eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
В ноябре 2006 года в Далласе (США) состоялось пленарное заседание Группы высокоскоростных технологий Ethernet (Группа HSSG), созданной в июле 2006 года [1]. Одна из основных целей заседания – обсудить возможность создания следующей высокоскоростной версии Ethernet – 100-гигабитного Ethernet (100GE). Читая сообщение об этом исключительно важном для специалистов в области связи событии, я поймал себя на том, что до сих пор не видел обстоятельных публикаций даже на тему 10-гигабитного Ethernet. Это побудило изучить документацию на стандарты Ethernet [2, 3], а потом и взяться за перо. Что из этого вышло, судить читателю.
Интригующее начало
Технология Ethernet получила наиболее широкое распространение из всех существующих технологий локальных сетей. Она продемонстрировала большие возможности роста скорости передачи, пройдя этапы 10 и 100 Мбит/с, затем 1 и 10 Гбит/с, и заявляя о желании в ближайшей перспективе освоить 100 Гбит/с. Важной вехой в ее развитии был выход на уровень волоконнооптических технологий глобальных сетей. Он стал возможен благодаря взаимодействию с быстро развивающейся технологией IPсетей и ее новым усовершенствованием – технологией MPLS, с одной стороны, а также использованию транспортных возможностей сетей WDM и SDH новой генерации. Рассмотрим основные особенности 10гигабитного Ethernet и возможности дальнейшего развития этой технологии в связи с началом работ над стандартом 100-гигабитного Ethernet.
10-гигабитный Ethernet (10GE, также обозначается 10GbE, 10GigE), описанный сначала в предварительном стандарте IEEE 802.3ae [2], вошел в окончательную редакцию IEEE Std 802.3-2005 [3]. Он являлся развитием гигабитного Ethernet, скорость которого была увеличена еще в 10 раз по сравнению с полудуплексным вариантом гигабитного Ethernet (GE) и в 100 раз – по сравнению с т.н. быстрым Ethernet (FE). При этом (согласно задекларированным намерениям разработчиков) была сделана попытка сохранить основные особенности базовой технологии Ethernet. Однако, начав анализировать стандарт [2], уже в самом начале сталкиваешься с интригующими замечаниями:
"Полудуплексные операции могут быть использованы с определенными типами сред и конфигураций, указанных в разделе 4.4.2".
"В стандарте термин LAN используется как синоним любых сетей (а не только LAN и MAN), использующих протокол Ethernet 802.3 для передачи".
"При динамической адаптации номинальной скорости данных к скорости SONET/SDH для WAN-совместимых приложений может быть использовано большее межкадровое расстояние (IFS – Interframe Spacing) путем добавления ряда битов".
Вместе с тем в разделе 4.4.2 [2] была представлена сравнительная таблица допустимых реализаций технологии Ethernet (табл.1). Приведенные в ней параметры протоколов Ethernet позволили получить ответы на ряд вопросов об особенностях реализации 10GE.
Первое замечание и таблица говорили о том, что при реализации 10GE разработчики реализовали только дуплексный режим передачи, отказавшись от поддержки полудуплексного (как базового) и монопольного режимов пакетной. Второе и третье замечания указывали, что стандарт [2] будет поддерживать не только LAN и MAN, но и WAN, а именно: позволит осуществить взаимодействие между 10GE и SONET/SDH STS-192с/STM-64с – инкапсуляцию пакетов Ethernet в виртуальные контейнеры 10‑гигабитного конкатенированного уровня указанных иерархий [4]. Для этого, наряду с обычным для Ethernet постоянным межкадровым интервалом IFG, стандарт вводил понятие переменного межкадрового пробела IFS. Его минимальная величина составляла 40 BT (на интерфейсе XGMII, DTE) или 47 ВТ (на интерфейсе AUI, DTE). Она могла быть обусловлена переменными сетевыми задержками или выравниванием точности таймеров синхронизации, а также добавленными битами преамбулы и перекосом таймеров при многопоточной Ethernet-передаче. Допускалось, что минимальная величина IFS может быть расширена путем простого добавления битов для согласования средней скорости МАС-подуровня со скоростью данных фреймов SONET/SDH STS-192/STM-64 при использовании WAN-совместимых приложений.
Интрига однако исчезла вовсе после появления окончательной редакции стандарта [3], опубликованной в 2005 году.
В ней уже определенно указано, что 10-гигабитный Ethernet определен для работы только в дуплексном режиме.
Основные особенности
Новые интерфейсы и модель физического уровня
Стандарт [3] описывает три новых 10-гигабитных интерфейса:
XGMII – 10-гигабитный интерфейс, не зависящий от среды передачи, c подуровнем его расширения XGXS. Интерфейс является не обязательным, но рекомендуемым, так как допускает максимальную гибкость в использовании физических подуровней и интерфейса со стороны оборудования DTE на скорости 10 Гбит/с. Новый интерфейс рассчитан на работу на межмикросхемном уровне (ИС-ИС) и не требует физического разъема.
XAUI – 10-гигабитный интерфейс блока/устройства подключения. Он спроектирован для расширения соединения между 10-Гбит/с МАС-подуровнем и 10-Гбит/с физическим уровнем. Как и XGMII, он не обязателен, используется на уровне ИС-ИС и также не требует физического разъема.
XSBI – 10-гигабитный 16-разрядный интерфейс. Он представляет собой физическую реализацию сервисного интерфейса PMA для физического уровня спецификаций 10GBase‑R и 10GBase-W.
Схема использования 10-гигабитных интерфейсов и структура модели физического уровня для трех основных версий 10GE: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W приведена на рис.1. Первая версия (Х) использует формат кодирования 8В/10В, как и GE, тогда как две другие (R и W) – формат 64В/66В.
