Главная
|
|
Fast Ethernet сегодняБыстрое увеличение числа настольных систем и серверов на базе процессоров Intel Core® и AMD x64 в корпоративных сетях, а также использование операционных систем и прикладных программ, требующих высокой пропускной способности, привело многих администраторов информационной технологии (IT) к решению о переводе сетей на Fast Ethernet. Впервые предложенный в 1993, стандарт Fast Ethernet является теперь общим стандартом для существующих локальных вычислительных сетей (ЛВС), остро нуждающихся в повышении пропускной способности. С момента принятия комитетом IEEE 802.3 в 1995 стандарт Fast Ethernet пользуется большой популярностью и используется не только малыми фирмами, но и в большом бизнесе.
Сети Fast Ethernet приобрели такую популярность по нескольким причинам:
Согласование пропускной способности настольных систем и сетиС увеличением мощности процессора работа мощных настольных систем в сети становится критической. Производительность ПК может превышать пропускную способность 10 Мбит/с сети. Следовательно, соответствие пропускной способности компьютерной сети имеет большое значение для разработки надежного решения. Помимо сокращения количества узких мест при передаче информации и повышения производительности, такое решение в конечном счете увеличит продуктивность работы пользователей сети (Рисунок 1). Чем больше ПК подключается к сети, тем выше требования к ее пропускной способности. Восемьдесят пять процентов от общего числа корпоративных ПК соединено в сеть, и это число постоянно увеличивается. С ростом числа сетевых ПК увеличиваются требования к сетевым приложениям и пропускной способности. К необходимости повышения пропускной способности1 сети приводят следующие причины:
Решения для магистральной линии связи (backbone) и рабочих группИтак, исходя из постоянно растущих требований повышения пропускной способности сети, ответим какая же технология должна использоваться в магистральной линии связи (backbone) и для рабочих групп?
Технология backboneТехнологии backbone имеют свои недостатки и преимущества. Например, непомерно высокая стоимость FDDI и недостаток технической поддержки мешает ее широкому использованию.Режим асинхронной передачи (ATM) возможен для использования в backbone, однако, это очень сложная технология (уже сегодня существует 68 различных спецификаций) и не закончена разработка ее промышленных стандартов (ATM Forum, ITU). Как только стандарты будут определены, существующая аппаратура, вероятно, потребует замены для использования новой спецификации Available-Bit-Rate (ABR), разработанной для поддержки интенсивных потоков данных, характерных для ЛВС. Возможная задержка спецификаций ATM на 3-5-лет означает, что, пожалуй, Вам придется долго ждать, пока эта технология станет доступной, экономичной, стабильной и надежной. Технология коммутируемых сетей Fast Ethernet - наиболее быстро развивающаяся технология, использующаяся в backbone. Фактически, это - сетевой стандарт для централизованных серверов с высокой пропускной способностью. Несколько фирм, включая Intel, Bay Networks, Cisco Systems и Cabletron, уже поставляют коммутаторы Fast Ethernet. Эти коммутаторы являются решением как для backbone, так и для других соединений.
Технология рабочих групп для настольных системВ настоящее время существует две возможности обеспечения высокой пропускной способности для рабочих групп:1. Fast Ethernet и 2. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с. Выбор между ними сводится к принципиальному решению:
В зависимости от типов ПК в вашей сети, Вы можете выбрать решение, соответствующее текущим потребностям рабочей группы и предусматривающее перспективы роста производительности сети. Упомянутые выше возможности аналогичны соответственно многополосному движению по скоростной дороге, где каждый автомобиль едет в отдельном ряду, но имеет ограничение скорости 10 миль в час, и однорядному скоростному движению, где любой автомобиль может двигаться со скоростью 100 миль в час. Если все автомобили находятся на дороге одновременно (редкая ситуация) и не могут быстро передвигаться, то имеет смысл перевести их на отдельные ряды со скоростью 10 миль в час. ПК на базе процессоров i386™ или i486™ и шиной ISA подобны более старым автомобилям, которые не могут двигаться быстрее 10 миль в час. Таким образом, использование Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с вполне их удовлетворит. Но ПК на базе процессора AMD x64, имеющий пропускную способность внутренней шины PCI 1056 Мбит/с (1Гбит/с), подобен спортивному автомобилю, который может двигаться намного быстрее 10 миль в час. Многорядный вариант со скоростью 10 миль в час не позволит полностью использовать мощность этих быстрых машин. Если движение интенсивное, с участием большого количества спортивных автомобилей, которые не все выезжают на дорогу одновременно, использование одного быстрого ряда существенно ускоряет поездку и упрощает маршрут. Для типичной корпоративной рабочей группы Fast Ethernet решает вопрос пропускной способности без ограничений и издержек коммутируемых сетей 10Mбит/с (Рисунок 2).
