Архитектура протокольного стека 10 Gigabit Ethernet

10G Ethernet
В 1999 году в комитете IEEE 802.3 была создана специальная группа (Higher Speed
Study Group) для разработки Спецификации Ethernet с битовой скоростью 10 Гбит/с.
Достижение этой амбициозной цели требовало решения следующих задач:
 сохранение формата кадра IEEE 802.3, в том числе, и предельных значений его
размеров;
 обеспечение совместимости со всеми предыдущими версиями Ethernet;
 определение физических интерфейсов, обеспечивающих построение сетевых
сегментов протяженностью не менее 200 м на многомодовых и не менее 3 км на
одномодовых ВОЛС;
 разработка независимого от скорости передачи МАС уровня, обеспечивающего
работу на скорости 10 Гб/с в ЛВС и со скоростью 9953,28 Мб/с (STS 192, SDH
STM 64) в глобальных сетях;
 обеспечение условий, при которых оборудование 10 Гб/с было бы не более, чем в
2-3 раза дороже своих 1 Гб/с аналогов.
К концу 2002 года основная работа группы была завершена принятием Спецификации
IEEE 802.3ae, явившейся стандартом де-факто для всех производителей оборудования и
компонент таких высокоскоростных сетей.
Основным преимуществом рассматриваемой технологии является то, что она
предложила пользователям очень высокую пропускную способность по весьма низкой
цене. При этом поддержка и управление функционированием таких сетей не требует
сверхбольших усилий и вполне осуществима администраторами ЛВС. Кроме этого,
серьезным достижением явилось превращение Ethernet в технологию построения крупных
городских и региональных сетей, ее почти бесшовная интеграция с сетями SDH. Важно,
что такая интеграция не требует преобразований формата кадра, трансляции адресов,
исключает необходимость в использовании маршрутизаторов на границах корпоративных
сетей и, следовательно, повышает эффективную скорость передачи данных. Вместе с тем,
эта технология наследует присущий всем вариантам Ethernet недостаток средств
обеспечения качества обслуживания, что должно компенсироваться протоколами
вышестоящих уровней.
Протокольный стек 10 Gigabit Ethernet
Уровневая структура протокольного стека 10Gigabit Ethernet представлена на рис.1.
MAC
(Full duplex)
XGMII - 10Gigabit Media Independent Interface
Независящий от среды предачи MAC-PHYинтерфейс
XAUI - 10Gigabit Attachment Unite Interface
Опциональный интерфейс оптического трансивера
Т
Р
А
Н
С
И
В
Е
Р
PCS
PMA
PMD
Physical Coding Surlier (Encoder/Decoder)
Подуровень физического кодирования
Physical Medium Attachment (MUX/DEMUX…)
Подуровень подсоединения к физической среде
Physical Media Dependent
Процедуры, зависящие от среды передачи
MDI - Media Dependent Interface
Зависящий от среды предачи интерфейс (RJ45, SC..)
Рис.1. Уровневая структура протокольного стека 10Gigabit Ethernet
MAC-уровень
MAC-уровень в новой спецификации претерпел минимальные изменения в
сравнении с предыдущими Спецификациями семейства 802.3. Был сохранен формат
кадра, его минимальный (64 бата) и максимальный (1518 байт) размер. Основное отличие
– отсутствие поддержки полудуплексного режима работы, т.е. исключение из
Спецификации требования поддержки алгоритма множественного доступа CSMA/CD.
Именно этот алгоритм является причиной достаточно низкой производительности и
ограничений минимального размера кадра, с чем и было связано введение поля
расширения в кадр 802.3z, отрицательно влиявшего на производительность протокола.
Развитие архитектур и повышение производительности коммутаторов,
обеспечивающих двухточечную топологию связей, сделало совместное использование
среды передачи необязательным. К тому же, каналы с пропускной способностью 10 Гб/с.
используются для формирования базовых магистралей корпоративных сетей, обеспечения
доступа к высокопроизводительным серверам и т.п., т.е. МАС-протокол в коммутируемой
сети должен поддержать передачу данных на соединениях «точка-точка».
В этих условиях, максимальный размер сетевого сегмента определяется не
особенностями процедуры детектирования коллизий, а исключительно свойствами
физической среды передачи, энергетическим бюджетом приемо-передатчиков и
свойствами применяемых методов модуляции. Это делает излишним поле расширения и
пакетный режим передачи коротких кадров, которые были введены в Спецификации
802.3z.