Новая спецификация 802.3 определяет интерфейсы для побитной, побайтной и покадровой передачи, однако в ее рамках можно выбрать для удобства и другие форматы передаваемых данных с учетом следующих ограничений:
* интерфейс XGMII использует формат с шириной потока данных 4 байта (на прием и передачу) (Clause 46);
* интерфейс управляющих данных (MDIO/MDC) использует одноразрядный формат передачи (Clause 45);
* сервисный интерфейс PMA использует 16-разрядный формат передачи (Clause 51);
* интерфейс MDI использует побитную последовательную передачу с волновым мультиплексированием (WDM) четырех несущих длин волн для 10GBase-LX4 (Clause 53) или передачу, соответствующую Clause 52 для других типов PMD.
Для увеличения операционной длины интерфейса XGMII можно использовать расширитель (рис.2), представляющий собой связку интерфейсов XGXS-XAUI-XGXS. Расширитель имеет отдельные пути приема и передачи данных шириной 32 бита каждый (4 потока по 8 бит), применяет дифференциальный метод передачи данных с пониженным напряжением и использует двоичное интерфейсное кодирование данных в потоке типа 8В/10В.
Типы спецификаций 10-Гбит Ethernet
В зависимости от версии 10GE в стандарте [3], кодирование данных на физическом уровне осуществляется по алгоритму 64/66B (требуемая полоса – 10,3125 Гбит/с) или 8В/10В (требуемая полоса – 12,5 Гбит/с). Стандарт описывает три семейства версий 10GE:
Спецификация 10GBase-X описывает семейство версий 10GE, использующих четырехпотоковую передачу (в формате 4×8 бит) с кодированием каждого потока кодом 8В/10В. Эта спецификация поддерживается практически всеми уровнями и интерфейсами: MAC, RS, XGMII, XGXS, XAUI, PCS, PMA и PMD (см. глоссарий) и может передаваться по медным шинам, медным парам и волоконно-оптическому кабелю (ВОК). К этому семейству принадлежит версия 10GBase-LX4 – стандарт 10GE для среды передачи на базе ВОК, работающей на четырех длинах волн с шагом 13,4 нм во втором окне прозрачности (1300 нм). Каждая длина волны передает один из четырех потоков данных (Lane). Потоки объединяются мультиплексором WDM на передающей стороне перед подачей в ВОК и демультиплексируются на приемной стороне.
Формирование четырех потоков данных (рассмотрена только передающая сторона) осуществляется по схеме на рис.1 (правая часть):
......................
Последовательный поток данных МАС-подуровня делится на подуровне согласования RS на 4 потока (Lane 0–3) группами по одному байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). В подуровне PCS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя в PMA 4 группы 10-битовых последовательностей (Tcg), передаваемых в PMD, а затем через MDI – на модуляторы четырех несущих (подробнее см. Clause 48 и Annex 44A). На приемной стороне реализован обратный процесс.
Спецификация 10GBase-R – это семейство версий (10GBase-SR, 10GBase-LR и 10GBase-ER), работающих на ВОК в трех разных окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E), соответственно. Эти спецификации используются либо самостоятельно (после кодирования данных на подуровне PCS по схеме 64В/66В), либо они могут превращаться в спецификации 10GBase-W (если потоки данных после PCS передаются WAN-интерфейсу WIS).
Если спецификации 10GBase-R используются самостоятельно, то данные передаются на физический уровень и среду передачи по схеме, представленной на рис.1 (средняя часть с учетом рис.2а, б):
.................
Здесь поток данных МАС-подуровня (рассмотрена только передающая сторона), как и для 10GBase-X, делится на RS-подуровне на 4 потока (Lane 0–3) группами по 1 байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). На верхнем подуровне XGXS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя 4 кодовые группы 10-битовых последовательностей (Cg), передаваемых через интерфейс XAUI. Группы Cg в нижнем подуровне XGXS декодируются и объединяются подуровнем PCS в группу из 66 бит (2 бита синхронизации (01)+64 бита данных), то есть кодируются по схеме 64В/66В. Этот код поддерживает биты данных и управления, позволяющие обнаруживать ошибки. Затем данные скремблируются и разбиваются (при переходе через интерфейс XSBI в PMA) на 16-битные блоки данных, передаваемые в подуровень LAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей (подробнее см. Clause 49 и Annex 44A). На приемной стороне осуществляется обратный процесс.
Спецификация 10GBase-W – это семейство из трех версий: 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW, также работающих через ВОК в трех разных окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E). В соответствии с этими спецификациями потоки указанных версий, после кодирования в подуровне PCS по схеме 64В/66В, подключаются к WAN-интерфейсу WIS, чтобы далее инкапсулироваться во фреймы, формируемые в технологиях SONET и SDH для транспорта потоков 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и10GBASE-EW через физический уровень. Осуществляется это по схеме (рассмотрен только режим передачи), представленной на рис.1 (левая часть с учетом рис.2а,б):
.................
Здесь поток данных обрабатывается, как и для спецификации 10GBase-R, вплоть до интерфейса WIS-SVC-I/F, пройдя через который, получаются 16-битные группы данных (Tdu). Далее на подуровне WIS формируется (с помощью генератора) заголовок фрейма SONET STS-192c или SDH STM-64c и осуществляется дополнительное скремблирование. В результате поток данных Ethernet адаптируется к скорости передачи данных SONET/SDH. После перехода через интерфейс XSBI в PMA 16-битные блоки данных передаются на подуровень WAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей (подробнее см. [3] Clause 49 и Annex 44A). На приемной стороне осуществляется обратный процесс.
