Tik-109/110.300 Tietoliikennearkkitehtuurit : kotitehtävä 7

Gigabitin Ethernet

Antti Valtokari Ti IV
44102D

Johdanto

Erilaiset Ethernet - johdannaiset ovat tällä hetkellä johtava tekniikka lähiverkoissa. Vuonna 1996 kaikista lähiverkkolaitteista 82% oli Ethernet-pohjaisia : Ethernet-sovittimia ja -kortteja oli myyty 31 miljoonaa kappaletta ja keskittimiä 43 miljoonan portin verran. Samaan aikaan ATM, FDDI ja Token Ring - pohjaisia sovittimia ja kortteja oli myyty vain 6 miljonaan kappaletta ja keskittimiä 7 miljoonan porttia [1]. Syitä Ethernetin menestykseen on useita : Ethernet-tekniikkaa on ollut kauan saatavilla ja standardointi on ollut melko nopeaa (vrt. ATM), Ethernetiä tukevia laitevalmistajia on useita, mutta silti yhteensopivuus on hyvä (vrt. Token Ring) ja Ethernet-laitteet ovat melko halpoja verrattuna muihin verkkotekniikoihin (vrt. FDDI).

90-luvulla tietoliikennetekniikka on edennyt suuremmilla harppauksilla kuin koskaan tätä ennen tietotekniikan historiassa. Internet-tekniikoiden massiivinen käyttöönotto yrityksissä, multimedia ja muut uudet sovellukset vaativat myös lähiverkoilta yhä suurempaa suorituskykyä (lisää verkoille asetetuista kasvaneista vaatimuksista lisätiedoissa). MAN/WAN - verkoissa ATM:n ja Frame Relayn kaltaiset nopeat verkkotekniikat ovat saavuttaneet nopeasti tärkeän aseman, mutta lähiverkoissa esimerkiksi ATM ei ole osoittautunut teknisesti ja varsinkaan kaupallisesti kovin menestyneeksi. Toisaalta kytkennäisillä Etnernet-verkoilla saadaan 10 ja 100 Mbps:n Etnernet-tekniikasta uutta potkua. Tarve nopeampii ja toisaalta helposti Ethernet-verkkoihin liitettäviin runko- ja palvelin-yhteyksiin on olemassa. Yksi vastaus näihin vaatimuksiin on gigabitin nopeudella toimiva Ethernet.

Gigabitin Ethernetin kehitys- ja standardointityö alkoi 14.3.1996, kun IEEE:n standardointiprojekti 802.3z hyväksyttiin. Toukokuun 13. päivä kymmenkunta johtavaa tietoliikennelaitteiden toimittajaa perusti Gigabit Ethernet Alliance - nimisen yhteenliittymän, jonka tarkoitus on tukea IEEE:n standardointityötä ja toisaalta tarjota testauspalveluja laitevalmistajille [2]. Taustalla vaikutti myös ATM:n standardointityöstä otetut opit : mahdollisimman pitkälle viedyt tuotteet haluttiin nopeasti markkinoille. Gigabitin Ethernet-standardit ovatkin tulossa melko nopeasti : arviot standardin valmistumisesta ja laitteiden markkinoilletulosta vaihtelevat vuoden 1997 lopun ja vuoden 1998 välillä.

Gigabitin Ethernetin tekniikka

Gigabitin Ethernetin tekniikka perustuu pitkälti vanhoihin Etnernet - tekniikoihin. Siirtomediaa käytetään yhä CSMA/CD - kurin avulla half-duplex - moodissa. Kuitenkin kahden kytkimen ja kytkimen ja työaseman välillä voidaan käyttää uutta full-duplex - moodia. Ethernet - paketit ovat samoja kuin hitaammissa Ethernet - standardeissa.

