Sve je počelo pre više od dve decenije, kada je dr Robert Metkalf potražio najbolji način da poveže nekoliko računara u laboratorijama firme Xerox PARC. Debeli žuti koaksijalni kabl, koji su do tada primenjivale isključivo telefonske kompanije, a koji je Dr Metkalf nazvao ether, poslužio je kao osnova novog načina povezivanja računara brzinom od 3 megabita u sekundi.
Danas Ethernet tehnologiju prihvata sve veći broj proizvođača računarske opreme, među kojima treba pomenuti DEC i Intel, pri čemu svaki od njih dodatno poboljšava performanse originalnog rešenja. Pošto je protok od 10 Mbit/s dostignut, Ethernet biva standardizovan - najpre od strane trusta DEC-Intel-Xeroc (DIX), potom od strane većeg broja proizvođača (Ethernet II), da bi 1985. godine Komitet za standarde IEEE doneo standard 802.3, koji biva priznat od strane svih međunarodnih organizacija za standarde.

Dinamične godine

Od tih davnih vremena Ethernet je doživeo nekoliko bitnih promena, ali je pristup fizičkom medijumu (meduim access control, MAC) ostao zasnovan na tzv. CSMA/CD (collision-sensitive multiple access with collision detection) principu. CSMA/CD podrazumeva dva osnovna režima rada računara u mreži: prijem i emitovanje paketa. U režimu prijema, u kome se mrežna kartica nalazi neprekidno tokom svoga rada, kartica "osluškuje" medijum kojim se paketi prenose, te prima sve pakete koji se po kablu prenose, bez obzira na njihovog pošiljaoca i stvarnog primaoca. Pošto primi paket, mrežna kartica će analizirati zaglavlje, u kome su upisani podaci o izvoru i odredištu paketa, u vidu tzv. MAC 48-bitnih adresa karakterističnih za svaku Ethernet karticu (npr. 08-00-2A-31-55-7E). U okviru jedne lokalne mreže, svaka mrežna kartica mora da ima jedinstvenu adresu, pa će, pošto primi paket, kartica lako utvrditi da li je paket namenjen računaru u koji je ugrađena ili ne: ako se MAC adresa odredišta poklopi sa njenom sopstvenom MAC adresom, kartica će paket proslediti računaru na dalju obradu. U suprotnom će ga ignorisati.
Emitovanje paketa odvija se pošto mrežna kartica, osluškivanjem medijuma za prenos (CSMA), utvrdi da ni jedan računar na mreži ne emituje svoje podatke. Budući da je vreme prostiranja signala po kablu konačno, sasvim je moguće da dve stanice istovremeno dođu do zaključka da je medijum slobodan, pa da emituju pakete u isto vreme. Pošto, merenjem nivoa signala na kablu, utvrde da je došlo do kolizije paketa (CD), mrežne kartice računara čiji su se paketi sudarili generišu upravljački jam signal, te sačekaju izvesni hardverski generisan pseudoslučajni vremenski interval (backoff time), da bi reemitovali pakete koji su se sudarili. Kompletan CSMA/CD protokol implementiran je hardverski, unutar mrežnih kartica.
Topologije lokalnih mreža, kao i način kabliranja, stalno su se menjali. Originalni debeli koaksijalni kabl maksimalne dužine 500 m (10base5), ubrzo je, zbog nepraktičnog načina rekonfiguracije mreže, zamenjen jeftinijim tankim kablom (10base2), da bi se na kraju koaksijalni kablovi postepeno sve manje primenjivali, a kao jedine alternative ostale upredene parice ((un)shielded twisted pair - STP, UTP - 10baseT) i optika (10baseFL). Način kabliranja mreže neposredno diktira i njenu topologiju: distribuirani koncept, uslovljen načinom postavljanja koaksijalnih vodova, zamenjen je centralizovanim, u kome se pojedinačni računari, korišćenjem paričnih kablova i RJ-45 konektora, vezuju na odgovarajuće centralne koncentratore - habove (hub), a sami habovi na druge habove.
Centralizovana topologija rešava problem otkaza cele mreže usled kvara jednog konektora, svojstven mrežama sa tankim koaksijalnim kablovima. Habovi, funkcionalno, obavljaju isti posao kao i ripiteri (repeater), pa pomenuta tehnologija nije efikasno rešila pitanje povećanog broja kolizija na mreži u uslovima gustog saobraćaja. Podela mreže na segmente bridževima i ruterima otklanja kolizije, ali ne uvek efikasno: bridževi umeju da razvrstaju saobraćaj između pojedinih portova prema MAC adresama odredišta, te otklanjaju koliziju, ali unose dodatno kašnjenje u prenosu paketa, zbog analize svakog pristiglog paketa. Ruteri su drastično skuplja rešenja, a zahtevaju složeno konfigurisanje svakog protokola koji se po mreži prenosi ponaosob, jer razvrstavanje paketa obavljaju prema protokolima trećeg - mrežnog sloja (IP, IPX, DECnet Routing...) Pojavila se potreba za uređajem, koji bi funkcionalno odgovarao bridžu - razvrstavao pakete prema odredišnim MAC adresama, a isti posao radio brže i efikasnije. Tako su nastali switching habovi - uređaji koji predstavljaju najčešće rešenje backbone pravaca savremenih Ethernet mreža, a koji, osim standardnog razvrstavanja paketa, korisnicima omogućavaju niz dodatnih pogodnosti, poput fleksibilne podele mreže na nezavisne logičke celine - virtuelne mreže (VLAN). O VLAN-ovima - drugom prilikom!