Итак, три базовые технологии: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W позволили разработать и реализовать 7 версий (табл.2):
* 10GBase-LX4 – стандарт 10GE для медного кабеля (4 пары/шины) и для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на четырех длинах волн в диапазоне 1260–1355 нм;
* 10GBase-SR, 10GBase-SW – стандарты 10GE для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на длине волны 850 нм;
* 10GBase-LR, 10GBase-LW – стандарты 10GE для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на длине волны 1300 нм;
* 10GBase-ER, 10GBase-EW – стандарты 10GE для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на длине волны 1300 нм и ОМ ВОК, работающего на длине волны 1550 нм.
Все перечисленные версии реализуют только дуплексный режим работы и поддерживают топологию "точка-точка".
Тракты передачи данных
Тракты передачи 10GE отражают характер используемой топологии "точка-точка" и делятся на категории многопотоковой передачи (10GBase-X) и однопотоковой передачи (10GBase-R/W). Многопотоковый тракт использует мультиплексирование с разделением по длине волны WDM [4] для формирования агрегатного потока из четырех потоков входных данных (называемых иногда не потоками, а полосами), а в однопотоковом тракте – мультиплексирование WDM не применяется. Оба типа трактов рассмотрены применительно к оптоволоконной среде передачи.
Тракт передачи по спецификации 10GBase-X
Спецификация 10GBase-X представлена реализованной версией 10GBase-LX4. Блок-схема тракта передачи приведена на рис.3. Тракт осуществляет функции передачи и приема между сервисными PMD-интерфейсами и MDI-интерфейсами и включает различные функции управления, которые можно реализовать при наличии устройства ввода-вывода управляющих данных MDIO.
Четыре входных электронных потока данных с номинальной скоростью 3,125 Гбит/с каждый подаются на интерфейс PMD. Здесь они выравниваются и ресинхронизируются с помощью функции ретайминга, необходимой для согласования уровней точности поддержания синхронизации на выходе генератора потока данных и на входе системы WDM (контрольные точки TP1, см. рис.3). Затем электронные потоки данных преобразуются в оптические с помощью модуляторов оптических несущих выходного транспондера. Несущие располагаются в четырех поддиапазонах волн 1269,0–1282,4; 1293,5–1306,9; 1318,0–1331,4; 1342,5–1355,9 нм шириной 13,4 нм каждый. Расстояние между поддиапазонами составляет 11,1 нм.
Модулированные оптические несущие мультиплексируются (4:1) с помощью мультиплексора WDM, формируя агрегированный транспортный поток 4×3,125=12,5 Гбит/с на выходе интерфейса MDI. Формально контрольной точкой TP2 (см. рис.3) считают выход соединительного шнура длиной 2–5 метров. В этой точке (если особо не оговорено иное) проводят все необходимые измерения на стороне передатчика. Оптический сигнал общего приемника определяется на выходе ВОК перед MDI (контрольная точка TP3). В этой точке проводятся все необходимые на стороне приемника измерения.
На приемной стороне агрегированный сигнал демультиплексируется, и четыре потока (Lanes) оптических сигналов выделяются на выходе оптических приемников (контрольная точка TP4). Эти четыре потока вновь ресинхронизируются и поступают на приемный интерфейс PMD.
Тракт передачи спецификаций 10GBase-R/W
Спецификации 10GBase-R/W представлены шестью реализованными версиями: 10GBase-SR/SW, 10GBase-LR/LW и 10GBase-ER/EW. Тракт передачи (рис.4) также осуществляет функции передачи и приема между PMD/MDI-интерфейсами и включает различные функции управления, которые могут быть реализованы при наличии устройства ввода-вывода управляющих данных MDIO. Однако схема тракта значительно проще предыдущего, так как она одноканальная и не требует мультиплексирования. Контрольные точки TP1 и TP4 отсутствуют, а положение точек TP2 и TP3 осталось тем же.
Характеристики оптоволоконной среды передачи
Модель оптоволоконной среды передачи (оптоволоконного канала) представлена на рис.5. Среда передачи соединяет интерфейсы MDI. Модель симметрична, ее центральной частью является звено передачи – канал ВОК. Он слева и справа через оптическое соединение (например, оптический разъем) и соединительный шнур связан с MDI.
Характеристики оптоволоконного канала зависят от типа используемого ОВ (ОМ или ММ), типа и широкополосности многомодового волокна, рабочего окна прозрачности, в котором этот канал организован. Для многомодового волокна параметры канала также зависят от типа используемого источника излучения и степени заполнения светом сердцевины (табл.3 и 4).
100-гигабитный Ethernet
Пленарное заседание Группы HSSG в ноябре 2006 года в Далласе [1] имело своей целью обсудить возможность создания 100-гигабитного Ethernet (100GE). Для изучения этой возможности был предложен следующий график работ:
* март 2007 – формулировка целей и задач высокоскоростной технологии 100GE;
* май 2007 – разработка проекта PAR – запроса на авторизацию права разработки стандартов;
* сентябрь 2007 – утверждение проекта PAR;
* ноябрь 2007 – представление проекта PAR в формате Группы поддержки (TF) Проекта высокоскоростного Ethernet (HSE);
* март 2008 – последний вариант доработки нового предложения;
* май-ноябрь 2008 – первые три проекта стандарта (Draft D1, D2, D3);
* январь 2009 – последние технические изменения;
* март-июль 2009 – последние два проекта стандарта (Draft D4, D5);
* ноябрь 2009 – выпуск стандарта 100GE.
В результате предварительного рассмотрения и обсуждения проекта, а также руководствуясь общей практикой разработки предыдущей версии Ethernet 10GE, Группа HSSG предложила следующие цели проекта HSE, которые объясняют основные особенности будущей технологии:
* поддерживать только полнодуплексную версию Ethernet;
* сохранить формат кадра Ethernet 802.3 на уровне сервисного интерфейса клиента MAC;
* сохранить минимальный и максимальный размеры кадров текущего стандарта 802.3;
* поддержать скорость 100 Гбит/с на интерфейсе MAC/PLS;
* обеспечить длину передачи не меньше 10 км на одномодовом ОВ;
* обеспечить длину передачи не меньше 100 м на многомодовом ОВ.
