Báječný svět počítačových sítí

Část XXII: Gigabitový a ještě rychlejší Ethernet


Životní příběh Ethernetu zdaleka neskončil jeho přechodem z koaxiálních kabelů na kroucenou dvoulinku a zrychlením z původních deseti na sto megabitů za sekundu. Časem došlo k dalšímu zrychlování, vždy na desetinásobek. Světlo světa tak spatřil gigabitový, a posléze i desetigigabitový Ethernet. Ovšem ani ten už nemusí stačit stále rostoucím požadavkům na kapacitu přenosů, a tak se připravuje i Ethernet stogigabitový. Důležité je, že na něj netrpělivě čekají i telekomunikační operátoři a internetoví provideři, protože gigabitovou verzí počínaje se Ethernetu podařilo výrazně zvětšit svůj dosah.
íky tomu mohl překročit hranice lokálních sítí (sítí LAN) a vydat se do světa sítí metropolitních (MAN) a rozlehlých (WAN).
V předchozím dílu tohoto seriálu jsme si popsali, jak Ethernet nejprve přešel z koaxiálního kabelu na kroucenou dvoulinku a jak se posléze dočkal zrychlení na desetinásobek, z 10 Mbit/s na 100 Mbit/s. Kromě samotného zvýšení rychlosti se ale na ostatních vlastnostech Ethernetu nezměnilo vůbec nic. Tedy pokud nepočítáme různá drobná vylepšení, jako třeba mechanizmy autodetekce, umožňující automatické rozpoznání rychlosti Ethernetu.
Beze změny tak zůstala zejména nedeterministická a distribuovaná přístupová metoda CSMA/CD. Právě ta, které Ethernet může na jedné straně děkovat za svou jednoduchost, přímočarost a snadnou implementaci, ale na druhé straně jí může vyčítat (například) svůj omezený dosah.

Omezený dosah Ethernetu

Dosah Ethernetu je samozřejmě dán reálnými vlastnostmi použitých přenosových cest (kabelů). Ale mnohem dříve, než se tyto reálné vlastnosti stihnou uplatnit, vstupují do hry právě požadavky přístupové metody CSMA/CD. Ta potřebuje, aby se informace o výskytu případné kolize stihly dostat všude, kam se dostat mají (tedy po celé tzv. kolizní doméně) v předem daném a pevně stanoveném čase, který se (u desetimegabitového Ethernetu) rovná 51,2 mikrosekundy a označuje se jako tzv. slot time. Tento čas je odvozen od doby, kterou (stále u desetimegabitového Ethernetu) trvá přenos nejkratšího možného rámce, jenž má velikost 64 bytů, resp. 512 bitů.
Stejný požadavek, vztažený na dobu přenosu nejkratšího rámce a aplikovaný na desetkrát rychlejší verzi Ethernetu, však znamená výrazné zkrácení dosahu (přesněji: celé kolizní domény, která může ještě zahrnovat opakovače). Ne nutně na desetinu původního dosahu (kvůli opakovačům), ale přesto velmi výrazně.
Minule jsme si popisovali, jak to dopadlo u stomegabitového Ethernetu. Ten se s tímto "zkrácením" vypořádal snížením počtu opakovačů a poměrně tvrdým omezením počtu a délky segmentů, které lze propojit pomocí opakovačů. Nicméně u (souvislého) segmentu z kroucené dvoulinky mohla být zachována jeho dosavadní maximální délka 100 metrů.
Jenže další zvýšení rychlosti na desetinásobek by u gigabitového Ethernetu přineslo další zkrácení. U souvislého kabelového segmentu až někam k pouhým 20 metrům, což by už nebylo únosné. Naopak, i zde bylo základním požadavkem zachování délky 100 metrů pro souvislý kabelový segment z kroucené dvoulinky. A tak se pro gigabitový Ethernet muselo hledat nějaké jiné řešení.