Sve gušći saobraćaj

Pojavom multimedijalnih aplikacija, saobraćaj na lokalnoj mreži postao je previše gust za postojeće Ethernet mreže, a prelaz na FDDI tehnologiju, koja garantuje 100 Mbit/s, često je predstavljao preskupo rešenje. Jeftino rešenje za nadgradnju postojeće mreže potraženo je početkom devedesetih godina u povećanju protoka podataka na mreži na 100 Mbit/s, uz očuvanje originalne topologije mreže, kao i same filozofije Ethernet standarda, u smislu formata paketa i načina pristupa medijumu. Međutim, ustanovljeno je da ovakva "turbo" varijanta Ethernet-a, poznata pod nazivom FastEthernet (100baseT), može da "pokrije" znatno manja rastojanja, uz očuvanje originalne specifikacije i formata paketa.
Tvorci originalne, 10-megabitne Ethernet specifikacije mrežu su sveli na atar prečnika 2 km, te su proračunali parametre protokola uz uslov da računari, međusobno udaljeni 2 km, budu uvek u stanju da detektuju međusobnu koliziju paketa. Proračunom se može pokazati da će to uvek biti moguće za pakete veće od 64 bajta, koliko ujedno iznosi i minimalna dozvoljena dužina paketa u Ethernet mrežama. Budući da je u FastEthernet specifikaciji donja granica od 64 bajta zadržana, da je brzina signalizacije povećana 10 puta, a vreme potrebno da se paket pošalje skraćeno 10 puta, računari međusobno udaljeni 2 km neće moći da efikasno detektuju koliziju. Zakoni fizike, očigledno, zahtevaju da se maksimalno teorijsko rastojanje smanji 10 puta, pa je i "domet" FastEthernet mreža svega 200 m.
Ni 100 Mbit/s više nije dovoljno za backbone pravce savremenih mreža, te jedna od glavnih tema na sastancima stručnih timova vodećih svetskih informatičkih kompanija postaje problem prelaska na "nešto jače". ATM + LAN emulacija? Za regionalne (WAN) mreže, ATM za sada predstavlja idealno i sveobuhvatno rešenje. Ali, lokalna ATM mreža preskupa je investicija: ATM modul za Cisco rutere košta između 10 i 20 hiljada dolara, a gde su tek ATM switch-evi i pristupna oprema? Pa još troškovi obuke stručnjaka koji će tu mrežu da održavaju...
Prema podacima od prošle godine, više od 80% instaliranih lokalnih mreža u svetu koristi Ethernet tehnologiju (ostalih 20% otpada na TokenRing, FDDI, LATM i ostale). Suočeni sa ovim problemom, proizvođači računarske opreme odlučili su se za nadgradnju starog dobrog Ethernet-a. Grupa od oko 80 proizvođača, okupljena pod nazivom Gigabit Ethernet Alliance (www.gigabit-ethernet.org), predložila je IEEE 802 komitetu novi standard 802.3z, koji bi omogućio protok od 1 Gbit/s po lokalnoj Ethernet mreži, pri čemu bi format paketa, kao i način pristupa medijumu za prenos, ostali isti.

