Gigabit Ethernet v. ATM LANE

2.12.1998

Antti Partanen

Sähkötekniikan osasto

Teknillinen Korkeakoulu

Antti.Partanen@hut.fi



 
 

Tiivistelmä

 Gigabit Ethernet ja ATM-tekniikan LAN-Emulaatio ovat nykyajan tietoliikenneverkkojen kaksi eniten yleistynyttä ja nopeinta tekniikkaa. Nämä tekniikat kilpailevat markkinaosuuksista lähiverkoissa, joiden koko on korkeintaan niinsanotun campus-alueen kattavia. Campus-alueella voidaan käsittää esimerkiksi Otaniemen Teknillisen Korkeakoulun kaikkien laitosten yhteistä verkkokokonaisuutta. Ne seikat, jotka tulevat ratkaisemaan tämänkin taiston, ovat kuten on jo aikojen alusta on ollut: raha ja valta. Tässäkin taistossa vallalla saa rahaa, mutta jos alussa pienemmälle kilpailijalle antaa pikkusormen, se vie helposti koko käden. Näin näyttää tilanne olevan Gigabit Ethernetin ja ATM-tekniikan välisessä kilpailussa. ATM tuli 1990-luvun alussa pioneerina valokaapelitekniikan saralla markkinoille kovan nopeuslisäyksen auttamana. Tällöin nopeus nousi ensimmäistä kertaa yli 100 megabitin sekunnissa, 155 megabittiin samassa ajassa, yhdessä valokuituparissa. ATM-tekniikkaa on sittemmin kehitetty, ja tämänhetkinen nopeus on 622 Mbps. Mutta nyt kentällä on uusi pelaaja. Lähiverkkojen tekniikkana yli 80 prosentin markkinaosuudella aikaisemmin tunnettu Ethernet on nyt noussut jälleen uudelle tasolle. Sitäkin nopeutettiin ensin alkuperäisestä kymmenestä megabitistä sekunnissa sataan megabittiin sekunnissa, siitä tuli Fast Ethernet. Nyt nopeus on 1000 megabittiä sekunnissa, eli tuttavallisemmin Gigabit Ethernet. Mitä tulee aiheeseen, kilpailutilanne ei ole selkeä vastakkainasettelu, sillä ATM-tekniikka on nyt, ja tulee säilymäänkin, runkoverkkojen perustekniikkana vielä pitkälle tulevaisuuteen. Gigabit Ethernet näyttää kuitenkin tällä hetkellä olevan niskan päällä jo mainituissa pienempien alueiden verkoissa, ja sillä on, toisin kuin ATM:llä, laajenemismahdollisuudet runkoverkkojenkin tekniikaksi.Se, miten nopeasti tämä tapahtuu, ei kuitenkaan ole selviö. Vuosi 1999 tulee kuitenkin toimimaan vedenjakajana muunkin kuin vuosituhannen vaihtumisen merkeissä. Tuolloin meidän ei enää tarvitse arvailla tämänkään tietoliikennedilemman tulosta, silloin tiedämme sen!


