Как живешь, Ethernet?

Несмотря на более чем двадцатилетнюю историю и жесткую конкуренцию со стороны других технологий, сеть Ethernet все еще полна сил.

Путь в Будущее

Откуда Берутся Числа?

Сколько технологий и течений 1970-х годов сохраняют ведущие позиции в настоящее время и отличаются достаточной приспособляемостью, чтобы с триумфом войти в 21 век? Если вы подумали о Betamax, магнитных браслетах и туфлях на платформе, вы ошиблись. Прежде всего следует назвать персональные компьютеры, VHS и Ethernet.

Технология Ethernet была разработана в 1970-е годы и достигла лидирующего положения на рынке локальных сетей к середине 1980-х. Когда сети Token Ring начали демонстрировать превосходство перед Ethernet в вопросах надежности, управляемости и (по крайней мере, потенциальной) производительности, Ethernet-сообщество вдохнуло в Ethernet новую жизнь. После того как в 1990 году был принят стандарт 10BaseT, возник рынок сетевых карт, конкуренция на котором отличалась особой бескомпромиссностью. Появилось также множество все более дешевых и все более интеллектуальных хабов. Это позволило Ethernet прочно обосноваться и занять лидирующее положение в среде локальных сетей. В 1990-е годы 10BaseT отвоевал у Token Ring значительную долю рынка; более половины поставляемых в настоящее время сетевых карт ориентированы именно на 10BaseT (см. таблицу 1).

Таблица 1.
Поставки интеллектуальных хабов в Северной Америке (в тысячах штук).

Сетевые карты, хабы и кабели для 10BaseT выделялись прежде всего ценой. После стандартизации 10BaseT появилось несколько новых Ethernet-технологий. Среди самых выдающихся новинок можно назвать коммутацию Ethernet и быстрый Ethernet, хотя и многоярусные хабы играли все большую роль. Вдобавок предлагались два расширения Ethernet, призванные улучшить способность доставки наиболее критичной к задержкам информации: видео- и мультимедийных данных.

Таблица 2.
Производство сетевых карт для ПК в Северной Америке (в тысячах штук).

ГЛАВНАЯ ЛИНИЯ ПРОДУКТОВ

В перечень сетевых карт Ethernet LAN Magazine было включено более 440 элементов. 16-битные сетевые карты для Ethernet от солидных фирм - таких как 3Com (Santa Clara, CA), Intel (Santa Clara), SMC (Hauppauge, NY), - а также от получивших лицензии NE-2000 фирмы Novell компаний типа Microdyne (Alexandria, VA), Artisoft (Tucson, AZ) и National Semiconductor (Santa Clara)), широко доступны по уличным ценам ниже 100 долларов, а безымянные поделки можно найти в ценовом подвале вместе с Arcnet за 40 долларов и даже меньше.

Уже появилась ценовая конкуренция на рынке 32-битных Ethernet-плат для шины PCI (Peripheral Component Interconnect); лишь EISA-платы пока удерживают ценовые рубежи выше 200 долларов. Для сравнения, изучая каталоги рекламных объявлений и торговли по почте, я не смог найти 16Мбит/с-сетевой карты Token Ring дешевле, чем за 250 долларов. На многих моделях Macintosh, как и на рабочих станциях таких фирм-производителей, как Sun Microsystems (Mountain View, CA), Hewlett-Packard (HP, Palo Alto, CA), Digital Equipment Corporation (DEC), Silicon Graphics (Mountain View) и IBM, Ethernet встроен в материнскую плату. Таким образом, для пользователей перечисленных выше продуктов Ethernet оказывается бесплатным.

В последние годы Ethernet наилучшим образом удовлетворяет и нужды пользователей ПК-блокнотов. Первая сетевая карта с параллельным портом, произведенная компанией Xircom (Thousand Oaks, CA), и последующие продукты данного класса были созданы для Ethernet. Таким образом, преимущество в цене Ethernet-продуктов перед Token Ring-продуктами сохранялось, несмотря на развитие последних. Далее, первые PCMCIA-сетевые адаптеры были картами Ethernet, так же как и первая комбинированная сетевая/модемная PCMCIA-карта.

