Телекоммуникационные системы и сети. Абонентский доступ и технологии локальніх сетей. Том 2  /  Содержание  /  [→] Раздел 1. Принципы устройства и функционирования локальных сетей  /  Тема 1.9. Технология 10 Gigabit Ethernet

Содержание:
  • Вступ
  • [→] Раздел 1. Принципы устройства и функционирования локальных сетей
    • Тема 1.9. Технология 10 Gigabit Ethernet
    • Тема 1.10. Контрольные вопросы и задания

1.9.5 Стандарти 40/100-гігабітного Ethernet

       Уже в 2007 році можна було назвати чимало додатків, у яких видна необхідність у передачі даних на швидкостях більш 10 гігабіт/с.

       Як приклади можна привести трафік в Internet магістралях, потребі операторів зв'язку та високопродуктивних обчислень у спеціалізованих центрах обробки даних. Із цією технологією пов'язана, зокрема, доставка відео YouTube, IPTV і HDTV.

       Розвиваються й технології доставки відео на запит. Наприклад у 2007 році, відеоресурс YouTube був досить цікавий – щомісяця його трафік збільшувався на 20%, і для підтримки такого росту доводилося постійно додавати нові 10 гігабітні канали.

       Один зі шляхів, що досить довго дискутувався й широко використовується на практиці, рішення проблеми підвищення пропускної здатності – це агрегування (об'єднання) 10-гігабітних каналів.

       Дійсно два, чотири й навіть вісім каналів можуть бути об'єднані разом, не викликаючи труднощів з управлінням і усуненням несправностей. Однак самі кабелі збільшують вартість системи, є й певні вимоги до енергоспоживання й охолодження конекторів.

       Використання портів для агрегування каналів приводить в остаточному підсумку до зниження віддачі від вкладених коштів, тому що кожний такий порт не працює по його безпосередньому призначенню.

       Є ряд проблем з масштабуванням, і при агрегуванні каналів не так просто зробити попередній розрахунок вартості рішення. Незважаючи на зазначені вище недоліки, даний метод підвищення пропускної здатності набув широкого застосування в стандартах 40/100 гігабіт / с.

       При цьому, для зменшення вартості використовуваних оптоволокн, широко використовується метод передачі на базі спектрального мультиплексування (WWDM – Wide Wavelength Division Multiplexing, спектральне vультиплексування у широкої смузі частот), який почав застосовуватися в технології 10G Base-LX4.

       В подальшому основні зусилля розробників були зосереджені на розробці нового фізичного рівня (Physical layer device, PHY), який би забезпечував швидкість передачі 100 гігабіт/с, з використанням інших методів передачі. Оператори розглядали технологію 100G для заміни 10-гігабітного транспорту для загальнодоступних мереж. Вони планували також з її допомогою збільшити пропускну здатність своїх мереж і знизити ціну за біт.

       Переважна частина респондентів вважала, що пропускна здатність повинна вирости в 10 разів, а вартість передачі біта – знизитися в два рази.

При розробці PHY-частини стандарту ставилися наступні цілі:

  •  зберегти формат кадрів Ethernet стандарту 802.3, що використовують формат 802.3 MAC;
  •  зберегти мінімальні і максимальні розміри кадру (FrameSize), яки збігаються з поточною редакцією стандарту 802.3;
  •  забезпечити в точці сполучення інтерфейсу з MAC рівень помилок (Bit error ratio, BER) не вище (тобто не більше 1 помилки в середньому на кожні біт);
  •  забезпечення відповідної підтримки оптичних транспортних мереж (Optical transport network, OTN);
  • швидкість передачі даних на рівні MAC в 40 і 100 Гбіт/с;
  • розробка варіантів рівня PHY для роботи через одномодове оптичне волокно (SMF), багатомодове оптичне волокно OM3 (MMF), кабелі з мідними провідниками і через об'єднавчі плати (backplane). 

       У стандартах 40/100-гігабітного Ethernet міститься опис декількох різних стандартів фізичного рівня (PHY). Мережеві пристрої можуть використовувати різні типи PHY шляхом використання змінних PHY-модулів.

       Модулі, що використовують оптичне волокно, стандартизовані в 802.3ba – угоді між різними виробниками (multi-source agreements, MSA).

       Стандартизовані до 2010 року специфікації технології 40/100 GBE представлені в таблиці 1.9.3.