1    Johdanto


Mikä on johtanut tähän tekniikkojen kilpailuun? Sisältö Internetissä ei ole kasvanut samaa vauhtia, kun tällä hetkellä kasvaa kapasiteetti siirtää tätä tietoa. Ensi vuonna on ennustettu julkaistavan jo kymmenen gigabittiä sekunnissa siirtävä Ethernet-järjestelmä. Tämä on 10,000,000,000 bittiä sekunnissa! Pieni ihminen voisi helposti kuvitella, ettei tuommoista määrää tietoa ole edes olemassa! Mutta onhan sitä, mutta siihen tarvitaan enemmän dataa eli tietoa, kun yhden ihmisen koneen koko kovalevylle mahtuu, mikä sinänsä on jo yhdelle ihmisellekin liikaa. Ainoastaan suurkäyttäjät pystyvät luomaan tuon määrän tietoa. Ja mikä sanoo sen, että tuo tieto sitten pitäisi vielä siirtää kerralla sekunnissa paikasta toiseen! Nyt kun luodaan lähiverkkoja käyttäen joko ATM-tekniikkaa tai Gigabit Ethernettiä, saadaan helposti luotua tilanne, jossa verkon kapasiteetti kulkee tasaista viivaa alle kymmenen prosentin kohdalla. Se tiedon määrästä, ongelmia on aina, tällä kertaa niitä on kuitenkin vielä myös teknisellä puolella. ATM-tekniikkaa ei suoranaisesti pysty yhdistämään Ethernetillä rakennettuun LAN-, eli lähiverkkoon. Tähän yhdistämiseen tarvitaan rajapinta. Sellainen on luotu standardointielimissä, ja se on ATM LANE, eli Asynchronous Transfer Mode – Local Area Network Emulation [1]. Nimensä mukaisesti tällä luodaan ATM-tekniikalla "emuloitu" LAN-verkko, joka verkon Ethernet-laitteille ja –käyttäjille näyttää samalta kuin jos verkko olisi täysin Ethernet-verkko. Gigabit Ethernet on tätä vasten sen sijaan suoraan teknillinen lisäys hitaampiin pikkuveljiinsä nähden, käyttäen samaa kehystyyppiä sekä media-, että fyysisessä rajapinnassa. [2] Signalointia on hieman jouduttu muuttamaan, mutta se ei vaikuta kaapelin päissä olevien porttien fyysistä lähetintä pidemmälle. Tämä onkin luonut tilanteen, jossa ATM on jäämässä jälkeen. ATM LANE –verkon luomiseksi tarvitaan ylimääräisiä laitteita, jotka hoitavat ATM-verkon signaloinnin, ja täysin erilaisesta verkkotekniikasta ollen kyseessä, kaiken liikenteen ohjauksen. Lisäksi ATM-verkon laitteet yleisestikin maksavat enemmän, onhan ne suunniteltu, ja tähän asti niitä on käytettykin, lähinnä maanlaajuisten runkoverkkojen rakentamiseksi!
 

