На выставке NetWorld + Interop, состоявшейся в середине сентября в Атланте (США), без малого два десятка производителей впервые в мире продемонстрировали возможности оборудования для 10-гигабитных сетей Ethernet (10GE), а также способность своих продуктов функционировать в единой сетевой среде. Участие в этой акции таких телекоммуникационных фирм, как Avaya, Cisco, Lucent и Nortel, недвусмысленно свидетельствует: концепция 10 Gigabit Ethernet из безумно смелой идеи превратилась в реально работающую технологию.

Согласно прогнозу компании Cahners In-Stat, к 2004 году продукты 10GE отвоюют 17% рынка оборудования для гигабитных сетей Ethernet. По мнению специалистов Dataquest, объем рынка 10GE в том же году составит 3,6 млрд долл.

Сильные стороны сетей Ethernet очевидны — детальная проработанность и выверенность технологии, огромный опыт практической эксплуатации основанных на ней сетей во всем мире, дешевизна оборудования. Общеизвестны и слабые — разделяемый доступ к среде передачи, сильно ограничивающий масштабируемость.

Этот «неисправимый дефект» вспоминается сразу же, как только предпринимается очередная попытка радикально поднять пропускную способность сетей Ethernet. Еще в 1993 году, когда появился стандарт Fast Ethernet, казалось, что предел скорости передачи достигнут. Поэтому последовавшие вскоре разговоры о гигабитном варианте все той же технологии не вызывали ничего, кроме скепсиса. Тем не менее прошло четыре года, и на рынке появились первые устройства Gigabit Ethernet, а еще немного спустя, в 1998 году, институт IEEE принял соответствующий стандарт (802.3z).

Конечно, было бы наивно полагать, что принципы, заложенные создателями Ethernet еще в 1972 году, ко второй половине 90-х не претерпели никаких изменений. Протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий (CSMA/CD) удалось «разогнать» до гигабитной скорости благодаря нескольким техническим находкам, прежде всего расширению несущей и пакетной передаче. Метод расширения несущей устранил зависимость минимальной длины передаваемых кадров от величины временного кванта. Появление в сетях Gigabit Ethernet режима пакетной передачи дало возможность организовывать в сетевом узле конвейерную пересылку групп кадров, сохранив старый служебный интерфейс MAC-уровня. Более того, пакетная передача повысила эффективность обработки нескольких кадров одним сетевым узлом и тем самым уменьшила негативную роль эффекта захвата физической среды.

Последствия этих нововведений хорошо известны: сетевые устройства с портами Gigabit Ethernet сегодня выпускаются десятками производителей, а цены на них продолжают падать. Пропускная способность, продемонстрированная коммутаторами Gigabit Ethernet в ходе многочисленных тестов (см., например, «Сети», 2000, № 10, с. 74), сопоставима с физической скоростью среды передачи, причем как на соединениях точка — точка, так и в полносвязной топологии.

Возможно, урок, преподнесенный сетевой индустрии апологетами гигабитного варианта Ethernet, заставил неискоренимых пессимистов поубавить пыл. Да и постоянно растущую потребность в наращивании пропускной способности тоже не сбросишь со счетов. Так или иначе, но деятельность по увеличению скорости передачи данных в сетях Ethernet еще на порядок сегодня вызывает больше заинтересованности, чем критики.

Между прошлым и будущим

Деятельность по разработке стандарта 10 GE началась в 1999 году, с образования в недрах комитета IEEE 802.3 небольшого исследовательского подразделения по высокоскоростным технологиям (IEEE 802.3 High Speed Study Group), которое весной 2000 года было преобразовано в рабочую группу 802.3ae. Поддержка со стороны ведущих поставщиков оборудования не заставила себя долго ждать, и в феврале того же года семь компаний (3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems и World Wide Packets) учредили консорциум 10 Gigabit Ethernet Alliance (10GEA). Новая организация поставила перед собой двоякую цель: способствовать скорейшему принятию стандарта IEEE 802.3ae и активно пропагандировать новую технологию среди потенциальных потребителей.

В настоящее время в состав 10GEA входят около 110 компаний. Ознакомившись с их списком на сайте www.10gea.org, легко представить себе, какой резонанс получила эта инициатива за полтора года. Не так просто припомнить производителя сетевого или телекоммуникационного оборудования, который в том или ином качестве не являлся бы членом 10GEA.

