Gigabit Ethernet: Um Novo Horizonte

Alex Soares de Moura <alex@nc-rj.rnp.br>

Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP)

Introdução
O Gigabit Ethernet
Os Padrões
Além de 1GBPS...
Gigabit Ethernet: vantagens
Gigabit Ethernet: desvantagens
Aplicações
Conclusão
Referências bibliográficas
Sites relacionados

A tecnologia Ethernet foi desenvolvida há mais de 20 anos e, hoje em dia, conta com mais de 100 milhões de nós no mundo inteiro, sendo a mais utilizada das tecnologias de redes locais.

A crescente demanda por mais velocidade para uso das diversas aplicações nas redes locais ocasionou a evolução desta tecnologia de forma gradativa, partindo da velocidade de 10Mbps para 100Mbps. A evolução do Ethernet passou do 10Base-T compartilhado para o 10Base-T comutado, depois para o 100Base-T (compartilhado e comutado) e agora para o 1.000Base-X (compartilhado e comutado), que vem a ser a "terceira onda" do Ethernet.

Este artigo traz uma introdução a esta nova tecnologia que está prestes a ter seu padrão oficializado. A previsão é para março de 1998.

Introdução

A crescente importância das redes locais e o aumento da complexidade das aplicações em estações de trabalho têm aumentado a necessidade por redes de alta-velocidade. A largura de banda de 10 Mpbs hoje já pode não ser adequada para atender às aplicações típicas e certamente é insuficiente para permitir a ampla utilização de aplicações mais sofisticadas, como a videoconferência.

Diversas tecnologias de rede de alta-velocidade foram propostas, entre elas a Fast Ethernet, ou 100Base-T, projetada para oferecer uma evolução tranqüila à já saturada Ethernet, ou 10Base-T. Com a tendência de conexões 100Base-T às estações de trabalho, a necessidade de conexões ainda mais velozes com os servidores e mesmo com o backbone torna-se obrigatória. Entra em cena o Gigabit Ethernet, que será ideal para interconectar switches 10/100Base-T e servidores de alto desempenho e será o caminho natural para, futuramente, conectar estações de trabalho que necessitem de uma maior largura de banda do que o 100Base-T pode oferecer.

Este artigo não pretende comparar a tecnologia Gigabit Ethernet com a ATM (Asynchronous Transfer Mode), mas, expor esta primeira, mostrando suas qualidades e aplicações, como mais uma opção de evolução para redes, cuja proposta é descongestioná-las através da disponibilização de uma maior lagura de banda para atender à crescente demanda das aplicações, havendo ainda a possibilidade de integrar-se aos backbones ATM. Em um futuro artigo, questões comparativas mais profundas e também de interoperabilidade entre o ATM e o Gigabit Ethernet poderão ser abordadas.

Fica também para um futuro artigo, maiores informações acerca do Gigabit Ethernet sobre o cabeamento UTP Categoria 5.

O Gigabit Ethernet

O padrão Gigabit Ethernet é primariamente um padrão de camada física (PHY - Physical Layer) e de controle de acesso à mídia (MAC – Media Access Control), especificando a camada de Enlace (Layer 2) do modelo OSI, enquanto que os protocolos das camadas superiores como o TCP e o IP especificam porções das camadas de Transporte (Layer 4) e de Rede (Layer 3). Este padrão é a base para comunicação ponto-a-ponto entre os equipamentos de rede.

A tecnologia Gigabit Ethernet surgiu da necessidade criada pelo aumento de largura de banda nas "pontas" das redes (ex.: servidores e estações de trabalho) e também pela redução constante dos custos entre as tecnologias compartilhadas e comutadas, juntamente com as demandas das aplicações atuais. Com isso, o "gargalo" passou a ser o backbone e as conexões dos servidores. Assim, o Gigabit Ethernet, por seu apelo de poder oferecer a solução para o congestionamento de backbones, por atender às demandas cada vez maiores das aplicações (multimídia, videoconferência, etc.) e por ser uma tecnologia familiar e compatível com o padrão Ethernet - o que traz grandes benefícios como economia com treinamento de profissionais e a proteção do investimento já feito - está atraindo, cada vez mais, a atenção da indústria e dos profissionais da área de redes.