2    ATM LANE tekniikkana


Lan Emulation perustuu ATM-Forumin standardiin: LAN Emulation Over ATM Version 1.0. Tämä LAN-emulaatiostandardi on nykyajan yhä nopeammin muuttuvien normien maailmassa jo suhteellisen vanha standardi, se valmistui lähes nykyiseen muotoonsa ‘jo’ tammikuussa vuonna 1995. Maailmankaikkeuden kehityshistoriaa ajatellen, tämä kolme vuotta vanha standardi on vielä lapsen kengissä. Mutta koska maailmanhistoriaa tehdään nykyään päivissä ja viikoissa, voidaan nämä kolme vuotta kertoa koiran iän laskennasta tutulla kaavalla, seitsemällä. Saatu tulos, 21 vuotta, vastaakin jo huomattavasti paremmin tuttuja ikääntymismalleja. LAN-emulaatiota tarvitaan tilanteessa, jossa joko on jo olemassa valmis Ethernet/IEEE 802.3 tai TokenRing/IEEE 802.5 -verkko, tai tällainen verkko halutaan kuitenkin luoda. IEEE määrittelee standardointiorganisaationa kaikki lähiverkkojen tekniikat, mutta nämä kaksi on valittu ATM LANE-standardin verkkojen perustoiksi. [4] Perustana olevalle lähiverkolle halutaan siis yhdistää tähän verkkoon runkoverkon ominaisuudessa nopeudessa gigabittiluokkaan asti ulottuva ATM Backbone –verkko. Käytännössä ATM Backbone –verkko luodaan joko 155 Mbit/s tai 622 Mbit/s nopeudella toimivaksi, koska suuremman kapasiteetin hankkiminen olisi lähes aina hyödytöntä. LAN-emulaatioverkossa yksittäiset työasemat voivat ottaa yhteyksiä ja keskustella haluamiensa kohdekoneiden kanssa aivan kuten ennenkin, riippumatta siitä, mitä kautta ja minkälaisten lähiverkkokomponenttien läpi yhteys kohdekoneeseen kulkee. Tässä on juuri LAN-emulaation ydinidea: Tehdä ATM-pohjainen runkoverkko näkymättömäksi yksittäisille työasemille. Tämänlainen järjestelmä oli pakko kehittää, sillä IEEE 802.x –verkkojen asema lähiverkkopiireissä on murskaavan ylivoimainen: yli 90 prosenttia IP-reititystä käyttävistä verkoista on tehty näillä tekniikoilla. Jotta ATM saatiin tungettua mukaan näille markkinoille, oli kehitettävä gateway, yhdyskäytävä, jota pitkin päästään ympäristöjen välillä liikkumaan vapaasti. Tältä pohjalta on tehty LANE-standardi. IP-pohjainen verkko on yhteydetön, jossa yhteyttä ei tarvitse ‘avata’ ennen datasiirron aloittamista, ja ATM-verkko on yhteydellinen, eli virtuaaliyhteys on avattava ennen datasiirron aloittamista, tarvitaan tähän väliin protokolla, joka suorittaa yhteyksien avauksen käyttäjälle näkymättömästi. LAN-emulaatiossa tämä on toteutettu verkon aktiivilaitteissa. Tällöin ATM-kytkin yleensä toimii LANE-serverinä ja Ethernet-kytkimet LANE-clientteina. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että työasemilta ei vaadita mitään LANE:oon liittyvää toiminnallisuutta, vaan kaikki tarvittava LANE-toiminnallisuus on kytkimissä. IP-verkossa lisääntyvän tavallista on IP-multicast eli moniosoitus yhdeltä lähettäjältä monelle vastaanottajalle. Koska tämä on jo yksi IP-verkkojen eniten käytetyistä palveluista muun muassa Internet-radioasemien muodossa, on se ollut rakenteellinen osa LAN-emulaatiojärjestelmää. LANE:ssa moniosoitus on toteutettu MAC-osoitetasolla (Media Access Control), joskin yksinkertaisimmalla mahdollisella tavalla, jakamalla multicastina lähetetyt paketit kaikille verkon laitteille, jolloin tässä luotetaan vastapään kykyyn suodattaa turhat paketit pois. LAN-emulaatiolla on vielä muitakin tärkeitä tehtäviä. Yksi näistä on luoda korkeamman tason sovellusprotokollasta riippumaton verkkoratkaisu. Tämä on implementoitu MAC-tasolle siten, että LANE emuloi normaalia LAN-käytäntöä mukaillen MAC-kerroksen ajuria siten, että protokollapinot voivat käyttää runkoverkkoa samoin kun ne käyttäisivät esimerkiksi Ethernet-pohjaista runkoverkkoa. Tämä on kuitenkin vain emulointia, sillä se tapahtuu ohjelmallisesti jo olemassaolevien protokollien päällä.
 

3    Gigabit Ethernet tekniikkana


Gigabit Ethernet on uutta. Siitä alettiin puhua vuonna 1996, jolloin perustettiin Gigabit Ethernet Alliance – konsortio (myöhemmin GEA) [2], johon kuuluvat kaikki merkittävimmät laitevalmistajat ja –kehittäjät. Konsortion tehtävänä on ohjata ja suunnitella kehitystä, joka nyt on johtanut ensimmäiseen asiaa koskevaan standardiin. Kehitystyö jatkuu kuitenkin vielä, sillä GEA on antanut IEEE:lle, ja tarkemmin sen työryhmälle: 802.3ab, tehtäväksi kehittää Gigabit Ethernet kulkevaksi samalla nopeudella ja samoilla asetuksilla myös parikaapelijohdossa. Gigabit Ethernet on kuitenkin tullut jäädäkseen. Kaikki jo GEA:ssa mukana olleet jäsenet ovat kommittoituneet asialle, ja kutsuvatkin yleisesti tekniikkaa 90-luvun merkittävimmäksi verkkotuoteinnovaatioksi. [3]

