Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙНовостиНовый номерАрхивПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Тематический план
Отдел рекламы
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты

Форум Инфоком 2003

Rambler's Top100

  

Реализация гигабитовых соединений

И. В. Неклюдов

Некогда считавшаяся невозможной передача данных по медным витым парам со скоростью 1 Гбит/с теперь вполне реальна. Технология Gigabit Ethernet для оптоволокна доступна заказчикам уже несколько лет, но для медного кабеля она является относительно новой. Многие крупные производители сетевого оборудования довольно быстро поддержали ее и теперь предлагают продукцию с гигабитовыми UTP-интерфейсами. В условиях очень быстрого роста требований пользователей к пропускной способности сетей внедрение технологии Gigabit Ethernet в магистральные сетевые инфраструктуры — это не столько вопрос свободного выбора, сколько неизбежное решение. И теперь приходится выбирать лишь тип используемого гигабитового интерфейса.

Спецификация 802.3ab на технологию Gigabit Ethernet для UTP-кабеля разработана проблемной группой IEEE, специалисты которой предполагали, что эта спецификация обеспечит возможность передачи данных со скоростью 1 Гбит/с по большинству установленных кабельных систем (КС) категории 5. Позаимствованные из стандартов 100Base-TX и 100Base-T2 методы кодирования и декодирования данных (125-Мбод поток и PAM-5) позволили “вписать” спектр передаваемого сигнала в полосу пропускания витой пары категории 5 шириной 100 МГц. Включение в новую спецификацию решений, описанных в стандартах Ethernet, гарантировало ее быструю разработку и совместимость соответствующего ей оборудования с существующими устройствами Ethernet и Fast Ethernet. Сейчас спецификация на технологию Gigabit Ethernet для UTP-кабеля широко известна как стандарт 1000Base-T.

Хорошо зарекомендовавший себя на практике стандарт на гигабитовую передачу по оптоволокну IEEE 802.3z в значительной степени заимствован из спецификаций на технологию Fibre Channel. В нем описывается высокоскоростная передача данных с использованием следующих интерфейсов: SX (работает с многомодовым волокном на длине волны 850 нм), LX (работает с одномодовым волокном на длине волны 1300 нм), CX (работает с двухосевым медным кабелем). Для передачи трафика высокоскоростных протоколов самым логичным представляется выбор оптоволокна, обладающего широкой полосой пропускания. Однако более высокая цена оптических интерфейсов (по сравнению с “медными”) и огромное число установленных КС категории 5 делают востребованной гигабитовую технологию для UTP-кабеля.

При выборе “медных” или оптических гигабитовых интерфейсов для построения конкретной сети требуется учет специфики ее применения. Гигабитовая сеть на основе UTP-кабеля обойдется дешевле оптической и теоретически может быть организована на базе уже имеющейся кабельной инфраструктуры категории 5. Однако при использовании технологии Gigabit Ethernet для UTP-кабеля существует ряд ограничений, с которыми необходимо ознакомиться до того, как выбирать тип интерфейсов и кабелей для передачи гигабитового трафика.

Исследование полудуплексных сетей

Согласно стандарту 1000Base-T, в дуплексном гигабитовом канале данные передаются по каждой из четырех пар UTP-кабеля со скоростью 250 Мбит/с в обоих направлениях одновременно. Стандартом предусмотрен как дуплексный, так и полудуплексный режим передачи (в последнем случае имеет место разделяемая сеть Ethernet, доступ к среде передачи которой регулируется протоколом CSMA/CD). Очевидно, что предпочтение отдается дуплексному режиму, поскольку с полудуплексным режимом работы на гигабитовой скорости возникают некоторые проблемы, связанные с максимальной протяженностью сети и ее пропускной способностью.

