Компьютерные сети. 6-е изд.

4.3. Сеть Ethernet

Теперь, когда мы рассмотрели общие вопросы, касающиеся протоколов распределения канала, пришло время обсудить их практическое применение в реальных системах. Большое число технологий для персональных (PAN), локальных (LAN) и общегородских (MAN) сетей описано в серии стандартов IEEE 802. Некоторые из них используются до сих пор, но многие утратили актуальность, как показано на илл. 1.37. Те, кто верит в реинкарнацию, считают, что один из членов Ассоциации стандартов IEEE — вновь родившийся Чарльз Дарвин, отбраковывающий слабые технологии. И действительно, выжили сильнейшие: среди них наиболее важными являются стандарты 802.3 (Ethernet) и 802.11 (беспроводные LAN). Технология Bluetooth (беспроводные PAN) применяется очень широко, но ее описывают другие стандарты помимо 802.15.

Мы начнем изучение реальных систем с Ethernet, вероятно, наиболее распространенной в мире технологии для объединения устройств в сеть. Существует два типа Ethernet: классический Ethernet (classic Ethernet), который решает проблему множественного доступа с помощью методов, представленных в этой главе; и коммутируемый Ethernet (switched Ethernet), в котором для соединения компьютеров используются коммутаторы (switches). Важно понимать, что хотя в обоих названиях присутствует слово Ethernet, между этими технологиями много различий. Классический Ethernet — изначальный вариант, достигавший скорости 3–10 Мбит/с. Коммутируемый Ethernet — результат развития классического. Различают быстрый, гигабитный, 10-гигабитный, 40-гигабитный и 100-гигабитный коммутируемый Ethernet; он работает на скоростях 100, 1000, 10 000, 40 000 или 100 000 Мбит/с соответственно. На сегодняшний день используется только такой тип Ethernet.

Мы рассмотрим этапы развития Ethernet в хронологическом порядке. Так как Ethernet и IEEE 802.3 — это одно и то же (за исключением двух небольших деталей, кратко описанных ниже), оба названия употребляются равнозначно, в том числе и в этой книге. Дополнительную информацию, касающуюся Ethernet, можно найти в книге Сперджена и Циммермана (Spurgeon and Zimmerman, 2014).

4.3.1. Физический уровень классического Ethernet

История Ethernet начинается приблизительно во времена системы ALOHA, когда студент Боб Меткалф получил магистерскую степень в Массачусетском технологическом университете. Позже он защитил докторскую в Гарварде, где ознакомился с наработками Абрамсона по системе ALOHA. Эта тема так заинтересовала Меткалфа, что после выпуска из Гарварда он решил провести лето на Гавайях, работая с Абрамсоном. После он перешел в исследовательский центр Xerox, где стал свидетелем разработки и создания устройств, которые впоследствии назовут «персональными компьютерами». Однако эти устройства были изолированы друг от друга. Используя результаты исследований Абрамсона, Меткалф вместе со своим коллегой Дэвидом Боггсом разработал и реализовал первую локальную сеть (Metcalfe and Boggs, 1976). В ней использовался длинный толстый коаксиальный кабель, а пропускная способность составляла 3 Мбит/с.

Система получила название «Ethernet», в честь люминофорного эфира, через который, как когда-то считалось, распространяются электромагнитные лучи. (В XIX веке британский физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электромагнитное излучение можно описать волновым уравнением. Ученые предположили, что пространство должно быть заполнено некой эфирной средой, по которой излучение распространяется. Только после знаменитого эксперимента Майкельсона — Морли в 1887 году физики поняли, что оно способно распространяться в вакууме.)

Система Xerox Ethernet оказалась настолько успешной, что в 1978 году DEC Intel и Xerox разработали стандарт 10-мегабитного Ethernet — стандарт DIX (DIX standard). С небольшими изменениями в 1983 году DIX превратился в стандарт IEEE 802.3. К несчастью, у компании Xerox на тот момент была длинная история значительных изобретений (например, персональный компьютер), которые она не смогла успешно выпустить на рынок. Об этом рассказано в книге «Fumbling the Future» Смита и Александера (Smith and Alexander, 1988). Когда стало понятно, что Xerox не заинтересован в Ethernet и может предложить разве что помощь в его стандартизации, Меткалф основал собственную компанию, 3Com. Компания занималась продажей адаптеров Ethernet для персональных компьютеров. Были проданы миллионы таких устройств.

Классический Ethernet — это проходящий по всему зданию длинный кабель, к которому подключаются компьютеры. Эта архитектура показана на илл. 4.13. Первый вариант, называемый в народе толстым Ethernet (thick Ethernet), напоминал желтый садовый шланг с маркировкой каждые 2,5 м — в этих местах подключались компьютеры. (По стандарту 802.3 не требовалось, чтобы кабель был желтым, но это подразумевалось.) Ему на смену пришел тонкий Ethernet (thin Ethernet); эти кабели лучше гнулись, а соединения выполнялись с помощью стандартных разъемов BNC. Тонкий Ethernet был намного дешевле и проще в установке, но длина сегмента не превышала 185 м (вместо 500 м для толстого Ethernet), а каждый сегмент поддерживал не более 30 компьютеров (вместо 100).

Илл. 4.13. Архитектура классического Ethernet

Все версии Ethernet имеют ограничения по длине кабеля в сегменте, то есть участкам без усилителя. Для построения сетей больших размеров несколько кабелей соединяются повторителями (repeaters). Повторитель — это устройство физического уровня. Он принимает, усиливает (регенерирует) и передает сигналы в обоих направлениях. С точки зрения программного обеспечения ряд кабелей, соединенных таким образом, не отличается от сплошного кабеля (за исключением небольшой временной задержки, связанной с повторителями).

Информация по этим кабелям передается с использованием манчестерского кода, о котором мы говорили в разделе 2.4.3. Ethernet может состоять из большого количества сегментов кабеля и повторителей, однако два трансивера могут располагаться на расстоянии не более 2,5 км и между ними должно быть не более четырех повторителей. Эти ограничения нужны для того, чтобы протокол MAC, о котором мы поговорим далее, работал корректно.

4.3.2. Протокол MAC в классическом Ethernet

Формат фрейма, применяемый для отправки данных, показан на илл. 4.14. Сначала идет поле Preamble (Преамбула) длиной 8 байт, которое содержит последовательность 10101010 (за исключением последнего байта, в котором значения двух последних битов равны 11). Последний байт в стандарте 802.3 называется разделителем Start of Frame, SoF (начало фрейма). Манчестерское кодирование такой последовательности битов в результате дает меандр с частотой 10 МГц и длительностью 6,4 мкс. Это позволяет получателю синхронизировать свой таймер с таймером отправителя. Два последних бита 11 сообщают получателю, что сейчас начнется передача остальной части фрейма.