Dvě cesty ke gigabitovému Ethernetu

Pro možnost zrychlení stomegabitového Ethernetu (100 Mbit/s) na gigabitový Ethernet (1 Gbit/s) byly vymyšleny dva různé způsoby, jak se vyhnout již neúnosnému zkrácení. Jeden z nich předpokládá zachování dosavadní přístupové metody CSMA/CD, druhý její faktické odstranění.
Svým způsobem to tedy připomíná situaci při zrychlování desetimegabitového Ethernetu na stomegabitový, kdy se také objevily dvě varianty možného řešení, jedna z nich předpokládala zachování přístupové metody CSMA/CD, druhá pak její nahrazení. Dopadlo to ale podstatně jinak: zatímco u desetimegabitového Ethernetu nakonec zvítězil jen jeden z obou přístupů, v případě zrychlení ze 100 Mbit/s na 1 Gbit/s uspěly obě varianty současně. Takže gigabitový Ethernet vlastně existuje ve dvou verzích, resp. dokáže fungovat (a vyrovnávat se s problémem hrozícího zkrácení) dvěma odlišnými způsoby.

Buď desetkrát zkrátit, nebo desetkrát zvětšit

První z těchto způsobů, který se snažil zachovat přístupovou metodu CSMA/CD, potřeboval vyhovět jejímu pravidlu o tom, že se informace o kolizi musí rozšířit (po celé kolizní doméně) v čase, který odpovídá době přenosu nejkratšího možného ethernetového rámce. Při desetinásobném zvýšení rychlosti se tomu dalo vyhovět buď adekvátním zkrácením dosahu, nebo naopak adekvátním zvětšením minimální délky ethernetového rámce.
Jelikož ale další zkrácení už nebylo únosné, došlo na prodloužení (zvětšení) minimální délky ethernetového rámce. Nikoli ale "doopravdy", pro všechny rámce a pro všechny možné situace, protože to by nabouralo přinejmenším vazbu na jiné rychlostní varianty Ethernetu (například v přepínačích, které mohou současně používat různé rychlé porty). Místo toho byla minimální délka rámce prodloužena jen pro potřeby jejich přenosu po příslušném gigabitovém spoji, a to ze standardních 64 bytů (u desetimegabitové a stomegabitové verze) na 512 bytů. Tedy nikoli na desetinásobek, ale na osminásobek.

Carrier Extension a Frame Bursting

Navíc bylo otázkou, jak toto osminásobné prodloužení fakticky realizovat. Zde se opět objevily dvě varianty. První z nich, označovaná jako "Carrier Extension", menší rámce jednoduše "vycpe" tak, aby měly potřebnou větší velikost. Udělá to tak, že datovou část příliš malého rámce doplní o "vatu" (data bez významu), kterou příjemce zase zahodí.
Nepříjemným důsledkem je ale to, že tato "vata" se musí skutečně přenášet. To však může představovat nepříjemné plýtvání dostupnou přenosovou kapacitou.
Alternativou k "vycpávání" je zřetězení několika menších ethernetových rámců a jejich přenos v rámci jakési dávky (jednoho většího, zřetězeného rámce). Říká se tomu "Frame Bursting" (což by se také dalo přeložit jako "dávkování rámců") ale z technických důvodů, které již přesahují zaměření tohoto článku, musí být první z rámců v takovéto dávce tak jako tak "vycpán", aby vždy dosahoval alespoň minimální velikosti 512 bytů.
Ani jednu z obou výše uvedených technik "prodloužení" linkového rámce nebudeme podrobněji rozebírat. To proto, že se v praxi příliš nepoužívají. Z obou základních variant gigabitového Ethernetu, tedy se zachováním přístupové metody CSMA/CD a bez této metody, si praxe celkem jednoznačně vybrala tu druhou: bez přístupové metody CSMA/CD. Pojďme si ji tedy popsat podrobněji. Nejprve ale musíme něco naznačit o tzv. plném duplexu.