В разделяемой среде Ethernet увеличение скорости передачи приводит к уменьшению максимальной протяженности (или диаметра) сети. Причиной этого является работа предусмотренного в стандарте Ethernet IEEE 802.3 протокола CSMA/CD, который обнаруживает и обрабатывает коллизии. Ethernet-устройство “слушает” среду передачи и, если она свободна (т. е. ни одно другое устройство не передает информацию), отсылает свои данные. Когда несколько (два или больше) устройств начинают передавать данные одновременно, происходит коллизия. Если интенсивность возникновения коллизий не слишком высока, сеть Ethernet работает нормально.

Согласно технологии Ethernet минимальный разрешенный размер пакета составляет 64 байта (512 бит). Чтобы возможная коллизия была должным образом обработана вышеназванным протоколом, круговая задержка (round trip delay) передачи сигнала между любыми узлами разделяемой сети не должна превышать время передачи пакета минимального размера. Легко себе представить, что с увеличением скорости передачи в 10 раз (с 10 до 100 Мбит/с или со 100 Мбит/с до 1 Гбит/с) в 10 раз уменьшается и максимально возможный диаметр сети, при котором гарантируется обнаружение коллизий до окончания времени передачи минимального пакета. Таким образом, при передаче данных на скорости 1 Гбит/с этот диаметр составляет около 20 м. Для увеличения его до 200 м в стандарте Gigabit Ethernet предусмотрено использование метода carrier extension (расширение носителя), суть которого состоит в увеличении размера передаваемого короткого пакета путем добавления в конец его неинформационных битов. (Принявшее пакет устройство удаляет эти биты.) Однако из-за большого числа дополнительных неинформационных битов эффективная пропускная способность сети получается лишь немного выше, чем у сети Fast Ethernet. Для устранения этого недостатка вместе с методом расширения носителя используется метод под названием packet bursting (агрегация пакетов), предусматривающий передачу пачки из нескольких коротких пакетов за один раз. (В пределах этой пачки межпакетные интервалы заполнены символами расширения носителя. — Прим. ред.) Важно отметить следующее: даже при использовании названных методов пропускная способность полудуплексного гигабитового соединения никогда не достигает максимальной скорости — 1 Гбит/с. При работе гигабитовых устройств в дуплексном режиме методы “расширение носителя” и “агрегация пакетов” не нужны.

Анализ кабеля

Проблемная группа IEEE, разработавшая спецификацию 802.3ab, предполагала, что для развертывания сетей 1000Base-T в основном будут использоваться существующие КС категории 5, соответствующие стандарту TIA/EIA-568-A. Однако, как оказалось, характеристики действующих КС категории 5 могут быть хуже тех параметров, которыми должна обладать такая КС, чтобы надежно передавать трафик на гигабитовой скорости. Дополнительные требования к гигабитовым кабельным инфраструктурам были включены в приложение Annex 40A к стандарту TIA/EIA-568-A (все приложения к этому стандарту вошли в новый и ныне действующий кабельный стандарт TIA/EIA-568-B. — Прим. ред.).

Вообще говоря, большинство установленных КС категории 5 не поддерживают технологию 1000Base-T, поэтому многие производители таких систем рекомендуют использовать для этого КС категории не ниже 5e. Невозможность (во многих случаях) применения существующих КС, а также относительно высокая стоимость установки, тестирования и сертификации КС категорий 5e и 6 (по сравнению со стоимостью тех же услуг для КС категории 5) повышают стоимость процесса внедрения технологии 1000Base-T и уменьшают ее ценовое преимущество перед оптическими гигабитовыми технологиями. Тем не менее эта технология остается привлекательной, поскольку порт 1000Base-T стоит значительно дешевле порта 1000Base-SX или 1000Base-LX. Выбирая типы КС и гигабитового интерфейса, необходимо также помнить о том, что длина канала 1000Base-T ограничена 100 м, тогда как по многомодовому оптоволокну данные можно передавать на расстояние до 550 м.