В процессе развития технологии снижалась стоимость 10BaseT-повторителей и хабов. Цены на неуправляемые многоярусные хабы от крупнейших поставщиков, таких как Bay Networks (Santa Clara), Cabletron (Rochester, NH), HP, 3Com, SMC и Asante (San Jose, CA), опустились ниже отметки в 50 долларов за порт. Продукты фирм с менее известными именами предлагаются по 30 долларов за порт. Можно сначала купить недорогой неуправляемый хаб, поставить дополнительные хабы на первоначальный, не используя дорогостоящий Ethernet-повторитель, и добавить модуль управления, с помощью которого можно будет управлять всем стеком, когда этого потребует объем передаваемой информации (или позволит бюджет). Семейство продуктов EtherWave компании Farallon Computing (Alameda, CA), позволяющих осуществлять соединения узлов Ethernet без помощи хабов, предоставляет дополнительные опции конфигурирования.

Ethernet является, к тому же, безоговорочным лидером на рынке инструментов для диагностики и сопровождения. Агенты на основе простого протокола управления сетью (Simple Network Management Protocol, SNMP) включены в сетевую карту SMC и доступны для адаптеров 3Com. Комбинированные диагностические инструменты, например, LANMeter компании Fluke (Everett, WA) и Compas компании Microtest (Phoenix), были впервые представлены для сетей Ethernet. Стандартом для инструментов управления является поддержка Ethernet-возможностей, а поддержка Token Ring рассматривается как необязательное расширение.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ETHERNET

Хорошие зубные врачи обычно не начинают вырывать зубы при первом же знакомстве с пациентом. Подобное верно и для сетей. Перед тем как полностью заменить все кабельное хозяйство, сетевые карты, хабы и маршрутизаторы, имеет смысл проверить, насколько эффективно используется существующая инфраструктура. Ситуации, когда всем пользователям сети внезапно потребуется скорость выше 10Мбит/с, крайне редки. Даже видеоинформация (сжатая, но с качеством, сопоставимым с видеозаписью) требует не более 2-3 Мбит/с за сеанс. Медленные серверы, рабочие станции и маршрутизаторы, не говоря уже о плачевном состоянии кабелей, станут препятствием быстрой передаче скорее, чем недостаточная скорость Ethernet.

Даже если источником проблемы являются заторы между узлами и серверами, не торопитесь вырывать зуб. (Практика Ethernet показывает, что коллизии начинают неприемлемо увеличивать время доступа, когда сеть используется в среднем более чем на 30 процентов (3.3 Мбит/с). Множество сетей, используемых для настольных приложений и электронной почты, могут поддерживать десятки и даже сотни пользователей, не приближаясь при этом к опасному уровню.) Часто наиболее эффективным решением данной проблемы является сегментация - изоляция узлов, вносящих самый значительный вклад в высокую среднюю загруженность сети. Типичной ситуацией, при которой необходима сегментация, является наличие небольшой группы людей с высокими требованиями к пропускной способности - программистов, пользователей САПР, производителей мультимедиа - которым требуется регулярный доступ к некоторым серверам, а остальным клиентам сети доступ к этим серверам нужен лишь эпизодически.

Для сегментации сети традиционно используются мосты и маршрутизаторы. Маршрутизаторы работают на третьем уровне модели OSI, обрабатывая информацию из сетевых заголовков пакетов. Некоторые функции, например, определение подсети, соединение с глобальной сетью и преобразование фреймов Token Ring в формат Ethernet, могут быть выполнены только при помощи маршрутизаторов или квази-маршрутизаторов. Расходы на осуществление функций маршрутизации на высокой скорости далеко не малы. Конфигурирование и управление маршрутизаторами может быть сложным и отнимать много времени. Широко распространенная мудрая мысль гласит, что маршрутизаторы следует использовать для сегментации глобальных сетей, а локальные сети лучше всего сегментировать при помощи коммутации.

КОММУТАЦИЯ ETHERNET

В процессе расширения мосты переродились в коммутаторы (см. введение в коммутацию Ethernet, стр. 25). Благодаря некоторым из этих расширений, границы между маршрутизацией, построением мостов и коммутацией стали размываться. Например, Elite Switching Hub ES/1 компании SMC осуществляет маршрутизацию IP- и IPX-пактов, а LANplex 6000 компании 3Com делает то же для IP-пакетов. Другие коммутаторы проверяют требуемую информацию сетевого уровня, чтобы распознавать типы протоколов и фильтровать определенные протоколы.

Самую высокую производительность (при самой высокой цене) демонстрирует класс коммутаторов, иногда называемых сетевыми или сегментными коммутаторами. Эти устройства обладают всеми чертами многопортовых мостов: большим числом адресов в таблицах перенаправления и поддержкой протокола накрывающего дерева, который блокирует избыточные пути между связанными портами. Каждый порт поддерживает разделяемый сегмент Ethernet. Сетевые коммутаторы могут быть одиночными или монтируемыми в стойку, а также модулями, подключаемыми к накопителям или корпоративным хабам. Лучшими являются продукты компаний Lannet (Irvine, CA), Alantec (San Jose, CA), Chipcom (Southboro, MA) и Bay Networks, а также упомянутых ранее фирм.

