Multigigabitové rychlosti do lokálních i domácích sítí

Nárůst propustnosti sítí je v dnešní době samozřejmostí. Pro různé účely sice potřebujeme a využijeme jen určitou kapacitu, ale gigabitové rychlosti v mnoha případech jsou minimálním požadavkem. Vývoj postupuje zdárně dále a můžeme se těšit na 100 Gigabit Ethernet.

Ethernet by průkopníkem na poli lokálních sítí nejen z hlediska rychlostí, kdy vždy o nějaký ten řád či více předčil své tehdejší konkurenty (pro nejmladší generaci: konkurentem byl v dávných dobách technicky lépe vybavený Token Ring, který ale tržní boj neustál a zakrněl na řešení maximálně 100 Mbit/s). Ale nelze zapomínat i na jeho jednoduchost, která se příjemně promítla i do návrhu, budování a zejména správy sítě (pro negativní stránku této jednoduchosti viz poslední odstavce tohoto článku). „Naučit se“ Ethernet znamenalo od počátku dobrou investici, protože i nejrychlejší verze mnoho z původního Metcalfova návrhu této lokální sítě sdílejí. Ostatně kompatibilita mezi jednotlivými verzemi byla jedním z hlavních požadavků.

Ethernet od plenek až k dospělosti

Pro úplné nováčky v síťové branži, nebo pro ty, kteří se rádi ohlédnou na to, jak se síťové technologie vyvíjejí stále rychleji, se podíváme na jednotlivé typy Ethernetu v běhu času. Historie Ethernetu je mezi síťovými technologiemi skutečně úctyhodně dlouhá. Vůbec první Ethernet vznikl ve firmě Xerox již v sedmdesátých letech. Už v květnu 1973 vydal Bob Metcalf z Palo Alto Research Center (PARC) společnosti Xerox memo pod označením „X-Wire“, které popisovalo kancelářský sběrnicový síťový systém (občas v médiích narazíte na neumělý náčrtek jeho originálního řešení, které mělo změnit síťový svět). Navržená přenosová rychlost byla 2,94 Mbit/s: na dnešní dobu téměř zanedbatelná, na tehdejší poměry ovšem úžasná.

V roce 1980 se firma Xerox při specifikací spojila s firmami DEC (dnes Digital) a Intel a vznikl Ethernet verze 1, později nahrazený tzv. „starým Ethernetem“, neboli verzí 2 (podle firem, které jej vytvořily, se lze setkat s jeho označením jako DIX). V roce 1983 tuto specifikaci vzal IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) jako základ pro svou první normu 802.3, která se ovšem od původní firemní specifikace liší a činí je vzájemně neslučitelné. Pokud vezmeme za zrod Ethernetu prvotní nápad Boba Metcalfa (nikoli normu, od níž se charakter Ethernetu nadále vyvíjel), pak se právě letos tato lokální síť dožívá Kristových let. Vývoj Ethernetu naznačuje následující tabulka:

Označení	Rychlost	Norma(y) IEEE	Rok schválení
Ethernet (10BASE-5/10BASE-5/10BASE-T/10BASE-F/10BROAD-36)	10 Mbit/s	802.3	1983
Fast Ethernet (100BASE-T/100BASE-FX)	100 Mbit/s	802.3u/802.3y	1995
Gigabit Ethernet (1000BASE-SX / 1000BASE-LX / 1000BASE-LH / 1000BASE-CX / 1000BASE-T)	1 Gbit/s	802.3z/802.3ab	1998/1999
10 Gigabit Ethernet (10GBASE–SR/SW / 10GBASE–LR/LW / 10GBASE–ER/EW / 10GBASE–LX4 / 10GBase-T / 10GBase-CX4)	10 Gbit/s	802.3ae/802.3ak/802.3an	2002/2004/2006

Pozn.1: Označení typu Ethernetu: 10/100/1000/10G - přenosová rychlost v Mbit/s, BASE/BROAD - přenos v základním pásmu/širokopásmový, T - kroucená dvoulinka (UTP), 2 nebo 5 - maximální délka segmentu ve stovkách metrů (nepřesně), F – optika, C – twinaxiální (vyrovnaný stíněný, STP) kabel; R - kódování 64 B/66 B pro LAN, W - použití 10GE pro WAN; vlnová délka pro 10GE nese označení S=short=850 nm, L=long=1.310 nm, E=extra long=1.550 nm.

Pozn.2: Norma 802.3 do sebe postupně vstřebává jednotlivé nové specifikace, takže např. norma 802.3 vydaná v roce 2005 již zahrnuje 802.3ae, 802.3af (2003), 802.3ah (2004), 802.3aj (2003; Maintenance 7) a 802.3ak (2004).