Илл. 4.14. Форматы фреймов. (а) DIX Ethernet; (б) IEEE 802.3

Затем следуют два адресных поля: Destination address (Адрес получателя) и Source address (Адрес отправителя). Каждый занимает по 6 байт. Первый передаваемый бит адреса получателя содержит 0 для обычных адресов и 1 для групповых. Групповые адреса позволяют нескольким станциям принимать информацию от одного отправителя. Фрейм, отправляемый групповому адресату, может быть получен всеми станциями, входящими в эту группу. Этот механизм называется групповой рассылкой (multicasting). Если адрес состоит только из единиц, то фрейм могут принять абсолютно все станции сети. Таким способом осуществляется широковещание (broadcasting). Групповая рассылка более избирательна и предусматривает управление группами, чтобы определять, какие станции в них входят. При широковещании, напротив, никакой разницы между станциями нет, поэтому управление группами не требуется.

Интересной особенностью исходных адресов станций является их абсолютная уникальность. Они централизованно назначаются IEEE, и это гарантирует, что нигде в мире нет двух станций с одинаковым адресом. Идея заключается в том, что каждая станция может быть однозначно идентифицирована по ее 48-битному номеру. Для этого первые 3 байта поля адреса используются для уникального идентификатора организации (Organizationally Unique Identifier, OUI). Значения этого поля определяются IEEE и являются индикатором производителей (каждый из них получает блок из 224 адресов). Производитель назначает последние 3 байта адреса и программирует весь адрес в сетевой карте перед тем, как она поступает в продажу.

Затем следует поле Type (Тип) или Length (Длина), в зависимости от того, к какому стандарту относится фрейм — Ethernet или IEEE 802.3. В Ethernet поле Type показывает получателю, что делать с фреймом. Дело в том, что одновременно на одном и том же компьютере может работать несколько протоколов сетевого уровня. Поэтому операционная система должна понимать, какому протоколу передать полученный фрейм Ethernet. Поле Type определяет процесс, для которого предназначается фрейм. Например, код типа 0x0800 означает, что данные содержат пакет IPv4.

Создатели IEEE 802.3 благоразумно решили, что в этом поле должна передаваться длина фрейма. Для определения этого показателя в Ethernet необходимо было заглянуть внутрь данных, а это нарушение правил использования сетевых уровней. Разумеется, это означало, что получатель никак не мог выяснить, что же ему делать с входящим фреймом в IEEE 802.3. Эту проблему решили путем добавления в данные еще одного заголовка для протокола управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC), который мы рассмотрим позже. Он занимает 8 байт и передает 2 байта информации о типе протокола.

К сожалению, к моменту публикации стандарта IEEE 802.3 использовалось так много оборудования и программного обеспечения для DIX Ethernet, что многие производители и пользователи были не в восторге от необходимости реорганизации полей Type и Length. В 1997 году IEEE признал поражение и допустил оба способа. К счастью, значения всех полей Type, использовавшиеся до 1997 года, были больше 1500 (тогда это был максимальный размер данных). Теперь правило таково, что любое значение меньше 0x600 (1536) можно интерпретировать как Length, а больше 0x600 — как Type. Теперь в IEEE спокойны: все используют их стандарт, при этом продолжая делать то же, что и раньше, не утруждая себя мыслями о протоколе LLC и не чувствуя вины за нарушение стандарта. Вот что происходит, когда политика (в данном случае отраслевая) и технологии идут рука об руку.

Наконец, за полем Type следует поле Data (Данные), размер которого ограничен 1500 байтами. При официальном закреплении стандарта Ethernet это число было выбрано, в общем-то, произвольно. Основной причиной послужило то, что трансиверу нужно довольно много оперативной памяти для хранения всего фрейма, а память в далеком 1978 году еще была очень дорогой. Соответственно, увеличение верхней границы размера поля данных привело бы к необходимости установки большего объема памяти и удорожанию всего трансивера.

Между тем кроме верхней границы размера поля данных очень важна и нижняя. Поле данных, содержащее 0 байт, вызывает определенные проблемы. Дело в том, что когда трансивер обнаруживает коллизию, он обрезает текущий фрейм, а это означает, что отдельные куски фреймов постоянно блуждают по кабелю. Чтобы легче отличать нормальные фреймы от мусора, сети Ethernet требуется фрейм размером не менее 64 байт (от поля адреса получателя до поля контрольной суммы включительно). Если во фрейме содержится меньше 46 байт данных, в него вставляется специальное поле Pad (Заполняющие биты), с помощью которого его размер доводится до необходимого минимума.

Есть и другая (и даже более важная) цель установки нижней границы размера фрейма: предотвращение ситуации, когда станция успевает передать короткий фрейм раньше, чем его первый бит дойдет до самого дальнего конца кабеля, где он может столкнуться с другим фреймом. Эта ситуация показана на илл. 4.15. В момент времени 0 станция A на одном конце сети посылает фрейм. Пусть время прохождения фрейма по кабелю равно τ. За мгновение до того, как он достигнет конца кабеля (то есть в момент времени τ – ε), самая дальняя станция B начинает передачу. Когда B замечает, что получает большую мощность, нежели передает сама, она понимает, что произошла коллизия. Тогда она прекращает передачу и выдает 48-битный шумовой сигнал, предупреждающий остальные станции. Примерно в момент времени 2τ отправитель замечает шумовой сигнал и также прекращает передачу, затем выжидает случайное время и пытается возоб­новить ее.

Илл. 4.15. Обнаружение коллизии может занять 2τ

Если размер фрейма слишком маленький, не исключено, что отправитель закончит передачу прежде, чем получит шумовой сигнал в момент 2τ. В этом случае он может ошибочно предположить, что его фрейм был успешно принят. Для предотвращения этой ситуации все фреймы должны быть такой длины, чтобы время их передачи было больше 2τ. В LAN со скоростью передачи 10 Мбит/с при максимальной длине кабеля 2500 м и наличии четырех повторителей (требование спецификации 802.3) время передачи одного фрейма должно составлять в худшем случае около 50 мкс. Следовательно, длина фрейма должна быть такой, чтобы время передачи было не меньше этого минимума. При скорости 10 Мбит/с на передачу одного бита тратится 100 нс, значит, минимальный размер фрейма должен быть равен 500 бит. Из соображений надежности это число было увеличено до 512 бит, или 64 байт.

Последнее поле фрейма — Checksum (Контрольная сумма). По сути, это 32-битный код CRC того же типа, какой мы обсуждали в разделе 3.2. Если точнее, он определяется при помощи того же порождающего многочлена, что используется для PPP, ADSL и других типов каналов. Этот CRC позволяет выявлять ошибки: он проверяет, правильно ли приняты биты фрейма. Исправления не происходит — при обнаружении ошибки фрейм удаляется.

CSMA/CD с алгоритмом двоичной экспоненциальной выдержки

В классическом Ethernet используется алгоритм CSMA/CD с настойчивостью 1, который мы рассматривали в разделе 4.2. Это означает, что станция прослушивает среду передачи, когда у нее появляется фрейм для отправки, и передает данные, если канал освобождается. Затем она проверяет, не произошла ли коллизия. Если это случилось, станция прерывает передачу, посылая короткий сигнал о наличии коллизии, и повторяет отправку данных через случайный интервал времени.