Asiat eivät kuitenkaan ole näin hyvin. Ongelmia on tullut tielle jo useita. Päällimmäisenä on valokaapelilla ensi vaiheessa toteutettavan Gigabit Ethernet -tekniikan toimintaetäisyydet. Nämä eivät ole kuin parhaimmassakaan tapauksessa muutamia kilometreja, ja ’standardi’laitteilla vain alle 300 metriä. Lisäongelmana on 1000Base-T(X) , "Gigabit Ethernet over CAT-5/CAT-6 Twisted Pair", eli parikaapelilla toteutettu liitäntä. Tähän liittyvä standardointi on vielä auki, ja sen on luvattu olevan valmis maaliskuussa ensi vuonna, 1999. Lisäksi palvelin- ja työasematoteutuksia jarruttaa tällä hetkellä ohjelmistolla toteutettava TCP/IP –liikenteen ohjaus, ja tietokoneiden väyläratkaisujen hitaus. Näillä päästään teoriassakin vain alle puoleen GE:n kytkentänopeudesta, joka siis on 1 000 000 000 bittiä sekunnissa yhteen suuntaan, eli Full-Duplex –tilassa 2 000 000 000 bps. Tähän taas pystyvät jo markkinoilla olevat kytkimet, toistimet ja reitittimet. Ongelmat eivät lopu tähän… Lisäksi ongelmana on tullut esille monimuotokuiduissa valon vääristyminen matkan varrella.

Siirtomedian ongelmat ovat tosin jo taaksejäänyttä elämää. Työ niitten suhteen on ollut siinä määrin massiivista, että ratkaisu, eli korjaukset, saatiin aikaan ennätysajassa, eli alle puolessa vuodessa! Nyt ei enää ole ongelmana matka, sillä etäisyyksissä päästään jo kymmeniin kilometreihin, sadatkin kolkuttelevat jo ovia. Lisäksi lähetinyksikköjä monimuotokaapeleilla on kehitetty siten, että ne estävät valon matka-aikaviiveen muodostumisen pidemmillä monimuotokaapeliyhteyksillä.
 
 

4    Gigabit Ethernet (GE) vs. Asynchronous Transfer Mode (ATM)

    4.1    ATM vs. Gigabit Ethernet

    Kaapelointi Gigabit Ethernet –verkoissa on tällä hetkellä suurin jarruttava tekijä sille, miksi se ei lyö ATM-tekniikkaa tyrmäysiskulla, vaan taistelua käydään iskuja tasaisesti jaellen. ATM tuo taatun kapasiteetin, eli niin sanotun QoS:n (Quality of Service –käsitteen) kaikkiin sen tekniikan laitteisiin, sillä ATM:ssä käytetty solumuotoinen rakenne tuo tullessaan helpon luokittelujaon. ATM:ssä jaetaankin kaistaa lähes aina, erilaisilla perusteilla: CBR, ABR ja VBR –tekniikoilla. (BR=Bitrate, A=Available, C=constant, V=variable). Näillä kolmella luokalla pystytään tarjoamaan kaikille asiakkaille heidän tarpeitaan vastaavat bittinopeudet. Varsinkin CBR, eli vakionopeuksinen tekniikka sopii aikakriittisen informaation kuljetukseen. VBR taas sopii Internet-liikenteeseen. ATM:ssä on myös mahdollista määritellä tietty nopeusputki, jonka sisällä nopeus voi liikkua, jolloin kapasiteettia vapautuu muille, jos tämä kyseinen käyttäjä tai sovellus ei sitä tarvitse. ATM:ssä saadaan myös helposti saavutettua etäisyyksiä useisiin satoihin kilometreihin saakka. ATM sopii siis hyvin WAN-tason (Wide Area Network) tekniikaksi. Lisäksi palveluluokkiensa vuoksi audio- ja videosovellukset pystytään ajamaan helposti ATM-putken läpi. ATM:ssä pystytään ajamaan monikerta-nopeusluokkia, mutta laitetekniikka kallistuu lähes exponentiaalisesti nopeusluokkia nostettaessa. ATM:n tavalliset nopeudet ovat 34 Mbps, 155 Mbps ja 622 Mbps. Näistä kahta ’hitaampaa’ pystytään ajamaan standardi CAT-5 parikaapeloidussa verkossa, mutta usein ATM:ssä käytetään jo virheiden välttämiseksi siirrossa, valokaapelia.