Можно сказать, что счетчик времени включен, и нам остается только следить за выполнением намеченного графика работ.
Применение технологии Ethernet
С момента официального появления технологии Ethernet в 1980 году прошло уже 26 лет. Традиционные версии 10- и 100-мегабитного Ethernet нашли широкое (если не подавляющее) применение в локальных сетях. Многочисленные примеры их использования можно найти, например, в работах [6, 7].
С момента внедрения гигабитного Ethernet также прошел большой срок – 8 лет. Его появление стало не только новой вехой в истории развития технологии Ethernet, но и позволило этой технологии выйти за рамки традиционного применения – только в локальных сетях. Технология Ethernet, будучи сугубо локальной, не имела ни одного из трех основных признаков глобальных сетей [4]. Гигабитный Ethernet, однако, заявил о себе как о технологии, которую можно (для начала с помощью других глобальных технологий) применять в глобальных сетях. Это подтверждают следующие приложения:
* разработка интерфейсов GE для его передачи по транспортным сетям WDM и CWDM [8];
* разработка на основе методов виртуальной конкатенации, развитых в сетях SDH нового поколения, нового метода GFP-инкапсуляции кадров GE в синхронный транспортный модуль сетей SDH с целью его передачи по сетям SDH/WDM [9];
* использование метода многопротокольной коммутации по меткам (MPLS) совместно с технологией GE для организации (с помощью технологии IP) больших (подобных глобальным) сетей передачи данных [10];
* создание технологии EPON (пассивной гигабитной оптической сети на базе технологии GE), позволившей расширить рамки сети до 20 км и сделать ее мультисервисной, похожей на глобальные сети [11];
* разработка и внедрение коммутируемых структур последовательного типа (КСПТ) на основе гигабитного Ethernet для замены традиционной параллельной схемы передачи данных по шине PCI на последовательную многопотоковую (multi-lanes) передачу данных (PCI Express) [12].
Применение 10-гигабитного Ethernet практически не отличается от применения гигабитного Ethernet. Та же разработка интерфейсов 10GE для WDM и инкапсуляция в конкатенированные структуры SDH. То же использование MPLS-IP сетей и желание продвинуть технологию КСПТ на основе гигабитного Ethernet до уровня 10GE. Однако принципиальная разница все же есть. Она в том, что 10GE был разработан с прицелом на использование в глобальных сетях. Его версии 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW имеют средства и функции синхронизации потока кадров, а также рассчитаны на инкапсуляцию в контейнеры SDH STM-64/STM-256.
После разработки версии 10GE стандарта [3] была сформирована рабочая группа 10GEPON для разработки стандарта IEEE 802.av. Ее цель – создать 10-гигабитный вариант технологии EPON, используемой в сетях доступа. Новый стандарт предусматривает две конфигурации 10GEPON: симметричную (10 Гбит/с вверх и вниз) и несимметричную (10 Гбит/с вниз (к пользователю) и 1 Гбит/с вверх) при использовании ОМ ОВ. При этом предполагается сохранить дальность доставки сервисного трафика 20 км и число разветвлений до 32.
100-гигабитный Ethernet, помимо применения в традиционных приложениях, благодаря своей скорости передачи позволяет транслировать данные в многопроцессорных суперкомпьютерных системах, которые стремительно превращаются в массовый продукт. Этот тип приложений уже не нов, он уже осваивается с внедрением КСПТ на основе гигабитного Ethernet для замены традиционной шины PCI. Здесь важно отметить, что для работы в среде суперкомпьютера, кроме скорости, необходимо передавать данные по крайней мере на 30 м (а лучше на 100 м).
Другое важное для 100-гигабитного Ethernet приложение – его применение в рамках транспортных сетей высокой производительности, которые могут составить конкуренцию традиционным сетям SDH/WDM кампусной архитектуры протяженностью до 10 км, даже если к тому времени появится 160-гигабитный вариант SDH (STM-1024) или 80-гигабитный SONET (STS-1536).
Можно также ожидать, что к моменту выхода стандарта 100GE пассивные оптические сети (PON) будут развиты настолько, что смогут передать эстафету от нарождающегося сейчас 10GEPON его преемнику 100GEPON.
Литература
1. IEEE 802.3 Plenary Meeting. High Speed Study Group (HSSG). – Dallas, 14–16 Nov. 2006.
2. IEEE 802.3ae-2002 – Amendment: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layer and Management Parameters for 10 Gb/s Operation (30.08.02) (Предварительный стандарт 10-гигабитного Ethernet – 10GE).
3. IEEE 802.3-2005 – Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications.
4. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET и WDM). 2-е изд., исправ. – М.: Радио и связь, 2003.
5. Слепов Н. Весенний семинар компании Corning в Москве. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №5, с.82–84.
6. Технология Ethernet. – В кн.: Руководство по технологиям объединенных сетей. 3-е изд. – М., С.–Пб., К.: Изд. дом "Вильямс", 2002.
7. Ethernet. "Data Networking. Course LZU 102 371. R1A", – Ericsson Radio Systems AB, May 2001.
8. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. – Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н., 2-е изд. перераб. и доп. – М.: АО "ВОТ", 2005.
9. Слепов Н. Сети SDH новой генерации и их использование для передачи трафика Ethernet. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №3, с.56–62; №4, с.60–63.
10. Гольдштейн А.Б, Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. – С-Пб.: BHV, 2005. – 304 с.
11. Убайдуллаев Р., Петренко И. Пассивные оптические сети PON. – Глава Д3 в книге: Р.Фриман. Волоконно-оптические системы связи. 3-е доп. изд. – М.: Техносфера, 2006.