Plně duplexní a poloduplexní Ethernet

Na druhé variantě gigabitového Ethernetu je možná nejdůležitější to, že v ní nejde o žádné nahrazení přístupové metody CSMA/CD jinou přístupovou metodou. Místo toho se jedná o úplné odstranění jakékoli přístupové metody.
Něco takového je ale možné jen za předpokladu, že žádná přístupová metoda už nebude zapotřebí. A to zase znamená, že už nemohou vznikat situace, kdy více uzlů soupeří o možnost začít vysílat po společně sdíleném přenosovém médiu. A toho lze dosáhnout nejsnáze tak, že už žádné přenosové médium nebude sdíleno, ale naopak plně vyhrazeno.
Realizovat takovýto požadavek přitom není až tak těžké. Dveře se k tomu otevřely jakoby samy, v okamžiku, kdy Ethernet přešel od koaxiálního kabelu ke kroucené dvoulince. Koaxiální kabel totiž byl svou povahou sdílený, protože jednotlivé uzly se připojovaly přímo k němu (skrze "odbočky" na koaxiálním kabelu) a právě tato jeho vlastnost si vynutila existenci přístupové metody (v daném případě metody CSMA/CD).
Jenže na kroucené dvoulince (tzv. twistu) už žádné odbočky dělat nejdou, a tak tento typ kabeláže lze použít jen pro dvoubodové spoje. Takže fyzicky toto médium už není sdílené jako koaxiální kabel, ale naopak vyhrazené. Jenže pak ještě záleží na tom, jak je médium používáno. Zda způsobem, který zachovává jeho vyhrazený charakter, nebo způsobem, který jej naopak vrací zpět ke sdílení.
V praxi záleží na tom, jak funguje rozbočovač (anglicky: hub), ve kterém se sbíhají dvoubodové spoje k jednotlivým koncovým uzlům (viz obrázek). Pokud se takovýto rozbočovač chová jako opakovač (což je typické právě pro desetimegabitový a stomegabitový Ethernet), pak data vznikající v jednom ze segmentů okamžitě "opakuje" (přeposílá) do všech ostatních segmentů a "konzumuje" přenosovou kapacitu ve všech takto propojených segmentech. To představuje sdílení, protože všechny takto propojené uzly se tím fakticky dělí o jednu společnou přenosovou kapacitu. Pro její korektní využití (větším počtem zájemců o vysílání z řad připojených uzlů) je pak zapotřebí vhodná přístupová metoda (zde metoda CSMA/CD).
Pokud ale bude rozbočovač fungovat jako přepínač (anglicky: switch), bude jednotlivé rámce cíleně předávat již jen do těch cílových segmentů, kam skutečně patří, do ostatních segmentů již nikoli. Jde přitom o zásadní změnu chování, kterou jsme si popisovali již v předchozích dílech tohoto seriálu, věnovaných problematice internetworkingu, čili propojování sítí. Opakovač, který funguje na úrovni fyzické vrstvy, vnímá pouze jednotlivé bity, ale už si je "neskládá dohromady" do celých rámců. Proto ani nemůže vědět, že by je mohl předávat jen do některého cílového segmentu a tak je předává (rozesílá, opakuje) do všech segmentů, které jsou k němu připojeny. Přepínač (switch) funguje již na úrovni linkové vrstvy, kde "vnímá" celé rámce a díky tomu je cíleně předává jen tam, kam skutečně patří. Ke sdílení proto už nedochází a kapacita jednotlivých segmentů zůstává vyhrazena pouze uzlům, připojeným k těmto segmentům.
Navíc, a to je důležité i z terminologického hlediska, jsou tyto segmenty pouze dvoubodové a svou fyzikální podstatou umožňují souběžné vysílání oběma směry (mezi oběma svými uzly). Tomu se obecně říká "plný duplex" (anglicky: full duplex). Například u kroucené dvoulinky je každý kabelový segment tvořený dvěma páry (vzájemně zkroucených) vodičů, a tak každý směr přenosu může využít vlastní pár vodičů. Díky tomu pak libovolný uzel můře v rámci dvoubodového segmentu začít vysílat kdykoli to uzná za vhodné, a nikdo jiný mu z principu nemůže skočit do řeči. Tudíž ani není zapotřebí žádná přístupová metoda, která by řešila případný souběh více žádostí o vysílání po sdíleném přenosovém médiu.
Zopakujme si tedy to podstatné: původní Ethernet na koaxiálním kabelu byl pouze poloduplexní a vysílat zde mohl vždy jen jeden uzel. Proto byla zapotřebí přístupová metoda, aby řešila případné konflikty. Zavedením plného duplexu, který je možný jen na dvoubodových spojích, už mohou oba uzly na dvoubodovém spoji vysílat "proti sobě" a současně, žádná přístupová metoda tedy už není zapotřebí.