Автоматическое согласование

В свое время разработчики 100-Мбит/с стандарта Fast Ethernet (IEEE 802.3u) приняли меры по обеспечению обратной совместимости соответствующего ему оборудования с существующими 10-Мбит/с устройствами Ethernet. Речь идет о процедуре автоматического согласования параметров связи между сетевыми устройствами. Реализующее эту процедуру устройство информирует подключенное к нему другое сетевое устройство о поддерживаемых скорости (10 или 100 Мбит/с) и режиме (дуплексный или полудуплексный) передачи и в зависимости от характеристик последнего устанавливает оптимальные (с точки зрения обеспечения максимально возможной производительности сетевого соединения) параметры связи.

Чтобы гарантировать обратную совместимость с оборудованием Ethernet и Fast Ethernet, устройства 1000Base-T поддерживают и согласуют три скорости передачи — 10, 100 или 1000 Мбит/с — и два режима работы — дуплексный и полудуплексный. Кроме того, реализуемая этими устройствами процедура автоматического согласования параметров связи предусматривает наличие ведущего и ведомого устройств (master и slave). Как правило, многопортовое устройство (коммутатор) принимает на себя роль ведущего, а однопортовые устройства (серверы, рабочие станции и др.) становятся ведомыми. Протокол автоматического согласования имеет средства распределения вышеназванных ролей. Цель реализации взаимодействия устройств по принципу ведущий—ведомый состоит в определении того устройства, которое будет синхронизировать соединение.

Автоматическое согласование параметров связи не реализовано для гигабитовых устройств с оптическими интерфейсами, поскольку в оптических технологиях Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet передача данных осуществляется на разных длинах волн.

Слово об оптоволокне

Если вы хотите внедрить в вашу сеть технологию Gigabit Ethernet, то существует очень большая вероятность того, что хотя бы некоторые из планируемых гигабитовых соединений вам придется реализовывать на основе оптоволокна. Это обусловлено тем, что, как уже отмечалось выше, длина гигабитового канала на базе UTP-кабеля не превышает 100 м. На какую же дальность связи можно рассчитывать в случае применения оптоволоконного кабеля? Ответить на этот вопрос довольно сложно.

При проектировании гигабитовых сетей необходимо учитывать значение полосы пропускания оптоволоконной линии. Этот параметр является мерой информационной вместимости данной линии и выражается в МГц · км. Передаваемые по оптоволокну биты информации представляют собой световые импульсы. По мере продвижения по оптоволокну они расплываются, а когда начинают перекрываться, происходит искажение передаваемых данных. Таким образом, способность оптоволокна передавать данные зависит от его дисперсионных характеристик.

Существует два вида дисперсии — межмодовая и хроматическая. Межмодовая дисперсия возникает только в многомодовом оптоволокне. Она связана с тем, что разные типы волн (моды) распространяются по оптоволокну с разными скоростями и достигают приемника на его конце в разное время. Хроматическая же дисперсия состоит из двух составляющих: материальной и волноводной и имеет место как в одномодовом, так и в многомодовом оптоволокне. Однако из-за отсутствия в одномодовом оптоволокне межмодовой дисперсии в нем она проявляется наиболее отчетливо. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления оптоволокна от длины волны, а волноводная — зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.

Чтобы определить расстояние, на которое можно передавать данные по многомодовому оптоволокну с гигабитовой скоростью, вы должны принять во внимание полосу пропускания оптоволокна. Данные о полосе пропускания конкретного оптоволокна, как правило, предоставляются его производителями. В таблице представлена информация о максимальных длинах гигабитовых оптоволоконных каналов.

Смешанные медные и оптоволоконные гигабитовые среды

Как уже было отмечено ранее, существует большая вероятность того, что, развертывая сеть Gigabit Ethernet, вы будете устанавливать и медные, и оптоволоконные кабели. Более низкие цены на оборудование 1000Base-T побуждают задействовать медную проводку, но в случае необходимости передавать данные на расстояние более 100 м (предельная длина медного гигабитового канала) приходится использовать оптоволокно и оптические интерфейсы (1000Base-SX и/или 1000Base-LX). Те, кому нужно реализовать смешанную (медно-оптическую) гигабитовую среду, могут осуществить следующее:

· приобрести отдельные сетевые устройства, из которых одни имеют только “медные”, а другие — только оптические интерфейсы;

· приобрести сетевые устройства, поддерживающие сменные гигабитовые модули, например, типа GBIC (GigaBit Interface Converter);

· использовать внешние преобразователи среды (медиаконвертeры).

