Ethernetissä riittää viilaamista
Pertti Hämäläinen • Piirros: Petri Rotsten
Ethernetissä riittää viilaamista
Lähiverkkojen ratkaisuille keksitään koko ajan uusia käyttötarkoituksia. 35-vuotiaan perustekniikan aukkoja paikataan kuitenkin vielä pitkään.
Ethernetin perusominaisuus on epädeterministisyys: verkkoon lähetetyn paketin perillemenoaikaa ei kyetä varmuudella ennustamaan. Kyseessä ei ole virhe vaan varta vasten suunniteltu ominaisuus.
Alkuperäinen ethernet perustui jaettuun mediaan eli verkotetun tilan läpi mutkittelevaan koaksiaalikaapeliin, johon päätelaitteet liittyivät omilla pistokaapeleillaan. Työasema saattoi lähettää verkkoon paketin vain, jos siinä ei juuri sillä hetkellä kulkenut toista pakettia.
Yhteentörmäyksen sattuessa paketti oli lähetettävä uudelleen. Kun liikennemäärät lisääntyivät, myös yhteentörmäysten todennäköisyys kasvoi ja pakettien perillemenoajat pitenivät.
Nykyinen ethernet perustuu kytkimiin, jotka lähettävät vastaanottamansa paketin saman tien eteenpäin. Samanlaisia yhteentörmäyksiä kuin alkuperäisessä verkossa ei enää tapahdu, koska ruuhkatilanteessa kytkimet osaavat puskuroida vastaanottamansa kehykset. Lopputulos on kuitenkin edelleen sama: pakettien perillemenoaika kasvaa epädeterministisesti.
Ylikuormitustilanteessa kytkimen puskurit voivat myös täyttyä. Tällöin kytkin tavallisesti vain pudottaa pois paketit, jotka eivät mahdu sen puskureihin. Vikatilanteesta toipuminen jää liikennekäytäntöjen ylempien kerrosten huoleksi.
Lähiverkkojen alkuaikoina ennustettavuuden puutetta pidettiin vakavana ongelmana, ja ethernetin rinnalla kehitettiin luotettavampia ratkaisuja. Pakettien perillemeno pyrittiin varmistamaan muun muassa jakamalla erilaisilla valtuusmenettelyillä lähetysvuorot kullekin verkkoon liitetylle laitteelle.
Teollisuuden tarpeisiin standardoitu vuoroväylä (token bus) ei kuitenkaan saanut kaupallisia sovelluksia. IBM:n kehittämä vuororengas (token ring) saavutti 1980-luvulla tilapäistä menestystä, kun taas HP:n 1990-luvulla kehittämä 100VG-Anylan kuivui kasaan jo alkumetreillään.
Ethernetin vahva jalansija markkinoilla takasi sille suuruuden ekonomian, jossa piiri-, laite- ja ohjelmistovalmistajien muodostama ekosysteemi jyräsi kilpailevat vaihtoehdot. Epävarmuuden kanssa opittiin elämään, koska ruuhkautumisongelmiin törmätään suurten verkkojen runkokomponenteissa joka tapauksessa, alimpien kerrosten liikennöintitavoista riippumatta.
Tehtaassa tarvitaan muutakin kuin nopeutta
On kuitenkin monia sovellusalueita, joissa epävarmuus on epäsuotavaa. Puhe ja video kärsivät pakettihäviöistä ja epäsäännöllisistä viipeistä, ja erilaiset laiteliitännät saattavat vaatia tosiaikaisuutta tai äärimmäistä luotettavuutta.
Komponenttien suorituskyvyn kasvattaminen on yksi keino kiertää ongelmia tilapäisesti. Ethernetin kaistanleveys on jo kasvanut kymmenestä megabitistä kymmeneen gigabittiin, ja IEEE 802.3 -komitean alityöryhmä 802.3ba kehittää parhaillaan palvelinliitäntöihin 40 ja runkoverkkoihin 100 gigabitin versioita. Eri kaapelointivaihtoehdoille suunniteltujen alistandardien arvioidaan valmistuvan vuoteen 2011 mennessä.
Suuri nopeus ei ole aina tärkeintä. Teollisuuden ohjausjärjestelmät ovat perinteisesti perustuneet sarjaliitäntöihin ja erilaisiin kenttäväyliin. Ethernet-komponenttien edullisuus innosti kuitenkin 2000-luvulle tultaessa kehittämään suositulle verkkotekniikalle myös teollisuussovelluksia. Millisekuntienkin ajoitusvirheet tosiaikaisessa anturien lukemisessa tai servomoottoreiden ohjauksessa voivat suistaa prosessit raiteiltaan.
Yleisnimellä teollisuus-ethernet viitataan laajaan joukkoon tuotteita ja standardeja. Tuotteisiin kuuluu erikoistuneempien komponenttien lisäksi tavallisia ethernet-kytkimiä ja muita laitteita, joiden virransyöttö- ja mekaniikkaratkaisut on sovitettu tehdashalliolosuhteisiin. Järjestelmien tuotteistukseen sisältyvät tarkat mitoitusohjeet, joita noudattamalla vältetään ruuhkat.
