Więcej gigabitów, więcej zastosowań

Najnowsze standardy Gigabit i 10-Gigabit Ethernet przynoszą nowe zastosowania, m.in. w łączeniu systemów pamięci masowych, transmisji wideo lub głosu.

Najnowsze standardy Gigabit i 10-Gigabit Ethernet przynoszą nowe zastosowania, m.in. w łączeniu systemów pamięci masowych, transmisji wideo lub głosu.

Obecnie łącza 10-gigabitowe są wykorzystywane głównie do obsługi połączeń między serwerami, przełącznikami i routerami w systemach wymagających szczególnie wysokiej wydajności. Jednak warto zauważyć, że interfejsy Gigabit Ethernet zaczynają być standardowo instalowane w komputerach PC i notebookach. Przykładowo nowe, wprowadzone w 2006 r. chipsety Intela, takie jak i965, są wyposażane w interfejsy gigabitowe. Można oczekiwać, że w 2007 r. trudno będzie znaleźć płytę główną niezawierającą takiego złącza. Praktyczną tego konsekwencją jest konieczność planowania ewentualnej rozbudowy infrastruktury systemu IT przy uwzględnieniu wzrastających wymagań na przepustowość.

Inwestycje w 10-gigabitowe przełączniki i routery nowej generacji powinny być oczywiście ekonomiczne uzasadnione. Zależy to przede wszystkim od rzeczywistych wymagań na przepustowość. Nie można ich ekstrapolować w prosty sposób, bo zwiększenie dostępnego pasma transmisji otwiera nowe możliwości zastosowań, które mogą pozytywnie wpłynąć na efektywność firm. Znajdują one np. zastosowania w centrach danych, umożliwiając budowę systemów o wysokiej gęstości "upakowania", wykorzystujących serwery typu blade i pamięci masowe iSCSI połączone za pomocą sieci Ethernet. W porównaniu z siecią Fibre Channel - stosowanej w dużych - względnie tani Ethernet otwiera nowe możliwości popularyzacji pamięci masowych w małych i średnich firmach.

Jednym z efektów popularyzacji gigabitowych sieci Ethernet może być zmniejszenie zapotrzebowania na pojemność lokalnych dysków w komputerach PC, bo zarówno dane, jak i aplikacje zapisane w pamięciach masowych lub na dyskach serwerów będą łatwiej i szybciej dostępne. Warto też pamiętać o systemach wideokonferencyjnych i VoIP, które mają duże wymagania na przepustowość, w zamian jednak umożliwiają zmniejszenie kosztów eksploatacji klasycznych systemów telekomunikacyjnych.

Standardy Ethernet

Główny zestaw standardów Ethernet 802.3 definiuje przede wszystkim prędkość transmisji danych, ich format i związane z tym wymagania dotyczące protokołów i sprzętu. Oprócz tego IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) opracowuje dodatkowe specyfikacje określające lub rozszerzające inne funkcje sieciowe, jeśli oczywiście pojawi się taka potrzeba i wymagania ze strony producentów czy rynku. Dotyczą one m.in. takich obszarów, jak: mechanizmy obsługi sieci wirtualnych, kontroli jakości transmisji QoS (Quality of Service) i transmisji danych strumieniowych (VoIP, przekaz audio-wideo), przekazywania połączeń (roaming), mechanizmów zabezpieczeń dostępu i transmitowanych danych, a także technologii transmisji radiowej, np. IEEE 802.11 lub 802.16.

Znaczenie standardów polega przede wszystkim na określeniu pewnej jednolitej platformy, która zapewnia, że sprzęt i oprogramowanie mogą ze sobą współpracować niezależnie od ich producenta. Ma to kapitalne znaczenie dla rozwoju rynku masowego i ułatwia życie użytkownikom, którzy nie muszą szczegółowo analizować zgodności produktów pochodzących od różnych firm. Producenci zaś nie muszą z definicji stosować się do standardów, w praktyce jednak żadna z liczących się firm ich nie ignoruje. Warto tu podkreślić, że rozwój technologii jest szybszy niż procesów standaryzacji i na rynku wciąż pojawiają się systemy oferujące lepsze niż standardowe parametry. Dobrym przykładem są tu systemy o prędkościach transmisji powyżej 100 Mb/s (maksymalna, zgodna ze standardami wartość tego parametru to 54 Mb/s). Tego typu rozwiązania mogą być przydatne w niektórych zastosowaniach, ale zawsze należy zachować ostrożność i zdawać sobie sprawę, że nie ma gwarancji ich zgodności z systemami innych producentów. W przypadku znanych firm tego typu nowości są najczęściej wprowadzane przy zachowaniu zgodności z podstawowymi standardami, co oznacza, że mogą również pracować w trybie standardowym, zgodnym z odpowiednimi specyfikacjami.

