Сети Ethernet масштаба города: проблемы и решения

В настоящее время все большее число операторов связи и провайдеров Internet обращаются к нам с вопросами о построении сети Ethernet масштаба города. Это связано, во-первых, с возросшими требованиями клиентов, во-вторых, с желанием операторов связи и провайдеров Internet иметь простую, высокопроизводительную и легко управляемую сеть передачи данных. Таковой сетью является сеть Ethernet. Однако если на технологии Ethernet легко создавать локальные сети и сети для группы близко расположенных зданий (кампусные сети), то построение сети Ethernet масштаба города требует учета многих факторов. Такими факторами являются большие расстояния между узлами сети, непредсказуемое развитие топологии и многое другое. Учету различных факторов и путям преодоления проблем при построении городской волоконно-оптической сети Ethernet и посвящена данная статья.

Цель построения сети масштаба города (MAN)

Целью построения городской сети Ethernet операторами связи и провайдерами Internet является повышение собственной конкурентоспособности за счет более эффективного удовлетворения потребностей клиента в услугах связи и передаче данных на основе простой, надежной, высокопроизводительной технологии Ethernet.

Топологии

Среди топологий городских сетей можно выделить топологии "Звезда", "Кольцо" и "Паутина", а также их частные случаи. Рассмотрим топологии подробнее.

Топология "Звезда" — классическая для сетей Ethernet. Применительно к городским сетям для нее характерно наличие высокопроизводительного коммутатора в центре сети и менее производительных коммутаторов на ее периферии. Основное преимущество такой топологии — нечувствительность к отказу отдельных линий связи, то есть отказ одной линии или луча звезды не приводит к выходу из строя всей сети. Основной недостаток такой топологии — выход из строя центрального коммутатора — приводит к отказу всей сети за исключением периферийных сетей.

Топология "Кольцо" — относительно новая для сетей Ethernet и реализуется в основном существующими операторами SDH связи. Для нее характерно, что все оборудование по кольцу обладает примерно одинаковой производительностью, но должно обеспечивать функции запрета петлевого трафика. Основное преимущество такой топологии — нечувствительность к отказу отдельного сектора кольца. Основной недостаток — оборудование такой сети должно быть достаточно интеллектуальным и соответственно достаточно дорогим, чтобы обеспечивать функции запрета петлевого трафика и нечувствительность к отказу отдельного сектора кольца.

Обычно кольцевые Ethernet сети строят на маршрутизаторах или коммутаторах 3-го уровня (ниже рассмотрим, почему). Но для упрощения и удешевления таких сетей применяют два частных случая кольцевой топологии, так называемые "Подкова" и "Многоточечный луч".

Топология "Подкова" — это та же кольцевая топология, но с разрывом на одном из узлов сети. В разрыв кольца устанавливается маршрутизатор, с помощью которого достигается целостность сети передачи данных при отказе отдельного сектора кольца, а также недопустимость петлевого трафика. Такая топология снижает стоимость сети без потери функциональности, но за счет таймаутов, заданных для недопустимости петлевого трафика на маршрутизаторе, снижается производительность такой сети.

Топология "Многоточечный луч" это удешевление кольцевой топологии за счет потери надежности сети в целом. Отказ любого отрезка или узла сети приводит к нарушению целостности сети.

Топология "Паутина" — классическая многосвязная топология для сетей ATM. Все оборудование в такой сети обладает высокой производительностью и очень высокой интеллектуальностью программного обеспечения маршрутизации. Основное преимущество такой топологии — нечувствительность к отказу отдельных линий связи и узлов сети. Основной недостаток — оборудование сети из-за высокой интеллектуальности программного обеспечения маршрутизации довольно дорого. Обычно для построения таких сетей применяются высокопроизводительные маршрутизаторы Ethernet, или все-таки строят ATM сеть.