На примере модели на илл. 4.5 рассмотрим, как определяется случайная длина интервала ожидания после коллизии, так как это новый метод. Когда возникает проблема, время делится на дискретные слоты. Их длительность равна максимальному времени обращения сигнала (то есть его прохождения по кабелю туда и обратно) — 2τ. Для удовлетворения потребностей Ethernet при максимальном размере сети необходимо, чтобы один слот составлял 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс.

После первой коллизии каждая станция ждет или 0, или 1 слот, прежде чем снова предпринять попытку передачи. Если после коллизии две станции выберут одно и то же псевдослучайное число, они снова будут конфликтовать друг с другом. После второй коллизии каждая станция выбирает случайным образом 0, 1, 2 или 3 слота из набора и ждет снова. При возникновении третьей коллизии (вероятность такого события после предыдущих двух равна 1/4) слоты будут выбираться в диапазоне от 0 до 23 – 1.

В общем случае после i столкновений выбирается случайный номер в диапазоне от 0 до 2i – 1 и станция пропускает это количество слотов. Но после 10 коллизий подряд интервал рандомизации фиксируется на отметке 1023 слота. После 16 коллизий подряд контроллер признает свое поражение и возвращает компьютеру ошибку. Дальнейшим восстановлением занимаются более высокие уровни.

Это алгоритм двоичной экспоненциальной выдержки (binary exponential backoff). Он был выбран для динамического учета количества станций, пытающихся осуществить передачу. Если выбрать интервал рандомизации равным 1023, то вероятность повторной коллизии будет пренебрежимо мала, но среднее время ожидания составит сотни слотов, в результате среднее время задержки будет слишком велико. С другой стороны, если каждая станция будет выбирать время ожидания всего из двух вариантов, 0 и 1, то в случае коллизии сотни станций они будут продолжать конфликтовать вновь и вновь до тех пор, пока 99 из них не выберут 1, а одна станция — 0. Это может длиться годами. Алгоритм экспоненциально увеличивает интервал рандомизации по мере возникновения повторных коллизий. Тем самым он обеспечивает низкую задержку при коллизии небольшого числа станций и одновременно гарантирует, что при коллизии большого числа станций проблема будет решена за разумное количество времени.

Если коллизии не произошло, отправитель предполагает, что фрейм успешно доставлен. Таким образом, ни в CSMA/CD, ни в Ethernet подтверждения не применяются. Такой вариант подходит для кабельных и оптоволоконных каналов с низким числом ошибок. Они распознаются с помощью кода CRC и исправляются более высокими уровнями. Как мы увидим далее, в зашумленных беспроводных каналах подтверждения используются.

4.3.3. Производительность Ethernet

Оценим производительность классического Ethernet в условиях большой постоянной загрузки, то есть когда k станций постоянно готовы к передаче. Строгий анализ алгоритма двоичной экспоненциальной выдержки довольно сложен. В качестве альтернативы мы предположим (согласно Меткалфу и Боггсу (Metcalfe and Boggs, 1976)), что вероятность повторной передачи в каждом слоте постоянна. Если каждая станция осуществляет передачу в слоте конкуренции с вероятностью p, то вероятность того, что одной из них удастся завладеть каналом (A), равна

A = kp(1 – p)k – 1.

Значение A будет максимальным, когда p = 1/k. При k, стремящемся к бесконечности, A будет стремиться к 1/e. Вероятность того, что период соревнования за канал будет состоять ровно из j слотов, равна A(1 – A) j – 1, следовательно, среднее число слотов за период конкуренции равно

Так как длительность каждого слота равна 2τ, средняя продолжительность периода конкуренции w составит 2τ/A. При оптимальном значении вероятности p среднее количество слотов конкуренции никогда не превысит e; таким образом, w будет равна 2τ e ≈ 5,4τ.

Если среднее время передачи фрейма составляет P секунд, то эффективность канала при его сильной загруженности будет равна:

Эффективность канала = . (4.2)

Из этой формулы мы видим, как максимальная длина кабеля влияет на производительность. Чем длиннее кабель, тем дольше период конкуренции за канал. Становится понятно, почему стандарт Ethernet накладывает ограничение на максимальное расстояние между станциями.

Будет полезно переформулировать уравнение (4.2) в терминах длины фрейма F, пропускной способности сети B, длины кабеля L и скорости распространения сигнала c для оптимального случая: e слотов конкуренции на фрейм. При P = F/B уравнение (4.2) примет вид:

Эффективность канала = . (4.3)

Если второе слагаемое делителя велико, эффективность сети будет низкой. В частности, увеличение пропускной способности или размеров сети (произведение BL) уменьшит эффективность при заданном размере фрейма. К сожалению, основные исследования в области сетевого оборудования нацелены как раз на увеличение этого произведения. Пользователи хотят высокой скорости при больших расстояниях (что обеспечивают, например, оптоволоконные MAN), следовательно, в таких случаях стандарт Ethernet будет не лучшим решением. Другие реализации Ethernet мы увидим в следующем разделе.

На илл. 4.16 показана зависимость эффективности канала от числа готовых станций при 2τ = 51,2 мкс и скорости передачи данных 10 Мбит/с. Для расчетов используется уравнение (4.3). При 64-байтном временном слоте 64-байтные фреймы оказываются неэффективными, и это неудивительно. С другой стороны, при длине фреймов 1024 байта и при асимптотическом значении e 64-байтных слотов на период конкуренции этот период равен 174 байтам, а эффективность канала составит 85 %. Этот результат намного лучше, чем 37 % в дискретной системе ALOHA.

Илл. 4.16. Эффективность Ethernet на скорости 10 Мбит/с, 512-битные временные слоты

Теоретическому анализу производительности Ethernet (и других стандартов) было посвящено много работ. Большинство результатов следует воспринимать с долей (или даже тонной) скептицизма по двум причинам. Прежде всего, практически во всех этих теоретических исследованиях предполагается, что трафик подчиняется пуассоновскому распределению. Когда же ученые рассмотрели реальные потоки данных, они обнаружили, что сетевой трафик редко распределен по Пуассону и часто включает множество пиков; см. Паксон и Флойд (Paxson and Floyd, 1995); Фонтюнь и др. (Fontugne et al., 2017). Это означает, что при увеличении периода усреднения трафик не сглаживается. Помимо использования сомнительных моделей, многие из этих работ фокусируются на «интересных» случаях невероятно высокой загрузки канала. Боггс и др. (Boggs et al., 1988) на практике доказали, что Ethernet хорошо работает в реальных условиях, даже когда загрузка относительно высока.

4.3.4. Коммутируемый Ethernet

Очень скоро Ethernet стал отходить от архитектуры с одним длинным кабелем, которая использовалась в классическом варианте. Проблема поиска обрывов или ведущих в пустоту соединений привела к новому способу подключения, в котором каждая станция соединяется с центральным концентратором (hub) отдельным кабелем. Концентратор просто соединяет все провода в электрическую схему, как если бы они были спаяны вместе. Такая конфигурация показана на илл. 4.17 (а).

