Мережі Gigabit Ethernet

17.09.2015

Нові вимоги до продуктивності мереж, що пред’являються сучасними додатками, такими як мультимедіа, розподілені обчислення, системи оперативної обробки транзакцій, викликають нагальну необхідність розширення відповідних стандартів. Звичний десятимегабитный Ethernet, довгий час займає провідні позиції, у всякому разі, дивлячись з Росії, активно витісняється більш сучасними і істотно більш швидкими технологіями передачі даних.

На ринку високошвидкісні (понад 100 Мбіт/с) мереж, пару років тому представлених лише мережами FDDI, сьогодні пропонується близько десятка різних технологій, як розвиваючих вже існуючі стандарти, так і заснованих на концептуально нових. Серед них слід особливо виділити:

· Старий добрий оптоволоконний інтерфейс FDDI, а також її розширений варіант, FDDI II, спеціально адаптований для роботи з мультимедіа інформацією, і CDDI, що реалізує FDDI на мідних кабелях. Всі версії FDDI підтримують швидкість обміну 100 Мбіт/с.

· 100Base X Ethernet, що представляє собою високошвидкісний Ethernet з множинним доступом до серед і виявленням колізій. Дана технологія — екстенсивний розвиток стандарту IEEE802.3.

· 100Base VG AnyLAN, нову технологію побудови локальних мереж, що підтримує формати даних Ethernet і Token Ring зі швидкістю передачі 100 Мбіт/с за стандартним крученим парам і оптоволокну.

· Gigabit Ethernet. Продовження розвитку мереж Ethernet і Fast Ethernet.

· ATM, технологію передачі даних, що працює як на існуючому кабельному обладнанні, так і на спеціальних оптичних лініях зв’язку. Підтримує швидкості обміну від 25 до 622 Мбіт/сек з перспективою збільшення до 2.488 Гбіт/сек.

· Fibre Channel, оптоволоконну технологію з комутацією фізичних з’єднань, призначену для додатків, що вимагають надвисоких швидкостей. Орієнтири — кластерні обчислення, організація взаємодії між суперкомп’ютерами і високошвидкісними масивами накопичувачів, підтримка сполук типу робоча станція — суперкомп’ютер. Декларовані швидкості обміну від 133 Мбіт до гігабіта в секунду (і навіть більше).

Привабливі, але далеко не ясні обриси технології FFOL (FDDI Follow on LAN), ініціативи ANSI, покликаної в майбутньому замінити FDDI з новим рівнем продуктивності 2.4 Гбайт/сек.

АТМ

АТМ — дитина телефонних компаній. Ця технологія розроблялася далеко не у розрахунку на комп’ютерні мережі передачі даних. ATM радикально відрізняється від звичайних мережевих технологій. Основна одиниця передачі в цьому стандарті — це осередок, на відміну від звичного пакета. Комірка містить у собі 48 байт даних і 5 байт заголовка. Частково це необхідно, щоб забезпечити дуже маленький час затримки при передачі мультимедійних даних. (Фактично, розмір комірки з’явився компромісом між американським телефонними компаніями, які воліють розмір комірки 64 байта, та європейськими, у яких він дорівнює 32 байтів).

Пристрою АТМ встановлюють зв’язок між собою і передають дані по віртуальних каналах зв’язку, які можуть бути тимчасовими або постійними. Постійний канал зв’язку — це шлях, по якому передається інформація. Він завжди залишається відкритим незалежно від трафіку. Тимчасові канали створюються на вимогу і, як тільки передача даних закінчується, закриваються.

З самого початку АТМ проектувався як система комутації за допомогою віртуальних каналів зв’язку, які забезпечують заздалегідь специфікований рівень якості сервісу (Quality of Service — QoS ) і підтримують постійну або змінну швидкість передачі даних. Модель QoS дозволяє додаткам запросити гарантовану швидкість передачі між приймачем і джерелом, не звертаючи уваги на те, наскільки складний шлях між ними. Кожен АТМ — комутатор, зв’язуючись з іншим, вибирає такий шлях, який гарантує необхідну додатком швидкість.

Якщо система не може задовольнити запит, то вона повідомляє про це додатком. Правда, існуючі протоколи передачі даних і додатки не мають ніякого поняття про QoS, так що це ще одна відмінна властивість, яку ніхто не використовує.