Проблемы и пути преодоления

При построении городской магистрали операторы связи и провайдеры Internet справедливо требуют применения в проекте самой современной и в то же время действующей технологии. На сегодняшний день такой технологией является Gigabit Ethernet. Но для городской магистрали в технологии Gigabit Ethernet есть ряд ключевых характеристик, без учета которых построение такой сети может оказаться бесполезным.

Расстояния между узлами сети (между станциями).

Самое большое расстояние между узлами сети обеспечивает интерфейс 1000Base-LX — до 5 километров. Но для построения сети передачи данных масштаба города этого было недостаточно, и поэтому некоторые производители стали выпускать оборудование, которое позволяет увеличивать расстояния между узлами сети до 100 километров. Большие расстояния обеспечиваются увеличением мощности передатчика и улучшением чувствительности приемника интерфейса.

Однако расстояния между узлами сети (между станциями), задаваемые стандартами, ограничены вовсе не мощностью передатчика и чувствительностью приемника, а диаметром коллизионного домена или фактически временем распространения сигнала между станциями1. А так как магистральные сети используют дуплексное соединение между узлами сети, то и понятие коллизионного домена, а также и польза от самой сути технологии Ethernet — CSMA/CD — теряет смысл. В результате невозможно проконтролировать процесс отбрасывания пакетов удаленной станцией, что приводит к значительному снижению скорости, так как контролем целостности потока информации занимаются протоколы верхнего уровня, например TCP.

Для искоренения этой проблемы существует ряд решений: использование протоколов управления потоками, буферизация с помощью буферных повторителей, использование служб QoS, использование протоколов резервирования ресурсов, например, RSVP. Более обширное описание QoS и RSVP можно почерпнуть из книги В. и Н. Олифер "Новые технологии и оборудование IP сетей", издательство "БХВ — Санкт Петербург", 2000 г. Рассмотрим более подробно управления потоками и буферизацию.

Управление потоками.

Отказ от разделяемой среды и переход на коммутируемые решения позволяет повысить общую производительность сети. Однако он несет новую для сети проблему — необходимость управления потоком для борьбы с заторами трафика и предотвращением потерь кадров. Разделяемые среды, построенные на концентраторах или пассивном кабеле, с этой проблемой не сталкиваются. Алгоритм доступа к среде автоматически притормаживает конечные узлы при перегрузках, просто не разрешая им передавать кадры в сеть. Коммутаторы LAN, поддерживающие полнодуплексный режим, не могут помешать конечным узлам использовать индивидуальные связи с коммутаторами на максимальной скорости.

Разработчики коммутаторов для управления потоком в полнодуплексном режиме были вынуждены пойти на некоторые хитрости. Например, использование фиктивных встречных кадров в методе "обратного давления" на источник данных или же уменьшение паузы после коллизии по сравнению с ее стандартным значением дает коммутатору преимущество перед сетевым адаптером при захвате канала связи (среды передачи). Эти методы дают хороший результат и позволяют подавить активность конечного узла в случае перегрузок, что, в конечном счете, эффективнее, чем прием кадров и дальнейшее их отбрасывание.

Для полнодуплексных версий протоколов, каковым является Gigabit Ethernet, дело обстоит проще. Стандарт IEEE 802.3x определяет следующее. При переполнении внутренних буферов коммутатор просто передает устройствам, подключенным к его входным портам, команду X-off, запрещающую передавать кадр, а при разгрузке буферов команду X-on, разрешающую продолжить передачу кадров.

Механизм приостановки передачи кадров стандарта IEEE 802.3x — не единственный, который применяется коммутаторами для управления потоком данных. Механизмы профилирования и формирования трафика, работающие на коммутаторах, имеющие встроенные службы QoS, также направлены на уменьшение интенсивности потоков данных при перегрузках. При этом они выполняют отбрасывание кадров с учетом важности каждого потока данных и его минимальные потребности к пропускной способности. Это уменьшает отрицательное влияние отбрасывания кадров на эффективность работы приложений.

Буферизация (буферный повторитель).

