39983

Закон Мура в применении к СКС

Контрольная

Информатика, кибернетика и программирование

Gigbit Ethernet возник в ответ на потребность во все больших и больших скоростях передачи данных. Gigbit Ethernet является дальнейшим развитием стандартов Ethernet и Fst Ethernet которые уже хорошо зарекомендовали себя за почти двадцатилетнюю историю. Он быстрее в первого из них в 100 и второго в 10 раз соответственно а теоретическая пропускная способность gigbit Ethernet достигает 1000 Мбит сек что приблизительно равно 120 МБайтам в секунду то есть вплотную приближается к скорости 32битной шины PCI 33 МГц. Технология обладает обратной...

Русский

2013-10-13

47.01 KB

0 чел.

Закон Мура в применении к СКС гласит:
«Каждые 10 лет развитие новых технологий

передачи информации требует от кабельной системы
увеличения полосы пропускания канала на порядок».

На самом деле, пока этот закон перевыполняется с лихвой — скорости сетей возрастают на порядок (десятичный) чаще, чем раз в десять лет. Они уже покорили гигабитный рубеж и не останавливаются на этом. А мы пока остановимся на гигабите. Действительно, спешить пока некуда: и эта область нами еще не изучена.

Gigabit Ethernet возник в ответ на потребность во все больших и больших скоростях передачи данных. Он дает возможность избавиться от узких мест в сетях за счет увеличения полосы пропускания канала в 10 раз и в основном используется на магистральных линиях сети, для подключения серверов и так далее. Но в настоящее время его применение уже выходит за рамки бекбон-сетей, вычислительных кластеров и распределенных баз данных. Например, такие приложения, как потоковое видео, видеоконференции, обработка сложных изображений тоже предъявляют повышенные требования к пропускной способности, и при наличии большого количества пользователей 100-Мбитная сеть может не справиться с возросшим потоком данных. Поэтому сейчас мы наблюдаем тенденцию к сильному увеличению интереса к новой технологии и естественное возрастание продаж гигабитных адаптеров. Этому способствует и постепенное снижение цен на них.

Давайте поподробнее рассмотрим этот стандарт. Принятый IEEE в июне 1998 года, он был утвержден как IEEE 802.3z. Тогда в качестве среды передачи еще использовался только оптический кабель. Как дополнение, годом позднее утвердили стандарт 802.3ab, где в качестве среды передачи фигурировала неэкранированная витая пара пятой категории.

Gigabit Ethernet является дальнейшим развитием стандартов Ethernet и Fast Ethernet, которые уже хорошо зарекомендовали себя за почти двадцатилетнюю историю. Он быстрее в первого из них в 100 и второго — в 10 раз соответственно, а теоретическая пропускная способность gigabit Ethernet достигает 1000 Мбит/сек, что приблизительно равно 120 МБайтам в секунду, то есть вплотную приближается к скорости 32-битной шины PCI 33 МГц. Именно поэтому гигабитные адаптеры выпускаются как для 32-битной PCI (33 и 66 МГц), так и для 64-битной шины. Технология обладает обратной совместимостью с предыдущими стандартами Ethernet (10 и 100 Мбит), что позволяет плавно переводить существующие сети на более высокие скорости, возможно, даже не меняя существующую кабельную структуру.

Стандарт наследует все предыдущие особенности Ethernet, такие как формат кадров, технология CSMA/CD (чувствительный к передаче множественный доступ с обнаружением коллизий), полный дуплекс и тд. И конечно, появились некоторые нововведения, связанные в первую очередь с высокими скоростями передачи данных. Но именно в наследовании старых стандартов состоит огромное преимущество и популярность Gigabit Ethernet. Ведь внешне он выглядит, как старый добрый Ethernet (представляя собой его расширение), а высокие скорости было достигнуты без существенных изменений протокола. Из этого вырастает второе преимущество Gigabit Ethernet перед его ближайшими конкурентами ATM и Fibre Channel — его относительно низкая цена. В общем, пока Ethernet доминирует в области сетевых технологий (он составляет более 80 процентов мирового рынка передачи информации). И, возможно, будет доминировать и дальше — на горизонте уже показался 10 ГБит Ethernet.