Nadgradnja mreže

Gigabit Ethernet podrazumeva korišćenje paričnih (UTP - 1000baseT ili STP - 1000baseCX) ili optičkih kablova. U tekućoj radnoj verziji standarda, koncept prenosa signala po optičkim kablovima je skoro potpuno definisan, dok su standardi za prenos po TP kablovima na samom početku razvoja, a za neke tipove medijuma, poput UTP-a, ozbiljniji rad još uvek nije ni započet.
Najozbiljniji problem koji se javlja pri prenosu bakarnim kablovima brzinom 1 Gbit/s jeste refleksija na konektorima. Refleksija, doduše, postoji i u klasičnim 10 i 100 Mbit/s Ethernet mrežama, ali u znatno manjoj meri, te se njen uticaj može uspešno eliminisati. Kada je o optici

Tabela 1 - Pregled rastojanja u Ethernet tehnologiji

Vrsta kabla Ethernet, 10base-T, FL (10 Mbit/s)) Fast Ethernet 4(100base-T, FL (100 Mbit/s) Gigabit Ethernet (1000base-T, CX, SX, LX) (1 Gbit/s) Category 5 UTP 100 m (min) 100 m 25-100 m STP/Coax 500 m 100 m 25 m Multimode Fiber 2 km 412 m (hd) 2 km (fd) 500 m Single-Mode Fiber 25 km 20 km 2 km

reč, standard dozvoljava korišćenje multimodnih kablova (1000baseSX - za rastojanja do 500 m), kao i monomodnih (1000baseLX - za rastojanja do 2 km); optoelektronske komponente rade u opsegu 780 nm (prenos u opsegu 1300 nm se još uvek ispituje), a za prenos signala primenjuje se 10B/8B (Fibre Channel) kodiranje.
Standardom su specificirani kriterijumi u pogledu maksimalnih rastojanja koja mogu da se premoste novom tehnologijom, što je prikazano u tabeli 1. Rastojanja su drastično manja nego kod FastEthernet tehnologije, na šta svakako treba računati prilikom projektovanja mreže. Vrednosti iz tabele 1 važe samo u idealnim uslovima: većina proizvoda koji se trenutno nude dozvoljava daleko kraća rastojanja. Treba pomenuti i to da minimalna dozvoljena dužina paketa od 64 bajta u FastEthernet mrežama nije mogla da zadovolji praktične potrebe Gigabit Ethernet mreža, jer bi teorijski "domet" mreža bio praktično neupotrebljiv - iznosio bi svega 20 m (budući da je brzina signalizacije 10 puta veća nego kod FastEthernet mreža, kod kojih ova vrednost iznosi 200 m). Tvorci Gigabit Ethernet specifikacije morali su da povećaju minimalnu dužinu paketa na 512 bajtova, kako bi ostvarili makar približno ista rastojanja kao i u FastEthernet mrežama. Ovo povećanje prouzrokovalo je problem sa kratkim paketima: mrežne kartice mnogih proizvođači primenjuju jednostavnu "dopunu" (padding) kraćih paketa pre njihovog emitovanja. Neki proizvođači eksperimentišu i sa emitovanjem više paketa sukcesivno, kada ukupna količina podataka u izlaznom baferu kartice pređe magičnih 512 bajtova, ali se ovo pokazalo neefikasnim u uslovima retkog saobraćaja.

Pristup medijumu

IEEE 802.3z standard predviđa dva osnovna načina pristupa medijumu (MAC) u Gigabit Ethernet mrežama: ustaljeni CSMA/CD half-duplex, za komunikaciju između računara povezanih običnim (non-switching) habovima, odnosno full-duplex, za komunikaciju između računara i switching haba ili između dva switching haba. Samim tim, definisana je i arhitektura mreže, koja podrazumeva centralizovanu topologiju, u kojoj se koriste kako obični tako i switching habovi. Za sada, na tržištu se mogu naći uglavnom Gigabit Ethernet moduli za postojeće modularne switching habove nekih proizvođača, kojima se dobija jedan do dva gigabit porta na uređaju. Namenski Gigabit