Устройства Ethernet поддерживают дуплексный режим, как на физическом уровне, так и на уровне MAC. Традиционные повторители с портами RJ-45 (10Base-T, 100Base-TX) хотя и имеют дуплексную связь на физическом уровне, но из-за логической топологии шины внутри себя могут поддерживать только полудуплексный режим, благодаря чему создается коллизионный домен ограниченного диаметра. Хотя в стандарте Gigabit Ethernet и допускается использование традиционных повторителей, представляется более эффективным новое устройство — буферный повторитель.

Протокол CSMA/CD реализует метод доступа к сети в целом, но не к сегменту. Буферный повторитель — это многопортовое устройство с дуплексными каналами связи. Каждый порт его имеет входной и выходной буферы. Разумеется, удаленное устройство, подключено к повторителю, также должно поддерживать дуплексную связь на физическом и MAC уровнях. Очередной кадр, прибывая на входной порт, размещается в очереди входного буфера порта и далее пересылается в выходные буферы остальных портов (за исключением выходного буфера этого порта). Внутри повторителя отрабатывается протокол CSMA/CD, на основе которого кадры из входных буферов переходят в выходные буферы других портов.

Заключение

Задачи, стоящие перед оператором связи, предоставляющим услуги широкополосного доступа к сети, в первую очередь заключаются в обеспечении требуемой абонентом полосы пропускания, а также гарантированной доставки той информации, которая чувствительна к задержкам в сети (это, например, относится к передаче голоса или видео). Со своей стороны, оператор должен иметь возможность осуществлять сбор статистики о том, какими услугами и в каких объемах пользуются его абоненты для осуществления полноценного биллинга.

Именно приведенные выше нюансы удерживали операторов от построения своих сетей доступа на базе технологии Ethernet. А ведь использование Ethernet, как стандартной технологии, успевшей за десятилетия существования доказать свою живучесть, имеет массу преимуществ. Во-первых, Ethernet оказался хорошо масштабируемой технологией, быстро пройдя путь от 10 Мбит/с до гигабитных скоростей. Во-вторых, абонентское оборудование Ethernet крайне дешево (сетевая плата 10/100 Мбит/с сегодня стоит около 10 долларов). И, в-третьих, предоставление абонентам канала Ethernet вместо модемной линии или подключения xDSL дает возможность уже сегодня осуществлять доступ к сетевым ресурсам на скоростях до 100 Мбит/с, а это обеспечивает запас пропускной способности на достаточно длительный промежуток времени (ведь на сегодня скорость в 1 Мбит/с для индивидуального абонента сети кажется огромной, если не чрезмерной).

Таким образом, проблема развертывания сетей доступа на базе Ethernet сдерживалась лишь отсутствием механизма обеспечения качества услуг и управления полосой пропускания для абонентов. Появление новых разработок и стандартов в этой области позволило снять данную проблему. Но надо всегда учитывать, что сеть — это целостная система, а не просто набор независимых частей. И чтобы набор сетевых устройств объединить в стройную, единую систему требуется индивидуальный подход профессионалов при разработке сетевого проекта. В любом случае специалисты компании "Wizard" готовы ответить на Ваши вопросы и помочь Вам в организации Вашей сети.

Примечание.

1 Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD, что и Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения, накладываемые на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.

В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байта. Именно он определяет максимальное допустимое расстояние между станциями (диаметр коллизионного домена). Время, за которое станция передает такой кадр — время существования канала — равно 512 BT (bit time) или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно время, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно, не должно превышать 512 BT (без учета преамбулы).

При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длины 64 байта соответственно сокращается — оно равно 5,12 мкс (в Fast Ethernet 1 BT = 0,01 мкс). Для того, чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, как и раньше необходимо удовлетворить одному из условий: сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала (и, следовательно, увеличить минимальную длину кадра), или сохранить время канала (сохранить прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента.

В Fast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это сохранило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена. Опять же в силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но, поскольку скорость передачи возрастает, то соответственно уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров, что могло быть мало полезным.

Поэтому, при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время канала. В Gigabit Ethernet оно составляет 4096 BT и в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название "расширение носителя".