Эволюция сетейДо появления Fast Ethernet, сетевые архитекторы должны были восполнять недостаток пропускной способности Ethernet использованием микросегментации - ограничения числа пользователей в сегменте. Первоначально это было достигнуто с помощью концентраторов со способностью закрепить узел за одним из нескольких сегментов - схема, названная статической сегментацией. Для обеспечения трафика на сегментах Ethernet и передачи информации на backbone использовались громоздкие мосты. Использование коммутатора для упрощения и оптимизации мелких сегментов сети явилось следующим шагом в развитии сетевой архитектуры (Рисунок 3). Коммутаторы используются, главным образом, для того, чтобы группировать локальные сегменты и направлять на backbone. Они обеспечивают коммутацию с backbone, где регулярно происходят множественные "диалоги" - обмен потоками данных между источником и адресатом (Рисунок 4). Здесь наиболее распространен метод передачи данных, состоящий из многочисленных диалогов один-на-один, подобно работе телефонной сети. Типичный пример работы коммутатора - это передача множественных запросов с локальных сегментов на многочисленные серверы, находящиеся на backbone. Коммутатор показывает наивысшую производительность, если поток данных с сегмента А идет на сервер X, с сегмента B - на сервер Y и так далее. Многочисленные потоки данных часто могут проходить через коммутатор одновременно. Однако, если потоки информации со всех сегментов поступают на один и тот же сервер X, запросы будут выполняться по очереди, что ограничивает производительность коммутатора. На уровне рабочей группы предусматривается установка концентратора, который используется одновременно несколькими компьютерами. Здесь множественные диалоги один-на-один весьма редки - обычно используетс пакетная передача данных клиент-сервер, и многочисленные настольные системы получают доступ к общему серверу (Рисунок 5a). Это пример передачи данных "многих к одному" (many-to-one) (многочисленные запросы от клиентов A, B и C на один сервер X).
"Узкие места" сети рабочей группыМодель передачи данных по типу клиент/сервер имеет три потенциальных "узких места": соединение c сервером ("тип S" на Рисунке 5b), "сетевое облако", соединяющее сервер с клиентами ("тип N"), и непосредственно подключение клиента ("тип C").Коммутатор с пропускной способностью 10Mбит/с может снизить производительность сервера (узкое место "типа S") из-за меньшего размера пакетов, поступающих в буфер коммутатора. Сетевая операционная система сервера и пакет протоколов настраивают параметры передачи, исходя из возможностей клиента и количества потерянных пакетов. Работа с медленным клиентом или пропуск кадра, вызванный переполнением буфера, приводит к тому, что сервер начинает посылать пакеты с задержкой, cнижа производительность и увеличивая время своей работы. Соединение со скоростью передачи 10Mбит/сек, которое использует меньшие 10Mбитные каналы связи с клиентами, снижает нагрузку на более старые ПК, но приводит к появлению "узких мест" при работе ПК на базе процессоров Pentium ("тип C") и не является оптимальным для серверного соединения ("тип S"). Использование Fast Ethernet в сети рабочей группы согласует пропускные способности клиентских станций и сервера с минимальной временной задержкой. При подключении серверов и рабочих станций к Fast Ethernet, "узкие места" сетевой связи исчезают. Такое соответствие между сервером и его клиентами позволяет более эффективно использовать полосу пропускания и поддерживает большее количество