Slika 1

Ethernet habovi i switch-evi najavljeni su od strane nekih proizvođača za ovu godinu. Veliki broj proizvođača, naročito poznatijih, čeka da rad na standardu uđe u završnu fazu.
Proizvođači mrežne opreme sugerišu postepenu nadgradnju korisnikove mreže na novu tehnologiju. Prva etapa svakako će biti međusobno povezivanje više switching habova korišćenjem gigabit tehnologije (slika 1). Vlasnici modularnih switching habova su tu u prednosti, budući da neki proizvođači nude gigabit module za postojeću switching opremu. Nabavka gigabitnih mrežnih kartica za centralne mrežne servere, te njihovo povezivanje na gigabit module switching habova, verovatno će biti sledeća faza (slika 2).
Iako se nadgradnja servera pominje u gotovo svim koncepcijskim rešenjima gigabit mreža, treba ipak biti oprezan: ako je propusna moć (throughput) servera mala - reda 100 do 200 Mbit/s (veliki broj savremenih PC servera), računar povezan u gigabit mrežu neće biti u stanju da u realnom vremenu obradi pakete koji mu stižu putem mrežne kartice. Rezultat će biti katastrofalan: preveliko opterećenje servera, kao i preveliki procenat izgubljenih paketa efektivno će smanjiti protok podataka između servera i ostatka mreže. Propusna moć high-end servera, kakve godinama proizvode Sun Microsystems, HP, DEC, IBM i neke druge firme kreće se između 200 i 400 Mbit/s, pa se primena gigabit mreža na takvim mestima pokazuje opravdanom, jer

Slika 2

se efikasno koriste raspoloživi resursi servera.
Konačno, zamena jednog ili više backbone switching habova novim, koji podržavaju po 1 Gbit/s na većem broju portova, uz minimalnu nadgradnju switch-eva i habova neposredno povezanih na backbone switch (ugradnja gigabit modula), verovatno će biti finalna faza, pri čemu će se stari backbone switch-evi preseliti na "niže" hijerarhijsko mesto u mreži (slika 3).

Proizvodi

Velike kompanje se još uvek uzdržavaju od bilo kakve komercijalizacije proizvoda ove vrste - Cisco Systems i Bay Networks još uvek drže novu klasu uređaja u laboratoriji, smatrajući da je u pitanju neistraženo tle. Nasuprot njima, izvestan broj manjih proizvođača požurio je da na tržištu ponudi proizvode, koji, na prvi pogled, korisniku nude sve pogodnosti hiperbrzih mreža. Sve ima svoju cenu, pa će se mnogi korisnici, privučeni performansama novih proizvoda, naći u nebranom grožđu, uglavnom zbog usklađenosti sa nedovoljno definisanim standardima. Neke manje proizvođače, poput NBase (www.nbase.com), koji sebe često nazivaju pionirima gigabit mreža, nedostatak čvrstih standarda ne brine - oni će jednostavno pokupiti kajmak od razmaženih korisnika kojima će svaka mreža večito biti "tesna" i koji često od drveća (zvanog multimedija) ne vide šumu, tj. mnoštvo kasnijih problema sa međusobnim usklađivanjem komunikacione opreme u mreži.
Nedostatak potpuno definisanih standarda nije jedina "dečija bolest" ove tehnologije - ozbiljniji problem je kapacitet samih uređaja, odnosno kapacitet backplane-ova modularnih (chassis-based) switch-eva. Da bi switching hab radio bez blokiranja (non-blocking), zbir kapaciteta pojedinih portova mora da bude manji ili jednak sveukupnoj propusnoj moći uređaja. Obzirom da switching habovi uglavnom koriste full-duplex, pri ovom proračunu zbir treba