Větší dosah díky plně duplexnímu Ethernetu

Ještě dalším rozdílem mezi (sdíleným) poloduplexním Ethernetem a (vyhrazeným) plně duplexním Ethernetem je možnost výskytu kolizí: zatímco u poloduplexního Ethernetu kolize vznikat mohou, u plně duplexního Ethernetu vznikat nemohou. Nemají proč, když má vysílající uzel dvoubodový spoj jen a jen pro sebe, a tak se nemá s kým dostat do kolize.
Absence kolizí u plně duplexního Ethernetu pak má zásadní význam pro jeho dosah: už se zde nemusí brát ohledy na to, aby se kolize stihla rozšířit z jednoho konce na druhý v určitém konkrétním čase (když zde k žádným kolizím nedochází). Tento faktor, který u poloduplexního Ethernetu významně zkracuje jeho dosah, u plně duplexního Ethernetu tedy zcela odpadá.
Plně duplexní Ethernet má tedy otevřené dveře k tomu, aby dosáhl na podstatně větší vzdálenosti. Opět ale nikoli neomezeně, protože stále existují další faktory, omezující jeho dosah. Jde zejména o reálné obvodové vlastnosti použitých přenosových cest, hlavně jejich útlum a zkreslení přenášeného signálu. Ale omezení, daná těmito faktory, jsou mnohem méně přísná než u přístupové metody CSMA/CD a jejích požadavků na detekci kolize. A tak lze na plně duplexním Ethernetu dosáhnout vzdáleností v řádu kilometrů či dokonce desítek kilometrů (obvykle s použitím optických vláken).
Navíc lze takovýto dosah nadále zvětšovat, a to zdokonalováním technologií a materiálů, použitých pro přenosové cesty.

Gigabitový Ethernet podruhé

Nyní, po malé exkurzi do "duplexnosti" Ethernetu, se již můžeme vrátit zpět k původnímu povídání o gigabitovém Ethernetu: jak již určitě tušíte, jeho druhá základní varianta (vedle té, jež zvětšuje velikost minimálního rámce z 64 na 512 bytů) je varianta plně duplexní. Ta již nepotřebuje přístupovou metodu CSMA/CD a díky tomu u ní odpadá zkracování dosahu kvůli nutnosti detekovat kolize.
Dosah plně duplexního gigabitového Ethernetu, který v praxi nad první variantou výrazně převládá, pak již může nabídnout požadovaných 100 metrů při použití kroucené dvoulinky. Při použití optických vláken se pak může jednat až o tři kilometry a to ještě není zdaleka poslední slovo možného technologického vývoje.
Vývoj Ethernetu totiž zdaleka neskončil u rychlosti jednoho gigabitu za sekundu. Jakmile jednou padlo "tabu" v podobě přístupové metody CSMA/CD, otevřela se tím cesta k dalšímu zrychlování, bez nutnosti zkracování dosahu. Ba co více: otevřela se naopak možnost dalšího zvětšování dosahu. Ovšem už jen cestou plně duplexního Ethernetu, bez přístupové metody CSMA/CD a bez sdílených segmentů. Gigabitový Ethernet byl tedy poslední, který ještě měl poloduplexní verzi (byť se příliš nepoužívala).

Desetigigabitový Ethernet

Standard gigabitového Ethernetu bych schválen v roce 1998, hned rok poté začaly práce na jeho další vývojové fázi na desetigigabitovém Ethernetu. Jeho standard byl přijat v červnu 2002 a kromě desetinásobného zrychlení (oproti gigabitovému Ethernetu, resp. tisícinásobnému oproti původnímu Ethernetu) přinesl i další zvýšení dosahu až na 40 kilometrů. Ovšem jen na optických vláknech, protože kroucená dvoulinka už má při takovýchto rychlostech velké problémy se svými reálnými obvodovými vlastnostmi, především pak s vyzařováním.
Původně se dokonce považovalo za nemožné, že by desetigigabitový Ethernet mohl být někdy provozován na kroucené dvoulince. Nakonec se ale i zde podařilo eliminovat všechny technické překážky a v červnu 2006 mohl být přijat příslušný standard, definující provozování desetigigabitového Ethernetu nad kroucenou dvoulinkou (standard IEEE 802.3an). Dokonce s dosahem až 100 metrů, pokud se použije dostatečně kvalitní dvoulinka, byť nestíněná (kategorie 6a, dimenzovaná pro signály do 625 MHz), nebo do 55 metrů, pro o něco méně speciální dvoulinku (kategorie 6e, do 500 MHz).