транзакций, поскольку каждая транзакция занимает меньше времени (Рисунок 6). Рассмотрим подробно динамику рабочей группы и расшивку узких мест типа "N" различными сетевыми построениями (архитектура сети). Уменьшение числа конфликтовГлавное преимущество коммутирующей технологии - уменьшение конфликтов в сети. Однако, порт коммутатора не обязательно свободен от конфликта. Специализированный порт коммутатора фактически является маленьким сегментом Ethernet со скоростью 10Mбит/сек или областью конфликта двух устройств: адаптера клиентской станции и порта коммутатора. Эти устройства могут конфликтовать подобно любой другой станции Ethernet в корпоративной среде. Число конфликтов может быть меньше, чем число станций в корпоративной сети, но они не являются незначительными. Коммутация не устраняет узкие места Ethernet со скоростью 10Mбит/сек; она просто перемещает их на другой уровень. Чем выше скорость обмена, тем меньше количество конфликтов. Мы не будем рассматривать коммутаторы, все порты которых поддерживают скорости 10Мбит/сек и не имеют возможности соединения с Fast Ethernet. Их производительность значительно уступает устройствам Fast Ethernet и опускается ниже минимальных требований сегодняшних ПК с высокой пропускной способностью. Для анализа мы рассмотрим 10Мбитный коммутатор с поддержкой 100Мбит/сек. Некоторые коммутаторы на 10Мбит/сек пробуют приблизиться к более высокому уровню производительности, обеспечивая одну или две связи с Fast Ethernet на 100Мбит/сек. Такой коммутатор обеспечивает соединение по протоколу Fast Ethernet с сервером, а с клиентами соединение со скоростью 10Mбит/сек. Однако, этот класс коммутаторов на 10Мбит/сек не соответствует ожиданиям. Продолжая аналогию со скоростной дорогой, - это время, необходимое для ускорения до 100Мбит/сек, достижимо для серверной передачи информации. Как только данные сервера поступают в коммутатор, появляется предписывающий знак: "Замедлитесь до 10Мбит/сек и дальше двигайтесь с этой скоростью". На этой отметке Вы должны разгрузить ваш полуприцеп, заполненный данными, и загрузить их в маленький пикап (буферы коммутатора). Теперь Вам придется сделать несколько поездок по грунтовой дороге, чтобы доставить ваш груз нуждающемуся клиенту. Если Вы рассмотрите это построение внимательно, то решения со скоростью передачи 10Mбит/сек представляют обмен данными, который неприемлем для вашей сети.
Буферы и управление потоком данныхПерекрытие промежутка скоростей от 10 Мбит/сек к 100Мбит/сек требует построения с промежуточным хранением. Это, в свою очередь, приводит к использованию буферов и механизмов управления потоком данных. Коммутатор 10Мбит/сек с поддержкой Fast Ethernet нуждается в более ёмких буферах для обработки данных, поступающих из сети Fast Ethernet.Буферы коммутатора на 10Мбит/сек могут переполняться, если они получают большой пакет данных от сервера, а коммутатор никакого управления потоком данных не имеет. Когда это происходит, данные теряются и должны быть ереданы снова на более высоком сетевом уровне (транспортном), который намного медленнее аппаратной повторной передачи. В результате для сервера имеем увеличение накладных расходов, более высокое использование центрального процессора и уменьшение производительности сети, а для коммутатора - высокие требования к буферу и увеличение его стоимости при подключении к Fast Ethernet. Все это вызвано несоответствием скоростей между портами связи быстрого уровня и другими портами коммутатора. У коммутатора несмешанной сети Fast Ethernet этой проблемы нет.