12. Рыбаков А., Слепов Н. Компьютерные встраиваемые технологии - тенденции развития. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, №3, с.24–32; №4, с.44–49.
Технология Ethernet получила наиболее широкое распространение из всех существующих технологий локальных сетей. Она продемонстрировала большие возможности роста скорости передачи, пройдя этапы 10 и 100 Мбит/с, затем 1 и 10 Гбит/с, и заявляя о желании в ближайшей перспективе освоить 100 Гбит/с. Важной вехой в ее развитии был выход на уровень волоконнооптических технологий глобальных сетей. Он стал возможен благодаря взаимодействию с быстро развивающейся технологией IPсетей и ее новым усовершенствованием – технологией MPLS, с одной стороны, а также использованию транспортных возможностей сетей WDM и SDH новой генерации. Рассмотрим основные особенности 10гигабитного Ethernet и возможности дальнейшего развития этой технологии в связи с началом работ над стандартом 100-гигабитного Ethernet.
10-гигабитный Ethernet (10GE, также обозначается 10GbE, 10GigE), описанный сначала в предварительном стандарте IEEE 802.3ae [2], вошел в окончательную редакцию IEEE Std 802.3-2005 [3]. Он являлся развитием гигабитного Ethernet, скорость которого была увеличена еще в 10 раз по сравнению с полудуплексным вариантом гигабитного Ethernet (GE) и в 100 раз – по сравнению с т.н. быстрым Ethernet (FE). При этом (согласно задекларированным намерениям разработчиков) была сделана попытка сохранить основные особенности базовой технологии Ethernet. Однако, начав анализировать стандарт [2], уже в самом начале сталкиваешься с интригующими замечаниями:
"Полудуплексные операции могут быть использованы с определенными типами сред и конфигураций, указанных в разделе 4.4.2".
"В стандарте термин LAN используется как синоним любых сетей (а не только LAN и MAN), использующих протокол Ethernet 802.3 для передачи".
"При динамической адаптации номинальной скорости данных к скорости SONET/SDH для WAN-совместимых приложений может быть использовано большее межкадровое расстояние (IFS – Interframe Spacing) путем добавления ряда битов".
Вместе с тем в разделе 4.4.2 [2] была представлена сравнительная таблица допустимых реализаций технологии Ethernet (табл.1). Приведенные в ней параметры протоколов Ethernet позволили получить ответы на ряд вопросов об особенностях реализации 10GE.
Первое замечание и таблица говорили о том, что при реализации 10GE разработчики реализовали только дуплексный режим передачи, отказавшись от поддержки полудуплексного (как базового) и монопольного режимов пакетной. Второе и третье замечания указывали, что стандарт [2] будет поддерживать не только LAN и MAN, но и WAN, а именно: позволит осуществить взаимодействие между 10GE и SONET/SDH STS-192с/STM-64с – инкапсуляцию пакетов Ethernet в виртуальные контейнеры 10‑гигабитного конкатенированного уровня указанных иерархий [4]. Для этого, наряду с обычным для Ethernet постоянным межкадровым интервалом IFG, стандарт вводил понятие переменного межкадрового пробела IFS. Его минимальная величина составляла 40 BT (на интерфейсе XGMII, DTE) или 47 ВТ (на интерфейсе AUI, DTE). Она могла быть обусловлена переменными сетевыми задержками или выравниванием точности таймеров синхронизации, а также добавленными битами преамбулы и перекосом таймеров при многопоточной Ethernet-передаче. Допускалось, что минимальная величина IFS может быть расширена путем простого добавления битов для согласования средней скорости МАС-подуровня со скоростью данных фреймов SONET/SDH STS-192/STM-64 при использовании WAN-совместимых приложений.
Интрига однако исчезла вовсе после появления окончательной редакции стандарта [3], опубликованной в 2005 году.
В ней уже определенно указано, что 10-гигабитный Ethernet определен для работы только в дуплексном режиме.
Основные особенности
Новые интерфейсы и модель физического уровня
Стандарт [3] описывает три новых 10-гигабитных интерфейса:
XGMII – 10-гигабитный интерфейс, не зависящий от среды передачи, c подуровнем его расширения XGXS. Интерфейс является не обязательным, но рекомендуемым, так как допускает максимальную гибкость в использовании физических подуровней и интерфейса со стороны оборудования DTE на скорости 10 Гбит/с. Новый интерфейс рассчитан на работу на межмикросхемном уровне (ИС-ИС) и не требует физического разъема.
XAUI – 10-гигабитный интерфейс блока/устройства подключения. Он спроектирован для расширения соединения между 10-Гбит/с МАС-подуровнем и 10-Гбит/с физическим уровнем. Как и XGMII, он не обязателен, используется на уровне ИС-ИС и также не требует физического разъема.
XSBI – 10-гигабитный 16-разрядный интерфейс. Он представляет собой физическую реализацию сервисного интерфейса PMA для физического уровня спецификаций 10GBase‑R и 10GBase-W.
Схема использования 10-гигабитных интерфейсов и структура модели физического уровня для трех основных версий 10GE: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W приведена на рис.1. Первая версия (Х) использует формат кодирования 8В/10В, как и GE, тогда как две другие (R и W) – формат 64В/66В.
Новая спецификация 802.3 определяет интерфейсы для побитной, побайтной и покадровой передачи, однако в ее рамках можно выбрать для удобства и другие форматы передаваемых данных с учетом следующих ограничений:
* интерфейс XGMII использует формат с шириной потока данных 4 байта (на прием и передачу) (Clause 46);
* интерфейс управляющих данных (MDIO/MDC) использует одноразрядный формат передачи (Clause 45);
* сервисный интерфейс PMA использует 16-разрядный формат передачи (Clause 51);
* интерфейс MDI использует побитную последовательную передачу с волновым мультиплексированием (WDM) четырех несущих длин волн для 10GBase-LX4 (Clause 53) или передачу, соответствующую Clause 52 для других типов PMD.