Активное сотрудничество рабочей группы 802.3ae с консорциумом 10GEA принесло свои плоды. Несмотря на то что процесс стандартизации несколько отстает от первоначального графика (когда-то ожидалось, что окончательный стандарт может увидеть свет уже в 2001 году), нельзя не признать, что дело продвигается довольно быстро (см. рис.). Только в июле прошлого года, после 16-месячного изучения новой технологии, рабочая группа IEEE одобрила основные положения спецификаций 10GE, а уже через месяц-другой был опубликован первый проект стандарта, вобравший в себя описания протоколов физического уровня (PHY) для локальных и глобальных 10-гигабитных сетей Ethernet, уровня доступа к среде передачи (MAC), подуровня кодирования пакетов (Physical Coding Sublayer, PCS), а также интерфейсов, не зависящих от среды передачи (прежде всего 10 Gigabit Media Independent Interface, XGMII).

В том же месяце был преодолен другой важный рубеж на пути к появлению оборудования 10GE. Рабочая группа 802.3ae признала успешными результаты испытаний, в ходе которых проверялась совместимость реализаций интерфейса XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface) от разных производителей. Указанный интерфейс позволяет реализовать функции коммутации и оптической передачи трафика 10GE в недорогих и весьма компактных микросхемах с 16 выводами (вместо 72, предусмотренных интерфейсом XGMII).

На заседании рабочей группы 802.3ae в сентябре 2000 года были утверждены интерфейсы, зависящие от среды передачи (Physical Media Dependent, PMD), а в минувшем мае закончился прием поправок к новому стандарту от заинтересованных сторон. Другими словами, с технологической точки зрения сегодняшний вариант стандарта 802.3ae можно считать окончательным: небольшие редакционные изменения не затронут содержания этого документа. Тем не менее новой спецификации еще предстоит пройти длительную процедуру голосования, так что окончательное утверждение ожидается ближе к середине следующего года.

Что в имени тебе моем?

Авторы материалов, выпускаемых консорциумом 10GEA, не устают повторять, что, несмотря на пугающую скорость, новая спецификация относится к семейству Ethernet. Такая принадлежность прежде всего обеспечивается сохранением стандартного протокола MAC, формата Ethernet-пакетов 802.3 и диапазона допустимых размеров пакетов. Поэтому устройства, соответствующие новому стандарту, смогут взаимодействовать с оборудованием предыдущих разновидностей Ethernet, а значит, сделанные в него инвестиции не обесценятся.

Вместе с тем 10-гигабитные сети будут отличаться от своих предшественников не только возросшей скоростью передачи. Во-первых, транспортировка трафика в них будет осуществляться только в дуплексном режиме. Это позволит отказаться от протокола CSMA/CD, который сильно сдерживал производительность сетей Ethernet. Во-вторых, в сетях 10GE будут использоваться только волоконно-оптические соединения.

Ориентация на оптику заставила прямо указать в стандарте допустимые виды оптического волокна и алгоритмы передачи. Несмотря на то что формально протокол Ethernet относится ко второму уровню эталонной модели OSI, ни один из принятых стандартов Ethernet не обходит стороной физическую среду передачи.

В архитектуре Ethernet физический уровень (PHY) разделяется на подуровень, зависящий от среды (PMD), и кодирующий подуровень PCS. Спецификации 802.3ae определяют два физических интерфейса: для локальных (LAN PHY) и глобальных (WAN PHY) сетей, причем второй фактически является расширением первого. Оба они используют один и тот же подуровень PMD и, следовательно, поддерживают одинаковые длины соединений.

Отличие между LAN- и WAN-интерфейсами существует лишь на уровне кодирования. Основное назначение интерфейса LAN PHY — в увеличении пропускной способности существующих гигабитных сетей Ethernet. Предполагается, что со временем он найдет применение в коммутируемых оптических средах, подключаемых к глобальным магистралям.

Существенной особенностью нового стандарта является способность оборудования 10GE взаимодействовать с сетями SONET/SDH, которая означает возможность передавать пакеты Ethernet по каналам SONET/SDH с высокой эффективностью.