Os trabalhos para definição do padrão da tecnologia Gigabit Ethernet, ou IEEE 802.3z, foram iniciados em julho de 1996 e o interesse da indústria pelo padrão levou à criação de um consórcio aberto formado por dezenas de fabricantes, chamado de Gigabit Ethernet Alliance (GEA). O propósito deste consórcio é promover a cooperação da indústria no desenvolvimento do padrão, e tem por objetivos principais suportar as atividades de padronização conduzidas pelo grupo de trabalho IEEE 802.3z, contribuir com conteúdo técnico para facilitar o consenso em especificações, oferecer um canal de comunicação entre fornecedores e consumidores e fornecer recursos para estabelecer e demonstrar interoperabilidade entre produtos. Em janeiro de 1997, o grupo de trabalho 802.3z fechou a especificação impedindo a inclusão de novas características e apresentou um primeiro draft bem estável. Baseados nestas especificações, poucos meses depois, alguns fabricantes já foram capazes de produzir produtos Gigabit Ethernet, além de terem sido capazes de montar redes de demonstração com seus equipamentos interconectados em eventos e feiras.

Os Padrões

Os principais objetivos do grupo de trabalho 802.3z são, basicamente, desenvolver padrões que:

Permitam operações half-duplex e full-duplex em velocidades de 1.000Mbps;
Utilizem o formato do quadro Ethernet 802.3;
Utilizem o método de acesso CSMA/CD com suporte para um repetidor por domínio de colisão;
Ofereçam compatibilidade com as tecnologias 10Base-T e 100Base-T.

O grupo de trabalho também identificou três objetivos específicos com relação às distâncias dos enlaces:

Enlace de fibra óptica multimodo com comprimento máximo de 500m;
Enlace de fibra óptica monomodo com comprimento máximo de 2Km;
Enlace baseado em cobre (ex.: cabo coaxial) com comprimento máximo de, pelo menos, 25m.

A Tabela 1, a seguir, mostra as distâncias a serem atingidas pelo Gigabit Ethernet de acordo com tipo de mídia usado, comparado às distâncias obtidas com o Ethernet e o Fast Ethernet.

Fonte: Gigabit Ethernet Alliance

	Ethernet 10Base-T	Fast Ethernet 100Base-T	Gigabit Ethernet 1000Base-X
Taxa de transmissão	10Mbps	100Mbps	1.000Mbps
Fibra Multimodo	2Km	412m (half duplex) 2Km (full duplex)	500m
Fibra Monomodo	25Km	20Km	3Km
STP / Coax	500m	100m	25m
UTP Cat. 5	100m	100m	100m

Tabela 1: Limitações de distâncias das topologias Ethernet

A Tabela 2 mostra os tipos de tranceivers Gigabit Ethernet que serão disponibilizados com o padrão. Como o Gigabit Ethernet está sendo desenvolvido para ser instalado em backbones e conectando comutadores e servidores de alto desempenho, os trabalhos foram concentrados para padronizar o uso de transceivers de fibras ópticas e os objetivos de distâncias foram calculados visando o uso das fibras monomodo e multimodo.

O uso do cabo de par trançado não blindado, categoria 5 (UTP Cat. 5), será padronizado posteriormente, mas os objetivos de distâncias já estão definidos, como mostram as Tabelas 1 e 2.

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Fonte: IEEE

Transceiver	Mídia	Distância
1000Base-SX	Fibra Multimodo 62.5-µm Fibra Multimodo 50-µm	260m 550m
1000Base-LX	Fibra Multimodo 62.5-µm Fibra Multimodo 50-µm Fibra Monomodo	440m 550m 3Km
1000Base-CX	Twinax ou Quad	25m
1000Base-T	UTP Cat. 5	100m

Tabela 2: Transceivers para Gigabit Ethernet

A Figura 1 exibe os limites entre as camadas MAC e PHY. Mostra também as possíveis conexões utilizando os tranceivers e as mídias disponíveis para uso pelo padrão, incluindo as distâncias a que cada opcão pode atingir.

Fonte: Gigabit Ethernet Alliance

Figura 1: As Camadas do Gigabit Ethernet

FULL & HALF-DUPLEX

O padrão proposto do Gigabit Ethernet, IEEE 802.3z, fornece uma largura de banda mínima de 1Gbps, tanto em modo full-duplex, como em half-duplex, sendo que, neste último, é necessário o uso de CSMA/CD para a detecção de colisões. Outro detalhe que não se pode esquecer é que, no modo full-duplex, a largura de banda é de até 2Gbps, pois os equipamentos conectados podem transmitir e receber dados simultaneamente.

Todas as velocidades de Ethernet, 10, 100 e 1.000Mbps utilizam o mesmo formato de encapsulamento, métodos de controle de fluxo e operações full-duplex, não havendo necessidade de traduções entre formatos de encapsulamento, o que reduz a complexidade e aumenta o desempenho da comutação de pacotes. Todas as implementações iniciais do Gigabit Ethernet serão full-duplex, com conexões comutadas e usarão o tamanho mínimo de pacote de 64 bytes.

CSMA/CD MODIFICADO

Em modo half-duplex, é utilizado um método de acesso CSMA/CD modificado, que mantém um diâmetro de colisões em 200m (exigência do próprio algoritmo) mesmo em taxas de velocidade de gigabit por segundo. Sem isso, pequenos pacotes poderiam ser totalmente transmitidos por uma estação sem que ela "percebesse" que houve uma colisão, violando a regra do CSMA/CD. Assim, a estação não "saberia" que precisa enviar novamente o pacote que se perdeu na colisão e a informação transmitida ficaria incompleta.

A solução encontrada foi alterar o CSMA/CD. O tamanho mínimo do pacote, 64 bytes, não foi modificado. O tempo mínimo da portadora CSMA/CD e o slot-time do Ethernet é que foram estendidos de 64 bytes para 512 bytes. Assim, pacotes menores que 512 bytes recebem a adição de uma extensão de portadora no quadro do Gigabit Ethernet (Figura 2). Estas modificações, que podem afetar o desempenho na transmissão de pacotes pequenos, foram resolvidas implementando-se um recurso chamado packet bursting, que, em suma, dá a capacidade a servidores, comutadores e outros tipos de equipamentos de entregar "conjuntos" (bursts) de pequenos pacotes para utilizar a largura de banda disponível.

Fonte: Telecommunications Magazine, Vol. 31, No. 3 (Março 1997)

Figura 2: O Quadro do Gigabit Ethernet

FIBRAS ÓPTICAS

Uma das diretrizes de desenvolvimento do padrão, estipulado pelo grupo de trabalho 802.3z, é o aproveitamento de tecnologias já existentes, visando a agilização dos trabalhos para suprir as demandas do mercado. Assim, o IEEE adotou as especificações do já estabelecido padrão ANSI X3T11 Fibre Channel (FC) para sinalização na camada física, atingindo o seu objetivo de rapidamente entrar em acordos com relação às especificações para uso de fibras ópticas.

Fonte: Telecommunications Magazine - Vol.31, No. 3 - (Março 1997)

Figura 3: A Pilha de Protocolos do Gigabit Ethernet

UTP CAT. 5

Encontra-se em desenvolvimento a padronização para uso do cabeamento de par trançado não blindado categoria 5 (UTP Cat. 5). Este padrão será diferente do 802.3z e está sendo conduzido por um grupo de trabalho paralelo chamado IEEE 802.3ab. A conclusão dos trabalhos está prevista para setembro de 1998, quando será oficializado o padrão para uso do Gigabit Ethernet sobre UTP. O grupo de trabalho 802.3z decidiu dividir os trabalhos desta forma para poder concentrar-se mais intensamente na padronização do uso de fibras ópticas.

Além de 1GBPS...

O Gigabit Ethernet traz para as redes locais outras características além da velocidade de 1Gbps. Junto com tanta rapidez e largura de banda, torna-se cada vez mais necessário um maior controle sobre a rede, ou seja, maior flexibilidade para configurações e facilidades de gerenciamento e controle dos fluxos de dados.

Um recurso que ajudará o Gigabit Ethernet no controle do fluxo de dados, é o protocolo RSVP (Reservation Protocol), que é o padrão proposto para sinalização de QoS (Qualidade de Serviço) em um ambiente IP baseado em roteadores.

O RSVP é focado em reservar largura de banda para um pequeno número de conexões. Não se pretende que ele seja capaz de suportar muitas (centenas) conexões de clientes para servidores através do backbone. Além disso, o RSVP foi projetado como um QoS baseado na regra do "melhor esforço". Isso significa que, mesmo que uma requisição direcionada a um QoS específico, tenha seu recebimento confirmado, não é obrigatoriamente certo que a rede conseguirá entregar os datagramas. A tecnologia Gigabit Ethernet será bem aproveitada se aplicada a conexões que não exijam rigorosidade dos recursos QoS.

O uso do QoS exige, além do protocolo de sinalização, um protocolo de roteamento apropriado. O IETF (Internet Engineering Task Force) já iniciou os trabalhos para reprojetar o protocolo de roteamento OSPF (Open Shortest Path First) para suportar roteamento QoS.

Gigabit Ethernet: vantagens

O Gigabit Ethernet tem como principais vantagens a popularidade da tecnologia Ethernet e o seu custo. Basicamente, ele oferece um aumento de 10 vezes em relação ao desempenho da tecnologia mais popular atualmente para conexão entre comutadores e de servidores: o Fast Ethernet. Trata-se de uma tecnologia conhecida, protegendo o investimento feito em recursos humanos e em equipamentos. Não há nenhuma nova camada de protocolo para ser estudada, tendo conseqüentemente, uma pequena curva de tempo de aprendizagem em relação a atualização dos profissionais. A implementação dos comutadores e hubs Gigabit Ethernet deverá acontecer de forma simples e rápida, após um projeto que analise e defina onde os mesmos devem ser colocados dentro do backbone.

