Глобальные и региональные сети. Сопоставление технологий 10-Gigabit Ethernet, АТМ, SONET
Некоторые считают 10 Gigabit Ethernet идеальной топологией для объединения локальных (LAN), городских/региональных (MAN) и глобальных (WAN) сетей. Но насколько данное представление соответствует действительности? И не является ли оно просто-напросто несбыточной мечтой о единой топологии? На самом деле, ее осуществление даже более вероятно, чем представляют себе многие отраслевые аналитики. Ведь Ethernet удалось отвоевать себе место под солнцем в корпоративных сетях благодаря простоте и дешевизне у своих технически более совершенных собратьев. Но окажется ли сочетание таких качеств столь же эффективным и за пределами локальной сети? Чтобы выяснить, насколько верно представление о его перспективах, мы проанализируем, как Ethernet внедрялся в локальных сетях, поговорим о первых попытках его применения в городских сетях и о возможном использовании в сетях глобальных.
Для увеличения пропускной способности локальных и глобальных сетей было разработано много технологий. Коммутируемый Ethernet, вытесняющий традиционный Ethernet с разделяемым доступом, на сегодняшний день присутствует в двух вариантах - 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. В последнее время значительное внимание привлекла к себе еще одна разновидность Ethernet - Gigabit (1 Гбит/с).
Ethernet, безусловно, обошел все технологии, применяющиеся в локальной сети, в том числе такие, как Token Ring, FDDI и ATM. Карты сетевого интерфейса (NIC) и коммутаторы, как правило, заменяются каждые два-три года, а начиная с 1998 г. 90% всех выпускаемых сетевых плат и портов коммутаторов представляло собой ту или иную разновидность Ethernet.
Fast Ethernet и Gigabit Ethernet привели к появлению многоуровневых локальных сетей.
10 GbE, разрабатываемый как стандарт IEEE 802.3ae, стал следующим логическим шагом в развитии Ethernet. 10 GbE сохранит в себе многие из характеристик предыдущих вариантов Ethernet в целях обеспечения обратной совместимости. IEEE 802.3
Что касается приложений для локальной сети, то 10 GbE позволит сетевым администраторам увеличить пропускную способность своих сетей с пакетной передачей данных от 10 до 10 000 Мбит/с и, тем самым, более эффективно использовать свои инвестиции в Ethernet благодаря увеличению производительности сетей.
GПредварительные оценки показывают, что карты сетевого интерфейса и порты коммутаторов 10 GbE для витой пары могут составить до 10% всего объема продаж устройств с поддержкой 10 GbE и 15% объема продаж в 2005 г., т. е. примерно через полтора года после представления предварительной версии спецификации 10 GbE для витой пары. К 2005 г. объем выпуска устройств для 10 GbE (в том числе сетевых плат и портов коммутаторов), как предполагается, достигнет 5 млн долларов.
Но путь к успеху 10 GbE в локальных сетях отнюдь не гладок. Сейчас ни одному магистральному приложению не требуется такая пропускная способность. Однако это не должно серьезно повлиять на распространение 10 GbE, поскольку его уже сейчас можно использовать для решения задач объединения крупных сетей. Основным стимулом к подключению отдельных серверов с его помощью должна стать разработка полезных приложений для 10 GbE. Но современные серверы не в состоянии поддерживать скорость, предлагаемую Gigabit Ethernet, не говоря уж о 10 GbE. Хотя это не накладывает ограничений на применение данной технологии в качестве объединительной топологии, но негативно влияет на объем продаж карт сетевого интерфейса и степень распространения ее в корпоративных магистралях.
Ставя перед собой задачу увеличения производительности серверов, Infini-Band Trade Association разрабатывает одноименную архитектуру. Эта организация была создана в 1999 г. в целях разработки отраслевой спецификации на базе канальной архитектуры коммутирующей структуры с поддержкой скоростей от 500 Мбит/с до 6 Гбит/с на соединение, что позволит удовлетворить требования корпоративных систем как начального уровня, так и старшего класса. Цель данного стандарта - создание сбалансированной системной архитектуры, которая сможет обеспечить одинаково высокую производительность памяти, процессора и подсистем ввода/вывода.