Full-duplex - moodissa kahden pisteen etäisyys voi olla maksimissaan 10 km. Tämä saavutetaan käytettäessä korkealaatuisia yksimuotovalokuituja. Monimuotokuidulla päästää full-duplex - moodissa 550 metrin etäisyydelle. Half-duplex - moodissa verkkosegmentit ovat lyhyempiä kuin hitaammissa Etherneteissä. Tämä johtuu siitä, että vaikka liikennöintinopeus on huomattavasti suurempi, niin lähetettävän Ethernet-paketin minimipituus on edelleen sama. Törmäyksien havaitsemisen varmistamiseksi yhden törmäysalueen pituus on rajoitettu 200 metriin. Kuitenkin maksimissaan kaksi segmenttiä voidaan liittää yhteen yhdellä toistimella. Käytettäessä kierrettyä parikaapelia yhden segmentin pituus voi olla 25-100 metriä riippuen käytettävästä kaapelista ja signalointitavasta [3]. Gigabitin Ethernetin standardiluonnoksessa on lisäksi määritelty uusi verkkokomponentti "buffered distributor", jota voi luonnehtia "bufferoivaksi keskittimeksi". Laite vastaa normaalia Ethernet-toistinta sillä erotuksella, että laite voi bufferoida yhden tai useamman Ethernet-paketin ennen lähetystä. Laitetta voi käyttää toistimen asemasta laajentamaan samaa Ethernet törmäys-aluetta [3].

Gigabitin Ethernetin käyttöönotto nykyisissä verkoissa

Ensimmäisessä vaiheessa gigabitin Ethernet tullee korvaamaan 100 Mbps Ethernet-runkoyhteydet kytkimien tai toistimien välillä. Uusimmat kytkimet saa päivitettyä gigabitin nopeuteen vaihtamalla yksi sen porteista. Runkoyhteyksissä gigabitin Ethernetistä on hyötyä varsinkin kytkentäisissä lähiverkoissa, vaikka runkoverkon ulkopuolella liikuttaisiinkin hitaammilla nopeuksilla : jos N:lle työasemilla tarjotaan kytkentäinen 10 Mbps Etnerhet, vaaditaan kytkimestä eteenpäin periaatteessa N * 10 Mbps nopeus, jos kaikki työasemat liikennöivät yhtäaikaa. Käytännössä tilanne ei kuitenkaan ole tälläinen, vaan vielä tällä hetkellä voi työryhmäkytkimelle riittää hitaampi 10/100 Mbps Ethernet runkoyhteyksiä varten. Tällöin gigabitin Ethernetiä voidaan käyttää esimerkiksi verkkohierarkian ylemmissä runkoyhteyksissä. Suurempien nopeuksien mahdollinen käyttöönotto edellyttää kuitenkin korkeatasoista valokuitu-kaapelointi, mikä kannattaa ottaa huomioon kaapelointeja suunniteltaessa [3].

Gigabitin Ethernetiä voidaan käyttää myös korvaamaan pitkiä FDDI-runkoverkkoja. Käyttäen yksimuotokuitua voidaan rakentaa 10 km pitkiä runkoyhteyksiä esimerkiksi yrityksen eri toimipisteidessä olevien kytkimien välille. Verrattuna FDDI-renkaaseen kaapelilointikustannukset ovat huomattavasti alhaisemmat, koska fyysisen renkaan sijasta voidaan käyttää tähti-topologiaa yhden keskuskytkimen ympärille. Myös olemassaolevaa FDDI-renkaassa käytetty kaapelointi voidaan hyödyntää [3].

Gigabitin Ethernetin käyttö palvelimissa voi tulla kyseeseen suurta nopeuttaa vaativissa multimedia- ja tietovarastopalvelimissa. Gigabitin Ethernet - kortteja tulee markkinoille samaan aikaan muiden verkkolaitteiden kanssa, jolloin suurta nopeuttaa päästään tarvittaessa hyödyntämään heti [3].

