Что такое 10GbE и для чего он нужен?
10GbE (10-гигабитный Ethernet) — это группа технологий ультраскоростного проводного сетевого подключения, позволяющая передавать пакеты данных со скоростью 10 миллиардов бит в секунду. За последнее десятилетие были разработаны компьютеры и накопители, которые могут считывать информацию со скоростью 10 Гбит/с, однако скорость сетевого подключения обычно по-прежнему составляет 1 Гбит/с или 100 Мбит/с, образуя слабое место на фоне остальных подключений — именно здесь и пригодится подключение 10GbE.
В чём преимущества 10GbE?
Все дело в скорости – 10GbE обеспечивает скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Чтобы продемонстрировать, насколько это быстро – давайте возьмём файловое хранилище в качестве примера. 10 Гбит/с позволяет копировать файл на другой компьютер в сети со скоростью до 1,25 гигабайт в секунду. В среднем, файл размером в 20 ГБ будет скопирован менее чем за 20 секунд.
10GbE ускоряет передачу 20 ГБ файла на 90%.
Что еще более важно, 10GbE настолько быстр, что превосходит по пропускной способности WiFi 6, NAS, и мультигигабитный доступ в Интернет. 10GbE работает как сверхбыстрая магистраль для подключения периферийных устройств и повышения производительности всей вашей сети.
Что можно делать с 10GbE?
В настоящее время многие интернет-провайдеры по всему миру начали предлагать мультигигабитный доступ в Интернет, и в этом случае порт 10GbE WAN становится еще одним способом для раскрытия максимальной скорости доступа к глобальной сети (2,5GbE и 5GbE также являются вариантами).
Для мультигигабитного доступа в Интернет требуются мультигигабитные порты WAN.
Тем не менее, большинство людей не используют канал 10 Гбит/с для доступа в Интернет, потому что возможности 10GbE внутри небольшой сети уже впечатляют.
Для небольшой домашней или офисной сети такие инструменты, как Airdrop или облачное хранилище, упрощают совместную работу. Однако, когда файлы становятся значительно больше, возникают трудности из-за многочасового ожидания – многие люди все еще полагаются на USB-накопители для быстрого обмена большими документами.
«Мы уже давно видели 10GbE в индустрии бизнес-сетей, но я все же очень рад, что мы смогли увеличить пропускную способность до уровня 10G для домашних пользователей. Потому что скорость обмена данными теперь наконец-то сравнялась с производительностью устройств профессионального хранения данных, а это означает меньшую потерю времени. Теперь передача файлов занимает на 90% меньше времени, чем раньше», – сказал Аллен, инженер TP-Link и любитель решений NAS.
Благодаря 10GbE единое хранилище данных становится более доступным. Сохраняйте файлы очень быстро и открывайте их с любого авторизованного устройства; загружайте большие графические файлы за секунды и легко работайте над ними с коллегами; или создайте резервную копию компьютера через сеть за считанные минуты, не полагаясь на USB-накопители. В сети со скоростью 10 Гбит/с все эти задачи будут в 10 раз быстрее по сравнению с гигабитной сетью и в 100 раз быстрее сети Fast Ethernet.
Копируйте со скоростью 1 ГБ/с из сетевого хранилища с 10GbE подключением.
Редактирование большого файла на другом компьютере будет более быстрым.
Стоит ли переходить на 10GbE?
По мере того, как мир беспроводной связи быстро переходит в эпоху WiFi 6 и 5G, более быстрый стантарт проводной связи 10GbE также приходит в потребительские товары. Так нужен ли вам 10GbE? Ознакомьтесь с нашими рекомендациями ниже:
Если вы соответствуете любому из вышеперечисленных критериев, то вам следует, по крайней мере, обновить наиболее часто используемые устройства до 10GbE: рабочую станцию, сервер NAS или сетевой шлюз.
Еще один совет: проложить провода с поддержкой 10G для рассмотрения возможности масштабирования сети в будущем.
Как создать сеть 10 Гбит/с?
Чтобы построить сеть со скоростью 10 Гбит/с, вам потребуется сетевой шлюз с поддержкой 10G, соответствующие клиенты и кабели.
В первую очередь необходим сетевой шлюз, который поддерживает подключение всех устройств со скоростью 10 Гбит/с. Чтобы получить максимальную эффективность, вы можете добавить к существующей сети коммутатор 10G. Если вы хотите максимизировать производительность, например, позволить беспроводным устройствам использовать широкую полосу пропускания, вы можете выбрать маршрутизатор 10G WiFi 6.
Гигабитный Ethernet: все что вам нужно о нем знать, часть 1
Сети на основе 10/100 Мбит/с Ethernet будет более чем достаточно для выполнения любых задач в небольших сетях. Но как насчет будущего? Вы подумали о потоках видео, которые будут проходить по сети вашего дома? Справится ли с ними 10/100 Ethernet?
