Технология 10-Gigabit Ethernet

РЕФЕРАТ

Технология 10-Gigabit Ethernet

Введение

локальный сеть ethernet

Деятельность по разработке стандарта 10-Gigabit Ethernet началась в 1999 году, с образования в недрах комитета IEEE 802.3 небольшого исследовательского подразделения по высокоскоростным технологиям (IEEE 802.3 High Speed Study Group), которое весной 2000 года было преобразовано в рабочую группу 802.3ae. Поддержка со стороны ведущих поставщиков оборудования не заставила себя долго ждать, и в феврале того же года семь компаний (3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems и World Wide Packets) учредили консорциум 10 Gigabit Ethernet Alliance (10GEA). Новая организация поставила перед собой двоякую цель: способствовать скорейшему принятию стандарта IEEE 802.3ae и активно пропагандировать новую технологию среди потенциальных потребителей.

Активное сотрудничество рабочей группы 802.3ae с консорциумом 10GEA принесло свои плоды. В июле 2000 года, после 16-месячного изучения новой технологии, рабочая группа IEEE одобрила основные положения спецификаций 10GE, а уже через месяц-другой был опубликован первый проект стандарта, вобравший в себя описания протоколов физического уровня (PHY) для локальных и глобальных 10-гигабитных сетей Ethernet, уровня доступа к среде передачи (MAC), подуровня кодирования пакетов (Physical Coding Sublayer, PCS), а также интерфейсов, не зависящих от среды передачи (прежде всего 10 Gigabit Media Independent Interface, XGMII).

В том же месяце был преодолен другой важный рубеж на пути к появлению оборудования 10GE. Рабочая группа 802.3ae признала успешными результаты испытаний, в ходе которых проверялась совместимость реализаций интерфейса XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface) от разных производителей. Указанный интерфейс позволяет реализовать функции коммутации и оптической передачи трафика 10GE в недорогих и весьма компактных микросхемах с 16 выводами (вместо 72, предусмотренных интерфейсом XGMII).

На заседании рабочей группы 802.3ae в сентябре 2000 года были утверждены интерфейсы, зависящие от среды передачи (Physical Media Dependent, PMD), а в мае 2001 года закончился прием поправок к новому стандарту от заинтересованных сторон.

Окончательно стандарт IEEE 802.3ae был принят 27 июня 2002 года. Таким образом, технология и стандарт 10 Gigabit Ethernet, разработанные ведущими мировыми производителями за три года напряженной совместной работы, получили безоговорочное одобрение экспертов и широкое промышленное признание.

1. Описание стандарта 10-Gigabit Ethernet

Новый стандарт прежде всего обеспечивается сохранением стандартного протокола MAC, формата Ethernet-пакетов 802.3 и диапазона допустимых размеров пакетов. Поэтому устройства, соответствующие новому стандарту, смогут взаимодействовать с оборудованием предыдущих разновидностей Ethernet, а значит, сделанные в него инвестиции не обесценятся.

Отличие 10-Gigabit Ethernet от своих предшественников:

-транспортировка трафика осуществляться только в дуплексном режиме. Это позволит отказаться от протокола CSMA/CD, который сильно сдерживал производительность сетей Ethernet.

-в сетях 10GE будут использоваться преимущественно волоконно-оптические соединения.

Ориентация на оптику заставила прямо указать в стандарте допустимые виды оптического волокна и алгоритмы передачи. Несмотря на то, что формально протокол Ethernet относится ко второму уровню эталонной модели OSI, ни один из принятых стандартов Ethernet не обходит стороной физическую среду передачи.

В архитектуре Ethernet физический уровень (PHYsical layer device, PHY) разделяется на подуровень, зависящий от среды (Physical Media Dependent, PMD), и кодирующий подуровень (Physical Coding Sublayer, PCS). Спецификации 802.3ae определяют два физических интерфейса: для локальных (LAN PHY) и глобальных (WAN PHY) сетей, причем второй фактически является расширением первого. Оба они используют один и тот же подуровень PMD и, следовательно, поддерживают одинаковые длины соединений.

Существенной особенностью нового стандарта является способность оборудования 10GE взаимодействовать с сетями SONET/SDH2, которая означает возможность передавать пакеты Ethernet по каналам SONET/SDH с высокой эффективностью.

В результате экспансия технологии Ethernet на распределенные городские сети, которая началась с появлением стандарта Gigabit Ethernet (802.3z), теперь распространится на сети глобальные. Именно этой цели служит интерфейс WAN PHY. Поддержка упрощенного формата кадров SONET/SDH - главное, что отличает два физических интерфейса друг от друга. Поскольку полоса пропускания интерфейсов SONET OC-192/SDH STM-64 мало отличается от таковой для 10GE (9,29 и 10 Гбит/с соответственно), разработка единого протокола MAC для двух физических интерфейсов с близкими значениями скорости передачи не вызвала особых затруднений.