Jos gigabitin Ethernet otetaan käyttöön palvelimien verkkoyhteyksissä, on mahdollista, että nykyisten palvelimien IO-suorituskyky ei yksinkertaisesti riitä käsittelemään kaikkia verkosta tulee dataa. Nykyisten PC-palvelimien 32-bittinen PCI-väylä rajoittaa verkon suorituskykyä, koska vain 300-400 Mbps ehditään prosessoida. Sama tilanne on useissa UNIX-palvelinarkkitehtuureissa. Jotta gigabitin Etnernetistä saataisiin kaikki teho irti, tulee palvelimet päivittää. Esimerkiksi uusi 64-bittinen PCI2 - väylä mahdollistaa 1-4 Gbps nopeuden. Toisaalta on huomattava, että perinteisille tiedosto- ja tietokantapalvelimille saattaa riittää hitaammatkin verkkoyhteydet kuten 100 megabitin Fast-Ethernet [5].

Tulevaisuudessa myös palvelimien välinen liikenne tulee kasvamaan, jolloin gigabitin Ethernetin käyttö palvelimien välillä voi tulla kyseeseen [5]. Myöskin uudet palvelintekniikat kuten klusterointi (kaupallisesti saatavilla ainakin Windows NT ja sekä useita eri UNIX-klustereita) vaativat erittäin tehokasta tapaa kommunikoida palvelimien välillä. Tähän asti lähes ainoa mahdollisuus on ollut käyttää kallista FDDI-rengasta 100 Mbps:n nopeudella.

Erittäin vaativissa sovelluksissa voidaan gigabitin Ethernet viedä nopeisiin työasemiin saakka. Verkko-kortit ovat nykyisin varsinkin PC-puolella pitkälti samoja kuin palvelimissa. Työasemissa tulevat eteen kuitenkin samat väylän suorituskykyongelmat kuin palvelimissa. Koska esimerkiksi kytkennäinen 100 Mbps:n Ethernet tarjoaa riittävän suorituskyvyn nykyisille sovelluksille, on todennäköistä, että gigabitin Ethernet tulee työasemakäyttöön vasta vuosien kuluttua ja silloinkin vain todella vaativien sovelluksien käyttöön.

Yhteenveto

Gigabitin Ethernet on lyhyen ikänsä aikana saavuttanut jo vankan tuen laitevalmistajien piirissä. Gigabitin Ethernetin edut muihin tekniikoihin kuten FDDI:n ja ATM:n verrattuna ovatkin selvät :

Yhteensopivus vanhojen Ethernet-ratkaisujen kanssa : päivittäminen suurempaan nopeuteen on mahdollista pala kerrallaan, jolloin uusien laitteiden hankintakustannukset voidaan jakaa tarpeen mukaan pitkällekin aikajaksolle ja verkkoon voidaan lisätä suorituskykyä sinne, missä sitä eniten tarvitaan.
Laitteet tulevat olemaan hinnaltaan edullisempi kuin kilpailevissa tekniikoissa : koska gigabitin Ethernetin tekniikasta suuri osa on samaa hitaampien standardien kanssa, eivät laitteiden tuotekehityskustannukset ole samaa luokkaa kuin täysin uuden tekniikan kanssa. Jo nyt on nähtävissä, että gigabitin Ethernet tulee saamaan merkittävän markkinaosuuden nopeissa lähiverkoissa, jolloin laitteiden valmistuskustannukset laskevat suurempien sarjojen myötä.
Laaja tuki laitevalmistajien piirissä ja korkea yhteensopivuus eri laitevalmistajien välillä : gigabitin Ethernetin takana ovat käytännössä kaikki merkittävät verkkolaitteiden toimittajat. Standardoinnin alusta asti Gigabit Ethernet Alliance on ylläpitänyt testaislaboratoriota, jossa eri laitevalmistajat ovat voineet testata laitteitaan ja niiden yhteensopivuutta muiden kanssa. Kun laitteet tulevat markkinoille viimeistään vuonna 1998, tulee niiden yhteensopivuus olemaan korkea alusta alkaen.