В нашей первой статье, посвященной гигабитному Ethernet, мы вплотную с ним познакомимся и определим, нужен ли он вам. Мы также постараемся узнать, что вам потребуется для создания «готовой к гигабиту» сети и проведем краткий экскурс в гигабитное оборудование для небольших сетей.
Что такое гигабитный Ethernet?
Гигабитный Ethernet также известен как «гигабит по меди» или 1000BaseT. Он представляет собой обычную версию Ethernet, работающую на скоростях до 1.000 мегабит в секунду, то есть в десять раз быстрее 100BaseT.
Основой гигабитного Ethernet является стандарт IEEE 802.3z, который был утвержден в 1998 году. Однако в июне 1999 года к нему вышло дополнение — стандарт гигабитного Ethernet по медной витой паре 1000BaseT. Именно этот стандарт смог вывести гигабитный Ethernet из серверных комнат и магистральных каналов, обеспечив его применение в тех же условиях, что и 10/100 Ethernet.
До появления 1000BaseT для гигабитного Ethernet необходимо было использовать волоконно-оптический или экранированный медный кабели, которые вряд ли можно назвать удобными для прокладки обычных локальных сетей. Данные кабели (1000BaseSX, 1000BaseLX и 1000BaseCX) и сегодня используются в специальных областях применения, поэтому мы не будем их рассматривать.
Группа гигабитного Ethernet 802.3z прекрасно справилась со своей работой — она выпустила универсальный стандарт, в десять раз превышающий скорость 100BaseT. 1000BaseT также является обратно совместимым с 10/100 оборудованием, он использует CAT-5 кабель (или более высокую категорию). Кстати, сегодня типичная сеть построена именно на базе кабеля пятой категории.
В первой литературе о гигабитном Ethernet в качестве области применения нового стандарта указывался корпоративный рынок, и чаще всего — связь хранилищ данных. Поскольку гигабитный Ethernet обеспечивать в десять раз больший канал, чем привычный 100BaseT, естественным применением стандарта является соединение участков, требующих высокую пропускную способность. Это связь между серверами, коммутаторами и магистральными узлами. Именно там гигабитный Ethernet необходим, нужен и полезен.
По мере снижения цен на гигабитное оборудование область применения 1000BaseT расширилась до компьютеров «опытных пользователей» и рабочих групп, использующих «требовательные к пропускной способности приложения».
Поскольку потребности в передаче данных у большинства небольших сетей более чем скромные, вряд ли им когда-нибудь понадобится пропускная способность сети 1000BaseT. Давайте рассмотрим некоторые типичные области применения небольших сетей и оценим их потребность в гигабитном Ethernet.
Так как большинство сетевых игр разрабатываются с учетом игры по Интернету, они довольно экономно относятся к количеству посылаемых по сети данных. Игра использует локальную вычислительную мощность для подготовки данных и отсылает только необходимые участки информации, чтобы удовлетворить различным условиям связи в Интернете.
Хотя в играх работает принцип «быстрее — значит лучше», вряд ли гигабитный Ethernet сможет дать какие-либо преимущества сетевым игрокам. Время реакции — еще один немаловажный фактор в сетевых играх, но любая задержка ниже 10 мс не даст сколько-нибудь заметного выигрыша. Подобная задержка обеспечивается и старой доброй 10 Мбит/с сетью. Так что повышенная пропускная способность гигабитного Ethernet уйдет впустую.
Сегодня самый используемый формат видео — это MPEG-2, требующий 2-6 Мбит/с для «обычного» видео и 12-20 Мбит/с для HDTV (спутникового и т.д.) Конечно, существуют профессиональные приложения, в которых поток может возрасти и до 40 Мбит/с, но вряд ли большинство домашних и офисных пользователей когда-либо вообще его видели.
Более того, ограничение Интернета по пропускной способности, равно как и усиливающееся распространение (относительно) низкоскоростных беспроводных сетей, привели к появлению форматов с лучшим качеством при меньшем потоке. В результате мы получили формат MPEG-4, который отличается лучшей масштабируемостью и может обеспечить более высокое качество, чем MPEG2, при потоках 64 кбит/с — 4 Мбит/с.
Итог таков: если вы не занимаетесь производством видео продукции или вам не нужно передавать одновременно более четырех HDTV потоков, вам вполне хватит и существующей 100BaseT сети на обозримое будущее.
Совет: Прочитайте эту статью, если вас интересует более глубокое описание требований по пропускной способности современных MPEG стандартов (на английском).