    4.2    Gigabit Ethernet vs. ATM

    Gigabit Ethernet on 1000 Mbps. Piste. Sen nopeus ei muutu kaapeloinnista riippuen eikä sitä pysty moninkertaistamaan muuta kuin kasvattamalla yhteysjohtojen määrää. Nyt on hyvä sanoa, että tässä menee Ethernet-tekniikan katon raja. Tämä kuitenkaan ei pidä paikkaansa, sillä näin sanottiin myös kymmenen vuotta sitten kun 10Mbps Ethernet tuli! Joten on parasta varoa sanojaan, sillä 10-Gigabit Ethernet on, kuten jo kävi ilmi, ensi vuonna ovella! Gigabit-nopeusluokan tuominen Ethernetiin on kuitenkin tällä hetkellä luonut vielä joitakin rajoituksia. Kaapeleissa syntyviä heijastuksia ja vääristymiä on suuren nopeuden ja monimutkaisen kehysrakenteen vuoksi vaikea välttää. Nämä hidastavat Gigabit Ethernet -tekniikan tuloa WAN-verkkoihin sellaisenaan. Tekniikkaa on kuitenkin kehitetty, ja WAN-verkotkin ovat ovella, jolla alkaa olla ruuhkaa, sillä siellähän jo odottaa uusi nopeusluokkakin! J

    4.2.1    Gigabit Ethernetin palveluluokat ja -tekniikat

    Tällä hetkellä kuitenkin GE on puhtaasti CAN- ja LAN-verkkojen tekniikka (Campus Area Network, Local Area Network). Näissä verkoissa gigabitin nopeuksisilla kytkinten ja muitten verkon aktiivilaitteiden liitynnöillä ei tarvitse huolehtia taatuista nopeusluokista, sillä kapasiteettia on aina tarpeeksi. Vielä! Mutta tämäkin tietysti muuttuu ajan kanssa. Tähänkin on kuitenkin jo kehitetty ratkaisuja. Yksi ehdotus CoS:n (Class of Service), kuten sitä näissä verkoissa kutsutaan, tuomiseksi Ethernet-verkkoihin on IEEE:n starndardiksikin kehitetyt 802.1p ja 802.1Q. Näillä luodaan palveluluokat. 802.1p:llä kontrolloidaan multicast-tyyppinen (Multicast = One to Many Traffic) liikenne ja jaetaan liikennettä protokollan, lähtö- tai kohdeosoitteen, portin tai jonkin muun kriteerin perusteella eri luokkiin, joille määritellään omat CoS-luokat prosenttimääräisesti. 802.1Q taasen tuo VLAN-käsitteen (Virtual LAN) Ethernet-verkkoihin. ATM-verkoissa tämä käsite on ollut arkipäivää jo sen alusta lähtien. VLAN tarkoittaa sitä, että lähiverkko jaetaan eri segmentteihin, joissa liikenne ja varsinkin Broadcast-tyyppinen liikenne voidaan rajoittaa liikkuvaksi jonkin vain jonkin tietyn VLAN:nin sisällä. Tämä on tärkeä ominaisuus, sillä juuri Broadcast-liikenne on Ethernet-verkkojen suurin liikennettä ja törmäyksiä liikenteeseen luova yksittäinen tekijä.