Gigabit Ethernet: desvantagens

QUALIDADE DE SERVIÇO (QoS)

Apesar da alta velocidade, o padrão Gigabit Ethernet não suporta QoS, que é um dos pontos mais fortes da tecnologia ATM. Desta forma, ele não pode garantir o cumprimento das exigências de aplicações, como a videoconferência com grande número de participantes, ou mesmo uma transmissão de vídeo em tempo-real de um ponto para muitos pontos.

Para minimizar este problema, o IEEE trabalha no sentido de desenvolver um padrão que defina um esquema de prioridade (IEEE 802.1p) e possibilite algo "parecido" com o QoS.

É importante lembrar que o Gigabit Ethernet é uma tecnologia MAC e PHY e que, nas atuais implementações, funcionará com outras especificações do IETF e IEEE. Isso quer dizer que o problema da Qualidade de Serviço e Classe de Serviço serão questões a serem resolvidas pelos protocolos das camadas superiores como o 802.3x (para controle de fluxo), 802.1Q (para redes virtuais - VLANs), 802.1p (para priorização de tráfego) e RSVP para reserva de banda. Então, apesar do Gigabit Ethernet ser otimizado para alta velocidade de dados, ele poderá ter condições de fornecer filas de prioridade para suportar aplicações como voz e vídeo sobre IP em tempo-real.

Aplicações

O Gigabit Ethernet, assim como o ATM, foi desenvolvido para fornecer uma largura de banda maior na rede, descongestionando os gargalos do backbone.

Tipicamente, esta tecnologia poderá ser aplicada nas seguintes tarefas ou situações: na posição de ponto central (core) de comutação de pacotes entre redes Ethernet e Fast-Ethernet em um backbone corporativo, em um backbone acadêmico (universidades), nos provedores Internet, em pontos de presença, atendendo a servidores de alto-desempenho e, por fim, nos usuários que demandam alta largura de banda para uso de multimídia e outras aplicações.

Em uma rede cujo projeto leve em conta o balanceamento do tráfego é possível oferecer, mesmo sem QoS, um ambiente propício para uso de aplicações multimídia que podem rodar com ótimo desempenho, sem serem afetadas por outros tipos de tráfego.

Conclusão

A tecnologia Gigabit Ethernet é a evolução natural das tecnologias Ethernet e Fast Ethernet. Além da maior largura de banda que oferece, o Gigabit Ethernet traz também novas características que o permitem funcionar como uma rede mais "inteligente", e, espera-se, com custos mais baixos que outras tecnologias de alta velocidade, nos quesitos de implementação, manutenção e suporte.

Referências bibliográficas

Gigabit Ethernet White Paper
by Gigabit Ethernet Alliance (1997)
http://www.gigabit-ethernet.org/
technology/whitepapers/gige_0997/papers97_toc.html

Sites relacionados

Gigabit Ethernet Alliance
http://www.gigabit-ethernet.org/

Gigabit Ethernet FAQ
http://www.gigabit-ethernet.org/technology/faq.html

Fibre Channel Association
http://www.fibrechannel.com/

3COM Corp.
"Gigabit Ethernet On The Horizon"
http://www.3com.com/0files/strategy/600220.html
http://www.3com.com/solutions/key_net/gigabit/gigabit.html
http://www.3com.com/technology/tech_net/white_papers/500639.html

Cisco Systems
http://www.cisco.com/warp/public/801/34.html
http://www.cisco.com/warp/public/729/gigabit/gigbt_qp.htm

Ethernet Technology
www.cs.bsu.edu/homepages/peb/cs637/ethernet/concepts.htm

"Battle of the Backbones: ATM vs. Gigabit Ethernet" - Data Communications (Abril 1997)
by Joe Skorupa (Fore Systems Inc.) and George Prodan (Extreme Networks Inc.) –
http://www.data.com/tutorials/backbones.html

Yahoo Gigabit Networking Page
http://www.yahoo.com/Computers_and_Internet/
Communications_and_Networking/Gigabit_Networking/

"Gigabit Ethernet Gets It Done" - Data Communications Magazine, Fev. 1998
Robert Mandeville and Deval Shah, http://www.data.com/lab_tests/ethernet.html

CERN Gigabit Ethernet homepage
http://www.cern.ch/HSI/gigaether/

Papers and Reports
http://www.ots.utexas.edu/ethernet/papers.html