Warto zwrócić uwagę, że w przypadku mało znanych firm, oferujących bardzo tanie produkty, zdarza się, że sprzęt nie był poddany kosztownemu procesowi oficjalnej certyfikacji. W efekcie mogą się pojawić późniejsze problemy ze współpracą z innymi urządzeniami.

100 Gb/s - bliska perspektywa

Standard 100-Gigabit Ethernet zostanie zatwierdzony najwcześniej za trzy lata, ale jego przygotowanie wychodzi już z fazy teoretycznych rozważań. IEEE utworzyła ostatnio Higher Speed Study Group (HSSG), która ma się zająć przygotowaniami do opracowania kolejnego standardu Ethernet. Na razie nie wiadomo, jaka będzie jego szybkość transmisji. Rozważane są różne możliwości: 40, 80, 100, 120, a nawet 160 Gb/s, a także jaka będzie architektura interfejsów i okablowania, tu brane są pod uwagę 4, 5 lub 10 linii o przepustowości odpowiednio 25, 20 i 10 Gb/s każda (dla standardu 100 Gb/s).

Zwolennicy wprowadzenia standardu 40-Gigabit Ethernet uważają, że jego zaletą jest podobna wydajność, jak w przypadku obecnie stosowanych w sieciach WAN złączy OC-768. Umożliwia to wykorzystanie dotychczasowych doświadczeń i niektórych istniejących już interfejsów sieciowych. Z kolei ich przeciwnicy argumentują, że wydajność 40 Gb/s można uzyskać niższym kosztem, agregując cztery linie 10-Gigabit Ethernet, a gdy wymagania staną się większe, lepiej od razu przejść na sprzęt nowej generacji.

Niezależnie jaką wydajność będzie zapewniał nowy standard, wydaje się pewne, że będą to łącza optyczne, bo tak szybka transmisja w okablowaniu miedzianym nie jest na razie możliwa. Warto jednak zauważyć, że w czerwcu tego roku IEEE opublikowało specyfikację 10GBase-T (802.3an-2006) standard dla transmisji 10 Gb/s w skrętce miedzianej, co jeszcze kilka lat temu było uważane za fizycznie niemożliwe.

Obecnie nie ma dużego zapotrzebowania na łącza klasy 100 Gb/s, choć ze strony niektórych firm pojawiają się już sygnały, że agregacja łączy 10-Gigabit Ethernet przestaje wystarczać. Nietrudno jednak przewidzieć systematyczny wzrost wymagań na przepustowość i to, że za kilka lat znajdzie się wystarczająca liczba potencjalnych klientów uzasadniająca uruchomienie produkcji sprzętu o wyższych niż obecnie szybkościach transmisji. Hamulcem dla popularyzacji kolejnych, wydajniejszych wersji Ethernet mogą być dotychczasowe inwestycje w infrastruktury sieci światłowodowych. Z reguły nie są one przystosowane do współpracy z sieciami o szybkości większej od 10 Gb/s, a na ich amortyzację trzeba zaczekać co najmniej kilka, a nawet kilkanaście lat.

Choć dyskusje o praktycznej realizacji 100-Gigabit Ethernet dopiero się zaczynają, to niektórzy specjaliści już mówią, że należy rozważyć możliwości budowy sieci o przepustowości rzędu terabitów (Tb/s). Przykładowo Petar Pepeljugoski, naukowiec z instytutu IBM Research uważa, że proces opracowywania standardu 100G Ethernet jest już spóźniony w porównaniu z tempem wprowadzania poprzednich wersji Ethernetu, co w efekcie może doprowadzić do wyparcia go z rynku przez szybciej rozwijane technologie, np. Infiniband.