Гигабитовые устройства имеют довольно высокую цену, но они стоят этих денег. Среди разнообразия представленных на рынке устройств можно и не найти того продукта, который в полной мере удовлетворит ваши требования к числу и типу гигабитовых портов. Возможно, вам придется приобрести устройство с бoўльшим числом таких портов, чем это нужно, учитывая топологию вашей сети.

Безусловно, можно купить устройства, поддерживающие модульные гигабитовые интерфейсы. Однако в моноблочных продуктах число модульных портов значительно меньше числа фиксированных интерфейсов. Поэтому, если вам потребуется сменить тип кабеля на любом из этих интерфейсов, придется задействовать внешний медиаконвертер или приобрести новое центральное сетевое устройство. Стоит также отметить, что далеко не все сетевые продукты имеют модульные гигабитовые интерфейсы, к тому же такие интерфейсы и поддерживающие их продукты стоят довольно дорого.

Максимальную гибкость конфигурирования сети обеспечивают медиаконвертeры. С их помощью можно реализовать любое число “медных” и оптических портов. Медиаконвертеры соединяют сетевые каналы разных типов: 1000Base-T с 1000Base-SX/LX или 1000Base-SX c 1000Base-LX, как бы преобразуя одну среду передачи в другую: медь в многомодовое или одномодовое оптоволокно и одномодовое оптоволокно в многомодовое. Стоит отметить, что медиаконвертеры стоят относительно недорого и при необходимости ими можно управлять посредством SNMP-приложений. Кроме того, гигабитовые медиаконвертеры, работающие с одномодовым оптоволокном, обеспечивают высокую дальность передачи данных — до 80 км. Растущая популярность городских сетей передачи данных (Metropolitan Area Networks), в которых трафик протоколов ЛВС пересылается между удаленными подсетями по арендованным одномодовым оптоволоконным линиям, гарантирует востребованность “дальнобойных” медиаконвертеров.

Ведущими производителями медиаконвертеров являются компании Allied Telesyn, MiLAN и Transition Networks. По данным корпорации ElectroniCast, на долю компании Transition Networks приходится 21,6% мирового рынка медиаконвертеров. Все три вышеназванные компании выпускают не только автономные двухпортовые медиаконвертеры, но и управляемые по протоколу SNMP модульные конвертирующие системы на базе шасси.

Полную версию данной статьи смотрите в 8-ом номере журнала за 2002 год.

Об авторе:
Неклюдов Игорь Викторович,
продакт-менеджер компании Step Logic
Телефон: (095) 363-0133
E-mail: i_nekludov@step.ru





  
8 '2002
СОДЕРЖАНИЕ

бизнес

• Политика взаимоотношений на предприятии

• Школа магии управления проектами

• Серверы на базе Itanium 2: взгляд из Лондона

• Telia: навигация в штормящем море телекоммуникационного рынка

• БЕСЕДА о диапазоне 5 ГГц

локальные сети

• Реализация гигабитовых соединений

• Элементы структурированной кабельной системы

корпоративные сети

• Лучшие продукты

• ECDN ускоряет доступ к Web-контенту

• Теструем решения eCDN

новые продукты

• Компактные терминальные сервера фирмы Digi International; PowerStruXure - масштабируемая архитектура для центров обработки данных; Evolium LMDS фирмы Alcatel; Advantech New Status/Новый статус Advantech; Новые коммутаторы HardLink; Модемы серии Т-34: надежность, как у танка;


• Калейдоскоп



 Copyright © 1997-2003 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (095) 234-53-21. Факс (095) 974-7110. вверх