По гораздо более низкой цене за порт доступны коммутаторы для рабочих групп, созданные, чтобы обеспечить гарантированную пропускную способность для пользователей или, в отдельных случаях, для разделения сегментов между небольшим числом пользователей. Неразделяемые коммутаторы для рабочих групп, например, от фирмы Grand Junction (Fremont, CA), поддерживают по одному узлу на порт. Следовательно, отпадает необходимость контроля за коллизиями, таблицы перенаправления могут быть минимальными, не нужно обеспечивать сложные возможности, такие как поддержка протокола накрывающего дерева. В результате цена подобных коммутаторов не превышает 250 долларов за порт - сравните с 500-1000 долларов за порт у прочих коммутаторов.

БЫСТРЫЙ ETHERNET

Когда все возможности сегментации исчерпаны, не торопитесь расставаться с Ethernet - это еще не предел его возможностей. Комитету по Ethernet-стандартам IEEE 802.3 был представлен проект стандарта 100BaseT, утверждение которого можно ожидать уже в первом квартале 1995 года. По мнению нескольких членов Альянса быстрого Ethernet, спецификации аппаратной платформы вряд ли изменятся в процессе утверждения; продукты, удовлетворяющие проекту стандарта 100BaseT, уже начали выпускаться. По словам менеджера по производству продуктов для быстрого Ethernet и адаптеров асинхронной передачи данных (Asynchronous Transfer Mode, ATM) компании SMC Марка Голбрайта, члены Альянса быстрого Ethernet летом 1994-го "взяли паузу", чтобы подтвердить взаимную совместимость своих продуктов.

100BaseT является расширением существующего в настоящее время стандарта Ethernet. 802.3 MAC-уровень в быстром Ethernet остался неизменным. Поддерживаются три спецификации среды, или физические уровни:

Коаксиальные кабели не входят в число сред для 100BaseT.

Спецификации кабельного хозяйства для 100BaseTX полностью совпадают со спецификациями для 10BaseT и подробно разъясняются в стандарте на прокладку кабеля в промышленных зданиях (Electronics Industry Association/Telecommunications Industry Association (EIA/TIA) 568 Commercial Building Wiring Standard). Дальновидные менеджеры уже в течение года, а то и двух устанавливали оборудование категории 5, учитывая потребности CDDI и быстрого Ethernet. Четыре неэкранированные витые пары категории 3 и выше (необходимые для 100BaseT4 кабели) уже присутствуют во многих структурах. Хотя для 10BaseT требуется только две пары, поставщики кабелей часто рекомендовали установить четыре.

Одна из причин, по которой продукты 100BaseTX появились так быстро, заключается в том, что трансиверы и PHY-чипы (PHY - подуровень кодирования данных как противоположность PMD, или зависящего от среды подуровня физического уровня OSI), используемые для 100BaseTX, те же самые, что и для FDDI и CDDI. Таким образом, значительная часть работы по тестированию и производству была уже проделана.

Для достижения высокой пропускной способности в 100BaseT пришлось уменьшить интервал коллизий. В худшем случае (все кабели - неэкранированные витые пары, два повторителя) общая длина соединения от начального пункта до конечного через два хаба не должна превышать 205 метров. 225-метровый оптоволоконный кабель может связывать отдельный повторитель с вырожденной магистралью. Для связи двух коммутаторов или коммутатора и конечного пункта можно использовать 450-метровый полудуплексный оптоволоконный кабель. Наконец, полнодуплексная версия 100BaseFX может соединять два устройства, находящиеся друг от друга на расстоянии вплоть до двух километров. После каждого коммутатора, маршрутизатора или моста отсчет повторителей и расстояний начинается заново, с нуля. Тем не менее, требования к длине соединений в 100BaseT являются во многом стесняющими: магистрали в больших зданиях и городках почти наверняка придется делать оптоволоконными, если их вообще удастся реализовать в рамках 100BaseT.