Завдяки наявності таких корисних властивостей АТМ нікого не дивує загальне бажання продовжувати удосконалення цей стандарт. Але поки існуючі реалізації обладнання досить обмежені початковим підходом, який орієнтувався на інші, некомп’ютерні, завдання.

Наприклад, АТМ не має вбудованої системи широкомовного оповіщення (це характерно для АТМ, є ідея, але немає стандарту). І хоча широкомовні повідомлення — одвічний головний біль для будь-якого адміністратора, у деяких випадках вони просто необхідні. Клієнт, який шукає сервер, повинен мати можливість розіслати повідомлення «Де сервер?», що б потім, отримавши відповідь, спрямовувати свої запити вже безпосередньо за потрібною адресою.

Форум АТМ спеціально розробив специфікації для емуляції мережі — LAN emulation (LANE). LANE перетворює «точка-точка»-орієнтовану АТМ мережа в звичайну, де клієнти і сервери бачать її як нормальну трансляцію мережа, що використовує протокол IP (а скоро і IPX). LANE складається з чотирьох різних протоколів: протоколу конфігурації сервера (LAN emulation configuration service — LECS), протоколу сервера (LAN emulation server — LES), протоколу загальних мовлення і невідомого сервера (Broadcast and Unknown Server — BUS) і протоколу клієнта (LAN emulation client — LEC).

Коли клієнт за допомогою LANE намагається підключитися до мережі АТМ, то спочатку він використовує протокол LECS. Оскільки АТМ не підтримує широкомовних повідомлень, форум АТМ виділив спеціальний адреса LECS, який ніхто інший вже не використовує. Посилаючи повідомлення за цією адресою клієнт отримує адресу відповідного йому LES. Рівень LES забезпечує необхідні функції ELAN (emulated LAN). З їх допомогою клієнт може отримати адресу BUS-сервісу і послати йому повідомлення «підключився такий-то клієнт», щоб потім BUS рівень міг, отримуючи повідомлення, переслати його всім зареєстрованим клієнтам.

Для того щоб використовувати не АТМ протоколи, необхідно використовувати LEC. LEC працює як конвертор, емулюючи звичайну топологію мережі, яку передбачає IP. Оскільки LANE тільки моделює Ethernet, то він може усунути деякі старі технологічні помилки. Кожен ELAN може використовувати різні розміри пакетів. ELAN, який обслуговує станції, підключені за допомогою звичайного Ethernet, що використовує пакети розміром 1516 байт, в той час як ELAN забезпечує зв’язок між серверами може посилати пакети з 9180 байт. Всім цим управляє LEC.

LEC перехоплює широкомовні повідомлення і посилає їх BUS. Коли BUS отримує таке повідомлення, то посилає його копію кожному зареєструвався LEC. Одночасно, перед тим як розіслати копії, він перетворює пакет назад в Ethernet-форму, вказуючи замість своєї адреси широкомовний.

Розмір комірки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок є причиною того, що тільки 90,5% пропускної смуги витрачається на передавання корисної інформації. Таким чином, реальна швидкість передачі даних — всього лише 140 Мбіт/с. І це без урахування накладних витрат на установку зв’язку та інші службові взаємодії між різними рівнями протоколів — BUS і LECS.

Так, АТМ — складна технологія і поки його використання обмежує LANE. Все це сильно стримує широке поширення даного стандарту. Правда, існує обґрунтована надія, що він дійсно буде застосовуватися, коли з’являться додатки, які зможуть скористатися перевагами АТМ безпосередньо.

ATM — даною абревіатурою може позначатися технологія асинхронної передачі даних (Asynchronous Transfer Mode), а не тільки Adobe Type Manager або Automatoc Teller Machine, що багатьом може здатися більш звичним. Дану технологію побудови високошвидкісних обчислювальних мереж з комутацією пакетів характеризує унікальна масштабованість від невеликих локальних мереж швидкостями обміну 25-50 Мбіт/сек до трансконтинентальних мереж.

як передавальної середовища використовується або вита пара (до 155 Мбіт/с) або оптоволокно.

АТМ є розвитком STM (Synchronous Transfer Mode), технології передачі пакетованных даних і мови на великі відстані, традиційно використовуваною для побудови телекомунікаційних магістралей і телефонної мережі. Тому перш за все ми розглянемо STM.

Модель STM

STM представляє собою мережевий механізм з комутацією з’єднань, де з’єднання встановлюється перш, ніж почнеться передача даних, і розривається після її закінчення. Таким чином, взаємодіючі вузли захоплюють і утримують канал, поки не визнають за необхідне роз’єднатися, незалежно від того, вони передають дані, або «мовчать».