Teollisuus-ethernetin standardit ovat usein erilaisten kenttäväylien ja liitäntämenetelmien ethernet-sovituksia, joissa saatetaan puuttua ethernetin perusteisiin tosiaikaisuuden varmistamiseksi. Tämän vuoksi ratkaisuja ei standardoida IEEE:n lähiverkkokomiteoissa. Moni keskeinen valmistaja on sen sijaan vienyt omat käytäntönsä ethernet-sovituksineen ISO/IEC-standardeiksi.
Multimedia mietityttää
IEEE:n 802-komitea on nostanut monet keskeiset standardointikohteet ethernet-työryhmistä lähiverkkotasolle eli 802.1-työryhmiin. Tällä hetkellä aktiivinen audio-videosiltatyöryhmä kehittää aikakriittisten datavirtojen välittämistä lähiverkossa mahdollisimman pienillä viipeillä. Työ keskittyy ethernetiin, mutta tuloksia pyritään myöhemmin soveltamaan myös 802.11-tyyppisiin langattomiin lähiverkkoihin.
Ääntä ja liikkuvaa kuvaa kuljetetaan kytkinten (standardikielellä siltojen) kautta monissa sovelluksissa sisällöntuotannosta ja -jakelusta kodin viihdeverkkoihin. Esimerkiksi internet-television yleistyminen edellyttää verkkolaitteiden kehittymistä sellaisiksi, että jakeluyhtiöt voisivat käyttää ethernetiä päästä päähän tarvitsematta investoida liikaa varakapasiteettiin.
Työryhmien työn tuloksia julkaistaan aikanaan useina 802.1-alistandardeina tai niiden liitteinä. Varsinainen audio-videosiltausstandardi kootaan 802.1BA-standardiin, jota kehittävä työryhmä perustettiin toukokuussa 2008. Ajoitus- ja synkronointiongelmia käsitellään 802.1AS-työryhmässä, verkkoresurssien varausta liikennevirtakohtaisesti 802.1Qat-työryhmässä, ja aikakriittisten tietovirtojen välitys- ja ajoitusmekanismien parannuksia 802.1Qav-työryhmässä.
Ethernet datakeskuksessa
Datakeskuksissa törmätään kokonaan toisenlaisiin ongelmiin, kun halutaan kasvattaa ethernetin osuutta erilaisista liitännöistä.
Keveiden massamuistijärjestelmien ja ryvästettyjen järjestelmien liitännöissä voidaan nykyäänkin käyttää ethernetiä, mutta erityisen paljon tehoa vaativissa järjestelmissä turvaudutaan edelleen tehokkaampiin tekniikoihin.
Tallennusverkoissa käytetään kuitukanavaa, supertietokonerypäissä esimerkiksi Myrinetiä, ja Infiniband sopii molempiin tarkoituksiin.
Mahdollisuus kadottaa paketteja ruuhkatilanteissa hankaloittaa ethernetin hyödyntämistä tällaisissa kriittisissä kohteissa. Suurissa kytkinverkoissa vikatilanteista toipuminen saattaa heikentää suorituskykyä merkittävästi, minkä vuoksi suuret verkkovalmistajat ovatkin kehittäneet perinteisen virityspuun sijaan massiivisia kahdennusjärjestelyjä.
Laiteliitäntöjen lähiverkkosovitukset tulevat IEEE:n ulkopuolelta. Esimerkiksi ISCSI on IETF:n standardi, ja kuitukanavan Ethernet-sovitus FCOE (Fibre channel over ethernet) on tekeillä INCITS-järjestön T11-komiteassa (www.t11.org). Menettelyjen kasvava suosio pakotti myös 802-komitean reagoimaan, kun joukko valmistajia alkoi puhua käsitteestä CEE (Converged enhanced ethernet) vastavetona Ciscon DCE:lle (Data center ethernet).
802.1 DCB-työryhmä (Data center bridging) pyrkii tekemään ethernetistä luotettavan ympäristön tavallisen dataliikenteen ja oheislaiteliitäntöjen liikenteen yhdentyessä samaan verkkoon. Työn alla on kolme standardia, joilla tavoitellaan ethernet-verkoille kuitukanavan tasoista luotettavuutta.
802.1Qbb tarjoaa prioriteettipohjaisen vuonohjauksen nykyisen porttikohtaisen vuonohjauksen määrittelevän 802.3x-standardin sijaan. Jälkimmäistähän käytetään harvoin sen negatiivisten sivuvaikutusten takia.
802.1Qau varmistaa verkkoyhteyden päästä päähän ulottuvan ruuhkanhallinnan, jollainen esimerkiksi FCOE-käytännöstä puuttuu. Standardin odotetaan myös tehostavan tcp:n kaltaisiin käytäntöihin sisältyvää ruuhkanhallintaa.
802.1Qaz on hallintakäytäntö, jolla voidaan varata kaistaa eri liikenneluokille. Nykyiselläänhän 802.1Q-standardin mukainen liikenteen priorisointi voi tukkia matalan prioriteetin liikenteen täysin, koska minimi- ja maksimikaistoja ei voi määritellä.
DCB-työryhmän pitäisi saada työnsä valmiiksi vuonna 2010. Sitä on kuitenkin kritisoitu kuormantasausmenettelyjen unohtamisesta määrittelyissään, mikä saattaa jättää edelleen tilaa laitevalmistajien omille viritelmille.