Z LAN do MAN a WAN

Plně duplexní fungování Ethernetu přitom nebylo specialitou jeho nejvyšších verzí, ale objevilo se už poměrně dávno, u jeho původní desetimegabitové verze. Stalo se tak v souvislosti s přepínači, které jsou základní podmínkou pro plně duplexní Ethernet (zatímco opakovače jsou u něj naopak zakázány). Pravdou ale je, že u desetimegabitové, stejně jako u stomegabitové verze Ethernetu plně duplexní verze ještě žádnou díru do světa neudělaly.
První verze (ještě poloduplexního) Ethernetu, které mohly počítat jen s dosahem v řádech stovek metrů, a to ještě s použitím opakovačů, byly určené pouze pro lokální sítě. Pro sítě rozlehlé (sítě WAN, Wide Area Network) a dokonce i pro sítě metropolitní (MAN, Metropolitan Area Network) byl Ethernet kvůli svému omezenému dosahu nepoužitelný.
Jakmile ale Ethernet přešel na plně duplexní fungování, a díky tomu se zbavil své přístupové metody CSMA/CD a z ní vyplývajících omezení dosahu, stal se rázem použitelný i v metropolitních sítích (MAN) a částečné i v sítích rozlehlých. A to nejen použitelný, ale i atraktivní a žádaný, vzhledem ke své efektivnosti, přímočarosti a snadnému provázání s lokálními sítěmi, připojovanými k metropolitním či rozlehlým sítím.
Hezkým příkladem využití jak gigabitového, tak i desetigigabitového Ethernetu v praxi, a to na malou i větší vzdálenost, mohou být různá peeringová centra (peeringový body). Přes ně prochází velké objemy dat, potřebují tedy co největší propustnost. Navíc mohou mít několik lokalit, ve kterých dochází k vzájemnému předávání dat mezi internetovými providery na principu peeringu. Tyto lokality proto musí být mezi sebou propojeny neméně vysokou rychlostí.
Konkrétním příkladem, na kterém lze vše dokumentovat, je pražský neutrální peeringový uzel NIX.CZ, který má v současné době celkem čtyři lokality, vzdálené od sebe jednotky kilometrů. Ty potřebuje mezi sebou propojit co nejrychleji a nejefektivněji. Využívá k tomu právě Ethernet. Aktuální topologii pražského NIXu z ledna 2007 ukazuje další obrázek. Jsou na něm samé desetigigabitové spoje a mezi dvěma nejvytíženějšími lokalitami vedou dokonce dva takovéto spoje vedle sebe. To naznačuje, že ani desetigigabitový Ethernet není v daném případě dostatečný a bude zapotřebí Ethernet ještě rychlejší. A to ještě NIX.CZ není zdaleka tím největším (nejvytíženějším) uzlem ale jen osmým v Evropě. Takže motivace pro další zrychlování Ethernetu určitě existují, a to nejen v Česku.

Stogigabitový Ethernet

Původně se po vzniku desetigigabitového Ethernetu předpokládalo, že další rychlostní skok tentokrát již nebude desetinásobný, ale pouze čtyřnásobný. Tedy že další verzí po desetigigabitovém Ethernetu bude čtyřicetigigabitový Ethernet. Případně, že skok bude osminásobný, na osmdesátigigabitový Ethernet.
Dnes už je ale jasné, že tento záměr padl a další skok bude opět ve znamení tradičního desetinásobku. Tedy směrem ke stogigabitovému Ethernetu. Jen se zatím neví, kdy k tomu dojde, protože na příslušném technickém řešení i jeho standardu se stále intenzivně pracuje. Opět se přitom předpokládá použití optických vláken s dosahem do 10 km (při použití tzv. jednovidového vlákna).
Provozovatelé mnoha peeringových center, a to nejen našeho NIXu.CZ, už na stogigabitový Ethernet čekají jako na smilování, protože jim jejich stávající sítě začínají praskat ve švech. Ale nejspíše si ještě nějaký čas počkají.