Нужен ли он нам, продолжение
Подобное применение характерно, скорее, для малых офисов, особенно в компаниях, занимающихся графическим дизайном, архитектурой или другим бизнесом, связанным с обработкой файлов размером в десятки-сотни мегабайт. Вы легко подсчитаете, что 100-мегабайтный файл будет передан по 100BaseT сети всего за восемь секунд [(100Мбайт x 8бит/байт)/ 100 Мбит/с]. В действительности же многие факторы ухудшают скорость передачи, так что ваш файл будет передаваться несколько дольше. Некоторые из этих факторов связаны с операционной системой, запущенными приложениями, количеством памяти на ваших компьютерах, скоростью процессора и возрастом. (Возраст системы влияет на скорость шин на материнской плате).
Еще одним важным фактором является скорость сетевого оборудования, и переход на гигабитное оборудование позволяет устранить потенциальное узкое место и ускорить передачу больших объемов файлов. Многие подтвердят, что получение скоростей выше 50 Мбит/с на 100BaseT сети — дело отнюдь не тривиальное. Гигабитный же Ethernet сможет обеспечить пропускную способность выше 100 Мбит/с.
Можно рассматривать этот случай как вариант «больших файлов». Если ваша сеть настроена на резервирование всех компьютеров на один файловый сервер, то гигабитный Ethernet позволит вам ускорить этот процесс. Однако здесь существует и подводный камень — увеличение «трубы» пропускания к серверу может не привести к положительному эффекту, если сервер не будет успевать обрабатывать входящий поток данных (также это касается и носителя резервной информации).
Для получения выгоды от высокоскоростной сети вам следует оснастить сервер большим объемом памяти и проводить резервирование на быстрый жесткий диск, а не ленту или CDROM. Как видим, к переходу на гигабитный Ethernet следует основательно подготовиться.
Эта область применения опять же более характерна для сетей малого бизнеса, чем для домашних сетей. Между клиентом и сервером в подобных приложениях может передаваться большой объем данных. Подход прежний: вам необходимо проанализировать объем передающихся сетевых данных, чтобы узнать, сможет ли приложение «успеть» за увеличением пропускной способности сети и достаточно ли этих данных для нагрузки гигабитного Ethernet.
По правде говоря, мы считаем, что вряд ли большинство «строителей» домашних сетей найдут достаточно оснований для покупки гигабитного оборудования. В сетях малого бизнеса переход на гигабит может помочь, но мы рекомендуем сначала провести анализ количества передаваемых данных. С современным состоянием все понятно. Но что делать, если вы желаете учесть возможность будущей модернизации. Что вам нужно сделать сегодня, чтобы быть к ней готовым? В следующей части нашей статьи мы рассмотрим изменения, которые необходимо осуществить с самой дорогой, чаще всего и самой трудоемкой, части сети — кабелем.
Кабель для гигабитного Ethernet
Как мы уже упоминали во введении, одним из ключевых требований стандарта 1000BaseT является использования кабеля категории 5 (CAT 5) или выше. То есть гигабитный Ethernet может работать на существующей кабельной структуре 5 категории. Согласитесь, подобная возможность очень удобна. Как правило, все современные сети используют кабель пятой категории, если только ваша сеть не была установлена в 1996 году или раньше (стандарт был утвержден в 1995 году). Однако здесь существует несколько подводных камней.
Как видно из этой статьи, 1000BaseT использует все четыре пары кабеля категории 5 (или выше) для создания четырех 250 Мбит/с каналов. (Также применяется и другая схема кодирования — пятиуровневая амплитудно-импульсная модуляция — чтобы оставаться в пределах частотного диапазона 100 МГц CAT5). В результате мы можем использовать для гигабитного Ethernet существующую кабельную структуру CAT 5.
Поскольку 10/100BaseT использует только две пары CAT 5 из четырех, некоторые люди не подключали лишние пары при прокладке своих сетей. Пары использовались, к примеру, для телефона или для питания по Ethernet (POE). К счастью гигабитные сетевые карты и коммутаторы обладают достаточным интеллектом, чтобы откатиться на стандарт 100BaseT если все четыре пары будут недоступны. Поэтому ваша сеть в любом случае будет работать с гигабитными коммутаторами и сетевыми картами, но высокой скорости за уплаченные деньги вы не получите.
Еще одна проблема самодеятельных сетевиков — плохая обжимка и дешевые настенные розетки. Они приводят к несоответствиям импеданса, в результате чего возникают обратные потери, а вследствие них и уменьшение пропускной способности. Конечно, вы можете попробовать поискать причину «в лоб», но все же вам лучше обзавестись сетевым тестером, который сможет обнаружить обратные потери и перекрестные помехи. Или просто смириться с низкой скоростью.