Илл. 4.17. Конфигурация Ethernet. (а) Концентратор; (б) Коммутатор

Для соединения применялись витые пары — они и так уже были проложены телефонными компаниями в большинстве офисных зданий. Повторное использование было весьма выгодным, но максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором была ограничена до 100 м (или 200 м при условии качественной витой пары категории 5). В подобной конфигурации было легко удалять и добавлять станции, а также находить разрывы кабеля. Благодаря преимуществам использования существующей кабельной разводки и простоте обслуживания концентраторы на витой паре вскоре стали ведущей формой реализации сетей Ethernet.

Однако концентраторы не увеличивают пропускную способность, так как логически они эквивалентны одному длинному кабелю классической сети Ethernet. При добавлении станций доля каждой из них в общей фиксированной емкости канала уменьшается. Рано или поздно локальная сеть переполнится. Чтобы этого избежать, можно увеличить скорость передачи данных — например, с 10 на 100 Мбит/с, 1 Гбит/с или даже больше. Однако с ростом объемов мультимедийных данных и мощности серверов даже гигабитные версии Ethernet перестанут справляться.

К счастью, существует другой способ решения проблемы высокой загрузки — коммутируемая сеть Ethernet. Основой системы является коммутатор (switch), который включает высокоскоростную плату, объединяющую все порты (илл. 4.17 (б)). Внешне коммутатор ничем не отличается от концентратора. Оба представляют собой обычные коробки, оборудованные несколькими (от 4 до 48) стандартными разъемами RJ-45 для подключения витой пары. Каждый кабель соединяет коммутатор или концентратор с одним компьютером, как показано на илл. 4.18. У коммутатора есть все преимущества концентратора. Новую станцию легко добавить или удалить, подключив или отключив один провод. Большинство сбоев кабеля или портов легко выявляется по неправильной работе всего лишь одной станции. Общий компонент все же может подвести систему — речь идет о самом коммутаторе, — но если сеть пропадет на всех станциях, инженеры сразу поймут, в чем дело, и заменят устройство.

Однако внутри коммутатор и концентратор существенно различаются. Коммутаторы отдают фреймы только на порты, для которых те предназначены. Когда со станции на порт коммутатора приходит фрейм Ethernet, коммутатор проверяет адреса Ethernet и узнает, на какой порт этот фрейм нужно отдать. Для данного шага требуется, чтобы устройство могло сопоставлять номера портов и адреса. Этот процесс мы обсудим в разделе 4.8, где будет рассматриваться общий случай соединения нескольких коммутаторов друг с другом. Пока что предположим, что коммутатор знает порт получателя фрейма. Он пересылает фрейм на порт получателя через высокоскоростную плату. Скорость платы составляет несколько гигабит в секунду, а используемый протокол стандартизировать не требуется, так как он не выходит за пределы коммутатора. Затем порт получателя отправляет фрейм станции назначения по соединяющему их проводу. Другие порты об этом фрейме даже не подозревают.

Илл. 4.18. Коммутатор Ethernet

Что произойдет, если два компьютера или два порта станут передавать фреймы одновременно? Как мы помним, поведение коммутаторов отличается от концентраторов. Внутри концентратора все станции находятся в одной и той же области коллизий (collision domain). Для планирования пересылки фреймов требуется алгоритм CSMA/CD. У коммутатора каждый порт находится в своей области коллизий. Обычно передача по кабелю осуществляется в дуплексном режиме, а значит, и станция, и порт могут одновременно отправлять фреймы, не беспокоясь о других станциях и портах. Коллизии при этом невозможны, и CSMA/CD не нужен. Однако если кабель полудуплексный, то станция и порт должны договариваться о передаче с помощью обычного CSMA/CD.

Что касается производительности, у коммутатора два преимущества перед концентратором. Во-первых, поскольку коллизии отсутствуют, пропускная способность используется более эффективно. Во-вторых, что еще более важно, благодаря коммутатору разные станции могут посылать фреймы одновременно. Достигнув портов коммутатора, они перейдут по внутренней плате устройства на правильные выходные порты. Но так как на один выходной порт может быть одновременно отправлено два фрейма, внутри коммутатора должен быть буфер для их временного хранения, если моментальная доставка на выходной порт невозможна. В целом эти усовершенствования дают большое преимущество в производительности по сравнению с концентратором. Общую пропускную способность системы можно увеличить на порядок, в зависимости от числа портов и схем пересылки трафика.

Изменения в технологии портов, на которые пересылаются фреймы, также дают преимущества, связанные с безопасностью. Большинство интерфейсов LAN (сетевых адаптеров) могут работать в «неразборчивом режиме» (promiscuous mode), когда все фреймы передаются на все компьютеры, а не только адресату. При использовании концентратора каждый подключенный к нему компьютер может видеть трафик между всеми остальными устройствами (что очень радует мошенников). Коммутатор передает трафик только на порты адресатов. Это обеспечивает лучшую изоляцию и защиту от утечки данных: трафик не по­падет в чужие руки. Однако если вопрос безопасности в организации стоит очень серьезно, в дополнение к этому лучше применять шифрование.

Поскольку коммутатор ожидает фреймы Ethernet на каждом входном порте, некоторые из этих портов можно использовать в качестве концентраторов. На илл. 4.18 порт в правом верхнем углу соединен не со станцией, а с 12-портовым концентратором. Полученные концентратором фреймы конкурируют как обычно, с коллизиями и двоичной выдержкой. Победители попадают в коммутатор через концентратор и подвергаются там той же процедуре, что и все остальные входящие фреймы. Коммутатор не знает о том, что им пришлось с боем прорываться к нему. Он переправляет их на нужные выходные линии через высокоскоростную системную плату. Возможна ситуация, когда адресатом является одна из линий, подключенных к концентратору; это означает, что фрейм уже был доставлен, так что коммутатор удаляет его. В современных сетях в основном применяется коммутируемый Ethernet. Тем не менее устаревшие концентраторы все еще встречаются.

4.3.5. Fast Ethernet

Одновременно с широким распространением коммутаторов скорость Ethernet 10 Мбит/с перестала быть чем-то необычным. Поначалу казалось, что 10 Мбит/с — это просто фантастически высокая скорость. Примерно так же ощущался переход с 56-килобитных телефонных модемов на кабельные. Однако мир меняется очень быстро. Известный закон Паркинсона («Работа занимает все отведенное на нее время») можно перефразировать так: «Данные занимают всю предоставленную пропускную способность канала».

Многим приложениям требовалась высокая пропускная способность, и поэтому появились 10-мегабитные LAN, связанные лабиринтами повторителей, концентраторов и коммутаторов. Сетевым администраторам иногда казалось, что система едва держится и может развалиться от любого прикосновения. Но даже с коммутаторами Ethernet максимальная полоса пропускания одного компьютера ограничивалась кабелем, которым тот соединялся с портом коммутатора.

