Замедление Ethernet

В прошлом году параллельно с продолжающейся разработкой новых, все более скоростных стандартов Ethernet впервые были созданы исследовательские группы по изучению вопроса о введении промежуточных — более медленных — скоростей. В частности, на ноябрьском заседании IEEE принято решение о создании группы по изучению целесообразности стандартизации 2,5- и 5-гигабитного Ethernet по симметричной проводке Категорий 5е и 6 для подключения беспроводных точек доступа 802.11ac.

Стандартизация Ethernet сбилась с равномерного шага. Начиная со скорости 10 Мбит/с последующее наращивание темпов передачи неизменно происходило с коэффициентом x10, вплоть до скорости 10 Гбит/с. Первый частичный сбой произошел при переходе к следующему уровню быстродействия — наряду со 100 Гбит/с было запланировано стандартизировать поддержку 40 Гбит/с.

Такое решение объяснялось не столько отсутствием сиюминутной потребности в таких высоких скоростях, как 100 Гбит/с (кого это останавливало раньше?), сколько техническими трудностями и, соответственно, дороговизной стандартизуемых технологий. Технические возможности начинают отставать от потенциальных запросов, и на следующий 10-кратный прыжок уже не хватает ресурсов (из-за недостатка спонсорских средств на разработку) — пока после 100 Гбит/с в IEEE рассматривается только стандартизация 400 Гбит/с. И вполне вероятно, что вслед за этим на повестке дня окажется подготовка стандарта не 1 Тбит/с, а 1,6 Тбит/с, то есть прыжки станут четырехкратными.

Вместе с продолжающейся разработкой новых, все более скоростных стандартов Ethernet в прошлом году впервые были сформированы исследовательские группы (study group) по изучению целесообразности введения промежуточных — более медленных — скоростей. Так, в июле комитет IEEE 802 создал группу по оценке возможности стандартизации Ethernet на 25 Гбит/с, хотя всего несколькими месяцами ранее отказался учредить ее из-за малого интереса к этому вопросу. Причиной изменения решения стало появление лоббиста в лице отраслевого консорциума производителей 25G Ethernet Consortium. Консорциум ставит своей задачей разработку и продвижение технологий 25 и 50 Гбит/с, а также их стандартизацию (тем не менее стандартизовать 50 Гбит/с IEEE пока не планирует).

А в конце года IEEE создала очередную исследовательскую группу по стандартизации еще более медленных скоростей — 2,5 и 5 Гбит/с. Зачем потребовалось вводить новые скорости? Они предназначены для решения, с одной стороны, достаточно узкого круга задач, а с другой — для массового применения. Первый набор скоростей (25 и 50 Гбит/с) рассчитан на подключение серверов к коммутаторам в корпоративных ЦОД, где пока не востребованы столь же высокие скорости, как в облачных центрах обработки данных, а второй (2,5 и 5 Гбит/с) — на подключение гигабитных беспроводных точек доступа стандарта 802.11ac по имеющейся проводке. Таким образом, если раньше подход к стандартизации новых скоростей состоял в том, что главное — обеспечить высокую скорость, а приложения найдутся, то теперь скорости адаптируются к потребностям конкретных задач.

Далее мы более подробно рассмотрим, чем вызвано появление запроса на скорости 2,5 и 5 Гбит/с и как идет процесс их стандартизации.

КАК ПОДКЛЮЧИТЬ ТОЧКИ ДОСТУПА?

Ратификация стандарта 802.11ac в 2013 году ознаменовала начало новой, гигабитной эры беспроводных сетей WLAN. По данным отраслевых аналитиков распространение 802.11ac будет происходить более быстрыми темпами, чем в случае предыдущих поколений WLAN. Согласно оценке ABI Research, в прошедшем году из 176 млн точек доступа, установленных по всему миру, на долю беспроводных 802.11ac приходилось 18%, то есть свыше 30 млн. По прогнозу Infonetics Research, до 2018 года их количество будет ежегодно увеличиваться более чем на 20 млн штук.

Распространение гигабитных точек доступа, особенно с появлением оборудования 802.11ac Wave 2 с поддержкой скоростей вплоть до 7 Гбит/с, ставит на повестку дня вопрос их подключения к проводной инфраструктуре. Так, например, точки доступа с поддержкой трех пространственных потоков поддерживают номинальную скорость 2,6 Гбит/с. При благоприятных условиях (отсутствии помех со стороны другого беспроводного оборудования, передаче нескольких потоков параллельно и т. д.) реальная скорость может составлять 1,5 Гбит/с. Последняя цифра превышает номинальную скорость гигабитных проводных соединений.