В результате экспансия технологии Ethernet на распределенные городские сети, которая началась с появлением стандарта Gigabit Ethernet (802.3z), теперь распространится на сети глобальные. Именно этой цели служит интерфейс WAN PHY. Поддержка упрощенного формата кадров SONET/SDH — главное, что отличает два физических интерфейса друг от друга. Поскольку полоса пропускания интерфейсов SONET OC-192/SDH STM-64 мало отличается от таковой для 10GE (9,29 и 10 Гбит/с соответственно), разработка единого протокола MAC для двух физических интерфейсов с близкими значениями скорости передачи не вызвала особых затруднений.

В то же время в целях значительного удешевления будущего оборудования 10GE члены рабочей группы 802.3 отказались от достижения полной совместимости с сетями SONET/SDH. В частности, допустимая нестабильность задержки передачи, методы синхронизации и ряд оптических характеристик сетей SONET/SDH не получили отражения в подготовленном стандарте. 10-гигабитный Ethernet, как и следовало ожидать, остался асинхронным протоколом.

Для кодирования данных на физическом уровне выбран алгоритм 64/66b вместо 8/10b, используемого в сетях Gigabit Ethernet. Это позволило повысить эффективность использования полосы пропускания: если в сетях 1000Base-T для достижения информационной пропускной способности 1 Гбит/с требовалась физическая полоса 1,25 Гбит/с, то в 10-гигабитных сетях вполне достаточно 3-процентного превышения (10,3 Гбит/с).

Платой за возросшую эффективность являются ограниченные возможности исправления ошибок передачи. Только внедрение алгоритма упреждающей коррекции ошибок (Forward Error-Correction, FEC) и усовершенствованных методов восстановления сигналов позволило удержать надежность сетей Ethernet на прежнем уровне.

Что же касается интерфейсов, зависящих от среды передачи, то из исходного многообразия потенциальных вариантов в окончательной версии стандарта останутся пять — два для многомодового и три для одномодового волокна (см. таблицу). На применение в локальных сетях в первую очередь ориентирован интерфейс спектрального мультиплексирования (WWDM) на длине волны 1310 нм. Используемое при этом многомодовое волокно (62,5/125 мкм) является в настоящее время наиболее распространенным, а длина соединений 300 м — довольно высока по меркам локальных сетей Ethernet. В другом интерфейсе для локальных сетей задействовано менее популярное многомодовое волокно 50/125 мкм. При этом рабочая длина волны составляет 850 мкм, а дальность связи — всего 65 м. Данный интерфейс оставлен в окончательной версии стандарта в основном по экономическим соображениям: он предлагает недорогой вариант организации высокоскоростных соединений между серверами.

Остальные интерфейсы рассчитаны на применение в магистральных каналах городских и глобальных сетей. Максимальная длина соединения доведена до 40 км (в стандарте 802.3z она равнялась 5 км).

От слов — к делу

Как это имело место с технологиями Fast и Gigabit Ethernet, фирмы начинают выпускать 10-гигабитное оборудование, не дожидаясь окончательного утверждения стандарта. Собственно, все технические положения грядущего стандарта уже согласованы, поэтому компании без особого риска уже сегодня могут начать борьбу за будущих клиентов. Согласно прогнозам аналитиков, всплеск этой активности придется на текущую осень. Между тем амбициозные заявки на обладание определенной частью будущего рыночного «пирога» некоторые компании, что называется, подали заранее.

Так, летом прошлого года фирма Extreme Networks выпустила коммутатор Black Diamond 6816 для сетей 10GE, в первую очередь ориентированный на использование операторами и сервис-провайдерами. Несколько ранее коммутатор для 10-гигабитных корпоративных сетей Ethernet продемонстрировала компания Cisco. Устройства для операторских сетей 10GE уже несколько месяцев предлагает Nortel Networks. Весьма агрессивную политику в освоении нового сегмента рынка проводит корпорация Enterasys. В марте прошлого года фирма анонсировала гигабитный коммутатор Matrix e7 с суммарной пропускной способностью системной магистрали 420 Гбит/с. По мнению некоторых аналитиков, указанное устройство ознаменовало собой появление нового поколения коммутаторов, которые способны обрабатывать трафик, поступающий сразу с нескольких портов 10GE.

Несмотря на появление специальных разработок, 10-гигабитные модули могут быть установлены и в серийно выпускаемые Ethernet-коммутаторы, например в BigIron компании Foundry Networks или в Catalyst 6500 от Cisco Systems. Конечно, такое решение не всегда позволяет выйти на предельно возможное значение пропускной способности, поскольку многие коммутационные матрицы из присутствующих сегодня на рынке способны обрабатывать потоки интенсивностью не более 8 Гбит/с на порт. Тем не менее прогресс по сравнению с сетями Gigabit Ethernet оказывается весьма ощутимым.