Учитывая обстоятельства, в 1992 году институт IEEE начал пересмотр стандартов и дал заказ комитету 802.3 выработать спецификацию более быстрых сетей. Одни предлагали сохранить 802.3 без изменений и просто увеличить скорость работы, другие — полностью его переделать и снабдить новым набором функций: например, трафик в реальном времени и оцифрованную речь. При этом предлагалось сохранить старое название стандарта (из соображений маркетинга). После некоторых колебаний комитет решил просто изменить скорость работы 802.3, а все остальные параметры оставить прежними. Такая стратегия позволила бы решить проблему прежде, чем технология изменится, избежать непредвиденных проблем с совершенно новыми разработками и обеспечить обратную совместимость с существующими Ethernet LAN. Сторонники отвергнутого предложения поступили так, как в этой ситуации поступил бы любой человек, связанный с компьютерной индустрией: они хлопнули дверью, организовали собственный комитет и разработали свой стандарт (802.12), который, впрочем, с треском провалился.

Работа шла довольно быстро (по меркам комитета стандартизации), и уже в июне 1995 года институт IEEE официально утвердил стандарт 802.3u. С технической точки зрения в нем нет ничего нового по сравнению с предыдущей версией. Честнее было бы назвать это не новым стандартом, а расширением 802.3 (чтобы еще больше подчеркнуть обратную совместимость с ним). Такой прием применялся часто. Большинство называет этот стандарт «быстрый Ethernet» (Fast Ethernet), и мы не будем исключением.

Основная идея Fast Ethernet довольно проста: оставить без изменений все старые форматы фреймов, интерфейсы, процедуры и лишь уменьшить время передачи одного бита с 100 до 10 нс. Как это технически осуществить? Можно скопировать принцип, применяемый в классическом 10-мегабитном Ethernet, но в 10 раз уменьшить максимальную длину сегмента. Однако преимущества витой пары были столь неоспоримы, что практически все системы Fast Ethernet в результате были построены именно на этом типе кабеля. Таким образом, в Fast Ethernet используются исключительно концентраторы (хабы) и коммутаторы; никаких моноканалов с ответвителями типа «зуб вампира» или с BNC-коннекторами здесь нет.

Однако некоторые технические решения все же необходимо было принять. Самый важный вопрос — какие типы кабелей поддерживать. Одним из претендентов была витая пара категории 3. Главным аргументом в ее пользу было то, что практически все западные офисы уже были оборудованы по крайней мере кабелем с четырьмя витыми парами категории 3 (или выше). Они использовались в телефонных линиях, и их длина (до ближайшего телефонного щита) составляла не более 100 м. Иногда можно было встретить два таких кабеля. Таким образом, установка Fast Ethernet не требовала смены кабеля во всем здании. Для многих организаций это было очень существенно.

Главный недостаток витой пары категории 3 — неспособность передавать сигналы 100-мегабитной сети на расстояние 100 м (именно таково максимальное расстояние между компьютером и концентратором, установленное стандартом для 10-мегабитных концентраторов). Витые пары категории 5 с такой задачей справились бы без проблем, а для оптоволокна это и вовсе смешная цифра. Нужно было найти компромисс. В итоге комитет 802.3 разрешил применять все три типа кабелей, как показано на илл. 4.19, при условии, что решения на основе витой пары категории 3 будут усилены и смогут обеспечить необходимую пропускную способность канала.

Название

Тип

Длина сегмента, м

Преимущества

100Base-T4

Витая пара

100

Использование неэкранированной витой пары категории 3

100Base-TX

Витая пара

100

Полный дуплекс при 100 Мбит/с (витая пара категории 5)

100Base-FX

Оптоволокно

2000

Полный дуплекс при 100 Мбит/с; большая длина сегмента

Илл. 4.19. Основные типы кабелей для сетей Fast Ethernet

В схеме 100Base-4T, использующей витую пару категории 3, сигнальная скорость составляет 25 МГц, что лишь на 25 % больше, чем 20 МГц стандарта Ethernet. (Следует помнить, что при манчестерском кодировании, о котором мы говорили в разделе 2.4.3, требуется два тактовых интервала для каждого из 10 млн битов, отправляемых каждую секунду.) Чтобы достичь требуемой пропускной способности, в схеме 100Base-4T применяются четыре витые пары. Одна из них всегда направляется на концентратор, одна — от него, а две оставшиеся переключаются в зависимости от текущего направления передачи данных. Чтобы достигнуть 100 Мбит/с на трех витых парах в направлении передачи, для каждой пары применяется довольно сложная схема. Она состоит в отправке троичных цифровых сигналов с тремя разными уровнями напряжения. Вряд ли эта схема выиграет приз за элегантность, так что мы избавим читателя от деталей.

В любом случае стандартная телефонная проводка десятилетиями включала четыре витые пары в каждом кабеле. Поэтому большинство организаций может использовать уже существующую инфраструктуру. Для этого придется отказаться от офисного телефона, но не такая уж это большая цена за быструю электронную почту.

Система 100Base-T4 утратила актуальность, поскольку во многих офисных зданиях проложили витую пару категории 5 для сетей 100Base-TX, которые в итоге завоевали рынок. Эта схема проще, поскольку кабели такого типа могут работать с сигналами на частоте 125 МГц. Поэтому для каждой станции используются только две витые пары: одна к концентратору, другая от него. Не применяется ни прямое битовое кодирование (NRZ), ни манчестерское. Вместо них имеется специальная система кодирования 4B/5B (см. раздел 2.4.3). Четыре бита данных кодируются в форме пяти сигнальных битов и передаются на частоте 125 МГц, обеспечивая скорость 100 Мбит/с. Это схема проста, но в ней выполняется достаточное число переходов для обеспечения синхронизации, и полоса пропускания расходуется довольно эффективно. Система 100Base-TX является полнодуплексной: станции могут одновременно передавать по одной витой паре и принимать по другой с одинаковой скоростью 100 Мбит/с.

В последнем варианте, 100Base-FX, используется два оптических многомодовых кабеля, по одному для каждого направления передачи. Таким образом, это также полный дуплекс со скоростью 100 Мбит/с в обе стороны. При такой схеме расстояние между станцией и коммутатором может достигать 2 км.

Fast Ethernet поддерживает соединение с помощью концентраторов либо коммутаторов. Чтобы алгоритм CSMA/CD работал, необходимо соблюдать соотношение между минимальным размером фрейма и максимальной длиной кабеля, учитывая возрастание скорости от 10 до 100 Мбит/с. Таким образом, нужно либо увеличить минимальный размер фрейма (более 64 байт), либо пропорционально уменьшить максимальную длину кабеля (менее 2500 м). Самый простой способ — сократить максимальное расстояние между двумя станциями в 10 раз, поскольку концентратор с кабелями 100 м длиной точно попадает в эти границы. Однако кабели 100Base-FX в 2 км слишком длинны для 100-мегабитного концентратора с обычным алгоритмом управления коллизиями в сетях Ethernet. Их нужно подключать к коммутатору, чтобы они могли работать в полнодуплексном режиме без коллизий.