Pakiety Ethernet

Wersje okablowania i interfejsów sieci 10-10 Gigabit Ethernet

Wersje okablowania i interfejsów sieci 10-10 Gigabit Ethernet

Klasyczna sieć Ethernet wykorzystuje prostą zasadę - każdy komputer "chcąc wysłać" pakiet z informacjami, najpierw tworzy go we własnej pamięci, a następnie zaczyna "nasłuchiwać", czy w sieci (tzn. kablu miedzianym, światłowodzie lub pasmie radiowym) trwa transmisja danych. Jeśli tak, to komputer czeka na jej zakończenie i dopiero wówczas wysyła przygotowany pakiet. Może się zdarzyć, że dwa komputery czekały na możliwość wysłania pakietów i jednocześnie rozpoczęły ich transmisję - wówczas następuje kolizja, nakładanie się sygnałów.

Aby rozwiązać ten problem, w Ethernet zastosowano mechanizm CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Colision Detect) do wykrywania kolizji i kontrolowania transmisji. W przypadku wykrycia interferencji sygnałów powoduje on natychmiastowe przerwanie transmisji i generację losowej liczby określającej czas, po którym interfejs sieciowy komputera (lub innego urządzenia) może ponowić próbę wysłania pakietu. Ten względnie prosty mechanizm ma wadę - brak gwarancji dostarczenia danych do odbiorcy. Teoretycznie transmisja pakietów może bowiem trwać wiecznie i nie zostaną one nigdy dostarczone do adresata. W praktyce okazało się, że prawdopodobieństwo wystąpienia takiej sytuacji jest znikome.

Mechanizm CSMA/CD nakłada też ograniczenie co do rozmiaru sieci - maksymalnej odległości między urządzeniami. Wynika to z konieczności detekcji występujących kolizji, a czas niezbędny do realizacji tej funkcji zależy od odległości między elementami sieciowymi oraz wielkości pakietu z danymi. Przy ustalonej pierwotnie, minimalnej wielkości pakietu 64 bajty i przepustowości 10 Mb/s maksymalny rozmiar sieci nie może przekraczać ok. 2,5 km. Jednak w przypadku sieci 100 Mb/s wartość ta ulega zmniejszeniu do 205 m. Są to wielkości nienakładające istotnych ograniczeń dla sieci lokalnych, ale wraz z wprowadzeniem Gigabit Ethernet pojawił się poważny problem - zachowanie dotychczasowych standardów powodowałoby zmniejszenie zasięgu do zaledwie 20 m. Problem ten został rozwiązany przez wydłużenie minimalnego rozmiaru pakietów do 512 B. Natomiast w celu zachowania wstecznej zgodności wprowadzono mechanizm CE (Carrier Extension), w przypadku gdy urządzenia sieciowe pracują w trybie Fast Ethernet i wysyłają pakiety 64-bajtowe, są one sztucznie rozszerzane do 512 B przez dodanie zestawu odpowiednich znaków nie niosących żadnej informacji wykorzystywanej przez wyższe warstwy i protokoły.

Tego typu rozwiązanie, choć zapewnia wsteczną zgodność, jest jednak nieefektywne - powoduje zmarnowanie znacznej części dostępnego pasma, gdyż może się zdarzyć, że nawet 448 bajtów przesyłanych w ramce to "puste" bajty rozszerzenia CE. Dlatego też w sieciach Gigabit Ethernet wprowadzono również tzw. potokowy tryb transmisji pakietów. W tym trybie, jeśli stacja sieciowa zamierza transmitować większą liczbę pakietów, tylko pierwszy - o ile jest to niezbędne - jest rozszerzany do 512 B przy wykorzystaniu mechanizmu CE. Następne są wysyłane jeden za drugim przy minimalnej wartości szczeliny IPG rozdzielającej ramki.

Innym, niestandardowym pomysłem na zwiększenie efektywności wykorzystania pasma w sieciach gigabitowych jest zastosowanie tzw. ramek Jumbo, które obsługiwane są przez wiele modeli przełączników Gigabit Ethernet. Ich implementacja zależy od producenta sprzętu. Są one ok. sześciokrotnie dłuższe od ramek standardowych (maksymalne długości to odpowiednio 9018 lub 9216 B w porównaniu ze standardową długością 1518 B) i w praktyce umożliwiają dwu-, trzykrotne zwiększenie przepustowości sieci dzięki zmniejszeniu liczby nagłówków towarzyszących każdemu przesyłanemu pakietowi.