Тенденция упреждающего выпуска продуктов 10GE относится не только к собственно оборудованию передачи данных. Разработчики проявляют активность и в смежных областях. Например, фирма New Focus полтора года назад представила лазеры с поверхностным испусканием (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL), позволяющие передавать пакеты Ethernet со скоростью 10 Гбит/с. Отдельные компоненты для сетей 10GE разрабатывают корпорации Agilent, Lucent и W.L.Gore. А компания Spirent Communications в феврале этого года анонсировала устройство SmartBits LAN 3710A, специально предназначенное для измерения производительности 10-гигабитных сетей Ethernet. И естественно, все названные продукты базируются на новой элементной базе, на разработке которой специализируются Broadcom, JDS-Uniphase, PMC-Sierra, Vitesse и другие фирмы.

Своеобразный итог этой деятельности был подведен на выставке NetWorld+Interop. Помимо упомянутых в начале обзора четырех крупнейших сетевых компаний свои устройства для 10-гигабитных сетей Ethernet продемонстрировали Agilent, Broadcom, Extreme Networks, Foundry Networks, Intel, а также менее известные фирмы AMCC, Ixia, MindSpeed, Picolight, Tyco Electronics и др. Посетители могли познакомиться с различными вариантами оборудования — от отдельных компонентов до законченных устройств и тестирующего оборудования. Экспонировавшиеся продукты поддерживают пять из семи типов оптических портов, предусмотренных стандартом IEEE 802.3ae: 10GBASE-LR, 10GBASE-LW, 10GBASE-SR, 10GBASE-EW и 10GBASE-ER. Кроме того, некоторые компании подтвердили возможность взаимодействия отдельных микросхем 10GE через интерфейс 802.3ae XAUI.

По мнению Боба Гроу, председателя совета директоров консорциума 10 Gigabit Ethernet Alliance, совместная акция 18 производителей сетевого оборудования на NetWorld+Interop выводит технологию 10GE на качественно новый уровень, открывая дорогу к построению 10-гигабитных сетей Ethernet с применением оборудования различных компаний.

Место под солнцем

Кем и для каких целей будут разворачиваться такие сети, по всей вероятности, мы узнаем уже в следующем году. С точки зрения рядового пользователя возможности технологии 10-гигабитных сетей Ethernet представляют исключительно академический интерес. Ведь не секрет, что к корпоративному сектору только-только подобрались сети Gigabit Ethernet, а о дальнейшем увеличении скорости передачи не может быть и речи.

В настоящее время аналитики обсуждают иные сферы применения новой технологии. Возможно, оборудование 10GE в первую очередь окажется востребованным операторами территориально распределенных сетей, а также сервис-провайдерами. Технология Gigabit Ethernet уже сегодня активно используется для построения магистралей городских оптических сетей и стала фактическим стандартом для сетей локальных. Переход на 10GE даст возможность поднять пропускную способность наиболее экономичным способом, поскольку передача трафика между оконечными устройствами будет происходить без каких-либо преобразований формата пакетов и протоколов.

Устройства 10GE могут использоваться для организации коротких высокоскоростных соединений между коммутаторами, маршрутизаторами и оборудованием оптических сетей в центральном офисе провайдера либо для построения магистралей, охватывающих территорию города или целой страны. В последнем случае речь может идти об агрегации нескольких потоков Gigabit Ethernet в целях их последующей передачи на значительные расстояния.

Наличие в стандарте 802.3ae физических интерфейсов для протяженных соединений локальных сетей (длиной до 40 км) и глобальных сетей SONET обещает изменить облик городских сетей. В частности, операторы могут получить дополнительный доход, задействовав «темное» оптоволокно для передачи трафика Ethernet между отдельными офисами или офисными комплексами со скоростью 10 Гбит/с вместо сегодняшнего 1 Гбит/с. В то же время корпоративным пользователям такое решение обойдется существенно дешевле аренды традиционных выделенных линий.