Временная задержкаЕсли данные посланы с сервера со скоростью 100Мбит/сек, то коммутатор должен сохранять каждый кадр до тех пор, пока клиент со скоростью 10Мбит/сек не сможет принять его. Тогда порт вывода намечает кадр для передачи, основанной на его буферном временном владении (FIFO).Это построение с многократными пересылками вводит свойственную ему задержку. Так как соединение с клиентской станцией в 10 раз медленнее, чем соединение с сервером, буферы коммутаторов будут связаны в течение времени, превышающего в 10 раз длительность первоначального кадра, переданного сервером. В итоге этот гибрид двух технологий, коммутируемой со скоростью 10Мбит/сек и Fast Ethernet, получается плохим. Производительность сети с пропускной способностью 10Мбит/сек ниже, чем Fast Ethernet и не соответствует производительности сегодняшних ПК, имеющих высокую пропускную способность.
Сближение: рабочая группа Fast EthernetИспользование сетей Fast Ethernet обеспечивает ключевые преимущества в производительности: минимальную задержку и соответствие скоростей настольной системы и сети.
Буферы и управление потоком данныхЁмкий буфер, который требуется коммутатору на 10Мбит/сек для переключения на уровень 100Мбит/сек, не нужен концентратору Fast Ethernet, поэтому для концентратора Fast Ethernet аппаратное управление потоком данных излишне.Это не говорит о том, что сеть Fast Ethernet никогда не занята, такое состояние может быть. В корпоративной сети Fast Ethernet рабочая станция может использовать полную пропускную способность 100 Мбит/сек, в то время когда никака другая станция в этом не нуждается. Станция фактически имеет такую возможность, даже когда поступают многочисленные запросы на связь. Например, если две станции требуют связи в одно и то же время, то одна станци будет ждать в течение времени, равного продолжительности кадра (не более чем микросекунды). Таким образом, построение Fast Ethernet хорошо удовлетворяет модели интенсивной передачи информации.
Временная задержкаПри использовании Fast Ethernet передача кадра занимает одну десятую времени, необходимого для передачи в сети со скоростью 10Мбит/сек. Не требуется ни больших буферов, используемых из-за несогласования скоростей, ни лишних пересылок. Данные идут от источника к адресату в один прием через концентратор или с постоянной скоростью через коммутатор несмешанной сети Fast Ethernet. Это предотвращает появление узких мест "типа S", позволяя серверу передавать информацию с полной реализацией своих возможностей.
Соответствие скоростей настольной системы и сетиПоскольку скорость сети соответствует набору требований системы на базе процессора Pentium, использующей шину PCI, узкие места "типа C" тоже устраняются (Рисунок 6).
Управляемая средаЧтобы минимизировать конфликты, мы рекомендуем ограничить число пользователей на сегменте сети Fast Ethernet, хотя не все пользователи будут работать в сети одновременно. Для офисного использования обеспечиваетс нормальная работа до 150 пользователей в сегменте. Для отдела техники или других рабочих групп с интенсивными сетевыми запросами, рекомендуется ограничение до 48 пользователей на сегмент. Следование этим руководящим принципам гарантирует, что выгоды, упомянутые выше, сохранятся.
Надежность сети в будущемСтандарт Fast Ethernet даёт Вам возможность преобразовать распределённые сегменты Fast Ethernet в цельную коммутируемую сеть Fast Ethernet, когда запросы на пропускную способность вырастут. Кроме того, с разработкой Gigabit Ethernet, идущей быстрее чем ожидалось, соединения со скоростью 1Гбит/сек в магистральной линии связи( backbone) будут использоваться для коммутаторов и высококачественных серверов Fast Ethernet. Fast Ethernet может осуществлять быстродействующую связь с Gigabit Ethernet, в то время как коммутатор со скоростью 10Мбит/сек был бы немедленно завален данными.Основные принципы проектирования сетейВсе эти факторы делают Fast Ethernet превосходным решением проблемы пропускной способности, которое удовлетворяет требованиям сегодняшних рабочих групп с учетом их будущего расширения (Рисунок 7). Однако, сеть со скоростью 10Мбит/сек все еще используется. При выборе между корпоративной Fast Ethernet и Ethernet со скоростью 10 Мбит/сек, применяются следующие принципы:
Сравнение производительностиДля сравнения Fast Ethernet и Ethernet со скоростью 10 Мбит/сек сосредоточимся на таких моментах:
ПроизводительностьВ тех случаях, когда прикладные программы выполняются быстрее, сетевые пользователи обычно более продуктивны в своей работе. Intel провела тестирование, используя набор тестов Национальных Лабораторий по испытанию Программного обеспечения (NSTL), в частности, для того, чтобы измерить относительную производительность Ethernet со скоростью 10 Мбит/сек при выполнении прикладных программ в сети.2 В этом тесте от 6 до 12 пользователей систем на базе процессора Pentium одновременно выполняют требуемые операции от одного сервера (Рисунки 8, 9, и 10). Тест регистрирует поведение типичного пользователя, включая периоды отсутствия сетевого доступа.Результаты: совместно используемая сеть Fast Ethernet была быстрее на 200-300 процентов, чем коммутатор со всеми портами на 10Мбит/сек, и, что более важно, этот тест показал также, что сеть Fast Ethernet была быстрее на 51.5%, чем сеть Ethernet со скоростью 10 Мбит/сек, имеющая Fast Ethernet соединение с сервером. Никаких затрат не потребовалось, чтобы получить этот прирост производительности дл Microsoft Word* (51.5 %, что выше среднего), потому что Microsoft Word* использует сеть более широко. Это говорит о том, что чем более экстенсивно прикладная программа использует сеть, тем лучше сеть Fast Ethernet работает по сравнению с сетью со скоростью 10 Мбит/сек. Это - главное соображение для приложений с высокой пропускной способностью, представляемых при поддержке систем Windows.
Передача файловПроизводительность файловой передачи была проверена, используя ПК на базе процессора Pentium с ОС Windows 95, соединенного с сервером Novell NetWare* 4.1.3 При использовании корпоративной сети Fast Ethernet, пиковая пропускная способность была свыше 40Мбит/сек, а транзакция заняла 0,9 секунды. При использовании сети со скоростью 10Мбит/сек и связью Fast Ethernet с сервером, максимальная пропускна способность была 9Мбит/сек (встроенное ограничение сети 10Мбит/сек), и задача заняла в 5 раз больше времени, чем в случае корпоративной Fast Ethernet (4.5 секунды) (Рисунок 11).Интересно, что результаты теста в сети со скоростью 10Мбит/сек не изменялись, когда адресатом был быстрый псевдодиск RAM вместо жесткого диска. Узкое место было в сети, а не в дисковой подсистеме. Напротив, сеть Fast Ethernet улучшила результат при использовании виртуального диска, потому что жесткий диск IDE был узким местом. Fast Ethernet обеспечивает повышение производительности в будущем, по мере того, как совершенствуются ПК клиентов. Сравнение стоимостиМногие сетевые администраторы, использующие сети со скоростью 10Мбит/сек, предполагают, что более высокая производительность Fast Ethernet достигается за счет больших затрат. Для малых и больших рабочих групп стоимость использования Fast Ethernet, однако, фактически ниже, чем стоимость Ethernet со скоростью 10Мбит/сек.Как показано на диаграмме (Рисунок 13), стоимость Fast Ethernet почти на $112 меньше в расчёте на одну настольную систему для малой рабочей группы (48 пользователей) и на $80-90 меньше на настольную систему рабочей группы среднего размера (96-144 пользователя), включая необходимые NIC, концентраторы и коммутаторы. Кажется несомненным, что тенденции в производстве ПК и развития сетей приведут только к увеличению ценовых различий в предстоящие месяцы и годы. Кроме того, в противоположность многим технологиям, которые скрыли издержки, Fast Ethernet содержит экономию, которая станет очевидной, когда Вы рассмотрите тенденции развития настольных систем, сетей и их будущие возможности.
