Desetigigabitový Ethernet

Minule jsem tu publikoval stručného průvodce dějinami Ethernetu a zmiňoval se o některých nejvýznamnějších prvcích této technologie. Hlavní brzdou zrychlování je jednoznačně algoritmus CSMA/CD. Aby dokázal rozpoznat kolizi, musí se signál rozšířit po celém médiu dříve, než skončí vysílání nejkratšího rámce.

Pro vysoké rychlosti představuje tenhle požadavek kouli na noze, se kterou se jen těžko vzlétá k nadoblačným výšinám. Proto mu autoři IEEE 802.3ae poděkovali za účast a vyrazili jej ze dveří. Desetigigabitový Ethernet bude bezkolizní a plně duplexní. Ostatně už u jeho gigabitového předchůdce je poloduplexní režim spíše teoretickým cvičením a v praxi jej nepotkáte.

Definice IEEE 802.3ae pokrývá spodní dvě vrstvy referenčního modelu OSI – fyzickou a linkovou. Linková (často označovaná jako MAC podle své nejvýznamnější složky) se stará o logické aspekty Ethernetu: adresování stanic, formát rámce a pravidla pro jeho odvysílání.

Až na opuštění kolizního algoritmu CSMA/CD zůstala tato vrstva prakticky beze změny. Desetigigabitový Ethernet má stejné adresy i formát rámce jako jeho předchůdci. Ostatně právě tady je klíč k úspěchu rodiny Ethernetů. Nová verze nevyžaduje žádné úpravy ve vyšších vrstvách síťové komunikace. Jakmile umíte přenášet řekněme IP po Ethernetu, je jedno, kterou jeho odrůdu používáte.

Ve fyzické vrstvě (označované jako PHY), která zajišťuje vlastní přenos bitů, samozřejmě nezůstal kámen na kameni. Je definována výlučně pro optická vlákna. Objevily se sice vlažné pokusy o desetigigabitový Ethernet na kovových vodičích, ale práce na nich nijak výrazně nepokračují a nepochybně nebudou součástí základního standardu.

Aby vše nebylo zbytečně jednoduché, je fyzická vrstva rozdělena na dvě podvrstvy: Physical Media Dependent (PMD) a Physical Coding Sublayer (PCS). PMD je nejnižší a spadá do ní definice optického přenosu signálu. PCS najdete nad ní a má na starosti kódování bitů. Tyto dvě podvrstvy jsou navzájem nezávislé, ale ne každá jejich kombinace je zařazena do IEEE 802.3ae.

PMD čili optika

Pro optický přenos signálu jsou k dispozici obvyklé typy optických vláken – vícevidová (multi-mode) a jednovidová (single-mode) – a obvyklé vlnové délky (850, 1310 a 1550 nm). Něco se však přece jen mění. Dosud se do vícevidových vláken zpravidla svítilo LED diodami, zatímco do jednovidových laserem. V případě desetigigabitového Ethernetu jsou frekvence příliš vysoké a LED se nestačí dostatečně rychle rozsvěcet a zhasínat. Proto se i u vícevidových vláken uplatňuje jako zdroj světla laser.

Dosah závisí na vlnové délce a optickém vlákně. Pro vícevidová vlákna se typicky používá délka 850 nm a dosah je poměrně krátký. U stávajících vláken s průměrem jádra 62,5 um (mikrometrů, simuluji „mí“ pomocí „u“) signál dostřelí jen zhruba 30 m. Při průměru jádra 50 um je dosah poněkud větší (66–82 m), ale stále se nejedná o žádný zázrak.

Dosah závisí především na modální šířce pásma (modal bandwidth), která se u stávajících vláken pohybuje v rozsahu 160–500 MHz*km. Pro desetigigabitový Ethernet bylo navrženo speciální vícevidové vlákno s průměrem jádra 50 um, jehož modální šířka pásma činí 2000 MHz*km a signál s vlnovou délkou 850 nm v něm dosáhne do vzdálenosti 300 m.