1000BaseT ограничен той же максимальной длиной сегмента, что и 10/100BaseT. Таким образом, максимальный диаметр сети составляет 200 метров (от одного компьютера до другого через один коммутатор). Что касается топологии 1000BaseT, то здесь работают те же правила, что и для 100BaseT, за исключением допустимости лишь одного повторителя на сегмент сети (или, если быть более точным, на один «полудуплексный домен коллизий»). Но поскольку гигабитный Ethernet не поддерживает полудуплексную передачу, вы можете забыть о последнем требовании. В общем если ваша сеть прекрасно себя чувствовала под 100BaseT, у вас не должно возникнуть проблем при переходе к гигабиту.
Кабель для гигабитного Ethernet, продолжение
Для прокладки новых сетей лучше всего использовать кабель CAT 5e. И хотя CAT 5 и CAT 5e оба пропускают частоту 100 МГц, кабель CAT5e производится с учетом дополнительных параметров, важных для лучшей передачи высокочастотных сигналов.
Совет:Просмотрите следующие документы Belden, чтобы подробнее узнать о спецификациях CAT 5e кабеля (на английском):
Совет: Наэтой странице приведена полезная таблица категорий кабеля.
И хотя современный CAT 5 кабель будет прекрасно работать с 1000BaseT, вам лучше все же выбрать CAT 5e, если вы хотите гарантировать высокую пропускную способность. Если же вы колеблетесь, прикиньте стоимость кабеля CAT 5 и CAT 5e и действуйте по своим средствам.
Единственное, чего вам следует избегать — рекомендаций по покупке CAT 6 кабеля для гигабитного Ethernet. CAT 6 был добавлен в стандарт TIA-568 в июне 2002 года и он пропускает частоты до 200 МГц. Продавцы наверняка будут уговаривать вас купить именно более дорогую шестую категорию, но она вам понадобится, только если вы планируете построить сеть 10 Гбит/с Ethernet по медной проводке, что на данный момент вряд ли реально. А что насчет кабеля CAT 7? Забудьте про него!
Если же вы располагаете хорошей суммой, то лучше ее потратить на специалиста-сетевика, который обладает достаточным опытом прокладки гигабитных сетей. Специалист сможет грамотно проложить кабели или проверить вашу существующую сеть на работу с гигабитным Ethernet. При установке кабеля CAT 6 мы крайне рекомендуем обратиться за помощью к профессионалам, поскольку этот кабель оговаривает радиус сгиба и специальные качественные разъемы.
В некотором роде вопрос «гигабит или нет» мог быть предметом спора год или пару лет назад. Если смотреть с точки зрения покупателя SOHO, переход от 10 к 10/100 Мбит/с уже случился. Новые компьютеры оснащаются 10/100 Ethernet портами, маршрутизаторы уже используют встроенные 10/100 коммутаторы, а не 10BaseT концентраторы. Однако подобная перемена не является следствием требований и пожеланий домашних «сетевиков». Они довольствуются существующим оборудованием.
За эти изменения нам следует благодарить корпоративных пользователей, которые покупают сегодня в массовых количествах только 10/100 оборудование, что позволяет опустить на него цены. Как только производители потребительского оборудования обнаружили, что использовать 10BaseT чипы по сравнению с 10/100 вариантам дороже, они долго не раздумывали.
Таким образом, вчерашняя архитектура на базе 10BaseT концентраторов незаметно перешла в современные 10/100 коммутируемые сети. Точно такой же переход мы испытаем и с 10/100 на 10/100/1000 Мбит/с. И хотя до переломного момента осталось еще год или два, переход уже начался и цены неуклонно продолжают свое падение вниз.
Все что вам нужно — купить гигабитную сетевую карту и гигабитный коммутатор. Давайте рассмотрим их чуть подробнее.
Вы можете найти сетевые карты, поддерживающие не только 32-битную шину PCI, но и 64-битную, однако и стоят они дороже. Чего вы не увидите, так это CardBus адаптеров для ваших ноутбуков. По каким то причинам производители считают, что ноутбукам гигабитные сети вообще не нужны.
А вот цена 10/100/1000 коммутаторов заставляет десять раз подумать о целесообразности перехода на гигабитный Ethernet. Хорошая новость: сегодня уже появились прозрачные гигабитные коммутаторы, которые стоят гораздо дешевле своих управляемых собратьев для корпоративного рынка.
Придется ли менять компьютеры?
Откроем небольшой секрет гигабитного Ethernet: под Win98 или 98SE вы, скорее всего, не получите никакого преимущества от гигабитной скорости. И хотя с помощью редактирования реестра можно попытаться улучшить пропускную способность, вы все равно не получите существенного прироста производительности по сравнению с текущим 10/100 оборудованием.
Проблема кроется в TCP/IP стеке Win98, который не был разработан с учетом высокоскоростных сетей. У стека возникают проблемы даже с использованием 100BaseT сети, чего уж тогда говорить о гигабитной связи! Мы еще вернемся к этому вопросу во второй статье, но пока что вам следует рассматривать только Win2000 и WinXP для работы с гигабитным Ethernet.