 

Таблиця 1.9.3Cпецифікація технології 40/100 Gbe

Тип середовища передачі Дальність передачі 40 Gigabit Ethernet 100 Gigabit Ethernet Стандарт
Печатна плата 1 м 40GBase-KR4 100GBase-KR10 IEEE 802.3ba
Мідний біаксіальній кабель 40GBase-СR4 100GBase-СR10 IEEE 802.3ba
Кручена пара UTP cat 8 30 м 40GBase-T - IEEE 802.3ba
Оптоволокно, OM3 MMF 100-125 м 40GBase-SR4, 850 нм 100GBase-SR10, 850 нм IEEE 802.3ba
Оптоволокно, SMF 10 км 40GBase-LR4, 1300 нм 100GBase-LR4, 1295, 1300, 1305, 1310 нм IEEE 802.3ba
Оптоволокно, SMF 40 км 100GBase-ER4, 1295, 1300, 1305, 1310 нм IEEE 802.3ba
Оптоволокно, SMF 2 км 40GBase-FR, 1310/1550 нм IEEE 802.3bg

       Архітектура канального та фізичного рівнів наведена на рисунку 1.9.6.

       Стандарт IEEE 802.3ba не змінює ні формат кадру, ні його розміри, ні повнодуплексний принцип роботи. LLC (Logical Link Control) і MAC (Media Access Control) рівні, відповідні Layer 2 моделі OSI, залишаються без принципових змін.

       MAC підключається до середовища передачі (media) через PHY рівень (відповідає Layer 1 OSI).

       У свою чергу, PHY рівень включає підрівні PCS (Physical Coding Sublayer), PMA (Physical Medium Attachment), PMD (Physical Media Dependent), а також, опціонально, FEC (Forward Error Correction).

       RS (Reconciliation Sublayer) – підрівень узгодження, який передає послідовність біт від MAC-рівня в MII (Media Independent Interface, інтерфейс, незалежний від фізичного середовища).

Рисунок 1.9.6 – Архітектура канального та фізичного рівнів 40/100 GbE

       Інтерфейсів MII в стандарті описано два: XLGMII для 40Гбіт / с (римські XL = 40) і CGMII для 100Гбіт / с (римське С = 100).

       Вони базуються на колишньому XGMII (10Гбіт / с) і є логічними, внутрисхемними інтерфейсами, що забезпечують 64-бітові (8 смуг по 8 біт) канали прийому / передачі даних до PHY (фізичного рівня).

       Також MII забезпечує тактову частоту 625 МГц для 40 Гбіт / с і 1.5625 ГГц для 100 Гбіт / с і на прийом, і на передачу. Як і раніше, PCS відповідає за кодування та скремблювання бітового потоку при передачі і зворотні дії при прийомі.

       Використовується та ж схема кодування, що і в 10G – 64B / 66B (66 біт лінійного коду на 64 біта даних). Для реалізації високих швидкостей була розроблена спеціальна MLD методика (Multilane Distribution, багато потокова передача), суть якої полягає в round-robin (циклічному) чергуванні 66-бітних блоків даних по кількох смугах (див. рис.1.9.7).

       Перевагою цієї методики є її повна реалізація на CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), що в результаті дозволяє максимально зняти навантаження з обробки бітового потоку з електроніки, вбудованої в оптичний інтерфейс, а це спростить його функціональність (читай – підвищить надійність) і помітно знизить вартість.

Рисунок 1.9.7 – Перехід з послідовної передачі сигналу на паралельну по декільком потокам (lanes)

       При цьому здійснюється періодична вставка маркерів в потік бітів, дозволяє на приймаючій стороні компенсувати можливі зрушення бітових груп і повністю відновити початковий агрегатний сигнал.

      PMA забезпечує перетворення кодових груп в послідовний сигнал (serialize) і зворотний процес (deserialize). Конкретна реалізація PMA залежить від підрівня PMD, тобто, по суті, від типу середовища і передавача.

       Ну і, нарешті, PMD відповідає за передачу послідовність бітів в фізичну середу через MDI (Media Dependent Interface; інтерфейс, залежний від середовища передачі).

       Оптика передбачає використання хвильового ущільнення – на 40G CDWM (Coarse Wave Division Multiplexing, грубе спектральне мультиплексування хвиль), на 100G – DWDM (Dense Wave Division Multiplexing, щільне спектральне мультиплексування хвиль) технології.

       Таким чином, стандарти 40/100 GbE, яки затверджені до 2011 року, базувалися на розробках 10 GbE, а збільшення пропускної здатності досягалося за рахунок фізичного збільшення ліній передачі або використання спектрального мультиплексування.

Содержание | 1.9.4. Перспективы развития технологии 10G Ethernet | 1.9.6 Розвиток технології 100-гігабітного Ethernet | Вверх