В то же время в целях значительного удешевления будущего оборудования 10GE члены рабочей группы 802.3 отказались от достижения полной совместимости с сетями SONET/SDH. В частности, допустимая нестабильность задержки передачи, методы синхронизации и ряд оптических характеристик сетей SONET/SDH не получили отражения в подготовленном стандарте. 10-гигабитный Ethernet, как и следовало ожидать, остался асинхронным протоколом.

Для кодирования данных на физическом уровне выбран алгоритм 64/66b вместо 8/10b, используемого в сетях Gigabit Ethernet. Это позволило повысить эффективность использования полосы пропускания: если в сетях 1000Base-T для достижения информационной пропускной способности 1 Гбит/с требовалась физическая полоса 1,25 Гбит/с, то в 10-гигабитных сетях вполне достаточно 3-процентного превышения (10,3 Гбит/с).

Платой за возросшую эффективность являются ограниченные возможности исправления ошибок передачи. Только внедрение алгоритма упреждающей коррекции ошибок (Forward Error-Correction, FEC) и усовершенствованных методов восстановления сигналов позволило удержать надежность сетей Ethernet на прежнем уровне.

Что же касается интерфейсов, зависящих от среды передачи, то из исходного многообразия потенциальных вариантов в окончательной версии стандарта останутся пять - два для многомодового и три для одномодового волокна. На применение в локальных сетях в первую очередь ориентирован интерфейс спектрального мультиплексирования (WWDM) на длине волны 1310 нм. Используемое при этом многомодовое волокно (62,5/125 мкм) является в настоящее время наиболее распространенным, а длина соединений 300 м - довольно высока по меркам локальных сетей Ethernet. В другом интерфейсе для локальных сетей задействовано менее популярное многомодовое волокно 50/125 мкм. При этом рабочая длина волны составляет 850 мкм. Данный интерфейс оставлен в окончательной версии стандарта в основном по экономическим соображениям: он предлагает недорогой вариант организации высокоскоростных соединений между серверами.

Остальные интерфейсы рассчитаны на применение в магистральных каналах городских и глобальных сетей. Максимальная длина соединения доведена до 40 км (в стандарте 802.3z она равнялась 5 км).

2. Типы спецификаций 10-Gigabit Ethernet

Спецификация 10GBase-X.

Данная спецификация описывает семейство 10-Gigabit Ethernet, использующее 4 потоковую передачу (в формате 4х8 бит) с кодированием каждого потока кодом 8В/10В. Эта спецификация поддерживается практически всеми уровнями и интерфейсами: MAC, RS, XGMII, XGXS, XAUI, PCS, PMA, PMD и может передаваться по медным шинам, медным парам и оптическому кабелю (ВОК). К этому семейству принадлежит версия 10GBase-LX4 - стандарт 10GE для среды передачи на базе ВОК, использующий 4 длины волны с шагом 13,4 нм во втором окне прозрачности (1300 нм). Каждая длина волны передает один из четырех потоков данных (Lane). Потоки объединяются мультиплексором WDM на передающей стороне перед подачей в ВОК и демультиплексируются на приемной стороне.

Последовательный поток данных МАС-подуровня делится на подуровне согласования RS на 4 потока (Lane 0-3) группами по одному байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). В подуровне PCS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя в PMA 4 группы 10-битовых последовательностей (Tcg), передаваемых в PMD, а затем через MDI, на модуляторы четырех несущих (подробнее см. раздел 48 и Annex 44A [1]). На приемной стороне реализован обратный процесс.

Спецификация 10GBase-R.

Эта спецификация целое семейство, которое включает: 10GBase-SR, 10GBase-LR и 10GBase-ER работающие на ВОК в трех разных окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E), соответственно. Эти спецификации могут быть как самостоятельными (после кодирования данных на подуровне PCS по схеме 64В/66В) или могут превращаться в спецификации 10GBase-W (если потоки данных после PCS передаются WAN-интерфейсу WIS).

Здесь поток данных МАС-подуровня (рассмотрена только передающая сторона), как и для 10GBase-X, делится на RS-подуровне на 4 потока (Lane 0-3) группами по 1 байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). На верхнем подуровне XGXS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя 4 кодовые группы 10-битовых последовательностей (Cg), передаваемых через интерфейс XAUI. Группы Cg в нижнем подуровне XGXS декодируются и объединяются подуровнем PCS в 66-битную группу (2 бита синхронизации (01) + 64 бита данных), то есть кодируются по схеме 64В/66В. Этот код поддерживает биты данных и управления, позволяющие обнаруживать ошибки. Затем данные скремблируются и разбиваются (при переходе через интерфейс XSBI в PMA) на 16-битные блоки данных, передаваемые в подуровень LAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей. На приемной стороне осуществляется обратный процесс.