Рис 1. Функциональные элементы технологии gigabit Ethernet. 

Изначально gigabit Ethernet мог использовать в качестве среды передачи только оптические кабели — интерфейс 1000BASE-X. Он основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel (это технология взаимодействия рабочих станций, устройств хранения данных и переферийных узлов). Так как эта технология уже была одобрена ранее, такое заимствование сильно сократило время на разработку стандарта gigabit Ethernet. 1000BASE-X включает три физических интерфейса со следующими характеристиками:

  1.  1000Base-SX использует лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770-860 нм, мощность излучения передатчика в пределах от -10 до 0 дБм при отношении ON/OFF (сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника -17 дБм, насыщение приемника 0 дБм;
  2.  1000Base-LX использует лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 1270-1355 нм, мощность излучения передатчика в пределах от -13,5 до -3 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника -19 дБм, насыщение приемника -3 дБм;
  3.  1000Base-CX — это экранированная витая пара (STP «twinax») на короткие расстояния.

Стандарт

Тип кабеля

Полоса пропускания (не хуже), МГц*Км

Макс. расстояние, м *

1000BASE-LX (лазерный диод 1300 нм)

Одномодовое волокно (9 мкм)

-

5000 **

Многомодовое волокно
(50 мкм)

500

550

Многомодовое волокно
(62,5 мкм)

320

400

1000BASE-SX (лазерный диод 850 нм)

Многомодовое волокно
(50 мкм)

400

500

Многомодовое волокно
(62,5 мкм)

200

275

Многомодовое волокно
(62,5 мкм)

160

220

1000BASE-СX

Экранированная витая пара STP
(150 ОМ)

-

25


* стандарты 1000BASE-SX и 1000BASE-LX предполагают наличие дуплексного режима
** Оборудование некоторых производителей может обеспечивать большее расстояние, оптические сегменты без промежуточных ретрансляторов/усилителей могут достигать 100 км.

Таблица 1. Технические характеристики стандартов 1000Base-X

Годом позже был принят стандарт 1000BASE-T, регламентирующий неэкранированную витую пару категории 5 в качестве среды передачи. Его мы рассмотрим поподробнее.

Отличие 1000BASE-T от Fast Ethernet 100BASE-TX состоит в том, что используются все четыре пары (в 100BASE-TX использовались только две). По каждой из четырех пар данные передаются со скоростью 250 Мбит/сек. Стандарт обеспечивает дуплексную передачу, причем передача по каждой паре обеспечивается в двух направлениях одновременно. В техническом плане реализация гигабитной передачи по витой паре, а тем более в дуплексном режиме, оказалась намного сложнее, чем в 100BASE-TX. Это связано с сильными помехами на пару от соседних трех витых пар, и потребовало разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, а также интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме. В качестве метода кодирования в стандарте 1000BASE-T было использовано 5-уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5.

К параметрам кабеля тоже применяются несколько повышенные требования (касающиеся наводок однонаправленной передачи, возвратных потерь, задержек и фазового сдвига). Это привело к появлению категории 5e для неэкранированной витой пары. Для гарантии работоспособности gigabit Ethernet на кабеле пятой категории, они должны проходить пересертификацию на соответствие новой категории. В принципе, большинство фирменных кабелей ее проходит, а в настоящее время в основном категория 5е и выпускается.

Обжим кабеля для 1000BASE-T производится по следующей схеме:


Прямой
(straight-through) кабель.


Перекрестный
(crossover) кабель.

Рис 2. Схема обжима кабеля для 1000BASE-T 

Интересные нововведения коснулись уровня MAC-стандарта 1000BASE-T.