Поддержка МАС уровнем физических каналов с битовой скоростью 1 и 10 Гб/с
для ЛВС и каналов STS 192c со скоростью 9,584640 Гб/с для территориальных сетей
потребовала наличия специальной процедуры регулирования скорости битового потока.
Это уменьшение скорости потока, передаваемого на физический уровень, достигается
посредством приостановки на определенный период времени передачи данных.
Рассматривались два алгоритма регулирования. В соответствии с первым из них
приостановка отправки кадра производится по сигналу от физического уровня, который
передается по интерфейсу XGMII. Длительность паузы равна периоду тактовой
последовательности, а ее включение в битовый поток возможно в любой момент времени,
кратный периоду передачи 32 битного слова (алгоритм Word-by-Word). Достоинством
алгоритма является его инвариантность к используемому методу кодирования, отсутствие
необходимости в большом буфере для хранения кадров, возможность более тонкой
подстройки скорости потока и независимость размера буфера от битовой скорости линии.
Вместе с тем, определение размера буфера и синхронизация «приемник-передатчик»
становятся довольно сложными.
Второй алгоритм уменьшает скорость битового потока посредством увеличения
межкадровых интервалов (IFG). Его достоинством является относительная простота
реализации, но он требует достаточно большого буфера, поскольку функционирует в
период межкадровых интервалов. Возможны два варианта реализации этого алгоритма, по сигналу «Hold» от физического уровня и вариант саморегулирования. В первом случае
приостановка передачи MAC-уровнем производится по сигналу «Busy Idle»,
поступающему от физического уровня по интерфейсу XGMII; передача возобновляется по
сигналу «Normal Idle». Во втором случае МАС-уровень, зная скорость битового потока
физического уровня, регулирует свою среднюю скорость передачи посредством
изменения IPG после передачи каждого кадра. При этом величины межкадровых
интервалов варьируется в зависимости от величины последнего переданного кадра.
Достоинствами такого варианта являются упрощение схемы взаимодействия МАС-PHY и
меньшая величина требуемого буфера на физическом уровне.
Физический уровень
Основные трудности в разработке 10G Ethernet возникли при определении
спецификации физического уровня.
Интерфейс XGMII
10-Gigabit Media Independent Interface обеспечивает взаимодействие физического и
канального уровней. Его обобщенная схема приведена на рис.2.
MAC
4 b_Contr
4 b_Contr
32b_Data
Tx_Word_Hold
Tx_Clock
Rx_Clock
PCS
Рис.2. Схема интерфейса XGMII
Интерфейс XGMII, как видно из рис.2, содержит 75 линий. Линия Tx_Word_Hold
включена для поддержки алгоритма Word-by-Word согласования скоростей. Передачаприем данных по 32-битным линиям обеспечиваются 4-битными линиями управления (по
1 биту на каждый байт). Контрольный бит устанавливается в 1 для байта разделителей и
специальных символов (Hold, StartOfPacket, EndOfPacket, Error); нулевое его значение
соответствует байту данных. Перечисленные специальные символы необходимы для
синхронизации операций мультеплексирования/демультиплексирования, реализуемых на
физическом уровне. Отметим, что рассматриваемый интерфейс масштабируется как по
ширине шины данных, так и по скорости. Действительно, использую 8-битную шину
данных с одним управляющим битом, можно обеспечить битовую скорость в 4 раза выше.
Благодаря этому XGMII поддерживает как последовательную, так и параллельную
архитектуры построения физического уровня.
Архитектура физического уровня
Спецификация 802.3ae предусматривает возможность последовательной и
параллельной архитектур физического уровня. Последовательная архитектура (рис.3)
требует применения высокочастотных электронных компонент и более сложных методов
физического кодирования, но предъявляет менее строгие требования к нестабильности
тактовых частот и использует один комплект лазерного оборудования.
64b
66b
100101
Encoder
64b
MUX
Laser
Driver
Laser
O
p
t
i
c
66b
Decoder
PCS
DEMUX
PMA
100101
Resynchronization,
signal restoration
Photo
diode
PMD
Рис.3. Функции физического уровня последовательной архитектуры в
протокольном стеке 10Gigabit Ethernet
C
a
b
e
l
Параллельная архитектура предполагает разделение битового потока MAC-уровня
на 4 парциальных потока интенсивностью 2.5 Гб/с и реализацию всех компонент
физического уровня для каждого из них. Передача парциальных потоков может
осуществляться либо по четырем физическим линиям (оптическим волокнам), либо по
одному волокну с использованием техники мультиплексирования по длине волны (WDM).