Dosud vládnoucí 10 Gigabit Ethernet

Světu poměrně dlouho trvalo, než vůbec pustil 10GE do podnikových sítí, protože byla obava z nadbytečnosti takto rychlého řešení. Aplikace a objem přenášených dat nám ale utěšeně narůstají, takže teď už se nikdo 10GE v podniku divit nebude. A jednou možná – až tomu budou ceny příznivé – dospěje i do technicky vyspělých domácností (gigabit Ethernet totiž již také někde mají).

10 gigabitový Ethernet (IEEE 802.3ae) je v řadě charakteristik velmi podobný svým předchůdcům, což zajišťuje vzájemnou spolupráci v jedné síti. Na rozdíl od pomalejších typů však již nepodporuje CSMA/CD, ale vyžaduje režim plného duplexu. Další rozdíly jsou v možnostech uplatnění: na rozdíl od svých úspěšných předchůdců se neuplatňuje pouze v lokálních sítích (pro propojení přepínačů, serverů apod.), ale využívá se také v datových centrech (pro objemné přenosy na krátkou vzdálenost), úložných sítích (SAN), metropolitních sítích (metropolitní Ethernet) a v rozlehlých sítích (WAN). Je dobré na tomto místě připomenout, že 10 Gbit/s je ideální rychlost na nejnižší fyzické vrstvě, ale reálná propustnost je kvůli režii vyšších protokolů a přenosovému zpoždění výrazně nižší: koncový přenos (mezi uživatelskými počítači připojenými k síti) přes rozhraní 10 Gbit/s Ethernet v případě IPv4 může dosáhnout 7,21 Gbit/s, s IPv6 dokonce jen 5,11 Gbit/s.

V lokálních sítích se 10 gigabitový Ethernet uplatňuje pro propojení serverových klastrů, agregaci více segmentů 1000BASE-X nebo 1000BASE-T do jednoho spoje, propojení mezi serverem a přepínačem nebo mezi dvěma přepínači v rámci datového centra, ale také v páteřní podnikové síti či mezi budovami (kampus). V podnikové síti se ovšem 10 gigabitový Ethernet využívá také pro rychlé ukládání a zálohování dat v rámci NAS i SAN jako alternativa k Fiber Channel.

10 gigabitový Ethernet vybočuje ze zaměření pouze na lokální komunikaci a podporuje dálkové propojení sítí přes optické metropolitní sítě a návaznost na rozlehlé sítě. Speciální podvrstva WIS (WAN Interface Sublayer) slouží k propojení 10 gigabitového Ethernetu s optickými sítěmi SONET/SDH (o rychlosti OC-192=9,96 Gbit/s). WIS ale není pravým synchronním rozhraním, nepodporuje stejnou dostupnost a spolehlivost jako SDH, ani nezajišťuje doručení paketu (chybí jí synchronizace). Pouze umožňuje připojení přístupových zařízení do rychlých optických sítí SDH. Pakety lze dnes díky novým rychlým typům Ethernetu přenášet na velké vzdálenosti (po optických dálkových spojích) bez jakékoli konverze protokolu či opětovného zapouzdřování paketu, tzn. s minimalizací režie přenosu.

K pomalému nasazování desetigigabitové technologie přispělo to, že se první specifikace z roku 2002 orientovala výhradně na optiku. Že to nebude stačit a že hospodárné podnikové sítě rozhodně neskousnou, že by snad měly přecházet ze stávající infrastruktury na novou, to bylo jasné od samotného počátku. Ale technické řešení, jak takovou rychlost schůdně přenášet i po stávající kabeláži, si vyžádalo svůj čas.

Dva roky po optickém řešení vznikla první specifikace 10GBase-CX4 pro metaliku, konkrétně po čtyřech párech twinaxiálního (vyrovnaného stíněného) kabelu (kabeláž používaná Infiniband) v délce pouhých 15 m a s kódováním 8B/10B. Řešení bylo založeno na rozhraní XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface). Zaměření bylo na datová centra, prpojování klastrů, serverových farem či stohovatelných přepínačů.

Plně využitelné 10GE řešení po podnikové kabeláži ale na sebe nechalo čekat až do letoška: 10GBase-T je určeno pro sériový přenos po UTP Cat7 a Cat6a na vzdálenost do 100 m, pro Cat6 do 55 m a s Cat5e do 45 m. Jeho využití se předpokládá v horizontálním propojení o rychlosti 10 Gbit/s v rámci strukturované kabeláže (podle TIA 568 a ISO/IEC 11801).

Tato specifikace si vyžádala dlouhý čas a značnou práci, protože se musela vypořádat se základními technickými problémy pro 10 Gbit/s přenosy po kroucené dvoulince: přeslechy mezi jednotlivými vodiči v kabelu a interference s okolím. A samozřejmě nikdo nemohl očekávat, že takovouto rychlost by bylo možné docílit na větší vzdálenost, desítky metrů jsou maximem.