Как предполагается, первая версия InfiniBand будет иметь пропускную способность 2,5 Гбит/с и заменит унаследованные технологии ввода/вывода, такие, как PCI и PCI-X, точно так же, как в середине 1990-х гг. слоты PCI пришли на смену слотам ISA на системных платах. Поскольку Ethernet не был рассчитан на роль основной технологии шины для системных плат, для подключения системы к локальной сети необходима плата адаптера PCI-to-Ethernet. Если в новых серверах старшего класса InfiniBand будет использоваться как стандартная системная шина, то первоначально будут применяться сетевые карты InfiniBand-to-Ethernet. Однако, так как InfiniBand предназначен и для коммутаторов, он постепенно будет вытеснять Ethernet за пределы серверных ферм и проникать на корпоративную магистраль. Порты коммутаторов и карты сетевого интерфейса для серверных ферм в 2000 г. составили более трети совокупного оборота рынка сетевых плат и коммутаторов Gigabit Ethernet, достигшего 4 млрд долларов.
По стоимости InfiniBand, как предполагается, сначала будет сравним с Gigabit Ethernet. Из-за высокой скорости InfiniBand карты сетевого интерфейса Gigabit Ethernet окажутся слишком медленными для серверов, между тем как карты 10 GbE будут только впустую расходовать ресурсы. Рынок коммутаторов, концентраторов и адаптеров шины для хостов Fibre Channel Storage Area Network (SAN), чей оборот в 2000 г. составил примерно 500 млн долларов, также может оказаться под угрозой, учитывая, что атака на него ведется сразу по двум фронтам - со стороны InfiniBand и Ethernet. Две эти технологии не только конкурируют с Fibre Channel по цене, но также они и менее сложны, удобнее в управлении, а кроме того, позволяют использовать уже накопленные знания. На самом деле вопрос состоит в том, выберет ли рынок одну технологию для магистрали (InfiniBand) и другую для настольных систем (Ethernet) или предпочтет оставить InfiniBand для серверных ферм, а Ethernet - для ферм хранения, а также для остальной части локальной сети?
Ответ на этот вопрос в значительной мере повлияет на темп, с которым 10 GbE будет завоевывать рынок. Даже когда появится спецификация 10 GbE для витой пары Категории 5, вряд ли ее активного применения для связи с настольными системами стоит ожидать ранее 2004 г. До момента исчерпания ресурсов соединений Gigabit Ethernet с настольными системами и возникновения необходимости их модернизации пройдет еще как минимум лет пять, а то и больше. Если же активное совершенствование приложений или технологий приведет к резкому росту спроса на пропускную способность, магистраль локальной сети станет для технологии 10 GbE основной сферой приложения.
Предлагаемый в качестве технологии высокоскоростной передачи данных для сетевых приложений в городских сетях, 10 GbE обеспечит очень большую пропускную способность, а также окажется проще и относительно дешевле единственной альтернативы для MAN - традиционного оборудования для инфраструктуры глобальной сети. В городских сетях 10 GbE позволит провайдерам услуг и независимого сопровождения сетей создавать сверх высокоскоростные каналы между коммутаторами и магистральными маршрутизаторами по относительно невысокой цене. Это решение при связи по каналам региональной сети будет поддерживать скорость передачи данных, совместимую с OC-192. Это откроет для Ethernet перспективу проникновения в городские сети, а кроме того, вероятно, даст возможность предложить дешевые решения для более крупных географических областей. Например, национальный оператор городских сетей Ethernet сможет связать вместе все свои сети масштаба города.
В 2000 г. в городских сетях стал использоваться Gigabit Ethernet, проложив туда дорогу и для 10 GbE. Недавно созданные компании - провайдеры услуг для городских сетей, такие, как Yipes и Telseon в Соединенных Штатах и Utfors в Европе, уже применяют в своих сетях работающие на третьем уровне коммутаторы Ethernet старшего класса, выпускаемые такими компаниями, как Extreme, Foundry, Nortel Networks и Riverstone. Эти провайдеры могут предоставить огромную пропускную способность по достаточно низким ценам, что позволяет предлагать потребителям услуги по передаче потокового видео без каких-либо проблем. Это не только позволит их потребителям сэкономить на канале доступа к MAN, но также избавиться от необходимости использования маршрутизаторов для организации соединений за пределы их локальных сетей. Поскольку вся инфраструктура создается на основе технологии Ethernet, то теперь достаточно только коммутаторов - еще одно сокращение затрат благодаря применению каналов полностью на базе Ethernet.
Но если Gigabit Ethernet открывает такой эффективный путь подключения к городским сетям, почему этого не произошло достаточно быстро? В первую очередь, потому, что Fast Ethernet был слишком тесно привязан к медной витой паре и не поддерживал даже минимального класса сервиса (Class of Service, COS), который сейчас гарантируют новые стандарты, такие, как 802.1p для Ethernet.
Стандарт на Fast Ethernet для волоконно-оптических кабелей существует с 1995 г., но даже в середине и конце 1990-х гг. не было достаточно высокого спроса на Fast Ethernet для волоконных соединений. Волоконно-оптические компоненты оставались весьма дорогими, и до последнего времени не было сколько-нибудь значительных улучшений в технологии соединителей. Таким образом, даже несмотря на то, что Fast Ethernet представляет относительно скоростное соединение для локальной сети, достаточно серьезных стимулов к применению этой технологии не существовало.
Другим препятствием на пути распространения 10 GbE является тот факт, что появление Gigabit Ethernet примерно совпало по времени с другими значительными достижениями в технологии Ethernet - маршрутизации на основе коммутации на третьем уровне, а в скором времени за ней и маршрутизации на уровнях с четвертого по седьмой. И то и другое позволило значительно увеличить скорость и эффективность локальной сети по сравнению с применением традиционных маршрутизаторов. Эти решения еще больше увеличили разрыв в скорости между локальными и глобальными сетями. Кроме того, началось падение цен на волоконно-оптические компоненты, благодаря чему преимущества в стоимости Gigabit Ether-net стали еще заметнее. Провайдеры приложений, управления, хранения и других служб также получили толчок к развитию. Однако в конце 1990-х гг. Fast Ethernet не обладал пропускной способностью, достаточной для того, чтобы предложить потребителям услуг независимого сопровождения уровень производительности сравнимый с производительностью существующих соединений локальной сети.
Кроме того, Gigabit Ethernet получил толчок к бурному внедрению в результате еще одной тенденции. Огромному количеству оптического кабеля, проложенного в крупнейших городах США наконец-то нашлось применение, поскольку инвестиции в высокотехнологические компании росли как на дрожжах. Это позволило таким компаниям, как Yipes и Telseon, сразу получить средства для создания собственной инфраструктуры городских сетей.
Новые провайдеры услуг городских сетей использовали имеющиеся у них финансовые ресурсы для получения конкурентных преимуществ по сравнению с их более признанными конкурентами. Между тем традиционные операторы продолжали инвестировать в более дорогое оборудование SONET/ SDH и ATM, поэтому они практически вынуждены теперь работать с этими технологиями, поскольку им необходимо окупить уже сделанные инвестиции. Традиционный оператор, желающий создать городскую сеть, полностью базирующуюся на технологии Ethernet, должен приобрести абсолютно новое оборудование и примириться с огромными убытками вследствие отказа от уже существующей инфраструктуры городской сети. Поэтому рынок городских сетей Ethernet должен был по необходимости создаваться молодыми компаниями, поскольку финансовый риск для традиционных операторов был просто немыслимым.
Многие компании теперь стремятся использовать Ethernet на последней миле, что будет увеличивать рост спроса на пропускную способность в магистралях операторов, а это заставит Ethernet все дальше и дальше уходить от локальной сети. Корпоративные сети намного превосходят глобальные по скорости, и рынок домашних сетей требует аналогичного роста скорости. При таком росте спроса на пропускную способность, и в первую очередь в глобальных сетях, городские сети Ethernet активно создаются для того, чтобы обеспечить С другой стороны, городские сети Ethernet отличаются простотой, удобством реализации и относительной дешевизной. После их создания в крупных регионах для связи географически близко расположенных городов достаточно нескольких волоконных каналов.
10 GbE может стать эффективным каналом связи между городами и, с помощью мультиплексирования, будет способен превзойти скорость OC-768. Как только будут созданы такие региональные сети, развитие сетей перейдет на следующую стадию, национальные каналы появятся в течение пяти лет, а в следующие семь-десять лет - и межконтинентальные каналы.
Переход Ethernet в мир глобальных сетей практически гарантирован, если их простота и дешевизна окажутся достаточными стимулами к внедрению в глобальных сетях, как это было в случае локальных и региональных сетей. Но на рынке глобальных сетей, как исторически сложилось, доминируют традиционные операторы, в первую очередь, предлагающие услуги голосовой связи. В этом мире самое главное - качество обслуживания (QoS): нагрузка в сетях близка к предельной, длина кабелей достигает сотен километров, а применение дорогостоящего оборудования является нормой.
Раньше, когда система OC-3 SONET с пропускной способностью 155 Мбит/с могла легко превзойти и Ethernet на 10 Мбит/с, и Fast Ethernet, создавалось впечатление, что традиционные операторы глобальных сетей имеют все основания для своей точки зрения. Однако теперь, когда трафик данных намного превосходит голосовой трафик (и эта разница дальше станет еще значительнее), насколько обоснованными оказываются подобные предположения?
Трафику данных не требуется столь высокое качество обслуживания, как голосовому или видео, и QoS сильно зависит от того, насколько близка нагрузка при передаче трафика к верхнему пределу для данного соединения. В случае локальных сетей, если нагрузка на критически важных соединениях, обычно в магистрали, практически постоянно составляет 80% от максимальной пропускной способности, это повод для увеличения полосы пропускания. А в локальной сети увеличить пропускную способность - относительно недорого и просто.
В глобальной сети, однако, пропускная способность - ресурс очень дорогой (1 Гбит/с в глобальной сети обходится по сравнению с локальной в десятки раз дороже), и ее расширение - процесс очень сложный. Чтобы создать новый канал, сетевой инженер должен оценить имеющуюся емкость, изменить конфигурацию всех перекрестных соединений и мультиплексоры ввода/вывода по всему маршруту. На это уходит два месяца. Повышение масштабируемости SONET требует модернизации каждого устройства на волоконном кабеле по всему маршруту.
Основной недостаток SONET состоит в том, что система не предназначена для передачи трафика данных. Системы SONET разрабатывались до массового появления служб передачи данных, и существующее оборудование поддерживает нагрузку только от традиционной голосовой телекоммуникационной связи. Таким образом, трафик SONET, будь то голос, данные или видео, должен соответствовать определенному уровню пропускной способности. В случае передачи данных он может занимать, а может и не занимать всю пропускную способность. Когда нагрузку необходимо увеличить, простые схемы соединений сигналов SONET не позволяют полностью использовать полезную нагрузку, и пропускная способность, зарезервированная для полезной нагрузки, остается, в основном, не задействованной. Кроме того, SONET - это главным образом транспортная технология, и поэтому она не предоставляет информацию о трафике полезной нагрузки. Таким образом, она не способна эффективно удовлетворять требованиям к транспортировке данных.
Это заставляет нас обращаться к основной технологии передачи данных в глобальных сетях - ATM. Первоначально ATM считается окончательным решением задачи создания единой топологии для всех сетей. Но сложность и дороговизна превратили ATM еще в одну жертву Ethernet на рынке локальных сетей, и те же самые недостатки могут обречь его на неудачу и в мире глобальных сетей, особенно теперь, когда Ethernet предлагает конкурентное решение в этой области.
Основные аргументы в пользу того, что ATM все еще остается популярным, является его способность обеспечивать истинное качество обслуживания и удобное формирование услуг. С другой стороны, если ATM способен гарантировать, что определенные данные получат определенный уровень качества обслуживания, то Ethernet, в лучшем случае, обеспечивает COS, т. е. преимущественно обслуживание по мере возможности. Гибкое формирование услуг ATM гарантирует, что потребители получат пропускную способность, за которую они заплатили.
Хотя эти преимущества ATM с точки зрения глобальной сети могут оказаться большим плюсом, в локальной сети они существенного значения не имеют. При дешевизне и легкости увеличения пропускной способности сетей Ethernet, проблемы, связанные с качеством обслуживания и формирования услуг, могут быть решены за счет расширения пропускной способности. Но такой способ решения проблем - совсем не традиционный для глобальных сетей. Но с точки зрения затрат, включая расходы на наращивание пропускной способности традиционной системы глобальной сети, это, безусловно, имеет смысл. Однако когда цены на 1 Гбит/с пропускной способности сокращаются с одной пятой до одной десятой от традиционной величины, подход "больше пропускной способности" в глобальной сети кажется более резонным.
Способность 10 GbE конкурировать с ATM и SONET открывает для Ethernet рынок, где ранее он никогда не применялся. В 2000 г. совокупный оборот от ATM и SONET составлял почти 21 млрд долларов. В 2004 г. общий оборот рынка достигнет 40 млрд долларов. Но появление на этом рынке Ethernet может значительно изменить эти цифры. С точки зрения оборота общий размер рынка оборудования для создания инфраструктуры глобальной сети может сократиться по мере того, как этот рынок будет заполнять менее дорогое оборудование Ethernet. Однако показатели объема выпуска оборудования могут расти благодаря его невысокой стоимости и возможности предлагать дополнительную пропускную способность, необходимую для обеспечения качества обслуживания и формирования услуг.
Ближайшие десять лет будут очень интересными для мира Ethernet. 10 GbE пока остается атрибутом локальных сетей. Скорее всего, он постепенно начнет вытесняться из серверных ферм и, возможно, ферм хранения по мере внедрения технологии InfiniBand, но его позиции на рынке локальных сетей, в любом случае, весьма надежны. Несмотря на отсутствие в Ethernet возможностей поддержки качества обслуживания и формирования услуг, региональные сети Ethernet уже создаются и используются такими провайдерами, как Yipes и Telseon, причем их пользователи высоко оценивают дешевизну пропускной способности и приемлемую производительность по сравнению с другими решениями.
Такое впечатление, что подход, применявшийся в локальных сетях, оправдывает себя и в региональных, несмотря на то, что последние в большей степени напоминают глобальные сети. Однако и в мире глобальных сетей может произойти настоящее чудо. Использование формата кадров SONET/SDU в 10 GbE на асинхронном интерфейсе Ethernet физического уровня глобальной сети открывает путь для совместимости 10 GbE со всем унаследованным оборудованием традиционных операторов. Этот дополнительный интерфейс физического уровня глобальной сети включает в себя простой и недорогой модуль генерации кадров SONET и работает на скорости передачи данных, соответствующей скорости полезной нагрузки OC-192c/SDH VC-4-64c. Однако в SONET и ATM инвестированы значительные средства, поэтому не стоит ожидать, что эти технологии исчезнут в одночасье.
В надвигающейся битве в мире глобальных сетей 10 GbE имеет такие конкурентные преимущества, как скорость (через четыре года появится уже 100 Gigabit Ethernet), цена, простота, совместимость с SONET и широкая поддержка в отрасли со стороны производителей оборудования для локальных и глобальных сетей. У него нет истинного качества обслуживания, формирования услуг или дальнего диапазона SONET (хотя некоторые нестандартные решения Ethernet большого диапазона действия уже способны функционировать на сравнимых расстояниях, вплоть до 100 км).
Преимущества 10 GbE почти те же, что и Ethernet, благодаря которым он одержал победу в области локальных сетей; эти преимущества теперь позволят данной технологии проникнуть в мир региональных сетей. Время покажет, достаточно ли серьезно отличается динамика мира глобальных сетей от динамики локальных сетей, чтобы свести на нет сегодняшние достоинства Ethernet. Если рынок глобальных сетей подтвердит свою готовность к применению Ethernet, что кажется весьма вероятным, то 10 GbE способен сделать мечту о единой технологии вполне реальной.