Последним предложением мы отнюдь не подразумеваем, что только Windows 2000 и XP поддерживают гигабитные сетевые карты. Мы просто не проверяли производительность под другими операционными системами, так что воздержитесь, пожалуйста, от язвительных замечаний!
Если вы интересуетесь, придется ли вам выбрасывать старый добрый компьютер и покупать новый для использования гигабитного Ethernet, то наш ответ — «возможно». Судя по нашем практическому опыту, один герц «современных» процессоров равняется одному биту в секунду пропускной способности сети. Один из производителей гигабитного сетевого оборудования согласился с нами: любая машина с тактовой частотой 700 МГц или ниже не сможет в полной мере использовать пропускную способность гигабитного Ethernet. Так что даже с правильной операционной системой старым компьютерам гигабитный Ethernet — все равно, что мертвому припарки. Вы скорее увидите скорости 100-500 Мбит/с, чем что-то, близкое к гигабиту.
Хорошие новости: падение цен на гигабитное сетевое оборудование продолжается, и вы можете с успехом использовать существующую кабельную структуру. Но вам придется модернизировать операционные системы компьютеров и их «железо».
Во второй части нашего обзора мы произведем более глубокое погружение в основы гигабитного Ethernet.
Совет: Если вам нужна подробная информация о гигабитном Ethernet, то вы можете обратиться по ссылкам в соответствующей секции (на английском).
Тестирование 32-битных гигабитных сетевых адаптеров
На самом деле, пока этот закон перевыполняется с лихвой скорости сетей возрастают на порядок (десятичный) чаще, чем раз в десять лет. Они уже покорили гигабитный рубеж и не останавливаются на этом. А мы пока остановимся на гигабите. Действительно, спешить пока некуда: и эта область нами еще не изучена.
Gigabit Ethernet возник в ответ на потребность во все больших и больших скоростях передачи данных. Он дает возможность избавиться от узких мест в сетях за счет увеличения полосы пропускания канала в 10 раз и в основном используется на магистральных линиях сети, для подключения серверов и так далее. Но в настоящее время его применение уже выходит за рамки бекбон-сетей, вычислительных кластеров и распределенных баз данных. Например, такие приложения, как потоковое видео, видеоконференции, обработка сложных изображений тоже предъявляют повышенные требования к пропускной способности, и при наличии большого количества пользователей 100-Мбитная сеть может не справиться с возросшим потоком данных. Поэтому сейчас мы наблюдаем тенденцию к сильному увеличению интереса к новой технологии и естественное возрастание продаж гигабитных адаптеров. Этому способствует и постепенное снижение цен на них.
Давайте поподробнее рассмотрим этот стандарт. Принятый IEEE в июне 1998 года, он был утвержден как IEEE 802.3z. Тогда в качестве среды передачи еще использовался только оптический кабель. Как дополнение, годом позднее утвердили стандарт 802.3ab, где в качестве среды передачи фигурировала неэкранированная витая пара пятой категории.
Gigabit Ethernet является дальнейшим развитием стандартов Ethernet и Fast Ethernet, которые уже хорошо зарекомендовали себя за почти двадцатилетнюю историю. Он быстрее в первого из них в 100 и второго в 10 раз соответственно, а теоретическая пропускная способность gigabit Ethernet достигает 1000 Мбит/сек, что приблизительно равно 120 МБайтам в секунду, то есть вплотную приближается к скорости 32-битной шины PCI 33 МГц. Именно поэтому гигабитные адаптеры выпускаются как для 32-битной PCI (33 и 66 МГц), так и для 64-битной шины. Технология обладает обратной совместимостью с предыдущими стандартами Ethernet (10 и 100 Мбит), что позволяет плавно переводить существующие сети на более высокие скорости, возможно, даже не меняя существующую кабельную структуру.
Стандарт наследует все предыдущие особенности Ethernet, такие как формат кадров, технология CSMA/CD (чувствительный к передаче множественный доступ с обнаружением коллизий), полный дуплекс и тд. И конечно, появились некоторые нововведения, связанные в первую очередь с высокими скоростями передачи данных. Но именно в наследовании старых стандартов состоит огромное преимущество и популярность Gigabit Ethernet. Ведь внешне он выглядит, как старый добрый Ethernet (представляя собой его расширение), а высокие скорости было достигнуты без существенных изменений протокола. Из этого вырастает второе преимущество Gigabit Ethernet перед его ближайшими конкурентами ATM и Fibre Channel его относительно низкая цена. В общем, пока Ethernet доминирует в области сетевых технологий (он составляет более 80 процентов мирового рынка передачи информации). И, возможно, будет доминировать и дальше на горизонте уже показался 10 ГБит Ethernet.