10 gigabitový Ethernet v podnikových sítích slouží jednak pro řešení současné zátěže exponovaných částí sítě, pro realizaci aplikací náročných na šířku pásma a na zpoždění, a jednak na podporu ukládání dat. Modernizace na rychlou LAN je v rámci ethernetové řady relativně snadná a ekonomická, protože maximálně využívá stávající infrastrukturu a zkušenosti personálu s Ethernetem. 10 gigabitový Ethernet již nezávisí pouze na optice, ale nabízí řešení využívající twinaxiální kabely pro datová centra.

Lépe a rychleji – jak rychle?

O zahájení specifikace pro nejnovější, a tedy nejrychlejší, typ se konečně rozhodlo teprve před několika málo dny na zasedání IEEE 802 v Dallasu. Příslušná podskupina 802.3 sice již nějakou dobu nesla slibný název Higher Speed Study Group (HSSG, pod současným vedením zástupce Force10 Networks), ale o jak vysokou rychlost se bude skutečně jednat, to nebylo dlouho jasné.

Samozřejmě to muselo být více než již celkem zavedený předchůdce: 10 gigabitový Ethernet, který ale také ani s nadsázkou nemůžeme řadit mezi pomalé sítě. Přeci jen v takových sférách, jako jsou desítky gigabitů každé navýšení znamená nemalý technický problém, nemluvě o využitelnosti takového řešení.

Ale teď k rychlostem, o nichž se uvažovalo. Přestože se jaksi stalo dobrým zvykem, že Ethernet postupoval ve svých typech po řádech rychlosti: 10/100/1000/10000 Mbit/s, tentokrát řádový nárůst na 100 Gbit/s první myšlenkou novátorů rozhodně nebyl.

Už proto, že ani optické sítě, resp. jejich prvky a rozhraní, zatím v reálu s takto vysokou propustností nekoketují. Zatímco 10 Gbit/s rozhraní je v optických sítích běžné, dalším vývojovým stupněm je 40 Gbit/s, a tato zařízení se právě začínají ve větší míře objevovat na trhu. Tato rychlost byla volena z historických důvodů, protože odpovídá rychlosti OC-768 používané v klasických optických sítích SONET/SDH. Následovat má podle všeho rychlost 160 Gbit/s, ale na prvcích takto vybavených se teprve pracuje v laboratořích a v nejbližších několika letech je neuvidíme k komerčních provozních sítích.

Takže HSSG se musela rozhodovat, zda takových 40 Gbit/s by nebylo za těchto okolností tou nejlepší volbou, případně 80 Gbit/s. Protiváhou byl návrh smělejší, 120 Gbit/s. Ale nakonec starým dobrým konsenzem skupina dospěla k jedinému možnému rozhodnutí, které ostatně velí i selský (tradičně podnikatelsky zaměřený) rozum, bude to 100 GE.

O úspěchu dalšího rychlejšího řešení není pochyb, zejména v delším časovém horizontu (norma ještě není ani rozpracovaná, takže můžeme hovořit o dobrých pěti letech, než by se vůbec takové řešení mohlo reálně objevit, pokud ovšem vše půjde dobře). Taková datová centra, která se potýkají s ohromným objemem dat, by 100 Gbit/s technologii uplatnila již dnes.

V jednoduchosti je jednoduchá krása

Neodpustím si ještě tuto závěrečnou kousavou technickou připomínku. Při pohledu na úspěch Ethernetu je totiž až neuvěřitelné, co všechno tato technologie (zejména v porovnání s jinými sítěmi) vlastně neumí: nepotvrzuje přijetí paketu, neinformuje o chybě vzniklé při přenosu nebo o chybě na síti (např. ve formě segmentace sítě), nezajišťuje spravedlivé dělení kapacity mezi uživatele, neřídí tok dat, neupřednostňuje některá data, ani neobstarává takt (clock).

Ethernet je totiž založen na naprostém nedostatku předvídatelnosti, co se přenosu týká: přenos dat může být zpožděn i o půl sekundy, takže kolísání zpoždění (rozdíly v intervalech mezi příchozími pakety) může být značné. Ethernet bez příkras pracuje podobně jako protokol IP v režimu best effort, dobré vůle, kdy se snaží co nejlépe přenést připravená data.

Původní verze Ethernetu nepočítala s režimem plného duplexu, takže obousměrnou komunikaci zajišťovala rychlá výměna dat mezi oběma komunikujícími stranami připojenými ke sběrnici. Ethernet je asynchronní technologie, což se může zdát překvapivé u sítě o vysoké rychlosti. Neexistence synchronizace mezi komunikujícími stranami na Ethernetu si vyžádala, aby každý datový rámec obsahoval synchronizační preambuli.

Podrobné informace nejen o gigabitových sítích mohou zájemci získat v právě vydaném druhém aktualizované vydání publikace Moderní komunikační sítě od A do Z (Computer Press, ISBN 80-251-1278-0).

4. 12. 2006

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA