Pomalý nástup rychlého Ethernetu
Zamyšlení nad dalšími směry vývoje klasického Ethernetu a perspektivami jeho stomegabitových verzí. Vyšlo ve speciálním čísle týdeníku Computerworld u příležitosti Invexu 1994.
Mnohé ethernetovské sítě dnes doslova praskají ve švech. Na obzoru se již zřetelně rýsuje možná alternativa - nový, desetkrát rychlejší Ethernet. Nepřichází ale tento "rychlý Ethernet" poněkud pomalu? Nebo dokonce pozdě?
Ethernet je v současné době zřejmě nejrozšířenější přenosovou technologií. Jeho koncepce spatřila světlo světa kolem roku 1973 a svou stávající podobu získal Ethernet na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let. To ale bylo v době, kdy požadavky na celkovou propustnost a další vlastnosti lokálních sítí byly přeci jen jiné, než jaké jsou dnes. Jedním z důvodů byly možnosti technických prostředků - kdo by tehdy pomyslil na výkonná Pentia, Alphy či procesory PowerPC, lokální sběrnice, cache paměti, optické disky a kdoví co ještě. Koho tehdy napadlo, že uživatelé se nespokojí s jednoduchým znakově orientovaným rozhraním, a budou tvrdě vyžadovat komfort grafických prostředí typu Windows? A že přitom budou mít na to, aby si dostatečně výkonné počítače zakoupili jen a jen pro sebe?
Radikálně se ovšem změnila i představa lidí o tom, k čemu mají lokální sítě vůbec sloužit. V době, kdy Ethernet vznikal, šlo především o vzájemné propojení počítačů (pracovních stanic), které sledovalo možnosti jejich komunikace na úrovni přenosu souborů a vzdáleného přihlašování. Teprve později se přišlo na to, že lokální sítě se dají výhodně využít i pro možnost sdílení - ať již technických prostředků typu tiskáren a jiných periferií, nebo nejrůznějších dat ve formě souborů. Světlo světa tak spatřila koncepce lokálních sítí serverového typu a objevily se i síťové operační systémy, které představy o sdílení prostředků skutečně naplnily (například síťové operační systémy Novell NetWare, LAN Manager a další). Nároky na přenosovou kapacitu sítí tím samozřejmě výrazně vzrostly.
Ještě větší požadavky na přenosové schopnosti sítí se pak objevily poté, co uživatelé přišli na chuť nejrůznějším multimediálním aplikacím - od přenosu hlasu či hudby až po živé videokonference. Tyto multimediální aplikace pak kromě ještě větších nároků na přenosovou kapacitu přinesly i jeden další, v počítačovém světě dosud netušený požadavek - požadavek na pravidelný přísun dat. Dosud totiž příliš nevadilo, když mezi jednotlivými bloky přenášených dat byly různě velké časové odstupy. Jakmile se ale začal přenášet například živý videobraz, začalo být velmi podstatné, zda jednotlivé snímky přichází s pravidelnými časovými odstupy, nebo nikoli. Nebo by se vám snad líbilo dívat se na takové promítání filmu, při kterém se rychlost posunu filmového pásu neustále mění?
Jak se ale s těmito změněnými požadavky vyrovnává současný Ethernet? Jeho přenosová rychlost - 10 megabitů za sekundu - může být i dnes plně dostatečná - například v běžném kancelářském prostředí, kde se v sítích serverového typu či v sítích peer-to-peer nepříliš často přenáší hlavně textové a jiné datové soubory, nepříliš velkých objemů. Běda ale, kdyby chtěl někdo začít provozovat nějaké náročnější multimediální aplikace - pro přenos hlasu v "telefonní" kvalitě sice stačí 64 kilobitů za sekundu, ale kvalitní přenos zvuku již vyžaduje celý 1 megabit. A živý obraz přenášený v běžné obrazové kvalitě vyžaduje i při použití nejdokonalejších kompresních technik nejméně 8 megabitů dat přenesených každou sekundu. A to je už prakticky nad síly současného desetimegabitového Ethernetu - jeho bájných 10 Mb/s totiž vůbec neznamená 10 milionů datových bitů, přenesených za sekundu. Znamená to, že přenos jednoho bitu trvá jednu desetimilióntinu sekundy. Zdaleka ne každý přenesený bit však představuje "užitečná" data a zdaleka ne vždy je možné po Ethernetu vůbec něco přenášet - z čistě technických důvodů, daných použitou přístupovou metodou Ethernetu, zde existují nezanedbatelná "hluchá místa", neboli situace, kdy se nepřenáší nic, resp. kdy se zahazuje část toho, co se již odvysílalo. V důsledku toho je pak možné vytížit stávající Ethernet jen na cca 60 až 80 procent jeho celkové teoretické propustnosti.
Je zde však ještě jeden velmi důležitý moment - Ethernet je tzv. sdílenou přenosovou technologií. Neboli: přenosovou kapacitu, danou jeho nominální přenosovou rychlostí 10 megabitů za sekundu, nabízí všem komunikujícím uzlům dohromady, resp. všechny tyto uzly ji společně sdílí. V praxi se tedy může velmi snadno stát, že na každou komunikující dvojici zbude jen n-tá část celkové, a dnes již nikterak ohromující přenosové kapacity. A aby ještě nebyl všemu konec - žadateli o přenos Ethernet vůbec nedokáže zaručit, že se v konečném čase dostane ke slovu. Pravděpodobnost, že se žadatel ke slovu nedostane, je sice hodně malá (a závislá na celkovém provozu), ale rozhodně není nulová.
Patří tedy současný Ethernet do starého železa? Rozhodně ne! Je přenosovou technologií, která za více než desetiletí své existence stačila dostatečně vyzrát a stát se běžnou komoditou - neboli něčím, co se dá koupit doslova jako "houska na krámě". Výrobci totiž měli dost času na to, aby výrobu všeho potřebného kolem Ethernetu dostatečně zvládli a dovedli do stadia opravdu masové komerční produkce. Také uživatelům se Ethernet již dostal dostatečně hluboko do jejich vědomí a povědomí a v dostatečné míře jej zvládli. Navíc, díky dobré standardizaci Ethernetu se uživatelé nemusí bát vzájemného kombinování ethernetovských produktů od různých výrobců (snad až na malé výjimky, které pravidlo spíše potvrzují).
Budoucnost Ethernetu v jeho stávající podobě tedy rozhodně nemusí být černá. Velmi ovšem záleží na tom, k čemu má být používán, na přesném zhodnocení stávajících i výhledových potřeb sítě, ve které má být nasazen, a v neposlední řadě i na ekonomické rozvaze. Tam, kde pro to budou rozumné důvody, je pak nutné začít uvažovat o některé výkonnější přenosové technologii - například o stomegabitovém FDDI či o ATM.
Směry dalšího vývoje Ethernetu
Ovšem ani Ethernet ještě zdaleka neřekl své poslední slovo. Od svého vzniku se sice dlouho nijak neměnil, ale v poslední době, pod tlakem stále rostoucích nároků, se přeci jen objevují některé jeho zajímavé modifikace. V prvním přiblížení je možné říci, že další vývoj se ubírá dvěma hlavními směry:
- Cestou změny některých vlastností Ethernetu, které brání jeho efektivnějšímu využití. Jde především o snahu přeměnit Ethernet ze sdílené přenosové technologie na takovou, které sdílená není a která dokáže každé dvojici komunikujících uzlů přidělit celých 10 megabitů, aniž by se o ně musely s kýmkoli dělit - právě na tento cíl je zaměřen tzv. přepojovaný Ethernet (switched Ethernet). Dalším směrem jsou pak snahy udělat z dosud poloduplexního Ethernetu Ethernet plně duplexní, tzn. umožnit v něm vysílání i příjem současně (zatímco dosud se vysílání a příjem navzájem vylučují v čase). Na tento cíl je zaměřen tzv. plně duplexní Ethernet (full-duplex Ethernet).
- Cestou zvyšování přenosové rychlosti, a to ze stávajících 10 megabitů za sekundu hned na desetinásobek. Také zde se ovšem objevují dvě poněkud odlišné cesty k dosažení téhož cíle: jedna vede přes mechanické zvýšení přenosové rychlosti stávajícího Ethernetu, se zachováním všech jeho dalších vlastností, zatímco druhá se kromě zvýšení přenosové rychlosti snaží zachovat ze stávajícího Ethernetu jen to, co se osvědčilo, a naopak nahrazuje to, co se příliš neosvědčilo či pouze přežilo. V prvním případě jde o stomegabitový Ethernet, označovaný jako Fast Ethernet či 100Base-T, zatímco ve druhém případě jde o technologii označovanou jako 100-VG AnyLAN.
100megabitový Ethernet ve verzi 100Base-T
S myšlenkou desetinásobně zrychlit stávající Ethernet, a přitom důsledně zachovat všechny jeho vlastnosti, přišla jako první americká firma Grand Junction Networks. Podařilo se jí získat pro svůj záměr i další firmy a s nimi pak založit v září loňského roku sdružení Fast Ethernet Alliance (doslova: aliance pro rychlý Ethernet). Zakládajícími členy tohoto sdružení byly kromě firmy Grand Junction Networks také firmy 3Com, Intel, LAN Media, LANnet, National Semiconductor, SMC, Sun Microsystems Computer a Synoptics Communications.
Řešení, prosazované sdružením Fast Ethernet Alliance, je zřejmě do značné míry motivováno snahou využít všeobecné povědomí uživatelské veřejnosti o Ethernetu jako o dobře zavedené, spolehlivé a robustní technologii a navázat na dnes již ohromnou základnu instalací klasického Ethernetu (která je v současné době odhadována na cca 30 milionů uzlů). Tomuto strategickému záměru je pak očividně podřízena i technická stránka věci, usilující o zachování všech vlastností stávajícího Ethernetu, včetně těch, pro které již dnes není žádné opodstatnění, resp. které jsou již překonané či přežité - ale které, nic naplat, v očích uživatelů dělají Ethernet Ethernetem.
Zřejmě nejdiskutovanějším aspektem je v tomto ohledu přístupová metoda, která do značné míry předurčuje většinu funkčních vlastností Ethernetu - tedy mechanismus, který v případě souběhu více žádostí o právo vysílat rozhoduje o tom, komu bude vyhověno, a komu nikoli. Tvůrci klasického Ethernetu moc možností na výběr neměli a nakonec se rozhodli pro nedeterministickou metodu CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect). Její nedeterminismus spočívá v tom, že při souběhu více požadavků na vysílání rozhoduje náhodný faktor. Ten je pak také hlavním důvodem, proč klasický Ethernet nedokáže nikomu zaručit právo vysílat v konečném čase a nedokáže ani zajistit pravidelný přísun dat, po kterém tak naléhavě volají dnešní multimediální aplikace.
Snaha mechanicky zvýšit přenosovou rychlost na desetinásobek, a vše ostatní přitom zachovat však nutně naráží na některé technické překážky. Tou největší jsou zřejmě schopnosti kabelů používaných pro síťové rozvody. Klasický Ethernet byl sice původně vytvořen pro sítě se sběrnicovou topologií, budované pomocí koaxiálních kabelů, ale časem se i do něj prosadily rozvody se stromovitou topologií, budované pomocí kroucené dvoulinky (alespoň v USA stejné, jaká se používá i pro běžné telefonní přípojky). Za tímto účelem byl vypracován také dílčí standard, který definuje přesný způsob použití tohoto druhu kabeláže - standard 10Base-T. Ten přitom předpokládá použití takového druhu kabelu (kroucené dvoulinky), který "snese" přenosové rychlosti do 10 megabitů včetně (a je označován jako kabel kategorie 3, ev. kabel třídy 3). Nově navrhovaný standard 100megabitového Ethernetu, prosazovaný sdružením Fast Ethernet Alliance, již se sběrnicovou topologií sítě vůbec nepočítá a místo ní se důsledně zaměřuje na topologii stromovitou. Je tedy v jistém smyslu nástupcem standardu 10Base-T, což je zřejmě hlavní důvod, proč je označován jako 100Base-T. Problém je ovšem v tom, že 100Base-T již nevystačí s kabelem kategorie 3, který je dimenzován na přenosovou rychlost 10 Mbps. Nebo alespoň ne se dvěma páry vzájemně zkroucených vodičů třídy 3, se kterými dokáže vystačit standard 10Base-T.