Тенденции развития настольных системВ сущности, все новые ПК в настоящее время - системы на базе процессоров Intel Core® с шиной PCI. Шина PCI значительно улучшает возможности пересылки данных по вводу - выводу и минимизирует загрузку центрального процессора для соединения с сетью (значительно меньшую, чем для ISA адаптера со скоростью 10 Мбит/сек). Такой ПК может легко удовлетворить соединение с такой скоростью и, таким образом, его производительность будет ограничиваться только пропускной способностью сети.Фирмы увеличивают закупки 10/100 NIC, так как все больше и больше IT администраторов расширяют на будущее возможности своих ПК. Эта стратегия позволяет администраторам модернизировать концентраторы и коммутаторы для подключения к Fast Ethernet, как только они будут нуждаться в более высокой пропускной способности. По этой причине 10/100 NIC стали стандартным выбором для новых адаптеров в корпоративной Америке (Рисунок 12). При использовании адаптера Intel EtherExpress™, стоимость которого только на $20-30 больше, чем PCI адаптера на 10Мбит/сек, Вам не надо открывать ПК и заменять плату при развертывании Fast Ethernet. Этот адаптер работает на скорости 10/100Мбит/с, используя одни и те же драйверы.
Тенденции развития сетейОбмен данными внутри рабочей группы требует минимальной стоимости и достаточной пропускной способности дл быстрых клиентских станций. Fast Ethernet удовлетворяет сейчас этому требованию, оправдывая будущие капиталовложения. С ростом спроса на пропускную способность Вы можете заменить концентраторы Fast Ethernet на коммутаторы и получить новый уровень пропускной способности.С другой стороны, инвестиции в NIC и коммутаторы 10Мбит/сек предполагают значительную (и дорогостоящую) замену аппаратуры для развития сети в будущем. Такая ограниченна сеть должна быть расценена лишь как временная мера, и будет неадекватна, так как всё больше ПК используют процессоры AMD x64 с шиной PCI.
Тенденции изменения стоимости в будущемКонцентратор Fast Ethernet, подобно концентратору со скоростью 10Мбит/сек, является достаточно простым устройством с одним сетевым контроллером, управляющим функцией повторения для 12 или более портов. Эта простота обеспечивает низкие затраты на развитие корпоративной сети с 10Мбит/сек и поддерживает сейчас подобные экономные цены для будущего оборудования Fast Ethernet.Коммутаторы - более сложные устройства. В дополнение к компонентам концентратора, коммутатор должен поддерживать MAC контроллер для каждого порта, буферную память, всю подсистему центрального процессора (с POST диагностикой, EEPROM, флэш-памятью и UART), и логику определения адреса (с дорогой Content Addressable Memory). Дополнительные схемы необходимы для управления потоком данных и зеркального повторения порта. Свойственная им сложность будет всегда удерживать стоимость коммутаторов на более высоком уровне по сравнению с совместно используемыми концентраторами. Дополнительные затраты на коммутирующую технологию могут иметь смысл, если Вы получаете более высокую производительность, такую как с коммутатором Fast Ethernet на 100Мбит/сек. Но более высокие затраты на малопроизводительную коммутирующую технологию со скоростью 10Мбит/сек трудно объяснить. Так как цены неизбежно падают, стоимость коммутируемой Fast Ethernet как для магистральной линии связи, так и для рабочей группы, приблизится к текущей стоимости в расчёте на один порт сети со скоростью 10Мбит/сек. Цены на концентраторы Fast Ethernet и коммутаторы продолжат падать, в то время как цены 10Мбит/сек концентраторов вряд ли изменятся: в них уже столько интеграции, сколько технология поддерживает для уменьшени стоимости. Подобные уменьшения стоимости дадут более низкие цены на будущую продукцию Fast Ethernet, тем самым увеличивая ее преимущество. ВыводыНовое поколение ПК, операционных систем, прикладных программ и многочисленных типов данных ускорило переход к сетям Fast Ethernet. Существуют все необходимые элементы для поддержки Fast Ethernet, включая адаптеры, концентраторы, коммутаторы, перемычки, маршрутизаторы и инструментальные средства управления. Использу экономичную и опробованную технологию Fast Ethernet для рабочей группы, Вы можете обеспечить поддерку клиентских станций, остро нуждающихся в повышении пропускной способности не затрачивая столько, сколько Вы тратили бы на 10Мбит/сек сеть. Fast Ethernet предлагает Вам следующие выгоды:
Рисунок 13
|
|
|