Пользователям очень полюбился Fast Ethernet, но они не собирались так просто выбрасывать 10-мегабитные платы Ethernet со старых компьютеров. В результате практически все коммутаторы могут поддерживать и 10-мегабитные, и 100-мегабитные станции. Для упрощения перехода на новое оборудование сам стандарт предусматривает механизм, названный автоматическим согласованием (auto-negotiation), который позволяет двум станциям автоматически договориться об оптимальной скорости (10 или 100 Мбит) и дуплексном режиме (полный дуплекс или полудуплекс). Обычно он работает без проблем, однако известны случаи возникновения ситуаций, в которых дуплексный режим не совпадает. Одна станция применяет автоматическое согласование, а на другой оно не работает и сразу же устанавливается полнодуплексный режим (Шалунов и Карлсон; Shalunov and Carlson, 2005). Большая часть оборудования Ethernet использует эту функцию для самонастройки.

4.3.6. Gigabit Ethernet

Как говорится, еще не высохли чернила на только что созданном стандарте Fast Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой версией. Вскоре она получила название «гигабитный Ethernet» (Gigabit Ethernet). IEEE ратифицировал наиболее популярную форму сети в 1999 году под названием 802.3ab. Ниже мы обсудим некоторые ключевые свойства Gigabit Ethernet. Более подробную информацию можно найти в работе Сперджена и Циммермана (Spurgeon and Zimmerman, 2014).

Главные цели при создании Gigabit Ethernet были, по сути, такими же, что и для Fast Ethernet: увеличить производительность в 10 раз и сохранить обратную совместимость со старыми сетями Ethernet. В частности, Gigabit Ethernet должен был обеспечить дейтаграммную службу без подтверждений, как при одноадресной, так и при широковещательной передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-битную схему адресации и формат фрейма, включая нижние и верхние границы его размера. Новый стандарт соответствовал всем этим требованиям.

Как и в случае Fast Ethernet, все сети Gigabit Ethernet строятся по принципу «точка-точка». Простейшая конфигурация, показанная на илл. 4.20 (а), состоит из двух компьютеров, напрямую соединенных друг с другом. Однако чаще всего используется вариант с коммутатором или концентратором, к которому подключается множество компьютеров; также возможна установка дополнительных коммутаторов или концентраторов (илл. 4.20 (б)). В обеих конфигурациях к каждому отдельному кабелю Gigabit Ethernet всегда присоединяются два устройства, ни больше ни меньше.

Илл. 4.20. Сеть Ethernet, состоящая: (а) из двух станций; (б) из множества станций

Как и Fast Ethernet, Gigabit Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами или другими коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда захотят. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии между компьютером и коммутатором компьютер — единственный потенциальный отправитель. Передача произойдет успешно, даже если коммутатор одновременно отправляет фрейм на компьютер (так как линия полнодуплексная). Конкуренции нет, и протокол CSMA/CD не применяется. Поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а не временем, за которое шумовой всплеск доходит обратно к отправителю. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживается так же, как и в Fast Ethernet, но теперь можно выбирать 10, 100 или 1000 Мбит/с.

Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Концентратор не буферизирует входящие фреймы. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал классического Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/CD. Фрейм минимального размера (64 байта) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классическом Ethernet. Поэтому максимальная длина кабеля должна быть соответственно уменьшена в 100 раз. Она составляет 25 м — именно при таком расстоянии между станциями шумовой всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель 64-байтного фрейма в системе со скоростью 1 Гбит/с завершил бы передачу задолго до того, как фрейм прошел бы только десятую часть пути в одну сторону (не говоря уже о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно).

Такое строгое ограничение побудило комитет добавить в стандарт два дополнительных свойства, что позволило увеличить максимальную длину кабеля до 200 м. Это должно было устроить большинство организаций. Первое свойство — расширение носителя (carrier extension). Оно сообщает аппаратному обеспечению, что нужно добавить собственное поле заполнения после обычного фрейма, чтобы расширить его до 512 байт. Поскольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, программному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт полосы на передачу 46 байт пользовательских данных (именно столько полезной нагрузки содержится в 64-байтном фрейме) несколько расточительно. Эффективность такой передачи составляет всего 9 %.

Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, — пакетная передача фреймов (frame bursting). Отправитель может посылать не единичный фрейм, а пакет, объединяющий в себе сразу несколько фреймов. Если полная длина пакета оказывается менее 512 байт, то производится аппаратное заполнение (как в предыдущем случае). Если же фреймов, готовых к передаче, достаточно, эта схема оказывается весьма эффективной и применяется вместо расширения носителя.

Честно говоря, трудно представить себе организацию, которая сначала потратит немало средств на установку современных компьютеров с платами для гигабитной сети Ethernet, а потом соединит их древними концентраторами, имитирующими работу классического Ethernet со всеми его коллизиями. Сетевые платы и коммутаторы Gigabit Ethernet когда-то были довольно дорогими, но как только спрос на них возрос, цены быстро упали. Однако обратная совместимость — это «священная корова» в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, комитету необходимо было ее обеспечить. Сегодня большинство компьютеров поставляются с интерфейсом Ethernet, способным работать на скоростях 10, 100 и 1000 Мбит/с (а иногда и более высоких) и совместимым с каждым из этих режимов.

Gigabit Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели, что отражено на илл. 4.21. Работа на скорости около 1 Гбит/с означает необходимость кодирования и отправки бита каждую наносекунду. Первоначально это достигалось за счет коротких экранированных медных кабелей (версия 1000Base-CX) и оптоволокна. Оно допускает две длины волны, и, следовательно, существуют две разные версии: 0,85 мкм (короткие волны, для 1000Base-SX) и 1,3 мкм (длинные, для 1000Base-LX).

Передача с помощью коротких волн возможна с дешевыми светодиодами. Такой вариант применяется с многомодовым волокном для соединения станций внутри здания, так как для 50-мкм волокна допустимая длина составляет не более 500 м. Для передачи сигналов на длинных волнах требуются лазеры. С другой стороны, при использовании одномодового (10 мкм) волокна длина кабеля может достигать 5 км. Это позволяет подключать здания друг к другу (например, в студенческом городке) аналогично связям «точка-точка». Последующие вариации стандарта допускали даже более длинные связи на одномодовом волокне.

Название

Тип

Длина сегмента, м

Преимущества

1000Base-SX

Оптоволокно

550

Многомодовое волокно (50; 62,5 мкм)

1000Base-LX

Оптоволокно

5000

Одномодовое (10 мкм) или многомодовое (50; 62,5 мкм) волокно

1000Base-CX

Экранированный кабель с 2 витыми парами

25

Экранированная витая пара

1000Base-T

Неэкранированный кабель с 4 витыми парами

100

Стандартная витая пара категории 5

Илл. 4.21. Кабели Gigabit Ethernet

Для отправки битов с помощью этих версий Gigabit Ethernet используется система кодирования 8B/10B, заимствованная из другой сетевой технологии, Fibre Channel (оптоволоконный канал), и упомянутая в разделе 2.4.3. В этой системе 8 бит данных кодируются в кодовые слова из 10 бит, которые отправляются по проводу или оптическому волокну, — отсюда и название 8B/10B. Кодовые слова выбираются так, чтобы они могли быть сбалансированы (то есть иметь равное число нулей и единиц) и чтобы переход осуществлялся достаточное число раз для восстановления синхронизации. Отправка битов, закодированных с помощью NRZ, требует на 25 % больше полосы пропускания, чем передача незакодированных битов, — значительное преимущество по сравнению с манчестерским кодом, предполагающим стопроцентное расширение полосы.