Дані в STM передаються за допомогою поділу всієї смуги каналу на базові трансмісійні елементи, звані тимчасовими каналами або слотами. Слоти об’єднані в обойму, що містить фіксоване число каналів, пронумерованих від 1 до N. Кожному слоту ставиться у відповідність одне з’єднання. Кожна з обойм (їх теж може бути декілька — від 1 до М), визначає свій набір з’єднань. Обойма надає свої слоти для встановлення з’єднання з періодом Т. При цьому гарантується, що протягом цього періоду необхідна обойма буде доступна. Параметри N, M і Т визначаються відповідними комітетами із стандартизації і розрізняються в Америці і Європі.

У рамках каналу STM кожне з’єднання асоціюється з фіксованим номером слота в конкретній обоймі. Одного разу захоплений слот залишається в розпорядженні з’єднання протягом усього часу існування цього з’єднання.

Неправда, трохи нагадує вокзал, від якого в певному напрямку з періодом Т відбуває поїзд? Якщо серед пасажирів є той, якого цей поїзд підходить, він займає вільне місце. Якщо такого пасажира немає, то місце залишається порожнім і не може бути зайняте ніким іншим. Природно, що пропускна здатність такого каналу втрачається, до того ж здійснити одночасно всі потенційні з’єднання (M*N) неможливо.

Перехід на ATM

Дослідження застосування оптоволоконних каналів в трансокеанських і трансконтинентальних масштабах виявили ряд особливостей передачі даних різних типів. У сучасних комунікаціях можна виділити два типи запитів:

— передача даних, стійких до деяких втрат, але критичним до можливих затримок (наприклад, сигнали телебачення високої чіткості і звукова інформація);

— передача даних, не дуже критичних до затримок, але не допускають втрат інформації (цей тип передачі, як правило, відноситься до межкомпьютерным обмінам).

Передача різнорідних даних призводить до періодичного виникнення запитів на обслуговування запитів на обслуговування, що вимагають великої смуги пропускання, але при малому часу передачі. Вузол, часом, вимагає пікової продуктивності каналу, але це відбувається відносно рідко, займаючи, скажімо, одну десяту часу. Для такого виду каналу реалізується одне з десяти можливих з’єднань, на чому, природно, втрачається ефективність використання каналу. Було б чудово, якщо б існувала можливість передати тимчасово вільний слот іншому абоненту. На жаль, в рамках моделі STM це неможливо.

Модель ATM була взята на озброєння одночасно AT&T і кількома європейськими телефонними гігантами. (До речі, це може призвести до появи відразу двох стандартів на специфікацію ATM.)

Головна ідея полягала в тому, що необхідність в жорсткому відповідно з’єднання і номери слота немає. Досить передавати индентификатор з’єднання разом з даними на будь-який вільний слот, зробивши при цьому пакет настільки маленьким, щоб у разі втрати втрата легко восполнялась б. Все це неабияк скидається на комутацію пакетів і навіть називається схоже: «швидка комутація коротких пакетів фіксованої довжини». Короткі пакети вельми привабливі для телефонних компаній, що прагнуть зберегти аналогові лінії STM.

В мережі ATM два вузли знаходять один одного «ідентифікатора віртуального з’єднання» (Virtual Circuit Identifier — VCI), що використовується замість номерів слоти і обойми в моделі STM. Швидкий пакет передається в такий же слот, як і раніше, але без будь-яких вказівок або ідентифікатора.

Статистичне мультиплексування

Швидка комутація пакетів дозволяє вирішити проблему невикористовуваних слотів допомогою статистичного мультиплексування декількох з’єднань по одній лінії зв’язку у відповідності з параметрами їх трафіку. Іншими словами, якщо велика кількість сполук носять імпульсний характер (співвідношення пікової активності до середньої — 10 або більше до 1), є надія, що піки активності різних з’єднань будуть збігатися не надто часто. У разі збігу один з пакетів буферизується поки не з’являться вільні слоти. Такий спосіб організації з’єднань при правильно підібраних параметрах дозволяє ефективно завантажувати канали. Статистичне мультиплексування, нездійсненне в STM, і є основною перевагою ATM.

