Giga Ethernet

เครือข่ายความเร็วสูง Gigabit Ethernet

บทนำ
หลักการพื้นฐาน
Carrier Extension กับ Throughput
เทคนิค Packet Bursting
Buffer Distributor
สายสัญญาณ
การเปลี่ยนไปใช้ Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet กับ ATM
คุณภาพของการบริการ (Quality of Service, QoS)
สรุป

ปัจจุบันเครือข่ายคอมพิวเตอร์ได้มีบทบาทต่อชีวิตประจำวันมากขึ้นทุกขณะ การเจริญเติบโตของเครือข่ายคอมพิวเตอร์เหล่านี้เป็นไปอย่างต่อเนื่อง และยังไม่มีสัญญานบ่งบอกว่าจะมีการ ชลอตัวแต่อย่างใด เครือข่ายแบบท้องถิ่นในองค์กรต่างๆ ตลอดจน บริษัท สถานศึกษาส่วนใหญ่กว่า80% จะนิยมใช้เครือข่าย Ethernet ส่วนที่เหลือก็จะเป็นพวก FDDI/CDDI, ATM และอื่นๆ ด้วยความต้องการการส่งผ่านข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามขนาดและจำนวน เครื่องคอมพิวเตอร์ที่ต่ออยู่บนเครือข่าย ตลอดจนการเติบโตของ Internet อย่างรวดเร็ว จึงทำให้เครือข่าย Ethernet แบบดั้งเดิมที่มีความเร็วในการส่งผ่านข้อมูลอยู่ที่ 10 Mbps เริ่มจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Gigabit Ethernet (IEEE802.3z)เป็นมาตรฐานใหม่ของเทคโนโลยีเครือข่ายท้องถิ่น (LAN-Local Area-Network) ที่พัฒนามาจาก เครือข่ายแบบ Ethernet แบบเก่าที่มีความเร็ว 10 Mbps ให้สามารถรับส่งข้อมูลได้ที่ระดับความเร็ว 1 Gbps ทั้งนี้เทคโนโลยีนี้ ยังคงใช้กลไก CSMS/CD ในการร่วมใช้สื่อเหมือนEthernet แบบเก่า หากแต่มีการพัฒนาและดัดแปลงให้สามารถรองรับความเร็วในระดับ 1 Gbps ได้

Gigabit Ethernet เป็นส่วนเพิ่มขยายจาก 10 Mbps และ 100 Mbps Ethernet (มาตราฐาน IEEE 802.3 และ IEEE802.3u ตามลำดับ) โดยที่มันยังคงความเข้ากันได้กับมาตราฐานแบบเก่าอย่าง100% Gigabit Ethernet ยังสนับสนุนการทำงานใน mode full-duplex โดยจะเป็นการทำงานในการเชื่อมต่อระหว่าง Switch กับ Switch และระหว่าง Switch กับ End Station ส่วนการเชื่อมต่อผ่าน Repeater, Hub ซึ่งจะเป็นลักษณะของShared-media (ซึ่งใช้กลไก CSMA/CD) Gigabit Ethernet จะทำงานใน mode Half-duplex ซึ่งสามารถจะใช้สายสัญญาณได้ทั้งสายทองแดงและเส้นใยแก้วนำแสง

รูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบต่างๆของ Gigabit Ethernet ซึ่งได้มีการรวม Fiber Channel เข้าไว้ด้วย

หลักการพื้นฐาน

ขนาดของเฟรมที่เล็กที่สุดของ Gigabit Ethernet ซึ่งมีค่าเท่ากับ 512 ไบต์นั้นจะทำให้สามารถตรวจจับการชนกันของข้อมูลได้ที่ความเร็วในการส่งข้อมูลเท่ากับ 1 Gbps และระยะห่างสูงสุดที ่ 200 เมตร ทั้งนี้ทางคณะทำงานที่กำหนดมาตรฐาน IEEE802.3z ได้ลดจำนวน repeater hop ลงจาก 100Base-T(IEEE802.3u) ที่อนุญาตให้มีได้ 2 hop (และ 4 hop ใน 10Base-T) ลงเหลือเพียง 1 hop เท่านั้น ทั้งนี้เพื่อเหตุผลในเรื่องการลดเวลาในการตรวจสอบการชนกันของข้อมูล นอกจากนี้ค่าพารามิเตอร์อื่นๆทางวิศวกรรม(ค่าทางไฟฟ้า) ใน IEEE802.3z จะไม่มีการเผื่อ Safety Factor อีกต่อไปดังนั้นถ้าผู้ผลิตแต่ละยี่ห้อไม่ได้ใช่ค่าพารามิเตอร์ที่ตรงกันจริงๆ ก็จะทำให้เกิดปัญหาเมื่อนำเอา อุปกรณ์ Gigabit Ethernet ของต่างผู้ผลิตมาต่อเชื่อมกันได้

