Технология Ethernet

Значительный объем начальных инвестиций в запуск 100Гбит Ethernet продуктов объясняет как начальный фокус в сторону оборудования высшей ценовой категории (операторского класса), так и желание производителей «досрочно рапортовать» о запуске продуктов до начала серийного производства, по результатам инженерных либо технологических испытаний. Поэтому в приведенном ниже историческом списке первых поставщиков 100 Гигабит Ethernet решений указаны как даты начального объявления IP/MPLS продуктов, так и официальные даты поставок (с учетом доступности информации).

1. Alcatel-Lucent

Компания Alcatel-Lucent впервые анонсировала 100GbE интерфейсы стандарта 802.3ba для маршрутизаторов 7450 ESS/7750 SR в июне 2009 года, с последующими тестами и показами продукта в июне-сентябре 2010-го . Однако, в презентации президента оптического отделения компании Джеймса Ватта (апрель 2011 года) , 100GE упоминался все еще лишь в контексте демонстрации клиентам (T-Systems, Portugal Telecom, 360Networks). Также, пресс-релиз компании от 18 июня 2011 года  был вновь ограничен результатами полевых испытаний.

Возможным объяснением столь длительной задержки является уникальная архитектура пакетных продуктов Alcatel-Lucent, изначально ориентированных на оказание услуг на границе сети (VPLS, PPPoE, развитая структура очередей).

Фактически, компания Alcatel-Lucent производит всего одно базовое семейство маршрутизаторов (Alcatel 7750) приобретенное с компанией Timetra Networks. В 2011 году, единственной серийно выпускаемой элементной базой для семейства являлся сетевой процессор собственной разработки FP2 с полнодуплексной производительностью в 50Gbps. В соответствии с документацией фирмы, два чипсета FP2 могут также быть установлены в оппозитной, полудуплексной 100Гбит конфигурации, позволяющей реализовать интерфейс 100Гбит Ethernet без балансировки по потокам между чипами. Однако, такая аппаратная конфигурация чревата дисбалансом нагрузки ввиду того, что количество входных операций (ingress lookup) как правило превышает количество требуемых выходных операций (egress lookup) — что может быть недостаточно для стабильной работы решения в реальной сети.

В перспективе, Alcatel-Lucent планирует перевести платформу 7750 на объявленный в мае 2011 года 400Гбит чипсет FP3 , который, возможно и станет первым реальным 100GE продуктом компании на обновленной платформе 7750.

2. Brocade

Фирма Brocade объявила о поддержке 100Гбит Ethernet технологии на унаследованной от поглощения Foundry Networks платформе MLXe в сентябре 2010 года . Тем не менее, уже в июне 2011 года Brocade смогла анонсировать первый коммерческий запуск своей 100GE технологии на площадке AMS-IX в Амстердаме , таким образом став одной из первых фирм получивших доход на 100Гбит Ethernet рынке.

Линейка скоростных маршрутизаторов MLXe использует сетевые процессоры и оптику сторонних разработчиков; платформа поддерживает минимум услуг как в пакетном (базовый IP/MPLS коммутатор) так и в оптическом (разнообразие трансиверов) диапазоне. Brocade позиционировал свой первый 100Гбит Ethetnet продукт для MLXe (2-x портовую линейную карту) в начальном ценовом сегменте, с дополнительной лицензией на использование второго порта.

3. Cisco

Корпорация Cisco совместно с Comcast еще в 2008 году объявили об успешных испытаниях 100-гигабитного Ethernet (100GbE) по существующей оптической инфраструктуре между городами Филадельфия (штат Пенсильвания) и Маклин (штат Вирджиния). Использовались маршрутизаторы Cisco CRS-1 и оптические каналы DWDM . Тем не менее, эта демонстрация не воспроизводила полностью полнодуплексный 100Гбит/с Ethernet канал, поскольку маршрутизатор CRS-1 поддерживает скорость всего лишь до 40Gbps на слот. Очевидно, что в тесте 2008 года нагрузка интерфейса не могла превысить половины от расчетной скорости.

Технически, первой платформой Сisco способной обеспечить работу 100Гбит Ethernet интерфейсов стал маршрутизатор CRS-3 с одним чипсетом на линейную карту и скоростью в 140 Гбит на слот. По этой причине, первые настоящие испытания 100Гбит Ethernet технологии от Cisco состоялись лишь в 2010 году, а первые коммерческие клиенты (AT&T и Comcast) были объявлены в апреле 2011 года . В июле 2011 года Cisco также проводила демонстрации 100GbE интерфейсов на маршрутизаторах границы ядра (ASR9000)  без анонсирования даты поставок.

4. Huawei

Китайская компания Huawei представила «первую в индустрии» разработку 100GE интерфейса для машрутизатора в октябре 2008 года . Следующим шагом фирмы стал анонс законченной системы для передачи 100Гбит Ethernet в сентябре 2009 года . Система включала в себя оптический транспорт OSN6800/8800 и 1x100GE линейные карты машрутизаторов NE5000e на основе чипсета собственной разработки «Solar 2.0 PFE2A chip» и оптики в форм-факторе CFP. В 2010 году, это же решение было детализировано как использующее карты LPU-100F на основе двух чипсетов Solar 2.0 в оппозитной конфигурации . Тем не менее, в пресс-релизе компании о получении контракта на строительство IP/MPLS сети от российской компании Мегафон в октябре 2010 года , Huawei отчитался лишь о поставке 40Гбит систем NE5000e, «с возможностю масштабирования до 100Гбит» на слот.