Slika 3

udvostručiti. NBase Megaswitch II, jedan od tipičnih switching habova koji podržava Gigabit Ethernet tehnologiju (prema specifikacijama) podržava do 10 FastEthernet i jedan Gigabit port. S obzirom da switch koristi full-duplex, totalni kapacitet koji se zahteva za ovakvu konfiguraciju je 4 Gbit/s. U specifikacijama proizvođač navodi vrednost od 1 Gbit/s kao maksimalan kapacitet ovog uređaja.
U trku sa NBase-om, ušao je i izvestan broj poznatijih proizvođača, među kojima svakako treba pomenuti 3Com (www.3com.com). Za razliku od NBase-a, 3Com još uvek ne nudi gotove proizvode, ali je najavio više uređaja za rad u Gigabit Ethernet mrežama za ovu i sledeću godinu. Pomenimo najpre sveobuhvatno rešenje, najavljeno za drugu polovinu ove godine: SuperStack II Switch 9000 SX, osmoportni Gigabit Ethernet switch, "stackable" tipa, totalnog kapaciteta 11 miliona paketa u sekundi. Uređaj uspešno može da obradi oko 12000 različitih MAC adresa, ne zahteva složeno konfigurisanje, a opciono omogućava daljinski nadzor i upravljanje (SNMP, RMON). Za sada zahteva optičke kablove na gigabit portovima, a dužina kablova ne sme biti veća od 250 m. Podržava VLAN-ove i košta oko 20000 dolara.
Osim SuperStack II Switch 9000 SX, 3Com nudi još nekoliko zanimljivih proizvoda. Tu je, pre svega, Gigabit Ethernet modul za postojeće FastEthernet switch-eve ovog proizvođača SuperStackII Switch 3000 i 1000. Modul je takođe najavljen za drugu polovinu ove godine, obezbeđuje jedan gigabitni port (optički interfejs, dužina kabla do 250 m), a očekivana cena mu je 3000 dolara. Za jesen 3Com najavljuje PCI gigabit mrežne kartice za snažne PC servere, koji se u to vreme očekuju na tržištu. Na kraju, Gigabit Ethernet moduli za CoreBuilder 5000 i 7000 - poznate chassis-based switch-eve ovog proizvođača, najavljeni su za početak 1998. 3Com CoreBuilder switch-evi mogu da se koriste i za FDDI ili ATM switching. CoreBuilder će, pored postojeća 64 FastEthernet porta, podržavati i po jedan Gigabit Ethernet. Iako kapacitet ovog uređaja teorijski omogućava korišćenje 17 gigabit modula, 3Com ne preporučuje priključivanje više od dva gigabit modula.
Osim switch-eva, očekuje se da će veći broj proizvođača uskoro krenuti u implementaciju i testiranje gigabit habova. Za sada, svega tri proizvođača najavljuju ovu klasu uređaja: XLNT Designs uveliko radi na osmoportnom gigabit habu, a DEC najavljuje 8 ili 12-portni. Novina koja se javlja kod nekih gigabit habova je tehnika baferisane distribucije paketa (buffered distribution): habovi koriste full-duplex portove, pri čemu pakete, koje simultano primaju od strane pojedinih računara, skladište u internim baferima, koji se nalaze na svakom portu. Tako uskladišteni paketi usmeravaju se ka drugim portovima primenom CSMA/CD principa, odnosno premeštaju se u odgovarajuće bafere na drugim portovima. Kolizija na relaciji hab-računari nema: habovi ne razvrstavaju pakete prema adresama (takva osobina je svojstvena switch-evima) već sve pakete prosleđuju svima, a krajnje prihvatanje ili odbijanje paketa vrše Ethernet kartice priključenih računara.
Baferi na portovima haba imaju ograničen kapacitet, pa ovakvi uređaji zahtevaju asimetričnu kontrolu toka podataka (asymmetric flow-control), kako bi hab bio u stanju da zaustavi mrežnu karticu računara kada mu se bafer na portu prepuni. Kontrola toka mora biti strogo asimetrična, jer bi simetrična kontrola omogućavala računaru da zaustavi rad kompletnog haba, što je svakako nepoželjno! Uglavnom, svi gigabit habovi podržavaće asimetričnu kontrolu toka podataka, definisanu standardom IEEE 802.3x.

Pro Et Contra

Svaka nova tehnologija izgleda privlačno na prvi pogled. Iskusni inžinjeri će vam uvek savetovati da sa novim stvarima "budete na Vi". Ugledni časopisi koji se bave mrežama, kao što je Data Communications, u poslednje vreme donose veliki broj priloga o Gigabit Ethernet tehnologiji. Prednosti nad ostalim tehnologijama istog kalibra, kao što je ATM, su očigledne: manja cena po interfejsu, lakša i jeftinija nadgradnja mreže, identičan način upravljanja mrežom kao i kod ranijih tipova Ethernet-a. Nedostaci Gigabit Ethernet-a su još uvek brojni: nema čvrstih standarda, postoje ozbiljna ograničenja u dužini kablova, na tržištu još uvek nema jeftinih servera čija je propusna moć dovoljna za rad u gigabit mrežama. Gigabit Ethernet, najzad, ne donosi ništa novo kada je u pitanju podrška različitih kvaliteta servisa (QoS), neophodna u real-time aplikacijama. U ATM mrežama, problem definisanja kvaliteta servisa na početku komunikacije između dva korisnika rešen je odavno.
Da li ćete se, oduševljeni prezentacijom gigabit mreže na nekom stručnom skupu ili sajmu, odlučiti da odmah kupite "nove igračke" i ugradite ih u svoju mrežu? Budite oprezni i ne žurite - svaku tehnologiju vredi probati, ali tek u pravo vreme!