Carrier Extension กับ Throughput

การที่ต้องเพิ่มขนาดของเฟรมที่เล็กว่า 512 ไบต์ด้วยส่วนข้อมูลพิเศษต่อท้ายเพื่อให้มีขนาดเท่ากับ 512 ไบต์นั้นจะทำให้ค่า Throughput ลดลงเมื่อมีการส่งข้อมูลที่มีขนาดน้อยกว่า 512 ไบต์เป็นจำนวนมาก ซึ่งในกรณีที่แย่ที่สุดคือการส่งเฟรมขนาด 64 ไบต์ต่อเนื่องกันที่ความเร็ว 1 Gbps จะทำให้ throughput ประมาณ 12% หรือ 120 Mbps เท่านั้นเอง

แต่ในการใช้งานจริงการคำนวณหาค่า Throughput นั้นจะหาจาก ขนาดเฉลี่ยของเฟรมที่มีการส่งผ่านใน เครือข่ายนั้นๆ โดยค่านี้จะได้จากการเก็บสถิติแล้วหาเป็นค่าเฉลี่ยออกมา ซึ่งส่วนมากจะได้ค่าเฉลี่ยดังกล่าวอยู่ในช่วง 200-500 ไบต์ ซึ่งจะทำให้ได้ throughput ประมาณ 300-400 Mbps ซึ่งน่าจะเพียงพอต่อความต้องการในเครือข่ายในองค์กรต่างๆ

อนึ่งวิธีการทำ Carrier Extensionนั้นจะใช้ในการกรณีที่เป็นการรับส่งข้อมูลแบบ Half-Duplex เท่านั้น เพราะในการรับส่งข้อมูลแบบ Fulle-Duplex นั้นจะมีการใช้สายรับและส่ง แยกกันคนละชุดจึงไม่มีการชนกันของข้อมูลที่วิ่งสวนทางกัน(Collision) จึงทำให้ไม่ต้องกังวลกับการตรวจจับการชนกัน

เทคนิค Packet Bursting

Packet Bursting เป็นเทคนิคที่จะลดข้อเสียของการใช้ Carrier Extension เทคนิคนี้จะทำงานโดยการเก็บรวบรวม เฟรมที่มีขนาดเล็กกว่า 512 ไบต์หลายๆเฟรมรวมกันให้มีขนาดมากกว่า 512 ไบต์ แล้วจึงทำการส่งออกไป ซึ่งการที่จะทำอย่างนี้ได้ต้องเป็นการทำงานร่วมกันระหว่างตัวแอพพลิเคชั่นและตัว Gigabit Interface Card ซึ่งแอพพลิเคชั่นที่มีอยู่ปัจจุบันจะต้องได้รับแก้ไขเพื่อให้มีความสามารถในการจัดการกับข้อมูลwbr>wb โดยลักษณะที่จะมีการเก็บรวบรวมเฟรมข้อมูลให้ได้ขนาดที่ต้องการแล้วส่งออกไปทีเดียวนี่เองทำwbr>wbrr>>wbrr>r>>wbr>br>r>rbwbr>r>rbr>>> เช่นการขอเปิดเน็ตเวิร์คไฟล์ หรือการตอบรับ (Acknowledge) ซึ่งปัญหานี้กำลังอยู่ในระหว่างการตัดสินว่าจะให้มีการแก้ไขอย่างไร โดยอาจจะให้เป็นหน้าที่ของ Protocol ที่จะทำหน้าที่แก้ปัญหาให้ส่วนนี้ หรืออาจจะแก้ที่ตัว Packet Bursting ให้มีการกำหนดเวลาในการรวบรวมเฟรมที่มีขนาดเล็กกว่า 512 ไบต์ ซึ่งถ้าเกินเวลาที่กำหนดแล้วแต่ว่ายังไม่สามารถรวบรวมข้อมูลได้มากว่า 512 ไบต์ ก็ให้ทำการส่งออกไปโดยใช้วิธี Carrier Extension

Buffer Distributor

Buffer Distributor เป็นอุปกรณ์ของ Gigabit Ethernet ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบได้โดยลดข้อจำกัดของ Carrier Extension โดยอุปกรณ์นี้จะมีการทำงานที่รวมคุณลักษณะของ Repeaterและ Switch เข้าด้วยกัน อุปกรณ์นี้จะใช้การเชื่อมต่อแบบ Full-Duplex และ Flow Control(IEEE802.3x) มันสามารถทำงานเหมือนกับRepeater คือส่งข้อมูลทุก packet ไปยังทุกๆPort ที่มีการเชื่อมต่ออยู่ และสามารถทำงานในลักษณะของ Switchคือการรับข้อมูลจากหลายPort ได้พร้อมกันแล้วนำข้อมูลนั้นไปเก็บไว้ในหน่วยความจำ(Buffer) และเมื่อมีการเขียนลงจนเต็มทางอุปกรณ์นี้ก็จะใช้ Flow Control ส่งสัญญาณให้โหนดที่ส่งขอมูลนั้นหยุดคอยจนกว่า Buffer นั้นจะว่างลงอีกครั้ง (หลังจากอุปกรณ์ได้ทำการส่งข้อมูลในBuffer เหล่านั้นไปยังปลายทางเรียบร้อยแล้ว) วิธีนี้ก็จะสามารถให้ Throughput ได้เกือบ 100% แต่ข้อจำกัดของวิธีนี้คือทุกโหนดที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์นี้จะต้องเป็นแบบFull-Duplex และสนับสนุนมาตราฐาน IEEE 802.3x ด้วย

สายสัญญาณ

ในปัจจุบันแม้ว่าทางผู้ที่กำหนดมาตราฐาน IEEE802.3z จะได้กำหนดให้สามารถใช้สาย UTP cat5สำหรับรองรับความเร็วในระดับ 1 Gbps ได้แต่ก็ยังไม่มีผลิตภัณฑ์ในท้องตลาด(เป็นผลิตภัณฑ์ที่ออกมาก่อนมีการประกาศใช้มาตราฐาน)ชิ้นใดใช้สายUTP cat5 เป็นสายสัญญาณโดยทั้งหมดเลือกใช้เส้นใยแก้วนำแสง(Optic Fiber) ซึ่งถ้าเป็นสายแบบ Multi-mode ขนาด 62.5 micron และใช้ความยาวคลื่นแสง 780 nanometer จะได้ระยะไกลประมาณ 550 เมตร แต่ถ้าใช้สายแบบ Single-mode ที่ใช้ความยาวคลื่นแสง 1300 nanometer จะทำให้ส่งได้ไกลมากกว่า 2 กิโลเมตร เป็นที่ทราบกันว่าการใช้เส้นใยแก้วนำแสงนั้นจะทำให้เกิดค่าใช้จ่ายที่สูงทั้งนี้เนื่องมาจากค่าwbr>wbr>wbrr>br>>, หัวต่อและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ตลอดจนค่าใช้ใจในการติดตั้งสาย และค่าบำรุงรักษา ทำให้ทางคณะทำงานเกี่ยวกับมาตราฐาน IEEE 802.3zได้พยายามเสนอให้มีการใช้สายทองแดงแบบอื่นเพื่อนำมาใช้งานในระยะที่ไม่เกิน 30 เมตร ซึ่งปัญหาที่เกิดขึ้นกับสายทองแดงคือการเกิด Echo เมื่อสัญญาณไฟฟ้าวิ่งผ่านจากตัวทองแดงไปยังวัตถุอื่นที่เป็นทางผ่านของสัญญาณ เช่น หัวต่อ RJ45 ซึ่งการเกิดEcho นี้ก็มีใน Ethernet แบบ 10 และ 100 Mbps แต่ว่ายังไม่มีผลมากเมื่อเทียบกับการรับส่งที่ความเร็ว 1 Gbps

การเปลี่ยนไปใช้ Gigabit Ethernet

ทางคณะทำงานของ IEEE802.3z ได้เสนอการนำอุปกรณ์ Gigabit Ethernet ไปใช้ทดแทนนอุปกรณ์ต่างๆที่มีอยู่แล้วเพื่อเพิ่มความเร็วในการรับส่งข้อมูลโดยแบ่งได้เป็น 5 ขั้นตอนดังนี้

1. เพิ่มความเร็วของ Switch-to-Server Linkวิธีการเพิ่มความเร็วที่ง่ายที่สุดก็คือการเพิ่มความเร็วในการรับส่งข้อมูลระหว่างตัว Gigabit switch กับ Serverประสิทธิภาพสูงซึ่งติดตั้ง Gigabit interface card รูปที่ 2.1 และ 2.2 แสดงการเปลี่ยนแปลงจากอุปกรณ์เครือข่ายแบบ Ethernet/Fast Ethernet ไปเป็น Gigabit Ethernet

รูปที่ 2.1 แสดงเครือข่ายก่อนเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

รูปที่ 2.2 แสดงเครือข่ายหลังเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

2. การแทนที่เครือข่ายแกนหลักที่ใช้ Fast Ethernet อยู่ก่อนในเครือข่ายขนาดเล็กจนถึงขนาดกลางที่ใช้ Fast Ethernet Switch เป็นอุปกรณ์เครือข่ายแกนหลัก(Backbone Switch) ก็อาจจะรองรับความต้องการในรับส่งข้อมูลที่มีปริมาณเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วไม่ได้ การนำ Gigabit Ethernet Switch มาทำหน้าที่เป็นBackbone Switch แทนก็จะทำให้สามารถเพิ่ม Bandwidth ได้อย่างเพียงพอต่อความต้องการในปัจจุบันและอนาคต รูปที่ 3.1 และ 3.2 แสดงการเปลี่ยนแปลงจากอุปกรณ์เครือข่ายแบบ Ethernet/Fast Ethernet ไปเป็น Gigabit Ethernet

รูปที่ 3.1 แสดงเครือข่ายก่อนเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

รูปที่ 3.2 แสดงเครือข่ายหลังเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

3. เพิ่มความเร็วของ Switch-to-Switch Link ในเครือข่ายที่มีขนาดใหญ่ขึ้นและมี Ethernet/Fast Ethernet switch/repeater อยู่จะทำให้มีปริมาณข้อมูลที่ต้องส่งผ่านระหว่างSwitch/Repeater ที่มีServer ต่ออยู่ด้วยนั้นสูงมากจนต้องการการเพิ่มขยาย การนำ Gigabit Ethernet เข้ามาแทนที่ Ethernet/Fast Ethernet Switch/Repeater เหล่านี้ก็จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบได้ รูปที่ 4.1 และ 4.2 แสดงการเปลี่ยนแปลงจากอุปกรณ์เครือข่ายแบบ Ethernet/Fast Ethernet ไปเป็น Gigabit Ethernet

รูปที่ 4.1 แสดงเครือข่ายก่อนเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

รูปที่ 4.2 แสดงเครือข่ายหลังเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

4. การแทนที่เครือข่ายแกนหลักที่ใช้ Shared FDDI อยู่ก่อนเครือข่ายที่ใช้เทคโนโลยี FDDI สามารถจะทำการเปลี่ยนมาใช้ Gigabit Ethernet ได้โดยการนำเอา Gigabit Ethernet Switch/Repeater ไปแทนที่ FDDI Concentrator หรืออาจจะเพียงนำ Gigabit Ethernet Interface Card ไปเปลี่ยนกับ FDDI Interface Card ในRouter ที่มีใช้งานอยู่แล้ว ทั้งนี้การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ต้องมีการลงทุนเกี่ยวกับเรื่องสายสัญญาณเลย เนื่องจาก FDDI ส่วนมากก็จะใช้ เส้นใยแก้วนำแสงเป็นพื้นฐานอยู่แล้ว รูปที่ 5.1 และ 5.2 แสดงการเปลี่ยนแปลงจากอุปกรณ์เครือข่ายแบบ Ethernet/Fast Ethernet ไปเป็น Gigabit Ethernet

รูปที่ 5.1 แสดงเครือข่ายก่อนเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernet

รูปที่ 5.2 แสดงเครือข่ายก่อนเปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์ Gigabit Ethernetเอกสารอ้งอิง

5. การใช้ Network Interface Card ที่เครื่อง High-end Desktop ในการปรับปรุงเพื่อเพิ่มความเร็วของระบบขั้นสุดท้ายก็คือการเพิ่มความเร็วระหว่าง อุปกรณ์ Gigabit Ethernet Switch/Repeater กับเครื่อง Desktop ระดับ Hi-end ที่ติดตั้ง Gigabit Ethernet Interface Card ทั้งนี้เพื่อรองรับปริมาณข้อมูลที่สูงมากๆ เช่น แอพพลิเคชั่นประเภทวิดีโอทั้งหลาย (VDO-Editing, VOD) หรืองานประเภท Data Ware House