До сих пор наиболее распространенной проводкой в офисной среде остаются кабельные системы на базе компонентов Категории 5е — например, даже в США таковыми являются около 50% всех портов. По данным Cabling Installation and Maintenance, в 2014 году на долю Категории 5е приходилось 53% горизонтальных каналов, а на долю Категории 6 — 32%. Однако ни та ни другая проводка не способна поддерживать следующую возможную скорость (10 Гбит/с) при длинах до 100 м. Таким образом, для подключения гигабитных точек доступа требуется Категория 6А.

Обновление существующей проводки обходится весьма недешево — по оценкам для американского рынка, замена одного кабеля обойдется в 300 долларов. Конечно, для относительно низкоскоростных беспроводных подключений можно использовать двухпортовый вариант точки доступа в режиме агрегирования каналов, но такое подключение требует не одного, а двух кабелей, которых в месте установки часто может не оказаться, и их все равно придется прокладывать дополнительно. При этом один кабель Категории 6А обойдется дешевле двух Категории 5е, не говоря уже о Категории 6, — соответствующая разница в ценах между пассивным оборудованием разных категорий составляет приблизительно 60 и 30%.

Чтобы заказчикам не приходилось менять проводку при переходе к гигабитным беспроводным сетям, производители задумались о повышении пропускной способности уже проложенных кабельных систем Категорий 5е и 6.

Стандартизованные и стандартизуемые скорости Ethernet для различных сред передачи и расстояний

ОДИН АЛЬЯНС ХОРОШО, А ДВА?

В отличие от 25-гигабитного Ethernet стандарт на 2,5 и 5 Гбит/с поддерживается сразу двумя альянсами — MGBase-T и NBase-T. Как нетрудно догадаться, каждый из них старается продвинуть свою технологию, которые между собой несовместимы. С одной стороны, конкуренция способствует прогрессу в области технических решений, а с другой, она способна серьезно задержать появление стандарта, что подтверждается историей принятия 802.11n.

Альянс MGBase-T был основан компаниями Broadcom, Brocade, Aruba Networks и Avaya в июне 2014 года с целью ускорения разработки технологии передачи мультигигабитного трафика (отсюда начальные буквы в названии — MG) по симметричной проводке. Альянс NBase-T в составе Aquantia, Cisco, Freescale и Xilinx появился несколько месяцев спустя, в октябре, и ставит перед собой сходные задачи по продвижению технологии.

Однако полной ясности с датами нет: согласно информации аналитического и консалтингового агентства Linley Wire, альянс NBase-T был образован в январе, а в октябре лишь объявил о своем существовании (на сайте самого альянса лишь указывается, что он создан в 2014 году). Вместе с тем MGBase-T официально представил своих членов лишь в декабре.

Приоритет имеет, впрочем, лишь символическое значение. Хотя об альянсе NBase-T и было объявлено позже, он получил более широкую поддержку производителей, если судить по количеству его членов. Впрочем, некоторые производители, в частности Aruba Networks и Brocade, присоединились к обоим конкурирующим объединениям.

И NBase-T, и MGBase-T поддержали запрос о заинтересованности (Call For Interest, CFI), который Intel и Cisco представили в IEEE в ноябре; в этом CFI предлагаются две новые скорости Ethernet между 1 и 10 Гбит/с с неэкранированной проводкой Категории 5е и 6 в качестве среды передачи. Обе группы заявляют о наличии черновой спецификации, но ни одна не раскрывает ее деталей.

Ни одна из групп не обещает, что ее оборудование будет совместимо с конкурирующими продуктами. Рабочая группа по подготовке стандарта еще не собиралась, а первые готовые продукты уже начали между тем появляться на рынке (см. раздел «Гонка началась»). По всей видимости, обе стороны надеются выпустить как можно скорее свои решения и популяризовать их, чтобы IEEE оставалось только утвердить победителя в качестве стандарта де-юре.

НАЙДИ 10 ОТЛИЧИЙ

К сожалению, судить о различии подходов к реализации 2,5 и 5 Гбит/с сторонников каждого из альянсов можно лишь по отрывочным сведениям, поскольку, как отмечалось, никаких подробностей не раскрывается. Если говорить в самых общих чертах, то MGBase-T предлагает максимально использовать уже готовую спецификацию на 10GBase-Т и адаптировать ее для более медленных скоростей, а NBase-T намерен более существенно переработать технологию.

По утверждению представителей NBase-T, первоначально планировалось просто уменьшить тактовую частоту для замедления скорости передачи, но это оказалось слишком проблематичным. Во многих зданиях проводка очень старая (10–15 и больше лет), поэтому в спецификации должны учитываться возможное ухудшение характеристик кабеля и наличие низкокачественных соединителей.