Спецификация 10GBase-W.

Это семейство из трех версий: 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW, также работающих через ВОК в трех окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E). Согласно спецификации, потоки указанных версий после кодирования в подуровне PCS кодом 64В/66В подключаются к WAN-интерфейсу WIS, чтобы далее инкапсулироваться в фреймы технологий SONET и SDH для транспорта потоков 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW через физический уровень.

Здесь поток данных обрабатывается, как для спецификации 10GBase-R, вплоть до интерфейса WIS-SVC-I/F, пройдя через который, формируются 16-битные группы данных (Tdu). Далее в подуровне WIS (с помощью генератора) формируется заголовок фрейма SONET STS-192c //SDH STM-64c и осуществляется дополнительное скремблирование. В результате поток данных Ethernet адаптируется к скорости передачи данных SONET/SDH. После перехода через интерфейс XSBI в PMA 16-битные блоки данных передаются на подуровень WA N PMD, а затем через интерфейс MDI - на модулятор оптической несущей. На приемной стороне осуществляется обратный процесс.

Три базовые технологии - 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W - позволили реализовать 7 версий:

-10GBase-LX4 - стандарт 10GE для медного кабеля (4 пары STP/шины) и среды передачи на базе ММ ВОК, работающего на четырех длинах волн в диапазоне 1260-1355 нм;

-10GBase-SR, 10GBase-SW - стандарты 10GE для среды передачи ММ ВОК, работающего на длине волны 850 нм;

-10GBase-LR, 10GBase-LW - стандарты 10GE для среды передачи ММ ВОК, работающего на длине волны 1300 нм;

-10GBase-ER, 10GBase-EW - стандарты 10GE для среды передачи ММ ВОК, работающего на длине волны 1300 нм, и ОМ ВОК, работающего на длине волны 1550 нм.

Сравнительные характеристики реализации 10-Gigabit Ethernet

Параметры10GBase-LX410GBase-SR/SW10GBase-LR/LW10GBase-ER/EWДвоичный интерфейсный (внешний) код8B/10B64B/66B64B/66B64B/66BНоминальная скорость сигнала, Гбит/с4x3,125SR:10.3125 SW(PMA):9.95328 SW(SDH):9.58464LR: 10.3125 LW(PMA): 9.95328 LW(SDH): 9.58464ER:10.3125 EW(PMA): 9.95328 EW(SDH): 9.58464Допуск на изменения скорости, 10-8100100/20100/20100/20Среда передачиМедная шина, ВОКММ ВОКММ ВОКММ/ОМ ВОКРабочий диапазон несущих, нм1260-1355840-8601260-13551260-1355/1530-1565Поддерживаемый уровень BER10-1210-1210-1210-12Длина кодовой группы на выходе, бит4х10161616Кодовая группа ldle07070707180016/0716Нет данныхНет данныхЗадержка на распространения пакетов, BT20483584/14336Нет данныхНет данныхНоминальная длина передачи, мДо 300 (62,5 мкм)2 До 240-300 (50 мкм)2До 26-33 (62,5 мкм)3До 10 кмДо 30/405км (ОМ)Бюджет мощности, дБ7,5 (ММ)/8,2 (ОМ)7,39,415

3. Отличия 10-Gigabit Ethernet от динамики глобальных и локальных сетей

10-Gigabit Ethernet пока остается атрибутом локальных сетей. Скорее всего, он постепенно начнет вытесняться из серверных ферм и, возможно, ферм хранения по мере внедрения технологии InfiniBand, но его позиции на рынке локальных сетей, в любом случае, весьма надежны. Несмотря на отсутствие в Ethernet возможностей поддержки качества обслуживания и формирования услуг, региональные сети уже создаются и используются, причем их пользователи высоко оценивают дешевизну пропускной способности и приемлемую производительность по сравнению с другими решениями.

Такое впечатление, что подход, применявшийся в локальных сетях, оправдывает себя и в региональных, несмотря на то, что последние в большей степени напоминают глобальные сети. Однако и в мире глобальных сетей может произойти настоящее чудо. Использование формата кадров SONET/SDU в 10 GbE на асинхронном интерфейсе Ethernet физического уровня глобальной сети открывает путь для совместимости 10 GbE со всем унаследованным оборудованием традиционных операторов. Этот дополнительный интерфейс физического уровня глобальной сети включает в себя простой и недорогой модуль генерации кадров SONET и работает на скорости передачи данных, соответствующей скорости полезной нагрузки OC-192c/SDH VC-4-64c. Однако в SONET и ATM инвестированы значительные средства, поэтому не стоит ожидать, что эти технологии исчезнут в одночасье.