Gigabit Ethernet กับ ATM

ด้วยความเร็วในระดับ 1 Gbps และราคาต่อ port ของ Gigabit Ethernet ที่ถูกกว่า เทคโนโลยี ATM ทำให้ดูเหมือนว่า Gigabit Ethernet อาจจะมาแทนที่ ATM ในอนาคต แต่โดยความเป้นจริงพื้นฐานทางด้านการออกแบบปล้วจะพบว่า เทคโนโลยีทั้งสองนั้น ออกแบบมาบนพื้นฐานที่ต่างกันออกไป ทำให้แต่ละอันนั้นมีข้อดีข้อเสียต่างออกไป นั่นคือ Gigabit Ethernet นั้นออกแบบโดยมีจุดประสงค์หลักในการเข้ากันได้กับEthernet รุ่นก่อนๆที่ได้มีใช้กันอย่างแพร่หลายแล้วในปัจจุบันนี้ ซึ่งจะมีข้อเสียตรงที่ว่ามันจะออกแบบมาเพื่อการรับส่องข้อมูลคอมพิวเตอร์เท่านั้น ในขณะที่เทคโนโลยี ATM เป็นเทคโนโลยีใหม่แล้สามารถจะสนับสนุน Ethernetแต่ก็จะมีราคาต่อ port ที่แพงกว่า Gigabit Ethernet ส่วนข้อดีของ ATM คือการที่มันออกแบบมาโดยให้มีขนาดของเฟรมของข้อมูล(จะเรียกว่า Cell)ที่มีขนาดคงที่ซึ่งจะไม่มีปัญหาเรื่องThroughput อย่าง Gigabit Ethernetดังที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น นอกจากนี้เทคโนโลยี ATMได้ออกแบบมาเพื่อรองรับข้อมูลได้หลายประเภททั้งข้อมูลที่ขึ้นและไม่ขึ้นกับเวลาจริง(non-Real-time และ Real-time Data)

คุณภาพของการบริการ (Quality of Service, QoS)

QoS เป็นระดับในการให้บริการข้อมูลซึ่งมันจะรับประกันอัตราความเร็วในการส่งข้อมูลหนึ่งๆที่อยู่ในรดับเดียวwbr>wbr>wr>br<จะถูกกำหนดไว้ให้โดยเฉพาะ(Dedicated bandwidth) ซึ่งสามารถพบบริการเหล่านี้ได้ใน เทคโนโลยี ATM ซึ่งเป็นการใช้ QoS กับ Real-time Data เพื่อให้ Gigabit Ethernet สามารถรองรับการรับส่งข้อมูลเวลาจริง (Real-time data) และสนับสนุนQoS คณะทำงานของ IEEE802.3z จึงได้ทดลองนำเอากลไก RSVP (Resource Reservation Protocol) มาใช้เพื่อให้ Gigabit สามารถรองรับ QoS ซึ่งก็ยังไม่ได้มีการประกาศเป็นมาตราฐานออกมา ณ.ขณะนี้

สรุป

ในปัจจุบันมาตราฐานGigabit Ethernet (IEEE802.3z)ยังอยู่ในระหว่างการพิจารณาประกาศใช้อย่างเป็นทางการ ซึ่งหมายความว่าอาจจะมีการปรับปรุงแก้ไขในรายละเอียดของค่าพารามิเตอร์ต่างได้อีก จึงนับเป็นการเร็วเกินไปที่จะจัดหาอุปกรณ์ Gigabit Ethernet ในท้องตลาดมาใช้ทั้งนี้เนื่องด้วยเหตุผลทางด้านความเข้ากันได้กับอุปกรณ์ในแบบเดียวกันของต่างผู้ผลิตซึ่งอาจwbr>wbr>r>wb<wbrr>>r>br>wbr>b<<wbr>br>wbrbr>wbr และ Gigabit Ethernet ก็ไม่สารมารถจะใช้ทดแทนเทคโนโลยี ATM ได้ ดังนั้นการนำ Gigabit Ethernet มาใช้ให้ได้ประโยชน์สูงสุดก็คือการนำมาเพิ่มประสิทธิ์ภาพในการรับส่งข้อมูลของเครือข่าย Ethernet ที่มีอยู่เดิมให้ดีขึ้นดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น