| Стандарт | Тип кабеля | Полоса пропускания (не хуже), МГц*Км | Макс. расстояние, м * |
| 1000BASE-LX (лазерный диод 1300 нм) | Одномодовое волокно (9 мкм) | — | 5000 ** |
| Многомодовое волокно (50 мкм) | 500 | 550 | |
| Многомодовое волокно (62,5 мкм) | 320 | 400 | |
| 1000BASE-SX (лазерный диод 850 нм) | Многомодовое волокно (50 мкм) | 400 | 500 |
| Многомодовое волокно (62,5 мкм) | 200 | 275 | |
| Многомодовое волокно (62,5 мкм) | 160 | 220 | |
| 1000BASE-СX | Экранированная витая пара STP (150 ОМ) | — | 25 |
| * стандарты 1000BASE-SX и 1000BASE-LX предполагают наличие дуплексного режима ** Оборудование некоторых производителей может обеспечивать большее расстояние, оптические сегменты без промежуточных ретрансляторов/усилителей могут достигать 100 км. | |||
Таблица 1. Технические характеристики стандартов 1000Base-X
Годом позже был принят стандарт 1000BASE-T, регламентирующий неэкранированную витую пару категории 5 в качестве среды передачи. Его мы рассмотрим поподробнее.
Отличие 1000BASE-T от Fast Ethernet 100BASE-TX состоит в том, что используются все четыре пары (в 100BASE-TX использовались только две). По каждой из четырех пар данные передаются со скоростью 250 Мбит/сек. Стандарт обеспечивает дуплексную передачу, причем передача по каждой паре обеспечивается в двух направлениях одновременно. В техническом плане реализация гигабитной передачи по витой паре, а тем более в дуплексном режиме, оказалась намного сложнее, чем в 100BASE-TX. Это связано с сильными помехами на пару от соседних трех витых пар, и потребовало разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, а также интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме. В качестве метода кодирования в стандарте 1000BASE-T было использовано 5-уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5.
К параметрам кабеля тоже применяются несколько повышенные требования (касающиеся наводок однонаправленной передачи, возвратных потерь, задержек и фазового сдвига). Это привело к появлению категории 5e для неэкранированной витой пары. Для гарантии работоспособности gigabit Ethernet на кабеле пятой категории, они должны проходить пересертификацию на соответствие новой категории. В принципе, большинство фирменных кабелей ее проходит, а в настоящее время в основном категория 5е и выпускается.
Обжим кабеля для 1000BASE-T производится по следующей схеме:
 |  |
| Прямой (straight-through) кабель. | Перекрестный (crossover) кабель. |
Рис 2. Схема обжима кабеля для 1000BASE-T
Интересные нововведения коснулись уровня MAC-стандарта 1000BASE-T.
В Ethernet-сетях максимальное расстояние между станциями (коллизионный домен) определяется исходя из минимального размера кадра (в стандарте Ethernet IEEE 802.3 он равнялся 64 байтам). Максимальная длина сегмента должна быть такой, чтобы передающая станция могла обнаружить коллизию до окончания передачи кадра (сигнал должен успеть пройти в другой конец сегмента и вернуться обратно). Соответственно, при увеличении скорости передачи нужно либо увеличивать размер кадра, тем самым увеличивая минимальное время на передачу кадра, либо уменьшать диаметр коллизионного домена. При переходе к Fast Ethernet воспользовались вторым вариантом и сократили диаметр сегмента.
В gigabit Ethernet это было неприемлемо. Ведь в этом случае стандарт, наследовавший такие составляющие Fast Ethernet, как минимальный размер кадра, CSMA/CD и время обнаружения коллизии (time slot), сможет работать в коллизионных доменах диаметром не более 20 метров. Поэтому было предложено увеличить время на передачу минимального кадра. Вкупе с тем, что, для совместимости с предыдущими Ethernet, минимальный размер кадра был оставлен прежним 64 байта, а к кадру добавилось дополнительное поле carrier extension (расширение носителя), которое дополняет кадр до 512 байт. Естественно, поле не добавляется в случае, если размер кадра больше 512 байт. Таким образом, результирующий минимальный размер кадра получился равным 512 байтам, время на обнаружение коллизии возросло, и диаметр сегмента увеличился до тех же 200 метров (в случае 1000BASE-T). Символы в поле carrier extension не несут смысловой нагрузки, контрольная сумма для них не вычисляется. При приеме кадра это поле отбрасывается еще на уровне MAC, поэтому вышележащие уровни продолжают работать с минимальными кадрами длиной 64 байта.