Для увеличения операционной длины интерфейса XGMII можно использовать расширитель (рис.2), представляющий собой связку интерфейсов XGXS-XAUI-XGXS. Расширитель имеет отдельные пути приема и передачи данных шириной 32 бита каждый (4 потока по 8 бит), применяет дифференциальный метод передачи данных с пониженным напряжением и использует двоичное интерфейсное кодирование данных в потоке типа 8В/10В.
Типы спецификаций 10-Гбит Ethernet
В зависимости от версии 10GE в стандарте [3], кодирование данных на физическом уровне осуществляется по алгоритму 64/66B (требуемая полоса – 10,3125 Гбит/с) или 8В/10В (требуемая полоса – 12,5 Гбит/с). Стандарт описывает три семейства версий 10GE:
Спецификация 10GBase-X описывает семейство версий 10GE, использующих четырехпотоковую передачу (в формате 4×8 бит) с кодированием каждого потока кодом 8В/10В. Эта спецификация поддерживается практически всеми уровнями и интерфейсами: MAC, RS, XGMII, XGXS, XAUI, PCS, PMA и PMD (см. глоссарий) и может передаваться по медным шинам, медным парам и волоконно-оптическому кабелю (ВОК). К этому семейству принадлежит версия 10GBase-LX4 – стандарт 10GE для среды передачи на базе ВОК, работающей на четырех длинах волн с шагом 13,4 нм во втором окне прозрачности (1300 нм). Каждая длина волны передает один из четырех потоков данных (Lane). Потоки объединяются мультиплексором WDM на передающей стороне перед подачей в ВОК и демультиплексируются на приемной стороне.
Формирование четырех потоков данных (рассмотрена только передающая сторона) осуществляется по схеме на рис.1 (правая часть):
......................
Последовательный поток данных МАС-подуровня делится на подуровне согласования RS на 4 потока (Lane 0–3) группами по одному байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). В подуровне PCS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя в PMA 4 группы 10-битовых последовательностей (Tcg), передаваемых в PMD, а затем через MDI – на модуляторы четырех несущих (подробнее см. Clause 48 и Annex 44A). На приемной стороне реализован обратный процесс.
Спецификация 10GBase-R – это семейство версий (10GBase-SR, 10GBase-LR и 10GBase-ER), работающих на ВОК в трех разных окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E), соответственно. Эти спецификации используются либо самостоятельно (после кодирования данных на подуровне PCS по схеме 64В/66В), либо они могут превращаться в спецификации 10GBase-W (если потоки данных после PCS передаются WAN-интерфейсу WIS).
Если спецификации 10GBase-R используются самостоятельно, то данные передаются на физический уровень и среду передачи по схеме, представленной на рис.1 (средняя часть с учетом рис.2а, б):
.................
Здесь поток данных МАС-подуровня (рассмотрена только передающая сторона), как и для 10GBase-X, делится на RS-подуровне на 4 потока (Lane 0–3) группами по 1 байту. К каждому байту на XGMII присоединяется 1 бит управляющего заголовка (TxC). На верхнем подуровне XGXS кодер 8В/10В перекодирует данные, формируя 4 кодовые группы 10-битовых последовательностей (Cg), передаваемых через интерфейс XAUI. Группы Cg в нижнем подуровне XGXS декодируются и объединяются подуровнем PCS в группу из 66 бит (2 бита синхронизации (01)+64 бита данных), то есть кодируются по схеме 64В/66В. Этот код поддерживает биты данных и управления, позволяющие обнаруживать ошибки. Затем данные скремблируются и разбиваются (при переходе через интерфейс XSBI в PMA) на 16-битные блоки данных, передаваемые в подуровень LAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей (подробнее см. Clause 49 и Annex 44A). На приемной стороне осуществляется обратный процесс.
Спецификация 10GBase-W – это семейство из трех версий: 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW, также работающих через ВОК в трех разных окнах прозрачности: 850 нм (S), 1300 нм (L) и 1550 нм (E). В соответствии с этими спецификациями потоки указанных версий, после кодирования в подуровне PCS по схеме 64В/66В, подключаются к WAN-интерфейсу WIS, чтобы далее инкапсулироваться во фреймы, формируемые в технологиях SONET и SDH для транспорта потоков 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и10GBASE-EW через физический уровень. Осуществляется это по схеме (рассмотрен только режим передачи), представленной на рис.1 (левая часть с учетом рис.2а,б):
.................
Здесь поток данных обрабатывается, как и для спецификации 10GBase-R, вплоть до интерфейса WIS-SVC-I/F, пройдя через который, получаются 16-битные группы данных (Tdu). Далее на подуровне WIS формируется (с помощью генератора) заголовок фрейма SONET STS-192c или SDH STM-64c и осуществляется дополнительное скремблирование. В результате поток данных Ethernet адаптируется к скорости передачи данных SONET/SDH. После перехода через интерфейс XSBI в PMA 16-битные блоки данных передаются на подуровень WAN PMD, а затем через интерфейс MDI на модулятор оптической несущей (подробнее см. [3] Clause 49 и Annex 44A). На приемной стороне осуществляется обратный процесс.
Итак, три базовые технологии: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W позволили разработать и реализовать 7 версий (табл.2):
* 10GBase-LX4 – стандарт 10GE для медного кабеля (4 пары/шины) и для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на четырех длинах волн в диапазоне 1260–1355 нм;
* 10GBase-SR, 10GBase-SW – стандарты 10GE для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на длине волны 850 нм;
* 10GBase-LR, 10GBase-LW – стандарты 10GE для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на длине волны 1300 нм;
* 10GBase-ER, 10GBase-EW – стандарты 10GE для среды передачи на базе многомодового ВОК, работающего на длине волны 1300 нм и ОМ ВОК, работающего на длине волны 1550 нм.