Для того чтобы облегчить переход от 10BaseT к 100BaseT, устройства, которые могут функционировать при обеих скоростях, способны автоматически определять, в каком режиме работать. Адаптеры 100BaseT Ethernet в момент включения объявляют свои скоростные характеристики серией быстрых связных импульсов (Fast Link Pulses, FLP). Когда хаб, поддерживающий режим 100BaseT, получает импульс, он обнаруживает присутствие FLP, использует алгоритм автосогласования для определения максимальной возможной скорости и посылает адаптеру ответные импульсы, подтверждающие функционирование обоих концов сегмента в режиме 100BaseT. Хотя для автоматического выбора скорости не требуется пользовательских или административных действий, администратор сети может принудительно установить скорость 10 Мбит/с.

ИЗОХРОННЫЙ ETHERNET

Недостатки Ethernet при работе с видео-, аудио- и голосовыми данными являются следствием MAC-механизма Ethernet - множественного доступа с контролем несущей/обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD). При небольшом трафике доступ к кабелю почти всегда открыт, возникает мало коллизий - все, кто разделяет сеть, получают необходимое обслуживание. Когда средний трафик возрастает, доступ к кабелю может откладываться. Если средний трафик превышает 30% пропускной способности, все большая часть времени "съедается" коллизиями. Данные передаются, но с непредсказуемыми задержками. Выход за временные рамки становится заметным, раздражающим, а то и просто фатальным, если речь идет о мультимедийной информации.

Корпорация National Semiconductor совместно с компаниями AT&T (Parsippany, NJ), Apple, Ascom Timeplex (Woodcliff Lake, NJ) и IBM внесла проект стандарта в IEEE 802.9 - комитет по изохронному Ethernet (isoENET). В проекте описана поддержка 96 B-каналов по 64 Кбит/с для цифровых сетей комплексного обслуживания (Integrated Services Digital Network, ISDN). В совокупности это составляет 6.16 Мбит/с, включая один D-канал. Предлагается использовать тот же сигнальный метод, что и в ISDN (и ATM), но применить существующее кабельное хозяйство неэкранированных витых пар. Достоинство isoENET - лучшие параметры передачи видео- и голосовой информации. Недостаток же состоит в том, что существующие хабы и сетевые карты не поддерживают isoENET. Необходимы новые хабы и интерфейсные карты, чтобы донести изохронный трафик до офисных телефонных подстанций или других устройств доступа к ISDN.

СОБСТВЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИОРИТЕТОВ

В качестве возможной альтернативы isoENET компания 3Com анонсировала технологию управления приоритетами доступа (Priority Access Control Enabled, PACE). О поддержке технологии PACE объявили такие компании, как Apple, Dell (Austin, TX), Novell, Oracle (Redwood Shores, CA), Silicon Graphics, Starlight Networks (Mountain View, CA) и SUN. Для реализации технологии PACE понадобятся специальные коммутаторы, в то время как драйверы и адаптеры рабочих станций, кабели и инструменты администрирования останутся прежними. Целью PACE является разделение трафика Ethernet на множество классов обслуживания и присваивание наивысших приоритетов таким данным, как голос и видео, которые чувствительны к задержкам или значительным временным колебаниям (возникает дрожь). В 3Com полагают, что технология PACE масштабируется до 100BaseT без изменений. Правда, ни для isoENET, ни для PACE оборудование пока не поставляется.

Хотя FDDI превосходит быстрый Ethernet по таким параметрам, как зрелость, устойчивость к отказам и гибкость конфигурирования, трудно представить, что FDDI-цены на интерфейсные карты, хабы, коммутаторы и маршрутизаторы упадут до уровня 100BaseT. Есть преимущества над 100BaseT и у технологии 100VG-AnyLAN: имеются в виду более свободная топология, деление трафика по приоритетам и результирующее более детерминированное поведение, которое лучше подходит для передачи потоков видео- и голосовых данных. Однако вне стен HP технологию 100VG почти никто из сетевой индустрии не поддерживает. Без больших объемов производства и поддержки третьих фирм трудно успешно конкурировать, обеспечивая низкие цены и высокую совместимость.

Очевидно, что отказываться от Ethernet как от устаревшей технологии было бы ошибкой. На пороге своего 22-летия Ethernet остается в гуще сетевой жизни.

Путь в Будущее

Переход к 100BaseT

Процесс перехода к 100BaseT будет поэтапным. В качестве первого шага необходимо удостовериться, что кабельное хозяйство годится для такого перехода. Хотя кабели категории 5 стали официальным стандартом около года назад, детали сертификации перфорированных блоков, коннекторов и соединительных панелей дорабатывались не так быстро. В настоящее время доступны средства сертификации для проверки работы компонентов кабельной системы категории 5, но утвержденного стандарта всей системы пока не существует, хотя, по многочисленным прогнозам, он ожидается в конце 1994 года. При работе с 100BaseT4 важно проконтролировать, чтобы во всех необходимых местах было четыре пары проводов.