Однако все это требовало новых медных или оптоволоконных кабелей, поддерживающих более быструю передачу сигналов. Ни одна из этих технологий не совместима с витой парой категории 5, которая была в огромных количествах проложена для сетей Fast Ethernet. В течение года потребность была закрыта благодаря 1000Base-T, и с тех пор это самая популярная форма Gigabit Ethernet. Очевидно, людям не слишком нравится заново прокладывать кабели в зданиях.

Чтобы сеть Ethernet могла работать по проводам категории 5 со скоростью 1000 Мбит/с, требуется более сложная схема передачи сигналов. Используются все четыре витые пары в кабеле; каждая пересылает данные одновременно в обоих направлениях, применяя цифровую обработку сигналов для их разделения. Для обеспечения скорости 125 мегасимволов/с в каждом проводе используется пять уровней напряжения, которые переносят по 2 бита. Схема преобразования битов в символы не так проста. Она включает скремблинг (для безопасной передачи) и код исправления ошибок, в котором четыре значения внедряются в пять сигнальных уровней.

Скорость 1 Гбит/с — это довольно быстро. Если получатель отвлечется на другую задачу хотя бы на 1 мс и не освободит входной буфер, он может пропустить до 1953 фреймов. А если один компьютер передает данные по гигабитной сети, а другой принимает их по классическому Ethernet, буфер получателя переполнится очень быстро. Исходя из этих рисков было принято решение о внедрении в систему Gigabit Ethernet контроля потока. Для его реализации получатель посылает служебный фрейм, сообщающий, что отправитель должен на некоторое время приостановиться. Служебные фреймы PAUSE — это на самом деле обычные фреймы Ethernet с записью 0х8808 в поле Type. Продолжительность паузы определяется в единицах времени передачи минимального фрейма. Для Gigabit Ethernet такая единица равна 512 нс, а паузы могут длиться до 33,6 мс.

Вместе с Gigabit Ethernet было добавлено и еще одно расширение — Джамбо-пакеты (Jumbo frames). Они допускают фреймы длиной более 1500 байт, обычно до 9 Кбайт.

Это расширение защищено патентом. Оно не описано в стандарте, иначе Ethernet уже не будет совместим с предыдущими версиями. Тем не менее большинство производителей его поддерживают. Причина в том, что 1500 байт — это слишком маленькая единица данных для гигабитных скоростей. Манипулируя большими блоками информации, можно уменьшить частоту пересылки фреймов и снизить нагрузку из-за необходимой обработки (например, не придется прерывать процессор, чтобы сообщить о прибытии фрейма, или разбивать и заново соединять сообщения, не поместившиеся в одном фрейме Ethernet).

4.3.7. 10-гигабитный Ethernet

Как только Gigabit Ethernet был стандартизован, комитет 802 заскучал и захотел продолжить работу. Тогда IEEE предложил ему начать разработку 10-гигабитного Ethernet (10-Gigabit Ethernet). Работа шла по тому же принципу, что и при стандартизации предыдущих версий. Первые стандарты для оптоволоконного и экранированного медного кабеля появились в 2002 и 2004 годах, а для медной витой пары — в 2006 году.

10 Гбит/с — это поистине колоссальная скорость. В 1000 раз быстрее первоначального стандарта Ethernet! Где она может понадобиться? Ответ — в дата-центрах и точках обмена трафиком с высококлассными маршрутизаторами, коммутаторами и серверами, а также в сильно загруженных магистральных каналах, соединяющих офисы компаний в разных городах. Весь город можно охватить единой сетью на базе оптоволокна и Ethernet. Связь на больших расстояниях требует прокладки оптического волокна, тогда как более короткие соединения можно выполнять с помощью медных кабелей.

Все версии 10-гигабитного Ethernet поддерживают только полнодуплексную передачу данных. CSMA/CD больше не входит в архитектуру, и стандарты фокусируются на деталях физического уровня, которые обеспечивают высокую скорость. Однако совместимость не потеряла своего значения, поэтому интерфейсы 10-гигабитного Ethernet выполняют автоматическое согласование скорости и выбирают максимально возможное значение для обоих концов линии.

Основные типы 10-гигабитного Ethernet перечислены на илл. 4.22. На средних расстояниях применяется многомодовое волокно с длиной волны 0,85 мкм, а на больших — одномодовое с длиной волны 1,3 и 1,5 мкм. Сеть 10GBase-ER может охватывать до 40 км, что хорошо подходит для использования на больших территориях. Все эти версии отправляют последовательный поток информации, образованный путем скремблинга битов данных и последующего их кодирования по схеме 64B/66B (она требует меньше накладных расходов, чем 8B/10B).

Название

Тип

Длина сегмента

Преимущества

10GBase-SR

Оптоволокно

До 300 м

Многомодовое волокно (0,85 мкм)

10GBase-LR

Оптоволокно

10 км

Одномодовое волокно (1,3 мкм)

10GBase-ER

Оптоволокно

40 км

Одномодовое волокно (1,5 мкм)

10GBase-CX4

4 пары биаксиального кабеля

15 м

Биаксиальный медный кабель

10GBase-T

Неэкранированный кабель с 4 витыми парами

100 м

Неэкранированная витая пара категории 6а

Илл. 4.22. Кабели 10-гигабитного Ethernet

Первая версия, разработанная для медного кабеля, 10GBase-CX4, работает на базе кабеля с четырьмя парами биаксиального медного провода. В каждой паре используется кодирование 8B/10B, они работают на скорости 3,125 гигасимволов/с, обеспечивая скорость передачи 10 Гбит/с. Эта версия дешевле волоконной и первой вышла на рынок, но еще неясно, сумеет ли она вытеснить с рынка 10-гигабитный Ethernet на базе витой пары.

10GBase-T — это версия, работающая на неэкранированной витой паре. Несмотря на то что официально она требует прокладки кабеля категории 6а, пока что можно использовать и более старые категории (включая пятую), то есть уже проложенные во множестве зданий по всему миру кабели. Неудивительно, что для достижения скорости 10 Гбит/с на витой паре во многом задействуется физический уровень. Мы лишь слегка коснемся работы более высоких уровней. Каждая из четырех витых пар используется для передачи данных в обоих направлениях на скорости 2500 Мбит/с. Это достигается за счет скорости пересылки сигналов 800 мегасимволов/с на 16 уровнях напряжения. Символы создаются путем скремблинга данных, защиты их с помощью кода LDPC (Low Density Parity Check) и последующего кодирования для исправления ошибок.

Различные варианты 10-гигабитного Ethernet получили широкое распространение на рынке, а комитет 802.3 продолжил работу. В конце 2007 года IEEE создала группу по стандартизации сетей Ethernet, работающих на скоростях 40 и 100 Гбит/с. Такой рывок позволит Ethernet стать серьезным соперником альтернативным технологиям в областях, требующих высокой производительности, — междугородних соединениях в магистральных сетях и коротких соединениях через системные платы устройств. Описание стандарта еще не завершено, однако некоторые патентованные продукты уже доступны.