Все перечисленные версии реализуют только дуплексный режим работы и поддерживают топологию "точка-точка".
Тракты передачи данных
Тракты передачи 10GE отражают характер используемой топологии "точка-точка" и делятся на категории многопотоковой передачи (10GBase-X) и однопотоковой передачи (10GBase-R/W). Многопотоковый тракт использует мультиплексирование с разделением по длине волны WDM [4] для формирования агрегатного потока из четырех потоков входных данных (называемых иногда не потоками, а полосами), а в однопотоковом тракте – мультиплексирование WDM не применяется. Оба типа трактов рассмотрены применительно к оптоволоконной среде передачи.
Тракт передачи по спецификации 10GBase-X
Спецификация 10GBase-X представлена реализованной версией 10GBase-LX4. Блок-схема тракта передачи приведена на рис.3. Тракт осуществляет функции передачи и приема между сервисными PMD-интерфейсами и MDI-интерфейсами и включает различные функции управления, которые можно реализовать при наличии устройства ввода-вывода управляющих данных MDIO.
Четыре входных электронных потока данных с номинальной скоростью 3,125 Гбит/с каждый подаются на интерфейс PMD. Здесь они выравниваются и ресинхронизируются с помощью функции ретайминга, необходимой для согласования уровней точности поддержания синхронизации на выходе генератора потока данных и на входе системы WDM (контрольные точки TP1, см. рис.3). Затем электронные потоки данных преобразуются в оптические с помощью модуляторов оптических несущих выходного транспондера. Несущие располагаются в четырех поддиапазонах волн 1269,0–1282,4; 1293,5–1306,9; 1318,0–1331,4; 1342,5–1355,9 нм шириной 13,4 нм каждый. Расстояние между поддиапазонами составляет 11,1 нм.
Модулированные оптические несущие мультиплексируются (4:1) с помощью мультиплексора WDM, формируя агрегированный транспортный поток 4×3,125=12,5 Гбит/с на выходе интерфейса MDI. Формально контрольной точкой TP2 (см. рис.3) считают выход соединительного шнура длиной 2–5 метров. В этой точке (если особо не оговорено иное) проводят все необходимые измерения на стороне передатчика. Оптический сигнал общего приемника определяется на выходе ВОК перед MDI (контрольная точка TP3). В этой точке проводятся все необходимые на стороне приемника измерения.
На приемной стороне агрегированный сигнал демультиплексируется, и четыре потока (Lanes) оптических сигналов выделяются на выходе оптических приемников (контрольная точка TP4). Эти четыре потока вновь ресинхронизируются и поступают на приемный интерфейс PMD.
Тракт передачи спецификаций 10GBase-R/W
Спецификации 10GBase-R/W представлены шестью реализованными версиями: 10GBase-SR/SW, 10GBase-LR/LW и 10GBase-ER/EW. Тракт передачи (рис.4) также осуществляет функции передачи и приема между PMD/MDI-интерфейсами и включает различные функции управления, которые могут быть реализованы при наличии устройства ввода-вывода управляющих данных MDIO. Однако схема тракта значительно проще предыдущего, так как она одноканальная и не требует мультиплексирования. Контрольные точки TP1 и TP4 отсутствуют, а положение точек TP2 и TP3 осталось тем же.
Характеристики оптоволоконной среды передачи
Модель оптоволоконной среды передачи (оптоволоконного канала) представлена на рис.5. Среда передачи соединяет интерфейсы MDI. Модель симметрична, ее центральной частью является звено передачи – канал ВОК. Он слева и справа через оптическое соединение (например, оптический разъем) и соединительный шнур связан с MDI.
Характеристики оптоволоконного канала зависят от типа используемого ОВ (ОМ или ММ), типа и широкополосности многомодового волокна, рабочего окна прозрачности, в котором этот канал организован. Для многомодового волокна параметры канала также зависят от типа используемого источника излучения и степени заполнения светом сердцевины (табл.3 и 4).
100-гигабитный Ethernet
Пленарное заседание Группы HSSG в ноябре 2006 года в Далласе [1] имело своей целью обсудить возможность создания 100-гигабитного Ethernet (100GE). Для изучения этой возможности был предложен следующий график работ:
* март 2007 – формулировка целей и задач высокоскоростной технологии 100GE;
* май 2007 – разработка проекта PAR – запроса на авторизацию права разработки стандартов;
* сентябрь 2007 – утверждение проекта PAR;
* ноябрь 2007 – представление проекта PAR в формате Группы поддержки (TF) Проекта высокоскоростного Ethernet (HSE);
* март 2008 – последний вариант доработки нового предложения;
* май-ноябрь 2008 – первые три проекта стандарта (Draft D1, D2, D3);
* январь 2009 – последние технические изменения;
* март-июль 2009 – последние два проекта стандарта (Draft D4, D5);
* ноябрь 2009 – выпуск стандарта 100GE.
В результате предварительного рассмотрения и обсуждения проекта, а также руководствуясь общей практикой разработки предыдущей версии Ethernet 10GE, Группа HSSG предложила следующие цели проекта HSE, которые объясняют основные особенности будущей технологии:
* поддерживать только полнодуплексную версию Ethernet;
* сохранить формат кадра Ethernet 802.3 на уровне сервисного интерфейса клиента MAC;
* сохранить минимальный и максимальный размеры кадров текущего стандарта 802.3;
* поддержать скорость 100 Гбит/с на интерфейсе MAC/PLS;
* обеспечить длину передачи не меньше 10 км на одномодовом ОВ;
* обеспечить длину передачи не меньше 100 м на многомодовом ОВ.
Можно сказать, что счетчик времени включен, и нам остается только следить за выполнением намеченного графика работ.