Основным преимуществом параллельной архитектуры является возможность
использования менее высокочастотных электронных компонент и относительно простых
схем кодирования. Однако, процедуры демультиплексирования исходного потока и их
объединение на приемной стороне предъявляют очень высокие требования к
стабильности частоты генераторов синхронизации.
Технология Ethernet является технологией ЛВС, в которой передача данных на
физическом уровне имеет асинхронный характер. Поэтому, важной особенностью
физического уровня Спецификации 802.3.ae является выделение в нем группы процедур
(WAN PHY), обеспечивающих передачу кадров 10G Ethernet по линиям синхронной
цифровой иерархии SONET/SDH. Для этого подуровень кодирования WAN PHY был
дополнен подуровнем WAN Interface Sublayer (WIS). Этот подуровень выполняет
формирование стандартных кадров STS 192c с их специальными управляющими
сигналами, позволяющими SDH-менеджеру принимать Ethernet-линию как стандартную
STS-линию. Однако следует подчеркнуть, что функции WIS не изменяют асинхронной
природы Ethernet и обеспечивают лишь возможность подключения коммутаторов 10G к
устройствам доступа сетей SONET/SDH; полноценным синхронным интерфейсом STS
192 (STM-64) коммутаторы 10G Ethernet не располагают. Обобщенная схема физического
уровня приведена на рис.4.
Full Duplex MAC
RECONCILIATION (Подуровень согласования)
PCS
4 линии
8B/10B
PCS
Последоват. код
64B/66B
PCS
Последоват. код
64B/66B
WAN Interface
Sublayer (WIS)
PMA
MUX/DEMUX
16x644Mbit/s
PMA
MUX/DEMUX
16x622Mbit/s
PMD
10GBASE-L4
PMD
10GBASE-[E,L,S]
PMD
10GBASE-[E,L,S]
4x3,125 Gbit/s
10,3125 Gbit/s
9,95 Gbit/s
LAN PHY
WAN PHY
Рис.4. Архитектура физического уровня 10G Ethernet
Подуровень физического кодирования
Физический уровень с последовательной архитектурой для логического
кодирования использует процедуру скремблирования и к каждому 64-битному блоку
добавляет два контрольных бита: 01, если передаваемый блок состоит только из битов
данных, 10 – если в блоке есть контрольные биты и биты данных. Дибиты 11 и 00 не
используются, и их появление интерпретируется как ошибка. Добавление управляющих
битов позволяет исключить слишком длинные последовательности нулей и единиц,
улучшить свойства самосинхронизации кодовых слов. В сравнении с логическим
кодированием по схеме 8B/10B, используемым физическим уровнем параллельной
архитектуры, кодирование по схеме 64B/66B вносит существенно более низкую
избыточность.
66-битные блоки от подуровня PCS по 16-битному интерфейсу передаются уровню
PMA, который преобразует их в последовательный поток битов для подуровня PMD.
Подуровень физического подключения
Подуровень физического подключения (PMD) преобразует последовательный
поток битов в оптические (электрические) сигналы. Этот подуровень также получился
разным для различных PHY и разных типов волокна. Изначально были определены три
оптических интерфейса: 10GBASE-S для работы на волне 850нм (Short), 10GBASE-L для
работы на волне 1310нм (Long) и 10GBASE-E для волны 1550нм (Extra long). Этот набор
весьма похож на гигабитные интерфейсы как по смыслу, так и по обозначениям.
Проблемы использования многомодового волокна на столь высоких скоростях
собственно и привели к необходимости параллельной архитектуры физического уровня.
Для нее был специально разработан оптический интерфейс (и уровень PMD,
соответственно) 10GBASE-L4.
Особенности функций физического уровня для ЛВС и SONET/SDH также не могли
не сказаться и на уровне оптических интерфейсов и появились определения интерфейсов
10GBASE-R (для ЛВС) и 10GBASE-W (для сетей SDH). В результате, существуют семь
вариантов комбинаций подуровней PCS и PMD (рис.5).