Сети Gigabit Ethernet

Сети Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, работающие также на скорости 100 Мбит/с - магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скорости могли предоставить только коммутаторы АТМ, а при отсутствии в то время удобных средств миграции этой технологии в локальные сети внедрять их в локальную сеть почти никто не решался. Кроме того, технология АТМ отличалась очень высоким уровнем стоимости.
Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE через 5 месяцев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet. В июне 1995 года исследовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности выработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью. Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3. Разработчики технологии Gigabit Ethernet сохранили большую степень преемственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. Gigabit Ethernet использует те же форматы кадров, что и предыдущие версии Ethernet, работает в полнодуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяемой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями.
Gigabit Ethernet был разработан для поддержки полнодуплексных операций, как основного режима обмена сигналами. Когда системы могут одновременно передавать и принимать данные, нет необходимости в механизме управления доступом к среде, подобном CSMA/CD. Тем не менее, для того, чтобы системы в сети 1000BaseX могли работать в полнодуплексном режиме, понадобилось внесение некоторых изменений в механизм CSMA/CD. Если скорость, с которой система передает данные, возрастает, интервал времени, отведенный на обнаружение коллизии (называемый задержкой подтверждения сигнала), уменьшается. Когда Fast Ethernet увеличил быстродействие сети Ethernet в десять раз, то это ускорение было скомпенсировано уменьшением максимального диаметра сети. С дальнейшим десятикратным ростом производительности, уменьшать максимальный диаметр сети было непрактично, так как в результате сеть была бы не длиннее 20 м. Поэтому стандарт 802.3z удлинил сигнал несущей CSMA/CD с 64 байт до 512 байт. Это означает, что, несмотря на то, что минимальный размер пакета в 64 байта остается прежним, подуровень MAC системы Gigabit Ethernet добавляет к маленьким пакетам сигнал расширения несущей для того, чтобы дополнить пакеты до 512 байт. Тем самым, минимальное время, требуемое для передачи каждого пакета, становится достаточным для правильной работы механизма выявления коллизий, даже если сеть имеет такой же диаметр, как Fast Ethernet.
Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode - монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется Burst Length. Если станция начала передавать кадр и предел Burst Length был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.
В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

  • медный коаксиальный кабель;
  • одномодовый волоконно-оптический кабель 8,3/125;
  • многомодовый волоконно-оптический кабель;
  • неэкранированная витая пара пятой категории.

1000BaseLX предназначен для прокладки сравнительно протяженных магистралей, в которых данные передаются длинноволновым лазером с длиной волны в диапазоне от 1270 до 1355 нанометров по многомодовому оптоволоконному кабелю внутри здания или одномодовому кабелю в качестве более протяженной линии связи. Многомодовый оптоволоконный кабель с диаметром сердечника 50 или 62,5 микрон поддерживает линии связи длиной до 550 м, в то время как 9-микронный оптоволоконный кабель - до 5000 м (5 км).
В 1000BaseSX оптический сигнал генерируется при помощи коротковолнового лазера с длиной волны в диапазоне от 770 до 860 нанометров. Этот стандарт ориентирован на короткие магистрали и горизонтальные кабельные системы протяженностью до 500 м. Он более экономичен, чем 1000BaseLX, так как берет за основу только относительно недорогой многомодовый оптоволоконный кабель.
1000BaseLH (LH - аббревиатура от Long Haul, дальняя связь) не является стандартом, утвержденным IEEE, и даже не находится в процессе рассмотрения. Это спецификация Физического уровня, разработанная группой производителей сетевого оборудования, включающей 3Com и Cisco. Какие-либо определенные кабеля за стандартом еще не закреплены, поэтому разные производители работают с различными реализациями.
В оригинальном документе 802.3z присутствует только один стандарт для медной кабельной системы. 1000BaseCX предназначен исключительно для коротких линий связи (до 25 м). Эти соединения требуют применения целевого 150-омного экранированного медного кабеля. По существу, 1000BaseCX направлен на соединения между оборудованием, таким как кластеры серверов и линии связи между коммутаторами, поскольку он дешевле и проще в установке, чем оптоволоконный кабель.
Хотя это и не включено в стандарт 802.3z, но одной из первоначальных целей команды, разрабатывающей Gigabit Ethernet, была поддержка стандартного кабеля UTP категории 5 с длиной соединений длиной до 100 м, что позволило бы существующим сетям Fast Ethernet быть модернизированными до Gigabit Ethernet без прокладки нового кабеля или изменения топологии сети. 1000BaseT был определен в отдельном документе, называемом 802.3ab, который был единогласно утвержден IEEE в июне 1999 г.
Чтобы достигнуть таких высоких скоростей для медного кабеля, 1000BaseT изменил способ использования протоколом кабеля UTP. Несмотря на то, что 1000BaseT разработан для такой же кабельной системы, что и в 100BaseTX, он задействует все четыре пары кабеля вместо традиционных двух, что фактически удваивает его пропускную способность. Также 1000BaseT для передачи данных по кабелю опирается на более подходящую схему кодирования сигналов, отличную от других стандартов 1000BaseX. В таком сочетании каждая из витых пар переносит данные уже со скоростью 250 Мбит/с, что в сумме дает 1000 Мбит/с. Упомянутая схема кодирования известна под названием амплитудно-импульсной модуляция 5 (РАМ-5, Pulse Amplitude Modulation 5).