Типи мережевих інтерфейсів ATM

Насамперед — це інтерфейс, орієнтований на підключення до локальних мереж, які оперують кадрами даних (сімейства IEEE 802.x і FDDI). У цьому випадку апаратура інтерфейсу повинна транслювати кадри локальної мережі в елемент передачі мережі ATM, яка виступає в якості глобальної магістралі, що зв’язує два значно віддалених один від одного сегменту локальної мережі.

Альтернативою може служити інтерфейс, призначений для обслуговування кінцевих вузлів, безпосередньо оперують форматами даних ATM. Такий підхід дозволяє підвищити ефективність мереж, які потребують значних обсягів передачі даних. Для підключення кінцевих користувачів до мережі використовуються спеціальні мультиплексори.

для адміністрування мережі на кожному пристрої виповнюється деякий «агент», який підтримує обробку адміністративних повідомлень, управління з’єднаннями і обробку даних відповідного протоколу управління.

Формат даних ATM

Пакет ATM, визначений спеціальним підкомітетом ANSI, повинен містити 53 байти.

5 байтів зайнято заголовком, решта 48 — змістовна частина пакету. У заголовку 24 біта віддано ідентифікатором VCI, 8 біт — контрольні, 8 біт відведені для контрольної суми. З 48 байт змістовної частини 4 байта може бути відведено для спеціального адаптаційного рівня ATM, а 44 — власне під дані. Адаптаційні байти дозволяють поєднувати короткі пакети ATM в більш великі сутності, наприклад, кадри Ethernet. Контрольне поле містить службову інформацію про пакунок.

Рівень протоколу ATM

Місце ATM в семирівневої моделі ISO — де-то в районі рівня передачі даних. Правда, встановити точну відповідність не можна, оскільки ATM сама займається взаємодією вузлів, контролем проходження і маршрутизацією, причому здійснюється це на рівні підготовки і передачі пакетів ATM. Втім, точне відповідність і положення ATM у моделі ISO не настільки важливі. Більш істотно — зрозуміти спосіб взаємодії з існуючими мережами TCP/IP і в особливості з додатками, що вимагають безпосередньої взаємодії з мережею.

Додатками, які мають безпосередній інтерфейс ATM, доступні переваги, що надаються гомогенної мережевий середовищем ATM.

Основне навантаження покладено на рівень «Управління віртуальними з’єднаннями ATM», дешифрувальний специфічні заголовки ATM, встановлює і розриває сполук, що здійснює демультиплексування і виконує дії, які від нього потрібні керуючим протоколом.

Фізичний рівень

Хоча фізичний рівень і не є частиною специфікації ATM, він враховується багатьма стандартизующими комітетами. В основному, в якості фізичного рівня розглядається специфікація SONET (Synchronous Optical Network) — міжнародний стандарт на высокоскоростую передачу даних. Визначено чотири типи стандартних швидкостей обміну: 51, 155, 622 і 2400 Мбіт/сек, що відповідають міжнародній ієрархії цифрової синхронної передачі (Synchronous Digital Hierarchy — SDH). SDH специфікує, яким чином дані фрагментуються і передаються одночасно по оптоволоконних каналах, не вимагаючи при цьому синхронізації каналів і тактових частот усіх вузлів, що беруть участь у процесі передачі і відновлення даних.

Контроль проходження даних

З-за високої продуктивності мереж ATM механізм, традиційно використовується в мережах ТСР, непридатний. Якщо б контроль проходження був покладений на зворотний зв’язок, то за час, поки сигнал зворотного зв’язку, дочекавшись виділення каналу і пройшовши всі стадії перетворення, досягне джерела, той встигне передати кілька мегабайт в канал, не тільки викликавши його перевантаження, але, можливо, повністю блокувавши джерело перевантаження.

Більшість стандартизующих організацій згідно з необхідністю цілісного підходу до контролю проходження. Його суть така: керуючі сигнали формуються по мірі проходження даних на будь-якій ділянці кола і відпрацьовуються на будь найближчому передавальному вузлі. Отримавши відповідний сигнал, інтерфейс може вибрати, як йому вчинити — зменшити швидкість передачі або повідомити користувачеві про те, що переповнення має місце.

В основному, ідея контролю проходження в мережах ATM зводиться до впливу на локальний сегмент, не зачіпаючи при цьому сегментів, що почувають себе добре, і домагаючись максимальної пропускної здатності там, де це можливо.

Короткий опис статті: комутатор ethernet

Джерело: Мережі Gigabit Ethernet

Також ви можете прочитати