Применение технологии Ethernet
С момента официального появления технологии Ethernet в 1980 году прошло уже 26 лет. Традиционные версии 10- и 100-мегабитного Ethernet нашли широкое (если не подавляющее) применение в локальных сетях. Многочисленные примеры их использования можно найти, например, в работах [6, 7].
С момента внедрения гигабитного Ethernet также прошел большой срок – 8 лет. Его появление стало не только новой вехой в истории развития технологии Ethernet, но и позволило этой технологии выйти за рамки традиционного применения – только в локальных сетях. Технология Ethernet, будучи сугубо локальной, не имела ни одного из трех основных признаков глобальных сетей [4]. Гигабитный Ethernet, однако, заявил о себе как о технологии, которую можно (для начала с помощью других глобальных технологий) применять в глобальных сетях. Это подтверждают следующие приложения:
* разработка интерфейсов GE для его передачи по транспортным сетям WDM и CWDM [8];
* разработка на основе методов виртуальной конкатенации, развитых в сетях SDH нового поколения, нового метода GFP-инкапсуляции кадров GE в синхронный транспортный модуль сетей SDH с целью его передачи по сетям SDH/WDM [9];
* использование метода многопротокольной коммутации по меткам (MPLS) совместно с технологией GE для организации (с помощью технологии IP) больших (подобных глобальным) сетей передачи данных [10];
* создание технологии EPON (пассивной гигабитной оптической сети на базе технологии GE), позволившей расширить рамки сети до 20 км и сделать ее мультисервисной, похожей на глобальные сети [11];
* разработка и внедрение коммутируемых структур последовательного типа (КСПТ) на основе гигабитного Ethernet для замены традиционной параллельной схемы передачи данных по шине PCI на последовательную многопотоковую (multi-lanes) передачу данных (PCI Express) [12].
Применение 10-гигабитного Ethernet практически не отличается от применения гигабитного Ethernet. Та же разработка интерфейсов 10GE для WDM и инкапсуляция в конкатенированные структуры SDH. То же использование MPLS-IP сетей и желание продвинуть технологию КСПТ на основе гигабитного Ethernet до уровня 10GE. Однако принципиальная разница все же есть. Она в том, что 10GE был разработан с прицелом на использование в глобальных сетях. Его версии 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW имеют средства и функции синхронизации потока кадров, а также рассчитаны на инкапсуляцию в контейнеры SDH STM-64/STM-256.
После разработки версии 10GE стандарта [3] была сформирована рабочая группа 10GEPON для разработки стандарта IEEE 802.av. Ее цель – создать 10-гигабитный вариант технологии EPON, используемой в сетях доступа. Новый стандарт предусматривает две конфигурации 10GEPON: симметричную (10 Гбит/с вверх и вниз) и несимметричную (10 Гбит/с вниз (к пользователю) и 1 Гбит/с вверх) при использовании ОМ ОВ. При этом предполагается сохранить дальность доставки сервисного трафика 20 км и число разветвлений до 32.
100-гигабитный Ethernet, помимо применения в традиционных приложениях, благодаря своей скорости передачи позволяет транслировать данные в многопроцессорных суперкомпьютерных системах, которые стремительно превращаются в массовый продукт. Этот тип приложений уже не нов, он уже осваивается с внедрением КСПТ на основе гигабитного Ethernet для замены традиционной шины PCI. Здесь важно отметить, что для работы в среде суперкомпьютера, кроме скорости, необходимо передавать данные по крайней мере на 30 м (а лучше на 100 м).
Другое важное для 100-гигабитного Ethernet приложение – его применение в рамках транспортных сетей высокой производительности, которые могут составить конкуренцию традиционным сетям SDH/WDM кампусной архитектуры протяженностью до 10 км, даже если к тому времени появится 160-гигабитный вариант SDH (STM-1024) или 80-гигабитный SONET (STS-1536).
Можно также ожидать, что к моменту выхода стандарта 100GE пассивные оптические сети (PON) будут развиты настолько, что смогут передать эстафету от нарождающегося сейчас 10GEPON его преемнику 100GEPON.
Литература
1. IEEE 802.3 Plenary Meeting. High Speed Study Group (HSSG). – Dallas, 14–16 Nov. 2006.
2. IEEE 802.3ae-2002 – Amendment: Media Access Control (MAC) Parameters, Physical Layer and Management Parameters for 10 Gb/s Operation (30.08.02) (Предварительный стандарт 10-гигабитного Ethernet – 10GE).
3. IEEE 802.3-2005 – Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications.
4. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET и WDM). 2-е изд., исправ. – М.: Радио и связь, 2003.
5. Слепов Н. Весенний семинар компании Corning в Москве. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №5, с.82–84.
6. Технология Ethernet. – В кн.: Руководство по технологиям объединенных сетей. 3-е изд. – М., С.–Пб., К.: Изд. дом "Вильямс", 2002.
7. Ethernet. "Data Networking. Course LZU 102 371. R1A", – Ericsson Radio Systems AB, May 2001.
8. Волоконно-оптическая техника: Современное состояние и перспективы. – Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н., 2-е изд. перераб. и доп. – М.: АО "ВОТ", 2005.
9. Слепов Н. Сети SDH новой генерации и их использование для передачи трафика Ethernet. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №3, с.56–62; №4, с.60–63.
10. Гольдштейн А.Б, Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. – С-Пб.: BHV, 2005. – 304 с.
11. Убайдуллаев Р., Петренко И. Пассивные оптические сети PON. – Глава Д3 в книге: Р.Фриман. Волоконно-оптические системы связи. 3-е доп. изд. – М.: Техносфера, 2006.
12. Рыбаков А., Слепов Н. Компьютерные встраиваемые технологии - тенденции развития. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, №3, с.24–32; №4, с.44–49.
Отзывы читателей