Vlnová délka 1310 nm se používá pro jednovidová vlákna a dosah činí 10 km. Konečně vlnová délka 1550 nm je určena v kombinaci s jednovidovými vlákny pro překlenování vzdáleností do 40 km (a šamani doufají, že se jim podaří dostřel ještě prodloužit).

Ve valné většině případů se pro přenos signálu používá jediná vlnová délka. Existuje však specifikace 10GBASE-LX4 na bázi WWDM, kde se data přenášejí paralelně po čtyřech vlnových délkách. Dosah této varianty na vícevidovém vlákně činí 300 m, na jednovidovém 10 km.

PCS aneb kódování

Podvrstva PCS určuje, jakým způsobem budou nuly a jedničky převedeny na optické signály. Nedá se použít jednoduchý přístup 0=nesvítí, 1=svítí. Kdyby se totiž vysílala dlouhá sekvence nul, neměl by se příjemce podle čeho synchronizovat s vysílajícím. Pokud jeho hodiny poběží o chloupek jinak, mohl by místo odvysílaných 1.000 nul napočítat jen 999.

Je třeba najít takové kódování, které příjemci poskytne dostatek orientačních bodů pro synchronizaci. Obvyklým způsobem, který se začal používat již koncem 80. let pro FDDI, je nekódovat jednotlivé bity, ale jejich skupiny.

Konkrétně pro desetigigabitový Ethernet jsou k dispozici dvě různá kódování: 8B/10B a 64B/66B. První číslo ve dvojici vždy udává počet bitů před kódováním a druhé po něm. U prvního kódování se skupina osmi bitů převede na sekvenci deseti bitů, které pak mohou být odvysílány jednoduše pomocí svítí/nesvítí. Jelikož je k dispozici čtyřnásobek kódů, lze si pro kódování jednotlivých osmic bitů vybrat jen ty posloupnosti, které zaručují, že série samých nul či jedniček nebudou delší než několik málo bitů a že tedy příjemce bude dostávat dostatečně často podklady pro synchronizaci. Navíc lze některé z nadbytečných kódů použít pro řídicí informace.

Kódování 8B/10B využíval gigabitový Ethernet a u jeho rychlejšího následníka je spíše exotem. Používá je pouze výše zmiňovaná WWDM odrůda. U všech ostatních variant najdete úspornější kód 64B/66B, kdy režie představuje jen dva bity na každou osmici přenášených bajtů.

LAN versus WAN

Součástí kódovací podvrstvy PCS může být také zjednodušená SONET/SDH logika, která umožňuje přenášet desetigigabitový Ethernet stávající infrastrukturou telekomunikačních sítí. Pro odlišení se používá termín LAN a WAN verze Ethernetu.

LAN představuje klasické jednoduché řešení: Ethernet přenášený po optickém vlákně. Tato varianta bude nasazována v lokálních sítích a do budoucna by měla ovládnout pole i v sítích rozlehlých.

V současnosti je však instalována řada SONET/SDH systémů, které ve verzi OC-192 (resp. STM-64) poskytují přenosovou rychlost – to je ale náhodička – 10 Gb/s. Nabízí se myšlenka využít je jako médium pro přenos desetigigabitového Ethernetu.

Jeho WAN verze proto obsahuje základ SONET/SDH a umí z rámců Ethernetu vytvářet rámce pro SONET a naopak. Nejsou implementovány pokročilé funkce (například přesná synchronizace času), aby se cena takového rozhraní udržela v přijatelných mezích. SONET/SDH systém je využíván jako přenosové médium, jako virtuální optické vlákno, kterým můžete propojit vzdálené systémy. Díky tomu lze budovat rozlehlé sítě desetigigabitového Ethernetu hned teď.