Sdružení Fast Ethernet Alliance však nezaložilo ruce v klín a postaralo se o vývoj hned tří variant možného použití kabeláže v sítích, kde má být provozován její stomegabitový Ethernet. Jsou to dílčí standardy:
- 100Base-TX, který předpokládá použití dvou párů vzájemně zkroucených vodičů (dvoulinky) kategorie 5 (tj. dimenzovaných do 100 Mb/s) nebo použití tzv. stíněné dvoulinky (STP, Shielded Twisted Pair).
- 100Base-FX, který předpokládá použití optických vláken
- 100Base-T4, který umožňuje využít i kroucenou dvoulinku kategorie 3 (ovšem místo dvou párů vyžaduje čtyři páry)
100megabitový Ethernet ve verzi 100-VG AnyLAN
Poněkud odlišnou cestou se ke stomegabitovému cíli vydala firma Hewlett-Packard. Rozhodla se totiž převzít z klasického Ethernetu jen to, co se osvědčilo, a naopak nahradit něčím jiným to, co se neosvědčilo, přežilo či jiným způsobem překonalo. Za překonanou přitom neváhala označit ani samotnou přístupovou metodu CSMA/CD a s ní i nedeterministický charakter celé přenosové technologie. Podobně jako sdružení Fast Ethernet Alliance pak i firma HP zcela zavrhla původní sběrnicovou topologii klasického Ethernetu a ve svém novém návrhu připustila již jen topologii stromovitou.
Nová přístupová metoda, kterou firma HP navrhla místo dosavadní přístupové metody CSMA/CD, již je plně deterministická. To znamená, že se v ní neuplatňuje žádný náhodný faktor a že výsledek její aplikace je v zásadě vždy predikovatelný. Vše je přitom založeno na tom, že nyní, při stromovité topologii sítě, má každý uzel vlastní přípojku k nejbližšímu síťovému rozbočovači (tzv. hubu), a že tuto přípojku nesdílí s žádným jiným uzlem. Díky tomu pro něj není problémem kdykoli požádat "svůj" rozbočovač o udělení práva vysílat. Rozbočovač pak může mít přesný přehled o všech žádostech, které přichází od jednotlivých uzlů, a díky tomu může mezi nimi i spravedlivě rozhodovat. A to i v případě, kdy je v celé síti rozbočovačů více, neboť tyto se dokáží mezi sebou domluvit.
Nová přístupová metoda, označovaná jako Demand Priority, pak již dokáže každému zájemci o vysílání zaručit, že se dostane ke slovu v konečném čase. Současně s tím pak dokáže zajistit i to, po čem tak naléhavě volají dnešní multimediální aplikace - trvalý a hlavně pravidelný přísun dat.
Jestliže se ale zásadně změnila přístupová metoda, zcela se zavrhla původní sběrnicová topologie sítě a desetkrát se zvýšila přenosová rychlost, co vlastně zbylo z původního Ethernetu? Vlastně již jen původní formát ethernetovských rámců (jak se označují bloky dat přenášené na úrovni linkové vrstvy). A pak již jen jméno, protože firma Hewlett-Packard svůj návrh prezentovala zpočátku jako "rychlý Ethernet" a jako takový jej také předložila pracovní skupině 802.3 sdružení IEEE, která je ke schvalování ethernetovských standardů kompetentní. To se ovšem vůbec nelíbilo autorům konkurenčního návrhu ze sdružení Fast Ethernet Alliance - jejich hlavním argumentem bylo to, že návrh firmy HP má tak málo společného s původním Ethernetem, že by již neměl být jako Ethernet vůbec označován. K podobnému závěru pak zřejmě došla i skupina 802.3 sdružení IEEE, která návrh firmy HP předala nově ustavené pracovní skupině 802.12. To však již zmíněný návrh nesl označení 100Base-VG, a kromě firmy Hewlett-Packard pod ním byla jako spoluautor podepsána i firma AT&T. Té totiž velmi imponovala zkratka VG v názvu, a zejména pak její věcný obsah. Ona dvě písmenka totiž znamenala "Voice Grade", a měla zdůraznit skutečnost, že nový návrh byl od začátku koncipován tak, aby dokázal využít již existující síťové rozvody, realizované kroucenou dvoulinkou kategorie 3 - tedy tou, která je v USA používána i pro běžné telefonní rozvody, a která je proto označována jako "hlasová" (neboli: Voice Grade). Při přenosové rychlosti 100 megabitů za sekundu ovšem také nevystačí jen se dvěma páry, a tak podobně jako konkurenční standard 100Base-T4 vyžaduje použití 4 párů kroucené dvoulinky kategorie 3. Kromě toho samozřejmě připouští i použití kroucené dvoulinky kategorie 5 (v tomto případě již vystačí jen se dvěma páry vodičů) a stejně tak dovoluje i použití optických vláken.