Второй шаг - установка 10/100 Мбит/с-карт на новых серверах и мощных рабочих станциях. ISA PC - не самый лучший выбор платформы для установки высокоскоростных адаптеров Ethernet, однако, скорее всего, эти адаптеры будут продаваться также для шин PCI (Peripherial Component Interconnect) и EISA, более подходящих для высокоскоростной передачи данных. Хотя официальное принятие стандарта 100BaseT еще не состоялось, цены на 100 Мбит/с-платы Ethernet падают. По прайс-листу фирмы Intel, стоимость карт Pro/100 на основе PCI составляет всего 259 долларов. Ожидается, что цены продолжат снижение и, возможно, достигнут уровня цен на платы для 10BaseT.

Когда установлено несколько 100 Мбит/с-рабочих станций и серверов и проверено качество кабелей, остается сделать совсем немного: определить, где будут самые перегруженные участки, и оптимально распределить 100BaseT-хабы или коммутаторы. 100BaseT-адаптеры сразу же почувствуют высокую производительность хаба и начнут функционировать в режиме 100 Мбит/с. Необходимости менять сетевые драйверы или кабели не возникнет. Для связи с существующими 10 Мбит/с-сегментами можно использовать 10/100 Мбит/с-коммутаторы или мосты.

С этой точки зрения, набор, состоящий из обыкновенных 10BaseT-разделяемых хабов, 10BaseT-разделяемых и неразделяемых коммутаторов, 10/100-разделяемых и неразделяемых коммутаторов, 100BaseT-разделяемых хабов и 100BaseT-разделяемых и неразделяемых коммутаторов, обеспечит достаточную гибкость для мелких и крупных пользователей, прикладных и файловых серверов, многочисленных требований, касающихся мультимедиа и телеконференций, и даже для некоторых корпоративных магистралей.

Откуда Берутся Числа?

Измерение производительности Ethernet

Производительность коммутаторов, маршрутизаторов и мостов обычно измеряется во фреймах (или пакетах) в секунду. (Термины "фрейм" и "пакет" часто используют как синонимы, хотя аккуратные докладчики говорят "фрейм" применительно к порциям данных вместе с начальными и конечными разделителями при обсуждении уровня соединения. Пакеты сетевого и более высоких уровней содержат только заголовки.) Размер фрейма Ethernet лежит в диапазоне от 64 до 1518 байт. Сам Ethernet использует для своих нужд 18 байт фрейма, так что размер полезных данных колеблется от 46 до 1500 байт.

Полезными, однако, все эти данные можно считать только с точки зрения уровня 2. На самом деле необходимо вычесть заголовки для сетевого и других уровней. IP-заголовок занимает не менее 20 байт, а типичные IPX-заголовки имеют длину 30 байт. Кроме того, протоколы уровня 3 и выше генерируют законченные фреймы для своих внутренних нужд - это и уведомления о доставке, и широковещательные объявления услуг, и обмены таблицами маршрутизации, и т.п. С точки зрения конечного пользователя, запросившего, например, пересылку файлов, все эти дополнительные фреймы не несут полезной информации. Некоторые "лишние" фреймы укладываются в минимальный размер 64 байта, но для большинства обычных нужд требуются более длинные фреймы.

Поскольку работа, выполняемая коммутаторами, маршрутизаторами и мостами, включает в себя чтение заголовков уровня 2 (для коммутаторов и мостов) и уровня 3 (для маршрутизаторов) и выполнение действий на основании прочитанной информации, наихудшим является случай, когда эти устройства бомбардируются пакетами минимального размера. Многие тесты межсетевых устройств выполняют именно для таких пакетов, хотя, строго говоря, подобный трафик нетипичен.

При скорости 10 Мбит/с, на которой работают все Ethernet-устройства, начинающиеся на "10", - 10BaseT, 10Base2, 10Base5 - передача фрейма минимального размера в 64 байта (512 бит) занимает 51.2 микросекунды. Каждому фрейму предшествует 8-байтная преамбула, на ее передачу тратится 6.4 микросекунды. Наконец, между фреймами выдерживается интервал в 9.6 микросекунды. Если поделить секунду на сумму (67.2 микросекунды), получится 14880 - максимальное число фреймов, которое можно передать по 10 Мбит/с-Ethernet. Данная скорость передачи фреймов часто называется кабельной скоростью обычного Ethernet.