кадров может переполнить входной буфер порта повторителя и привести к потере кадров. Во избежании этого стандартизован основанный на кадрах контроль потока, известный как 802.Зх. Протокол работает на уровне MAC и предназначен для использования в дуплексных линиях.

Буферный повторитель обеспечивает дуплексную связь как и коммутатор, но он не такой дорогой, поскольку является просто расширением традиционного повторители.

Коммутаторы Gigabit Ethernet обладают следующими важными свойствами:

• — поддерживают дуплексный режим по всем портам;
• — поддерживают контроля потока, основанного на кадрах IEEE 802. Зх;
• — имеют порты или модули для организации каналов Ethernet, Fast Ethernet;
• — поддерживают физический интерфейс на одномодовом ВОК;
• — обеспечивают коммутацию уровня 3;
• — поддерживают механизм QoS и протокол RSVP;
• — поддерживают стандарт IEEE 802.1q для организации виртуальных сетей.

Производителями оборудования Gigabit Ethernet являются компании: 3Com, Acacia Networks, Alteon Networks, AN-COR, Cabletron, Cisco Systems, Essential Communications, Foundry Networks, GigaLabs, Hewlett Packard, NBase Communications, Packet Engines, Rapid City Communications, XLNT Corp. [39].