В надвигающейся битве в мире глобальных сетей 10 GbE имеет такие конкурентные преимущества, как скорость (через четыре года появится уже 100 Gigabit Ethernet), цена, простота, совместимость с SONET и широкая поддержка в отрасли со стороны производителей оборудования для локальных и глобальных сетей. У него нет истинного качества обслуживания, формирования услуг или дальнего диапазона SONET (хотя некоторые нестандартные решения Ethernet большого диапазона действия уже способны функционировать на сравнимых расстояниях, вплоть до 100 км).

Преимущества 10 GbE почти те же, что и Ethernet, благодаря которым он одержал победу в области локальных сетей. Эти преимущества теперь позволят данной технологии проникнуть в мир региональных сетей. Время покажет, достаточно ли серьезно отличается динамика мира глобальных сетей от динамики локальных сетей, чтобы свести на нет сегодняшние достоинства Ethernet. Если рынок глобальных сетей подтвердит свою готовность к применению Ethernet, что кажется весьма вероятным, то 10 GbE способен сделать мечту о единой технологии вполне реальной.

4. Перспективы развития технологии 10 Gigabit Ethernet

Добавление в семейство Ethernet стандарта 10 GbE позволит LAN поддерживать новые ресурсоемкие приложения. Технология 10 GbE отвечает критериям, которые делают ее естественным выбором для повышения производительности существующих сетей Ethernet:

-технология обеспечивает низкую по сравнению с альтернативными стоимость владения, включая как стоимость приобретения, так и поддержки, поскольку имеющаяся у заказчиков инфраструктура сетей Ethernet легко взаимодействует с 10 GbE;

-10 GbE привлекает администраторов знакомыми управлением и возможностью применить накопленный опыт, так как использует процессы, протоколы и средства управления, уже развернутые в существующей инфраструктуре;

-стандарт предоставляет гибкость при проектировании соединений между серверами, коммутаторами и маршрутизаторами;

-статус индустриального стандарта обеспечивает совместимость устройств от многих производителей.

-с развитием технологии 10 GbE и соответствующего рынка цены на оборудование снижаются.

К тому же стандарт предусматривает использование недорогой оптики, не требующей охлаждения, и лазера поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором, который по сравнению с телекоммуникационными лазерами позволит понизить стоимость устройств, реализующих зависимый от среды уровень (Physical Medium Dependent - PMD). К тому же индустрию поддерживает агрессивный полупроводниковый рынок, обеспечивающий решения со сверхвысокой интеграцией.

Заключение

В ходе выполненного реферата была рассмотрена технология 10Gigabit Ethernet.

Основным преимуществом рассматриваемой технологии является то, что она предложила пользователям очень высокую пропускную способность по весьма низкой цене. При этом поддержка и управление функционированием таких сетей не требует сверхбольших усилий и вполне осуществима администраторами ЛВС. Кроме этого, серьезным достижением явилось превращение Ethernet в технологию построения крупных городских и региональных сетей, ее почти бесшовная интеграция с сетями SDH. Важно, что такая интеграция не требует преобразований формата кадра, трансляции адресов, исключает необходимость в использовании маршрутизаторов на границах корпоративных сетей и, следовательно, повышает эффективную скорость передачи данных. Вместе с тем, эта технология наследует присущий всем вариантам Ethernet недостаток средств обеспечения качества обслуживания, что должно компенсироваться протоколами вышестоящих уровней.

В данном проекте была рассмотрена классификация 10-Gigabit Ethernet и принцип его работы.

В процессе подготовки реферата использовалась техническая литература и многочисленные компьютерные журналы.

В заключении отмечу, что в представленном проекте даны лишь основные, базовые понятия: определения, классификация, принцип работы строение и технологии 10-Gigabit Ethernet.

Список использованных источников

1.Автор не указан, Высокоскоростная технология 10-Gigabit Ethernet [Электронный ресурс] - #"justify">2.Автор не указан, Сетевые решения: 10-Gigabit Ethernet [Электронный ресурс] - #"justify">.Ганьжа Д., 10-Gigabit Ethernet [Электронный ресурс] / Д. Ганьжа. - Режим доступа: #"justify">.Михеев В., 10-Gigabit Ethernet надежное и эффективное решение модернизации сети [Электронный ресурс] / В. Михеев. - Режим доступа: http://old.ci.ru/inform08_00/p08gig.htm.

Больше работ по теме: