Не успело еще, как говорится, обсохнуть молоко на губах только что родившего­ся стандарта быстрого Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой версией (1995). Ее почти сразу окрестили гигабитной сетью Ethernet, а в 1998 году новый стандарт был уже ратифицирован IEEE под официальным названием 802.3z. Тем самым разработчики подчеркнули, что это последняя разработка в линейке 802.3 (если только кто-нибудь в срочном порядке не придумает называть стандарты, скажем, 802.3ы. В свое время, Бернард Шоу предлагал расширить английский алфавит и включить в него, в частности, букву «ы», но был не убедителен.).

Главные предпосылки создания 802.3z были те же самые, что и при создании 802.3u, — повысить в 10 раз скорость, сохранив обратную совместимость со старыми сетями Ethernet. В частности, гигабитный Ethernet должен был обеспечить дейтаграммный сервис без подтверждений как при односторонней, так и при групповой передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-битную схему адресации и формат кадра, включая нижние и верхние ограничения его размера. Новый стандарт удовлетворил всем этим требованиям.

Гигабитный Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами или коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда им вздумается. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии между компьютером и коммутатором компьютер — это единственный потенциальный отправитель; передача произойдет успешно даже в том случае, если одновременно с ней ведется передача со стороны коммутатора (линия полнодуплексная). Так как конкуренции в данном случае нет, протокол CSMA/CD не применяется, поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а вопросы времени распространения шумового всплеска здесь не встают. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживается так же, как и в быстром Ethernet.

Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Хаб не буферизирует входящие кадры. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал обычного Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/CD. Поскольку кадр минимального размера (то есть 64-байтный) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальная длина сегмента должна быть соответственно уменьшена в 100 раз. Она составляет 25 м — именно при таком расстоянии между станциями шумовой всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель 64-байтного кадра при 1 Гбит/с успел бы много чего наделать даже за то время, пока его кадр прошел только десятую часть пути в одну сторону, не говоря уже о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно.

Комитет разработчиков стандарта 802.3z совершенно справедливо заметил, что 25 м — это неприемлемо малая длина, и ввел два новых свойства, позволивших расширить радиус сегментов. Первое называется расширением носителя. Заключается это расширение всего-навсего в том, что аппаратура вставляет собственное поле заполнения, растягивающее нормальный кадр до 512 байт. Поскольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, то программному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт на передачу 46 байт — это несколько расточительно с точки зрения эффективности использования пропускной способности. Эффективность такой передачи составляет всего 9 %.

Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, — это пакетная передача кадров. Это означает, что отправитель может посылать не единичный кадр, а пакет, объединяющий в себе сразу много кадров. Если полная длина пакета оказывается менее 512 байт, то, как в предыдущем случае, производится аппаратное заполнение фиктивными данными. Если же кадров, ждущих передачу, хватает на то, чтобы заполнить такой большой пакет, то работа системы оказывается очень эффективной. Такая схема, разумеется, предпочтительнее расширения носителя. Эти методы позволили увеличить максимальную длину сегмента до 200 м, что, наверное, для организаций уже вполне приемлемо.

Трудно представить себе организацию, которая потратила бы немало усилий и средств на установку плат для высокопроизводительной гигабитной сети Ethernet, а потом соединила бы компьютеры концентраторами, симулирующими работу классического Ethernet со всеми его коллизиями и прочими проблемами. Концентраторы, конечно, дешевле коммутаторов, но интерфейсные платы гигабитного Ethernet все равно относительно дороги, поэтому экономия на покупке концентратора вместо коммутатора себя не оправдывает. Кроме того, это резко снижает производительность, и становится вообще непонятно, зачем было тратить деньги на гигабитные платы. Однако обратная совместимость — это нечто священное в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, в 802.3z подобная возможность предусматривается.

Гигабитный Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели. Работа на скорости 1 Гбит/с означает, что источник света должен включаться и выключаться примерно раз в наносекунду. Светодиоды просто не могут работать так быстро, поэтому здесь необходимо применять лазеры. Стандартом предусматриваются две операционных длины волны: 0,85 мкм (короткие волны) и 1,3 мкм (длинные). Лазеры, рассчитанные на 0,85 мкм, дешевле, но не работают с одномодовыми кабелями.

Официально допускается использование трех диаметров волокна: 10, 50 и 62,5 мкм. Первое предназначено для одномодовой передачи, два других — для многомодовой. Не все из шести комбинаций являются разрешенными, а максимальная длина сегмента зависит как раз от выбранной комбинации. Числа, приведенные в таблице, — это наилучший случай. В частности, пятикилометровый кабель можно использовать только с лазером, рассчитанным на длину волны 1,3 мкм и работающим с 10-микрометровым одномодовым волокном. Такой вариант, видимо, является наилучшим для магистралей разного рода кампусов и производственных территорий. Ожидается, что он будет наиболее популярным несмотря на то, что он самый дорогой.

1000Base-CX использует короткий экранированный медный кабель. Проблема в том, что его поджимают конкуренты как сверху (1000Base-LX), так и снизу (1000Base-T). В результате сомнительно, что он завоюет широкое общественное признание.

Наконец, еще один вариант кабеля — это пучок из четырех неэкранированных витых пар. Поскольку такая проводка существует почти повсеместно, то, похоже, это и будет самый популярный гигабитный Ethernet.

Новый стандарт использует новые правила кодирования сигналов, передающихся по оптоволокну. Манчестерский код при скорости передачи данных 1 Гбит/с потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это слишком сложно и занимает слишком большую долю пропускной способности. Вместо манчестерского кодирования применяется схема, называющаяся 8В/10В. Как нетрудно догадаться по названию, каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи по волокну десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодовых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:

- ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;

- ни в одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести единиц.

Почему именно такие правила?

Во-первых, они обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком.

Во-вторых, количество нулей и единиц стараются примерно выровнять. К тому же многие входящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, вероятно, выберет из них то, которое сравняет число нулей и единиц.

Ссбалансированному количеству нулей и единиц потому придается такое значение, что необходимо держать постоянную составляющую сигнала на как можно более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи без изменений. Люди, занимающиеся computer science, не в восторге от того, что преобразовательные устройства диктуют те или иные правила кодирования сигналов, но жизнь есть жизнь.

Гигабитный Ethernet, построенный на 1000Base-T, использует иную схему кодирования, поскольку изменять состояние сигнала в течение 1 нс для медного кабеля затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется одним из пяти уровней напряжения. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01,10 или 11. Есть еще специальное, служебное значение напряжения. На одну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна 125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с. Пятый уровень напряжения был добавлен для специальных целей — кадрирования и управления.

1 Гбит/с — это довольно много. Например, если приемник отвлечется на какое-то дело в течение 1 мс и при этом забудет или не успеет освободить буфер, это означает, что он «проспит» примерно 1953 кадра. Может быть и другая ситуация: один компьютер выдает данные по гигабитной сети, а другой принимает их по классическому Ethernet. Вероятно, первый быстро завалит данными второго. В первую очередь переполнится буфер обмена. Исходя из этого было принято решение о внедрении в систему контроля потока (так было и в быстром Ethernet, хотя эти системы довольно сильно различаются).

Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться на некоторое время. Служебные кадры — это, на самом деле, обычные кадры Ethernet, в поле Туре которых записано 0x8808. Первые два байта поля данных — командные, а последующие, по необходимости, содержат параметры команды. Для контроля потока используются кадры типа PAUSE, причем в качестве параметра указывается продолжительность паузы в единицах времени передачи минимального кадра. Для гигабитного Ethernet такая единица равна 512 нс, а паузы могут длиться до 33,6 мс.

Гигабитный Ethernet был стандартизован, и комитет 802 заскучал. Тогда IEEE предложил ему начать работу над 10-гигабитным Ethernet. Начались долгие попытки найти в английском алфавите какую-нибудь букву после z. Когда стало очевидно, что такой буквы нет в природе, от старого подхода решено было отказаться и перейти к двухбуквенным индексам. Так в 2002 году появился стандарт 802.3ае. Судя по всему, появление 100-гигабитного Ethernet уже тоже не за горами.