5    Yhteenveto

Kun poistetaan mädät omenat korista, jäljelle jää vain syötäviä, hyviä omenoita. Tämä on tilanne nyt kilpailussa Gigabit Ethernet vastaan ATM LANE. ATM-tekniikka ei sisällä enää mätiä omenia, mutta omenat eivät enää maistu niin hyvälle, kuin ennen, ne ovat näivettyneet! Gigabitin omenat korissa alkavat olla nyt siinä määrin suodittu, että kaikki alkavat olla syötäviä. Tämä sanaleikki on vain tosiasioiden humoristista ja proosallista kerrontaa, sillä kun nämä ongelmalliset seikat Gigabit Ethernetissä on ratkaistu, on se siirtynyt valtiaaksi jo mainittuihin lähialueverkkoihin, joissa ATM ei oikeastaan koskaan saanutkaan varsinaista jalansijaa. Tulevaisuus tuo kuitenkin mukanaan GE -tekniikasta kilpailijan kaikille aluille, sillä se, että Gigabit Ethernet on ’aito’ Ethernet-verkko kehysrakenteineen ja –tyyppeineen, integroi sen täydellisen helposti lähes kaikissa yrityksissä jo olevaan Ethernet-LAN-verkkoon ilman erillisiä sovituspalvelimia ja sisäisiä reitittimiä. Tässä päädytään nyt tulokseen, joka erittäin suurella todennäköisyydellä on se tilanne, jota ensi vuonna, 1999, katsotaan olevan tapahtunut tosiasia. Kuitenkaan peli ei ole pelattu, ennen kuin viimeinen piste on pelattu! Aina on toivoa kun on aikaa…


[1]  ATM Forum Home [online] ATM Forum [Viitattu 22.11.1998]
Saatavilla www-muodossa: <URL: http://www.atmforum.com>

[2]  Gigabit Ethernet Alliance [online] Gigabit Ethernet Alliance Forum [Viitattu 22.11.1998] Saatavilla www-muodossa: <URL: http://www.gigabit-ethernet.org/>

[3] Gigabit Networking/Gigabit Ethernet Solutions [online] Cisco Systems, Inc. , 7.10.1997 [Viitattu 22.11.1998] Saatavilla myös Adobe Acrobat-muodossa. Saatavilla www-muodossa: <URL: http://www.cisco.com/warp/public/729/gigabit/gigbt_sd.htm>

[4]  THE INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, INC Home [online] IEEE [Viitattu 22.11.1998]
Saatavilla www-muodossa: <URL: http://www.ieee.com>


Lisätietoja

Asynchronous Transfer Mode: http://www.tcm.hut.fi/Opinnot/Tik-110.350/Tehtavat/essays/atm.html

Battle of the Backbones: ATM vs. Gigabit Ethernet: http://www.data.com/tutorials/backbones.html

Can Gigabit Ethernet and RSVP beat ATM?: http://www.zdnet.com/pcweek/reviews/0908/08rsvp.html

DEATH TO ATM: http://www.herring.com/mag/issue33/atm.html

Gigabit Ethernet: http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-97/gigabit_ethernet/index.htm

Gigabit Ethernet: http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-97/h_8gbe.htm

Gigabit Ethernet: http://www.sun.com/products-n-solutions/hw/networking/whitepapers/gigabitwpge.shtml

Gigabit-Ethernet Blurb: http://pr.erau.edu:80/~hillm/gigabit_ethernet.html

Gigabit Ethernet vs. ATM: http://pr.erau.edu/~weingac/CS207rep.html

Gigabit LAN Standards - It Takes Two to Tangle: http://www.data.com/Tutorials/It_Takes_Two_to_Tangle.html

Gigabit to Gigabyte and Beyond - Building NICs that Scale: http://www.ods.com/white/whi_0008.shtml

McGowen, Michael: HIPPI and Gigabit Networking Technology Overview: http://www.ods.com/white/whi_0009.shtml

Study gives Gigabit Ethernet an edge over ATM: http://www.edtn.com/news/021298tnews1.html

The Lowdown on High Speed: Gigabit Ethernet: http://www.3com.com/technology/layer3sw2/layer3sw2c.html

The Evolution of Networks - The Need for Routing Switches: http://www.packetengines.com/education/techpapers/architecture/default.htm

Two technologies take center stage: Gigabit-Ethernet and ATM: http://www.techweb.com/se/directlink.cgi?EBN19980216S0010

Upgrading The Network with Routing Switches: http://www.netreference.com/Documents/WhitePapers/RoutSw2_wp/RoutSw2.wp