Но и тут возникли подводные камни. Хоть расширение носителя и позволило сохранить совместимость с предыдущими стандартами, оно привело к неоправданной трате полосы пропускания. Потери могут достигать 448 байт (512–64) на кадр в случае коротких кадров. Поэтому стандарт 1000BASE-T был модернизирован ввели понятие Packet Bursting (пакетная перегруженность). Она позволяет намного эффектней использовать поле расширения. А работает это так: если у адаптера или коммутатора есть несколько небольших кадров, требующих отправки, то первый из них отправляется стандартным образом, с добавлением поля расширения до 512 байт. А все последующие отправляются в оригинальном виде (без поля расширения), с минимальным интервалом между ними в 96 бит. И, что самое главное, этот межкадровый интервал заполняется символами расширения носителя. Это происходит до тех пор, пока суммарный размер отправляемых кадров не достигнет предела 1518 байт. Таким образом, среда не замолкает на всем протяжении передачи малых кадров, поэтому коллизия может возникнуть только на первом этапе, при передаче первого правильного малого кадра с полем расширения носителя (размером 512 байт). Этот механизм позволяет существенно повысить производительность сети, особенно при больших нагрузках, за счет уменьшения вероятности возникновения коллизий.
Но и этого оказалось мало. Сначала gigabit Ethernet поддерживал только стандартные размеры кадров Ethernet от минимального 64 (дополняемых до 512) до максимального 1518 байт. Из них 18 байт занимает стандартный служебный заголовок, а для данных остается от 46 до 1500 байт соответственно. Но даже пакет данных размером 1500 байт слишком мал в случае гигабитной сети. Особенно для серверов, передающих большие объемы данных. Давайте немного посчитаем. Для передачи файла размером 1 Гигабайт по незагруженной Fast Ethernet сети, сервер обрабатывает 8200 пакетов/сек и затрачивает на это минимум 11 секунд. В это случае только на обработку прерываний у компьютера мощностью 200 MIPS уйдет около 10 процентов времени. Ведь центральный процессор должен обработать (посчитать контрольную сумму, передать данные в память) каждый пришедший пакет.
| Скорость | 10 Мбит/сек | 100 Мбит/сек | 1000 Мбит/сек | |||
| Размер кадра | 64 байта | 1518 байт | 64 байта | 1518 байт | 64 байта | 1518 байт |
| Кадры/сек | 14.8K | 812 | 148K | 8,1K | 1,48M | 81K |
| Скорость передачи данных, Мбит/сек | 5,5 | 9,8 | 55 | 98 | 550 | 980 |
| Интервал между кадрами, мкс | 67 | 1200 | 6,7 | 120 | 0,7 | 12 |
Табл 2. Характеристики передачи сетей Ethernet.
В гигабитных сетях ситуация еще печальней нагрузка на процессор возрастает примерно на порядок из-за сокращения временного интервала между кадрами и соответственно запросами на прерывания к процессору. Из таблицы 1 видно, что даже в наилучших условиях (использование кадров максимального размера), кадры отстоят друг от друга на временной интервал, не превышающий 12 мкс. В случае использования кадров меньшего размера этот временной интервал только уменьшается. Поэтому в гигабитных сетях узким местом, как ни странно, стал именно этап обработки кадров процессором. Поэтому на заре становления gigabit Ethernet фактические скорости передачи были далеки от теоретического максимума процессоры просто не справлялись с нагрузкой.
Также многие современные сетевые адаптеры используют специальные аппаратные средства для снятия части нагрузки по обработке трафика с центрального процессора. Кроме того, при большом трафике используется буферизация процессор прерывается для обработки нескольких кадров сразу. Конечно, подобные особенности сказываются и на увеличении цены этих адаптеров.
Список карт
В обзоре мы рассмотрим три карты стандарта gigabit Ethernet (все они являются «Desktop» (не серверными) версиями). Все были протестированы на шине PCI 33 Мгц.
Первая LNIC-1000T от LG Electronics.
Двухчиповая карта использует микроконтроллеры от National Semiconductor Corporation. Карта имеет 6(!) светодиодных индикаторов, три из которых несут информацию о скоростях 10/100/1000 Мбит (3 индикатора), а остальные три показывают наличие коллизии, передачи данных и режима полного дуплекса. Один из контроллеров карты DP83861VQM-3 скрыт под радиатором. Он является трансивером физического уровня и может работать на скоростях 10/100/1000 Мбит/сек в режимах полу- и полного дуплекса. Поддерживает режим автосогласования скоростей и режимов из вышеназванного списка (IEEE 802.3u Auto-Negotiation).
Для установки сетевого адаптера в ОС Windows 2000 использовались прилагаемые в поставке драйвера, так как на сайте компании новых версий обнаружено не было.
Версия драйвера 5.0.1.24. Он обеспечивает доступ к довольно большому числу настроек карты. Во время тестирования все настройки оставлялись по умолчанию, менялся только размер Jumbo Frame (он мог задаваться дискретными величинами 1514, 4088, 9014 и 10000 байт).