В апреле 2011 года, компания выпустила новый анонс линейной карты для NE5000e на том же чипсете Solar 2.0 — 2x100GE карты LPU-200 . В описании сопутствующего решения приводились цифры по поставкам 20G/40G версии чипсета (120 тысяч комплектов Solar 1.0) но не были приведены цифры по поставкам Solar 2.0. Также, в пресс-релизе о тестировании 100G оборудования в России от августа 2011 года , Huawei рапортовал о коммерческой установке 100G DWDM систем в KPN и China Telecom, но не привел ни одного покупателя 100GE решений на базе NE5000e.

Помимо задержек с реализацией чипсета для поддержки 100GbE, позиции Huawei могут также ослабляться установленной базой NE5000e, большинство экземпляров которой несовместимы с новыми 100Гбит/слот и 200Гбит/слот картами. Таким образом, несмотря на весьма раннее анонсирование 100-гигабитных продуктов, вероятность получения компанией Huawei прибыли на 100Гбит Ethernet рынке в 2011 году невелика.

5. Juniper Networks

Juniper заявил  о поддержке 100Гбит Ethernet на платформе T1600 в июне 2009 года. К тому времени  платформа T1600 поставлялась уже два  года и поддерживала работу 100-Гбитных  линейных карт (конфигурации 10x10GE портов). Впервые установленные в ноябре 2010 в маршрутизаторах T1600 академической  сети Internet2 1x100Гбит Ethernet модули Internet2 racing ahead with 100G Ethernet network. </ref> позволили Juniper позиционировать себя ведущего  поставщика серийных 100GbE продуктов. В том же, 2010 году, компания показала  работу 100Гбит Ethernet интерфейсов от  ядра до границы сети между  платформами T1600 и MX3D. Компания вновь  подтвердила статус пионера рынка  в марте 2011 года, на месяц опередив Cisco с анонсом поставок 100Гбит Ethernet крупному североамериканскому оператору (им стал Verizon ). Судя по отчетам  пользователей, что в тот же  период времени Juniper производил поставки  и менее крупным клиентам (к  примеру JANET UK) и на середину 2011 года  скорее всего уже располагал  существенной 100-гигабитной клиентской  базой. Обратной стороной лидерства  на 100GE рынке для Juniper, по видимому, стал выбор 100GE архитектуры относительно  низкой плотности (один 100GE интерфейс  на слот работающий через два  параллельных 50Гбит чипсета с  равномерным делением нагрузки). К концу 2011 года Juniper подготовил начало  коммерческой эксплуатации сразу  двух новых магистральных продуктов  с поддержкой 100Гбит Ethernet — обновленной 240Гбит/слот Т-серии (T4000) и полностью  нового 480Гбит/слот MPLS коммутатора PTX

Интересно, что рынок 100Гбит решений для маршрутизаторов в целом повторил ситуацию с запуском 10Gbps интерфейсов десятилетней давности — де-факто, пионером поставок выступила компания Juniper, на несколько месяцев опередившая своего крупнейшего соперника — Cisco. Компанию им составило новое сетевое отделение компании Brocade, при этом остальные участники рынка закрепиться в первой волне не смогли.

4. ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

• возможность работы в дуплексном режиме;
• низкая стоимость кабеля «витой пары»;
• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
• минимально допустимый радиус изгиба меньше;
• большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;
• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
• отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

1. Формат кадра

Существует несколько форматов Ethernet-кадра.

• Первоначальный Version I (больше не применяется).
• Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распространена и используется по сей день. Часто используется непосредственно протоколом интернет.

Рисунок 2 - Наиболее распространенный формат кадра Ethernet II

1. Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control).
2. Кадр IEEE 802.2 LLC.
3. Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP.

Некоторые сетевые карты Ethernet, производимые компанией Hewlett-Packard использовали при работе кадр формата IEEE 802.12, соответствующий стандарту 100VG-AnyLAN.

В качестве дополнения Ethernet-кадр может содержать тег IEEE 802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности.

Разные типы кадра имеют различный формат и значение MTU.

2. MAC-адреса

При проектировании стандарта Ethernet было предусмотрено, что каждая сетевая карта (равно как и встроенный сетевой интерфейс) должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра, и предполагается, что при появлении в сети нового компьютера (или другого устройства, способного работать в сети) сетевому администратору не придётся настраивать MAC-адрес.

Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете IEEE Registration Authority диапазон из шестнадцати миллионов (2^24) адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон. Поэтому по трём старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Существуют таблицы, позволяющие определить производителя по MAC-адресу; в частности, они включены в программы типа arpalert.

Некоторое время назад, когда сетевые карты не позволяли изменить свой MAC-адрес, некоторые провайдеры Internet использовали его для идентификации машины в сети при учёте трафика. Но все современные сетевые платы позволяют программно изменить MAC-адрес, однако если плата будет обесточена, то восстановится исходный MAC-адрес. Программы из Microsoft Office, начиная с версии Office 97, записывали MAC-адрес сетевой платы в редактируемый документ в качестве составляющей уникального GUID-идентификатора.

3. Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.

В этом разделе дано краткое описание всех официально существующих разновидностей. По некоторым причинам, в дополнение к основному стандарту многие производители рекомендуют пользоваться другими запатентованными носителями — например, для увеличения расстояния между точками сети используется волоконно-оптический кабель.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 — поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.