В 10GBase-T используется сигнализация DSQ-128, базирующаяся на кодировании PAM-16. Как объясняет Камал Далмия, вице-президент Aquantia по продажам и маркетингу, проблему представляют некодируемые биты, которые вводятся в этой технологии. Поэтому сохранение структуры DSQ-128 непрактично. В NBase-T решили сохранить кодирование PAM-16, но отказаться от некодируемых битов. В результате, как утверждается, система получилась полностью, а не частично защищенной.

Вместе с тем, отмечает Дэвид Чалупски, председатель подкомитета Base-T в Ethernet Alliance, представляющий Intel и NBase-T в подготовке предложений по стандарту, конкретные схемы модуляции для обеспечения передачи со скоростью 2,5 Гбит/с по проводке Категории 5е и 5 Гбит/с по проводке Категории 6 на расстояние до 100 м окончательно еще не готовы, но, скорее всего, за основу будут взяты технологии, уже стандартизированные для 10GBase-T. Многие из них, в частности модуляция PAM-16, прямая коррекция ошибок LDPC, компенсация передатчика THP и методы подавления переходных помех, могут быть видоизменены для 2.5GBase-T и 5GBase-T главным образом за счет замедления сигнальной скорости. В свою очередь, уменьшение скорости передачи снижает требование к ширине полосы пропускания кабельной проводки.

Серия многогигабитных трансиверов компании Aquantia с поддержкой скоростей 100 Мбит/с, 1, 2,5, 5 и 10 Гбит/с

ПРОЦЕСС СТАНДАРТИЗАЦИИ

На ноябрьском заседании IEEE было принято решение о создании группы по изучению целесообразности стандартизации 2,5- и 5-гигабитного Ethernet по симметричной проводке Категорий 5е и 6. Группа получила название «Физический уровень Base-T для [поддержки] корпоративного доступа следующего поколения» — Next-Generation Enterprise Access BASE-T PHY Study Group. Такое название было выбрано для того, чтобы не выделять ни один из альянсов.

Первая встреча группы состоялась в январе 2015 года, на ней были подготовлены все необходимые документы для перехода от этапа «изучения вопроса» (study group) к непосредственной работе над стандартом (task group). Участники встречи согласовали цели разработки стандарта, запрос о санкционировании стандарта (Project Authorization Request, PAR) и критерии разработки стандарта (Criteria for Standardization Development, CSD).

При обсуждении целей стандарта (скорость, дальность, проводка) наибольшую дискуссию вызвал вопрос о возможности поддержки скорости 5 Гбит/с по проводке Категории 5е при дальности 100 м. Представленные технический анализ и тестовые результаты убедили участников в том, что пропускная способность 5 Гбит/с вполне достижима. Таким образом, группа формально заявила определение физического уровня 2.5GBase-T и 5GBase-T в качестве целей стандарта, в том числе по проводке Категории 5е при дальности до 100 м.

Поводом для инициирования разработки нового стандарта стала необходимость подключения новых гигабитных точек беспроводного доступа. Однако участники встречи решили более глубоко проработать вопрос о возможных приложениях и создали временную группу для изучения возможных областей применения нового физического уровня. Помимо точек доступа, такие скорости могут быть востребованы при подключении внешних и внутренних малых сот, камер видеонаблюдения и рекламно-цифровых вывесок (Digital Signage), а потенциально — «любого оборудования, где требуются гигабитные скорости».

CSD содержит основные факты о разработке стандарта, включая техническую реализуемость и экономическую целесообразность. Он опирается на опыт разработки 10 Гбит/с и эмпирические результаты Aquantia. PAR формально определяет охват стандарта, то есть что именно стандартизуется: параметры MAC, спецификация физического уровня, объекты управления для кадров Ethernet при 2,5 и 5 Гбит/с по витой паре.

На пленарном заседании IEEE в марте планируется сформировать рабочую группу. Ее первая встреча должна будет состояться в мае. Тогда же стандарту будет присвоено официальное обозначение 802.3bz. Голосование по согласованной версии стандарта предварительно намечено на январь 2017 года.

ГОНКА НАЧАЛАСЬ

Первые образцы наборов микросхем с поддержкой физического уровня 2,5 и 5 Гбит/с были представлены компанией Aquantia, известным производителем микросхем для 10GBase-T, в октябре 2013 года. А ровно через год, в октябре 2014-го, она выпустила серийные образцы трансиверов (тогда же был сформирован и альянс NBase-T). По утверждению Aquantia, технология является вполне зрелой — до представления в 2013 году она разрабатывалась более двух лет.