Как ни странно это звучит, но применение 10GE в городских и глобальных сетях может затормозиться из-за излишней универсальности новой технологии. Грядущий стандарт 802.3ae допускает установку 10-гигабитного оборудования и в корпоративных, и в глобальных сетях. Между тем требования к надежности функционирования сети и доступности сетевых сервисов у операторов гораздо жестче, чем у корпоративных заказчиков. Не исключено, что устройства для 10-гигабитных сетей Ethernet заинтересуют операторов лишь тогда, когда они начнут поддерживать тот же набор средств обеспечения надежности, а также функции магистральной передачи больших потоков данных и представления качества сервиса, которые существуют в сетях SONET.

Если же говорить о корпоративном секторе, то поначалу технология 10GE сможет найти применение лишь в очень крупных организациях, испытывающих потребность в объединении сетей нескольких разбросанных подразделений и потому нуждающихся в построении высокоскоростных магистралей на базе апробированной технологии. Все более активное применение периферийных сетевых устройств с портами Gigabit Ethernet для организации восходящих соединений через какое-то время потребует перехода на 10GE в опорной сети. 10-гигабитные каналы могут формироваться также для организации соединений с серверами и сетевыми шлюзами, а также для работы с системами видеоконференц-связи и приложениями, требующими предоставления полосы пропускания по требованию.

Необходимость резко увеличивать пропускную способность диктуется характером эволюции сетей запоминающих устройств (Storage Area Networks, SAN). Производители оборудования для таких сетей сегодня активно работают над спецификациями iSCSI (Internet SCSI), которые позволят передавать данные между серверами и накопителями непосредственно со скоростью интерфейса SCSI. В современных крупных компаниях сети SAN функционируют параллельно сетям передачи данных, однако со временем они наверняка срастутся с локальными сетями, и экономичное решение 10GE на многомодовом волокне окажется как нельзя кстати. Более того, как показывает опыт строительства сетей SAN на базе Ethernet, производительность предыдущих версий этой технологии «не дотягивала» до потребностей пользователей, и только 10GE сможет предложить ту же или даже большую скорость транспортировки больших объемов данных (без увеличения задержки передачи), какой обладают технологии, активно применяемые в сетях SAN (Gigabit Fiber Channel, Ultra 160 SCSI и Ultra 320 SCSI, HIPPI, ATM OC-12 и OC-192).

Наконец, переход на 10-гигабитную скорость передачи в локальных сетях может потребоваться в связи с продолжающимся проникновением технологии Gigabit Ethernet на уровень настольных систем. Так, компания Apple Computers уже сегодня оснащает все модели компьютеров G4 адаптерами 1000Base-T. Пока такая конфигурация выглядит весьма экстравагантно, но совсем скоро адаптеры 10/100/1000Base-T могут стать интегрированными компонентами миллионов материнских плат, устанавливаемых в ПК.

Стоит ли игра свеч?

Итак, налицо множество смелых проектов, описывающих возможные варианты применения новой технологии. К сожалению, любой из них способен рассыпаться как карточный домик, стоит только завести речь о стоимости реализации.

Во сколько обойдется заказчику оборудование 10GE после начала его массовых поставок, сегодня не возьмется сказать никто, однако, по имеющимся оценкам, цена в три-пять раз превысит нынешнюю стоимость гигабитных устройств (в пересчете на порт). Например, первые 10-гигабитные модули для коммутаторов Extreme и Foundry предлагались по цене от 40 тыс. долл.! Правда, к моменту окончательного утверждения стандарта 802.3ae цены должны снизиться до 10-15 тыс. долл. В любом случае это существенно дешевле оборудования пакетной передачи по сетям SONET (POS), стоимость которого, например для интерфейса OC-192, находится в диапазоне 250 — 300 тыс. долл. Тем не менее и здесь цены снижаются, причем довольно заметно. Судя по всему, оборудование 10GE начнет дешеветь довольно скоро, так что его стоимость останется на уровне 20% цены на POS-устройства. А это означает, что уже через год-полтора ценовой фактор перестанет сдерживать широкое применение новой технологии.

Дополнительная информация

  • Официальную информацию о ходе работ над стандартом 10-гигабитных сетей Ethernet можно найти на Web-странице рабочей группы 802.3ae по адресу: grouper.ieee.org/groups/802/3/ae/index.html
  • Техническое описание технологии 10GE и множество других полезных материалов доступны на сайте консорциума 10 Gigabit Ethernet Alliance по адресу www.10gea.org
  • Обзоры по сетям 10GE регулярно публикует Business Communications Review; см., например, www.bcr.com/bcrmag/2000/10/p28.asp