Značení

Pro desetigigabitový Ethernet se používá obvyklé označení 10GBASE-cosi, kde cosi identifikuje konkrétní odrůdu. Skládá se ze dvou až tří písmen, jejichž významy shrnuje následující tabulka:

Standard by měl zahrnovat následující varianty: 10GBASE-SR, 10GBASE-SW (z té nejsem příliš moudrý, protože mi připadá, že SONET na vícevidovém vlákně nebude zrovna obvyklý), 10GBASE-LR, 10GBASE-LW, 10GBASE-LX4, 10GBASE-ER a 10GBASE-EW.

XAUI

Linková vrstva není od fyzické oddělena pouze logicky, ale také fyzicky – každou z nich budou realizovat jiné čipy. Proto je součástí standardu i definice rozhraní mezi nimi. Nese název 10 Gigabit Media Independent Interface (XGMII).

Jedná se o 74pinové rozhraní, jehož hlavní problém spočívá v krátkém dosahu. Sedm centimetrů není mnoho a při velikosti karet do páteřních zařízení představuje citelné omezení. Proto vzniklo rozhraní 10 Gigabit Attachment Unit Interface (XAUI).

Rozdělí proud dat na čtyři nezávislé kanály a každý z nich přenáší po samostatném páru vodičů rychlostí 3,125 Gb/s. Interně používá kódování 8B/10B, takže jednak nemá problémy s časovou synchronizací (XGMII má pro časový signál samostatný vodič), jednak má k dispozici kódy pro řídicí informace. Díky tomu původních 74 vodičů srazí na 16 (čtyři páry v každém směru) a k dosahu přidá 50 centimetrů.

XAUI má sloužit především jako prodlužovák. Logická (linková) část desetigigabitového Ethernetu skončí rozhraním XGMII, které se v jednotce nazvané XGXS (XAUI Extrender Sublayer) převede na XAUI. Po XAUI se signál dovede k čipům či kartě realizujícím fyzickou vrstvu. Zdejší XGXS rekonstruuje původní XGMII rozhraní a předá data k odvysílání.

Autoři návrhu jsou na XAUI velmi hrdí a očekávají od něj významné zjednodušení a zlevnění konstrukce desetigigabitových zařízení. Zároveň by mělo přispěl k možnosti kombinovat prvky různých výrobců.

Praxe

Přestože standard IEEE 802.3ae ještě nebyl přijat, desetigigabitový Ethernet již je ke koupi. To je celkem obvyklá situace, protože výrobci chtějí vydělávat hned. Jelikož je norma již značně usazená a je nepravděpodobné, že by v ní došlo k revoluční otřesům, je riziko takového nákupu poměrně malé. Navíc někteří výrobci garantují, že pokud budou jejich stávající produkty nekompatibilní s přijatým standardem, zdarma je přizpůsobí.

O tom, že výrobků je na trhu dost, svědčí velký test interoperability, který uspořádala 10 Gigabit Ethernet Alliance letos v květnu. Výsledkem byla síť zahrnující produkty 24 výrobců, jež byla k vidění v rámci NetWorld+Inte­rop 2002.

Celkem nic vám nebrání pořídit vaší síti desetigigabitovou páteř. Je tu jen jedna podmínka: musíte mít dost velké prasátko. Ceny dostupných produktů nelze označit zrovna za lidové. Dosud jsem neviděl 10GBASE-XY kartu pro přepínač či směrovač pod 60 tisíc dolarů. Navíc se zatím vyrábějí jen pro velká modulární zařízení, takže další desítky tisíc dolarů dáte za šasi a pár gigabitových Ethernetů k napojení na stávající infrastrukturu.

Naštěstí existuje osvědčený recept, jak si desetigigabitový Ethernet pořídit mnohem levněji: počkat. Jako každá špičková technologie je při uvedení na trh velmi drahý, protože je malá konkurence a výrobci se snaží zaplatit si náklady na vývoj. Odhaduji, že za rok, za dva by se měl posunout do zaplatitelných me­zí.