Gigabitin Ethernet tarjoaa lähiverkkoihin suorituskyvyn, jota voi lyhyesti luonnehtia "riittäväksi". Uusimmissa verkoissa kaapelointi on alusta pitäen tehty nopeita verkko silmälläpitäen, jolloin gigabitin Ethernetin käyttöönottokustannukset rajoittuvat parhaimmillaan uusiin kytkinportteihin. Nopeaa lähiverkkoa tarvitseville gigabitin Ethernet tulee olemaan nopeasti käytettävissä ja toisaalta sen menestys on melko varmaa, jolloin ensimmäiset uuteen tekniikkaan sitoutuneet eivät joudu muutaman vuoden päästä pahaan tilanteeseen, kun verkkolaitteet alkavat särkyä ja käytettävää verkkoteknologiaa ei enää tuetakkaan.

Lähteet

[1] Gigabit Ethernet Alliance : Gigabit Ethernet Overview / Ethernet : Dominant Network Technology (Ei päiväystä)

<URL: http://www.gigabit-ethernet.org/technology/whitepapers/gige/dominant.html>

[2] Gigabit Ethernet Alliance : Lehdistötiedote (13.5.1997)
<URL: http://www.gigabit-ethernet.org/news/releases/051396.html>

[3] Gigabit Ethernet Alliance : Gigabit Ethernet Overview / Gigabit Ethernet Technology (Ei päiväystä)
<URL: http://www.gigabit-ethernet.org/technology/whitepapers/gige/technology.html>

[4] Gigabit Ethernet Alliance : Gigabit Ethernet Overview / Gigabit Ethernet Migration (Ei päiväystä)
<URL: http://www.gigabit-ethernet.org/technology/whitepapers/gige/migration.html>

[5] Mike Hurwicz : Preparing for Gigabit Ethernet (Byte elokuu 1997)
<URL: http://www.byte.com/art/9710/sec5/art3.htm>

Lisätietoja

Ethernet

Charles Spurgeon's Ethernet Web Site

<URL: http://www.ots.utexas.edu/ethernet/>

Vesa Hirvisalo : Ethernet: Historia ja tulevaisuus (1996)
<URL: http://www.tcm.hut.fi/Opinnot/Tik-110.350/Tehtavat/essays/ethernet.html>

Gigabitin Ethernet

Gigabit Ethernet Alliance

<URL: http://www.gigabit-ethernet.org/>

CERN Gigabit Ethernet Homepage
<URL: http://www.cern.ch/HSI/gigaether/>

IEEE : LAN/MAN Standards Committee 802
<URL: http://stdsbbs.ieee.org/groups/802/index.html>

Joe Melki, Jonathan Knop : ATM vs Gigabit Ethernet For High Speed LANS (15.5.1997)
<URL: http://fiddle.ee.vt.edu/courses/ee4984/Projects1997/knop_melki.html >

Nopeat verkkoteknologiat

Peter Newman, Greg Minshall, Tom Lyon, and Larry Huston : IP Switching and Gigabit Routers (1997)

< URL: http://www.ipsilon.com/technology/papers/ieee_comm96.htm>

Sadikin Djumin : Gigabit Networking: High-Speed Routing and Switching (12.8.1997)
<URL: http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-97/gigabit_nets/index.htm#1. Introduction>

Digital : High Speed Networking Technologies - A Business Guide (1996)
< URL: http://www.networks.digital.com/dr/techart/hsnt-mn.html>

Uusien sovelluksien kasvaville verkoille asettamat vaatimukset

Essential White Paper : Gigabit Networking Today (Ei päiväystä)

<URL: http://www.esscom.com/whitepapers/gigawhite.html>

Raj Jain / Ohio State University : Networking Trends and Their Impact (luentokalvot 9.7.1997)
<URL: ftp://netlab.ohio-state.edu/pub/jain/courses/cis788-97/h_1trnd/index.htm>

Laitevalmistajia

Cisco Systems
<URL: www.cisco.com>

3Com
<URL: www.3com.com/>

Intel / Networking
<URL: http://www.networks.digital.com/>

Digital / Networking Products
<URL: http://www.networks.digital.com/>

Alteon Networks
<URL: http://www.alteon.com/>

Sun Microsystems
<URL: http://www.sun.com/>

IBM / Networking
<URL: http://www.networking.ibm.com/>