4.3.8. 40- и 100-гигабитный Ethernet

Завершив стандартизацию 10-гигабитной сети Ethernet, комитет 802.11 приступил к работе над новыми стандартами сети Ethernet для скоростей 40 и 100 Гбит/с. Первый стандарт предназначен для внутренних соединений в центрах обработки данных и не рассчитан на обычных провайдеров, а тем более на конечных пользователей. Второй стандарт — для магистральных интернет-каналов — должен работать на оптических сетевых трассах длиной в тысячи километров. Он также может использоваться в виртуальной частной LAN для соединения двух центров обработки данных с миллионами процессоров.

Сначала был принят стандарт 802.3ba (2010), а затем — стандарты 802.3bj (2014) и 802.3cd (2018). Каждый из этих трех стандартов описывает и 40-гигабитный, и 100-гигабитный Ethernet. При их разработке ставились следующие цели:

1. Обратная совместимость со стандартами 802.3 вплоть до скорости 1 Гбит/с.

2. Минимальный и максимальный размеры фреймов должны остаться прежними.

3. Вероятность ошибки не более 10–12.

4. Хорошая работа в оптических сетях.

5. Скорость передачи данных — 40 или 100 Гбит/с.

6. Возможность использования одномодового или многомодового волокна, а также специализированных магистральных шин.

Новые стандарты позволят постепенно заменить медный провод оптическим волокном и высокопроизводительными (медными) магистральными шинами, рассчитанными на центры обработки данных с поддержкой облачных вычислений. Поддерживается полдюжины схем модуляции, включая схему 64B/66B (она аналогична схеме 8B/10B, но требует больше битов). Кроме того, можно использовать до 10 параллельных полос с пропускной способностью 10 Гбит/с, что в сумме дает до 100 Гбит/с. Эти полосы, как правило, представляют собой различные диапазоны частот, передаваемые по оптическому волокну. Интеграция с имеющимися оптическими сетями производится в соответствии с рекомендациями G.709.

Начиная с 2018 года несколько компаний стали внедрять 100-гигабитные коммутаторы и сетевые адаптеры. Для тех, кто не хочет ограничиваться полосой 100 Гбит/с, уже начата работа над стандартами сетей со скоростями до 400 Гбит/с — сетей класса 400GbE. Для подробного ознакомления смотрите стандарты 802.3cd, 802.3ck, 802.3cm и 802.3cn. Заметим, что при скорости 400 Гбит/с обычный (сжатый) фильм в формате 4K можно полностью скачать примерно за 2 с.

4.3.9. Ретроспективный взгляд на Ethernet

Ethernet существует вот уже более 40 лет, и никаких серьезных конкурентов у него не появилось. Скорее всего, он не потеряет актуальности в течение долгого времени. Не многие микропроцессорные архитектуры, операционные системы и языки программирования могут похвастаться таким продолжительным и уверенным лидерством. Вероятно, Ethernet выгодно отличается от всех остальных систем. Чем же?

Возможно, основной причиной столь длительного успеха является простота и гибкость системы. Простота в данном случае означает прежде всего надежность, невысокую цену и легкость обслуживания. С тех пор как были созданы архитектуры на базе концентраторов и коммутаторов, чисто технические поломки стали чрезвычайно редкими. Человек так устроен, что с трудом может отказаться от хорошо работающей системы в пользу чего-то нового. Нужно принять во внимание и тот факт, что огромное количество кое-как собранного компьютерного оборудования работает не слишком надежно. Именно по этой причине так называемые апгрейды часто дают противоположный ожидаемому результат, и системы после них работают не лучше, а, наоборот, хуже.

Вторая причина популярности Ethernet — это низкая цена. Витая пара сравнительно недорога, так же как аппаратные компоненты. Затрат может потребовать, например, переход на новые платы Gigabit Ethernet или коммутаторы, но это всего лишь дополнения к существующей сети (а не замена всего имеющегося оборудования), к тому же оптовые цены значительно выгоднее розничных.

Сети Ethernet не доставляют большой головной боли системным администраторам — они обслуживаются без особых проблем. Не нужно устанавливать никакое программное обеспечение (кроме драйверов), и очень мало конфигурационных таблиц (в которых так просто ошибиться). Новые узлы добавляются очень просто.

Еще одно достоинство Ethernet заключается в хорошем взаимодействии с TCP/IP — доминирующим протоколом сети интернет. IP — протокол без установления соединения, поэтому он без проблем внедряется в локальных сетях Ethernet, работающих по тому же принципу. IP имеет довольно плохую совместимость с сетями ATM, ориентированными на установление соединения. Этот факт крайне негативно сказывается на популярности ATM.

И что важнее всего, разработчикам Ethernet удалось добиться хороших показателей по самым главным направлениям. Скорости выросли на несколько порядков, в систему были внедрены коммутаторы и концентраторы, но эти изменения никак не коснулись программного обеспечения. Помимо этого, часто допускается временное использование существующей кабельной разводки. Если продавец скажет: «Вот отличная новая сетевая система! Она работает просто фантастически быстро и надежно! Вам необходимо только выкинуть весь ваш старый железный хлам и стереть все старые программы», — у него возникнут проблемы с объемами продаж.

Многие альтернативные технологии (о которых вы, вероятно, даже не слышали) в момент своего появления были даже быстрее тогдашнего Ethernet. Помимо ATM, этот список включает FDDI и волоконно-оптический канал (FC, Fibre Channel)28 — две оптические локальные сети на базе кольца. Обе были несовместимы с Ethernet, и обе канули в Лету. Они были слишком запутанными, что вело к усложнению микросхем и повышению цен. Главный урок — не забывать принцип KISS (Keep It Stupid Simple), то есть «будьте проще». Позже Ethernet догнал и перегнал конкурентов по скорости, по пути заимствуя элементы их технологий (например, кодирование 4B/5B у FDDI и 8B/10B у FC). У соперников не осталось никаких преимуществ, и они либо исчезли, либо стали применяться в узкоспециализированных сферах.

Создается впечатление, что области применения Ethernet продолжат некоторое время расширяться. 10-гигабитный Ethernet освободился от ограничений максимального расстояния, накладываемых CSMA/CD. Много внимания уделяется Ethernet операторского класса (carrier-grade Ethernet), который позволит сетевым провайдерам предоставлять услуги, основанные на Ethernet, своим клиентам в MAN и WAN (Хокинс; Hawkins, 2016). Эта система способна передавать Ethernet-фреймы на большие расстояния по оптоволоконному кабелю и требует усовершенствования возможностей управления, чтобы операторы смогли предлагать пользователям надежные высококачественные услуги. Сверхбыстродействующие сети класса 100GbE также находят применение в системных платах, соединяющих компоненты больших маршрутизаторов и серверов. Эти варианты использования представляют собой дополнение к передаче фреймов между компьютерами в офисах. Следующим и, вероятно, не последним шагом являются сети класса 400GbE.

28 Данная технология получила название «Fibre Channel», а не «Fiber Channel», так как документ с ее описанием редактировал британец.