Samotná firma Hewlett-Packard však zřejmě cítila, že je se svým návrhem poněkud osamocena (zvláště když za konkurenčním stomegabitovým návrhem stálo celé sdružení firem), a tak se rozhodla hledat vedle firmy AT&T dalšího silného spojence - zvláště když samotná firma AT&T zaujala významné pozice současně i v konkurenčním táboře a rozhodla se podporovat obě vývojové linie. Firma HP proto hledala, až nakonec našla dalšího spojence ve firmě IBM. Tu přilákala ke svému návrhu poté, co jej rozšířila i o podporu linkových rámců sítí Token Ring, čímž umožnila vzájemnou koexistenci všech tří druhů sítí (nové stomegabitové, stávajícího desetimegabitového Ethernetu i stávajícího Token Ringu). Současně s tím učinila ze svého návrhu další vývojovou alternativu současného Token Ringu.
To se ale již původní název 100Base-VG poněkud změnil: byl přejmenován na 100-VG AnyLAN, což mělo naznačit jeho schopnost kompatibility s "kteroukoli" lokální sítí (míněno ovšem z dvojice Ethernet a Token Ring). Nový, pozměněný návrh spatřil světlo světa v srpnu 1993, v listopadu byl předložen pracovní skupině 802.12 a ta jej v lednu 1994 formálně schválila.
Co obnáší přechod na stomegabitový Ethernet?
Uživatele, kteří o stomegabitovém Ethernetu uvažují, jistě ze všeho nejvíce zajímá otázka, kolik bude stát, a co všechno si budou muset zakoupit nově.
Zajímavé je, že odpověď na druhou z těchto otázek je nezávislá na tom, pro kterou z obou variant se uživatelé rozhodnou:
- Síťové adaptéry do všech uzlových počítačů si budou muset zakoupit nové. Oba tábory přitom slibují takové, které budou použitelné jak pro novou, stomegabitovou přenosovou technologii, tak i pro stávající desetimegabitový Ethernet.
- Aktivní síťové prvky (rozbočovače, mosty apod.) budou také muset být nové, uzpůsobené stomegabitové přenosové rychlosti.
Přichází stomegabitový Ethernet včas, nebo pozdě?
Má vůbec stomegabitový Ethernet šanci uchytit se na trhu, na kterém již delší dobu existuje jiná, dobře zavedená stomegabitová přenosová technologie - technologie FDDI? A jakou šanci má proti nastupujícímu standardu ATM, který slibuje ještě vyšší přenosové rychlosti, který má navíc šanci pokrýt jak oblast lokálních sítí, tak i oblast sítí rozlehlých? Nepřichází stomegabitový Ethernet pozdě?
Pravda je, že přichází poněkud pomalu - o obou variantách stomegabitového Ethernetu se v odborném tisku píše již poměrně dlouho a zúčastněné firmy neustále zdůrazňují, že již záhy přijdou na trh i s příslušnými produkty. Praxe je ovšem poněkud odlišná, protože "rychlý Ethernet" v obou svých variantách zatím není příliš vidět.
Až stomegabitový Ethernet skutečně přijde, může být vedle tradice a dobře známého jména jeho hlavním, a dost možná i jediným trumfem nízká cena. Pravda totiž je, že například technologie FDDI je stále velmi drahá, a nastupující technologie ATM také.
Výrobci již dnes slibují, že stomegabitový Ethernet by neměl být více než dvakrát dražší než jeho stávající desetimegabitový vzor.
Takže: uvidíme.