В Ethernet-сетях максимальное расстояние между станциями (коллизионный домен) определяется исходя из минимального размера кадра (в стандарте Ethernet IEEE 802.3 он равнялся 64 байтам). Максимальная длина сегмента должна быть такой, чтобы передающая станция могла обнаружить коллизию до окончания передачи кадра (сигнал должен успеть пройти в другой конец сегмента и вернуться обратно). Соответственно, при увеличении скорости передачи нужно либо увеличивать размер кадра, тем самым увеличивая минимальное время на передачу кадра, либо уменьшать диаметр коллизионного домена. При переходе к Fast Ethernet воспользовались вторым вариантом и сократили диаметр сегмента.

В gigabit Ethernet это было неприемлемо. Ведь в этом случае стандарт, наследовавший такие составляющие Fast Ethernet, как минимальный размер кадра, CSMA/CD и время обнаружения коллизии (time slot), сможет работать в коллизионных доменах диаметром не более 20 метров. Поэтому было предложено увеличить время на передачу минимального кадра. Вкупе с тем, что, для совместимости с предыдущими Ethernet, минимальный размер кадра был оставлен прежним — 64 байта, а к кадру добавилось дополнительное поле carrier extension (расширение носителя), которое дополняет кадр до 512 байт. Естественно, поле не добавляется в случае, если размер кадра больше 512 байт. Таким образом, результирующий минимальный размер кадра получился равным 512 байтам, время на обнаружение коллизии возросло, и диаметр сегмента увеличился до тех же 200 метров (в случае 1000BASE-T). Символы в поле carrier extension не несут смысловой нагрузки, контрольная сумма для них не вычисляется. При приеме кадра это поле отбрасывается еще на уровне MAC, поэтому вышележащие уровни продолжают работать с минимальными кадрами длиной 64 байта.

Но и тут возникли подводные камни. Хоть расширение носителя и позволило сохранить совместимость с предыдущими стандартами, оно привело к неоправданной трате полосы пропускания. Потери могут достигать 448 байт (512-64) на кадр в случае коротких кадров. Поэтому стандарт 1000BASE-T был модернизирован — ввели понятие Packet Bursting (пакетная перегруженность). Она позволяет намного эффектней использовать поле расширения. А работает это так: если у адаптера или коммутатора есть несколько небольших кадров, требующих отправки, то первый из них отправляется стандартным образом, с добавлением поля расширения до 512 байт. А все последующие отправляются в оригинальном виде (без поля расширения), с минимальным интервалом между ними в 96 бит. И, что самое главное, этот межкадровый интервал заполняется символами расширения носителя. Это происходит до тех пор, пока суммарный размер отправляемых кадров не достигнет предела 1518 байт. Таким образом, среда не замолкает на всем протяжении передачи малых кадров, поэтому коллизия может возникнуть только на первом этапе, при передаче первого правильного малого кадра с полем расширения носителя (размером 512 байт). Этот механизм позволяет существенно повысить производительность сети, особенно при больших нагрузках, за счет уменьшения вероятности возникновения коллизий.

Но и этого оказалось мало. Сначала gigabit Ethernet поддерживал только стандартные размеры кадров Ethernet — от минимального 64 (дополняемых до 512) до максимального 1518 байт. Из них 18 байт занимает стандартный служебный заголовок, а для данных остается от 46 до 1500 байт соответственно. Но даже пакет данных размером 1500 байт слишком мал в случае гигабитной сети. Особенно для серверов, передающих большие объемы данных. Давайте немного посчитаем. Для передачи файла размером 1 Гигабайт по незагруженной Fast Ethernet сети, сервер обрабатывает 8200 пакетов/сек и затрачивает на это минимум 11 секунд. В это случае только на обработку прерываний у компьютера мощностью 200 MIPS уйдет около 10 процентов времени. Ведь центральный процессор должен обработать (посчитать контрольную сумму, передать данные в память) каждый пришедший пакет.