В ОС Linux прилагаемые драйвера не заработали. Точнее, исходники драйвера не собирались, поэтому использовался встроенный в ОС драйвер «National Semiconduct DP83820» версии 0.18. В этом драйвере размер Jumbo Frame лимитирован сверху числом 8192.
Следующая карта Hardlink HA-32G от MAS Elektronik AG.
Сетевая карта собрана на тех же двух контроллерах, что и предыдущая. Но используется немного другая PCB и отсутствует радиатор на трансивере. В наличии три светодиодных индикатора, показывающих скорость работы 10/100/1000 Мбит и передачу данных мерцанием. Так как на сайте компании тоже отсутствовали новые версии драйверов, использовались те, что шли в комплекте.
Версия драйвера в Windows 2000 тоже 5.0.1.24. Но его интерфейс предоставляет намного меньше настроек сетевого адаптера, чем у предыдущей карты. Настройки драйвера тоже были оставлены по умолчанию. Верхний предел размера Jumbo Frame неизвестен, но максимальный используемый при тестировании размер (16128 байт) устанавливался без проблем.
Последняя рассматриваемая в этом обзоре плата Intel PRO/1000 MT Desktop от Intel Corporation.
Драйверы для обоих ОС брались с сайта компании. Версия драйвера в Windows 2000 6.2.33.0, он предоставляет богатые возможности по конфигурированию адаптера. Тем не менее, настройки оставлялись по умолчанию. Как обычно, менялся только размер Jumbo Frame (он мог задаваться дискретными значениями: 4088, 9014, 16128 байт).
Linux-драйвер версии 4.3.15 собрался и заработал без проблем.
Методика тестирования
Hkey_Local_MachineSystemCurrentControlSetServicesTcpipParameters
TcpWindowSize = ffff
Hkey_Local_MachineSystemCurrentControlSetServicesTcpipParameters
TcpWindowSize = 20971520 (20 Мб)
Tcp1323Opts = 3
Каждый тест запускался 15 раз, после чего выбирался лучший (по скорости) результат. В случае NTttcp загрузка процессора измерялась встроенными средствами программы, а в Iperf с помощью системного монитора Windows 2000.
В ОС Linux для генерации трафика и снятия показаний использовалась программа netPIPE версии 2.4. Программа осуществляет генерацию трафика с постепенно возрастающим размером пакета данных (пакет размера N передается несколько раз, количество передач обратно пропорционально его размеру, но не меньше семи). Эта схема позволяет наглядно увидеть процент использования канала в зависимости от размера передаваемых данных.
Результаты тестирования
1. Windows 2000, скорость передачи данных.
2. Windows 2000, загрузка процессора.
Как ни странно, скорость работы не превышает 600 Мбит/сек даже с размером Jambo frame в 16128 байт. Непонятно, где узкое место, так как процессор в любом случае загружен не полностью. Также заметно, что от увеличения размера кадра менее всего в плане производительности (скорости передачи данных) выигрывает адаптер от Intel скорость возрастает незначительно, хотя загрузка процессора и падает. Рекордсмен в плане наименьшей процессорной загрузки адаптер Intel PRO/1000 MT, он минимум в два раза обгоняет своих конкурентов. Это неудивительно базируется на более новом контроллере. А вот по скоростным характеристикам с отключенными Jumbo Frame вперед опять вырывается Intel, а если их включить, то в основном лидирует LG LNIC-1000T. Почему отстал адаптер от Intel, неясно, возможно проблема в драйвере.
3. Linux, изменяем размер MTU.
Как ни странно, при увеличении размера кадра скорость у адаптера PRO 1000/MT только падает. Наверное, виноват все-таки драйвер. Зато у LNIC-1000T тут все в порядке.
4. Linux, сравнение производительности на одинаковом размере MTU.
При отсутствии Jumbo Frame Intel PRO 1000/MT, как обычно, лидирует, а вот при их включении карты меняются местами, и их скорость сравнивается только на очень больших размерах передаваемых блоков данных.
В заключение приведу диаграмму сравнения пиковой производительности этих двух адаптеров при различных размерах MTU. Кстати, обращаю внимание, что результирующая скорость в Linux больше, чем в Windows.
Выводы
Тестирование показало значительные преимущества при использовании больших кадров (Jumbo Frame) в работе, поэтому их лучше включать. Конечно, их поддержка требуется не только от сетевого адаптера, но и от коммутатора, а не все из них эти кадры поддерживают.
Безусловно, после нормализации ситуации с производительностью адаптера Intel PRO 1000/MT при использовании Jumbo Frame, он будет безусловным лидером. Хотя он уже выигрывает по наименьшей загрузке процессора, что немаловажно. Повторюсь, что это заслуга в первую очередь более нового контроллера.