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 косну