Скорость

10 Мбит/сек

100 Мбит/сек

1000 Мбит/сек

Размер кадра

64 байта

1518 байт

64 байта

1518 байт

64 байта

1518 байт

Кадры/сек

14.8K

812

148K

8,1K

1,48M

81K

Скорость передачи данных, Мбит/сек

5,5

9,8

55

98

550

980

Интервал между кадрами, мкс

67

1200

6,7

120

0,7

12

Табл 2. Характеристики передачи сетей Ethernet. 

В гигабитных сетях ситуация еще печальней — нагрузка на процессор возрастает примерно на порядок из-за сокращения временного интервала между кадрами и соответственно запросами на прерывания к процессору. Из таблицы 1 видно, что даже в наилучших условиях (использование кадров максимального размера), кадры отстоят друг от друга на временной интервал, не превышающий 12 мкс. В случае использования кадров меньшего размера этот временной интервал только уменьшается. Поэтому в гигабитных сетях узким местом, как ни странно, стал именно этап обработки кадров процессором. Поэтому на заре становления gigabit Ethernet фактические скорости передачи были далеки от теоретического максимума — процессоры просто не справлялись с нагрузкой.

Очевидными выходами из сложившейся ситуации являлись:

  1.  увеличение временного интервала между кадрами;
  2.  перекладывание части нагрузки обработки кадров с центрального процессора на сам сетевой адаптер.

В настоящее время реализованы оба метода. В 1999 году было предложено увеличить размер пакета. Такие пакеты получили название гига-кадры (Jumbo Frames), и их размер мог быть от 1518 до 9018 байт (в настоящее время оборудование от некоторых производителей поддерживает и большие размеры гига-кадров). Jumbo Frames позволили уменьшить нагрузку на центральный процессор до 6 раз (пропорционально своему размеру) и, таким образом, значительно повысить производительность. Например, максимальный пакет Jumbo Frame в 9018 байт, кроме 18-байтового заголовка, содержит 9000 байт под данные, что соответствует шести стандартным максимальным кадрам Ethernet. Выигрыш в производительности достигается не из-за избавления от нескольких служебных заголовков (трафик от их передачи не превышает нескольких процентов общей пропускной способности), а за счет уменьшения времени на обработку такого кадра. Точнее, время на обработку кадра осталось прежним, но вместо нескольких небольших кадров, каждый из которых потребовал бы для себя N тактов процессора и одно прерывание, мы обрабатываем только один, больший кадр.

Также многие современные сетевые адаптеры используют специальные аппаратные средства для снятия части нагрузки по обработке трафика с центрального процессора. Кроме того, при большом трафике используется буферизация — процессор прерывается для обработки нескольких кадров сразу. Конечно, подобные особенности сказываются и на увеличении цены этих адаптеров.

Тестирование показало значительные преимущества при использовании больших кадров (Jumbo Frame) в работе, поэтому их лучше включать. Конечно, их поддержка требуется не только от сетевого адаптера, но и от коммутатора, а не все из них эти кадры поддерживают.

Остается еще вопрос низкой (не более 600 Мбит) скорости работы «десктопных» адаптеров, но он объясняется достаточно просто. Максимальная теоретическая пропускная способность шины PCI 33 МГц равна 1066,(6) Мбит/сек (32 бит * 33,(3) МГц). Реальная же пропускная способность шины несколько (до 20-30 процентов) меньше из-за:

  1.  накладных расходов по обслуживанию самой шины;
  2.  потоков данных, создаваемых другими устройствами, подсоединенными к шине;
  3.  реализации PCI в конкретном чипсете и даже в модели материнской платы (включая такую вещь, как параметры BIOS).

Именно поэтому, даже при максимальных размерах Jumbo Frame, рубеж в 600 Мбит на «десктопных» адаптерах остается не преодоленным — узким местом стала шина. Естественно, для шины PCI-E и PCI-X ситуация меняется.