В трансиверах используется собственная патентованная технология Aquantia под названием AQrate. Для поддержки скоростей 2,5 и 5 Гбит/с создана новая схема сигнализации, а также переработана архитектура микросхем многорежимной обработки сигналов (Mixed Mode Signal Processing, MMSP) для 10Base-T. Как утверждает Камал Далмиа в интервью журналу Cabling Installation & Maintenance, для достижения скорости 5 Гбит/с задействуется диапазон частот до 200 МГц, что соответствует верхнему пределу рабочей частоты проводки Категории 6. Вместе с тем, по его словам, тесты, проведенные с реальными микросхемами и реальными кабелями, показали, что 5G может передаваться по кабелям Категории 5е на 100 м. Как при этом будет устраняться несоответствие между верхним пределом в 100 МГц для Категории 5е и возможностями современных микросхем, не вполне ясно. Далмия переадресует этот вопрос OEM-производителям и поставщикам СКС.

Трансиверы AQR105, AQR205 и AQR405 поддерживают пять скоростей: 100 Мбит/с, 1, 2,5, 5 и 10 Гбит/с. Они различаются количеством возможных портов: 1, 2 и 4 соответственно. Процедура автосогласования позволяет выбрать максимальную скорость и при необходимости перейти на стандартную (100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с). Так, при наличии проводки Категории 6А передача будет осуществляться в стандартном режиме 10GBase-T. Трансиверы обеспечивают такие стандартные возможности, как энергоэффективный Ethernet (Energy Efficient Ethernet, EEE), протокол синхронизации времени 1588v2, защита передачи на MAC-уровне MACsec и подача питания по Ethernet мощностью до 60 Вт.

В декабре прошлого года свои трансиверы представила компания Broadcom — участник альянса MGBase-T. В отличие от конкурентов она использует нелицензируемую спецификацию (royalty-free). Как и AQx05, трансиверы Broadcom серии BCM8486X поддерживают пять скоростей, изготовлены по производственному процессу 28 нм, но представлены лишь двумя моделями для одного и четырех портов. Как утверждается, благодаря эффективному подавлению переходных помех между соседними кабелями и компонентами (alien noise), обеспечивается передача со скоростями 2,5 и 5 Гбит/с на расстояние свыше 100 м.

Согласно данному в конце прошлого года прогнозу Алана Векеля, аналитика Dell’Oro Group, первые готовые продукты с поддержкой 2,5 и 5 Гбит/с должны были появиться во II квартале 2015 года. Однако в действительности это случилось несколько раньше — свои коммутаторы уже предложила компания Cisco. Для шасси Catalyst 4500E будет выпущен 48-портовый модуль, у которого 12 портов многоскоростные (multigigabit). В линейке стековых коммутаторов появятся две модели с 48 портами (12 многоскоростных) и 24 портами (все многоскоростные). Кроме того, новая линейка компактных коммутаторов Catalyst 3560-CX включает 8-портовую модель с двумя многоскоростными портами. Наценка за дополнительную функциональность относительно невелика — 20% в случае 48-портового коммутатора.

Пока ни один производитель не заявил о выпуске точек доступа с интерфейсом 2,5- или 5-гигабитного Ethernet, но при доступности трансиверов они появятся довольно скоро.

Cерия компактных коммутаторов Cisco Catalyst 3560-CX пополнится моделями с многоскоростными портами для подключения гигабитных точек доступа

ЕСЛИ ДОЛГО ЗАПРЯГАТЬ

Стандартизация 802.11n затянулась на семь лет из-за необходимости примирить противоречивые интересы разных групп производителей. Наличие двух конкурирующих альянсов, MGBase-T и NBase-T, каждый из которых имеет уже готовый протокол, грозит повторением истории с 802.11n. Однако затягивать с принятием стандарта не в интересах производителей, поскольку разрабатываемый стандарт является по сути промежуточным решением, позволяющим использовать уже проложенную проводку для подключения точек беспроводного доступа 802.11ac. В новых же инсталляциях для их подключения рекомендуется прокладывать кабели Категории 6А, поддерживающие передачу трафика Ethernet со скоростью 10 Гбит/с.

К тому же потенциальные заказчики вряд ли согласятся долго ждать, особенно если распространение гигабитных точек доступа в корпоративной среде будет соответствовать прогнозам аналитиков. Но они наверняка воспользуются возможностью не менять проводку для их подключения, даже с учетом большей цены многогигабитного оборудования, поскольку это позволяет им добиться немалой экономии за счет отказа от замены кабеля — так, по оценкам Cisco, экономия составит от 200 до 1000 долларов за порт по сравнению с прокладкой нового кабеля. На это и надеются производители, выпуская оборудование до появления стандарта. Поскольку каждая группа рассчитывает, что именно ей удастся выиграть в конкурентной борьбе за потребителя, IEEE останется только принять вариант победителя или близкий к нему. Корпоративным же пользователям придется просчитывать риски использования нестандартного оборудования, если они сделают ставку не на тот альянс. Конечно, обе группы заявляют о своей приверженности IEEE и интересам заказчиков, но в настоящее время технологии несовместимы между собой.

Дмитрий Ганьжа — главный редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу dima@lanmag.ru.