เครือข่ายความเร็วสูง Gigabit Ethernet

บทนำ

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


หลักการพื้นฐาน

หลักการพื้นฐานที่สำคัญของ Gigabit Ethernet (IEEE802.3z) คือการปรับแก้ส่วนของ MAC Layer (Media Access Control Layer) โดยกลไกที่เรียกว่า Carrier Extension โดยกลไกตัวนี้จะทำการเพิ่มความยาวของเฟรมที่มีขนาดน้อยกว่า 512 ไบต์ โดยจะทำการเพิ่มข้อมูลเข้าไปยังส่วนท้ายของเฟรมเพื่อให้เฟรมข้อมูลนั้นมีขนาดเท่ากับ 512 ไบต์ เหตุที่ต้องทำเช่นนี้เนื่องมาจากว่าใน Ethernet แบบแรกที่ความเร็ว 10Mbps (IEEE802.3) นั้นได้มีการกำหนดออกแบบเอาไว้ว่าจะต้องสามารถ ตรวจจับ (detect) การชนการของข้อมูล (Collision) ได้เมื่อเครื่องคอมพิวเตอร์เครือข่ายที่อยู่ห่างกัน 2 กิโลเมตร ส่งข้อมูลที่มีความยาว 64 ไบต์ออกมาในจังหวะเวลาที่ทำให้เกิดการชนกันของข้อมูล (Roundtrip Propagation Delay) ซึ่งเมื่อเกิดการชนกันขึ้น MAC Layer จะเป็นตัวที่ตรวจพบและมันจะทำการส่งสัญญาณเพื่อให้เครื่องที่ส่งข้อมูลชนกันหยุดการส่งข้อมูล และทำการสุ่มเวลาเริ่มต้นเพื่อนที่จะทำการส่งข้อมูลนั้นใหม่อีกครั้ง และใน 100 Mbps (IEEE802.3u)ก็ใช้ข้อกำหนดนี้ แต่ความเร็วที่เพิ่มขึ้นได้มาจากการเพิ่มสัญญาณนาฬิกาในการส่งข้อมูลให้เร็วขึ้นเป็น 10 เท่าจากของเดิม ทำให้เวลาที่ต้องใช้ในการส่งข้อมูลลดลง 10 เท่า ซึ่งทำให้ระยะห่างสูงสุดระหว่างเครื่องในเครือข่ายลดลง 10 เท่าเช่นกัน คือ จาก 2 กิโลเมตรเหลือเพียง 200 เมตรแต่เมื่อมีการเพิ่มความเร็วขึ้นอีก 10 เท่าใน Gigabit Ethernet จึงทำให้ระยะห่างดังกล่าวลดลงเหลือเพียง 20 เมตรบนสาย UTP cat5 ซึ่งไม่สามารถใช้งานได้ในสภาพการทำงานจริง ดังนั้น Carrier Extension นี่เองที่จะเข้ามาทำให้สามารถตัวจับการชนกันของข้อมูล เมื่อเครื่องคอมพิวเตอร์บนเครือข่ายอยู่ห่างกันที่ระยะ 200 เมตร

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 Extensionนั้นจะใช้ในการ กรณีที่เป็นการรับส่งข้อมูลแบบ 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 ซึ่งแอพพลิเคชั่นที่มีอยู่ปัจจุบันจะต้องได้รับแก้ไขเพื่อให้มีความสามารถในการจัดการกับข้อมูล โดยลักษณะที่จะมีการเก็บรวบรวมเฟรมข้อมูลให้ได้ขนาดที่ต้องการแล้ว ส่งออกไปทีเดียวนี่เองทำเช่นการขอเปิดเน็ตเวิร์คไฟล์ 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 เป็นที่ทราบกันว่าการใช้เส้นใยแก้วนำแสงนั้นจะทำให้เกิดค่าใช้จ่ายที่สูงทั้งนี้เนื่องมาจากค่า 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



เครือข่ายความเร็วสูง Gigabit Ethernet

การเปลี่ยนไปใช้ Gigabit Ethernet
ทางคณะทำงานของ IEEE802.3z ได้เสนอการนำอุปกรณ์ Gigabit Ethernet ไปใช้ทดแทนนอุปกรณ์ต่างๆที่มีอยู่แล้วเพื่อเพิ่มความเร็วในการรับส่งข้อมูล โดยแบ่งได้เป็น 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


2.
การแทนที่เครือข่ายแกนหลักที่ใช้ Fast Ethernet อยู่ก่อนในเครือข่ายขนาดเล็กจนถึงขนาดกลางที่ใช้ Fast Ethernet Switch เป็นอุปกรณ์เครือข่ายแกนหลัก(Backbone Switch) ก็อาจจะรองรับความต้องการในรับส่งข้อมูลที่มีปริมาณเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วไม่ได้ การนำ Gigabit Ethernet Switch มาทำหน้าที่เป็นBackbone Switch แทนก็จะทำให้สามารถเพิ่ม Bandwidth ได้อย่างเพียงพอต่อความต้องการในปัจจุบันและอนาคต

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

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


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 เป็นระดับในการให้บริการข้อมูลซึ่งมันจะรับประกันอัตราความเร็วในการส่งข้อมูลหนึ่งๆที่อยู่ในรดับเดียว 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

คำถาม-ตอบ (5ข้อ)

1.Gigabit Ethernet (IEEE802.3z)เป็นมาตรฐานใหม่ของอะไร

ก.เทคโนโลยีเครือข่ายท้องถิ่น (LAN-Local Area-Network)

ข.ประเทศทั่วโลก

ค.กรุงเทพ

ง.มหาวิทยาลัย

ตอบ.ก.
เทคโนโลยีเครือข่ายท้องถิ่น (LAN-Local Area-Network) ที่พัฒนามาจาก เครือข่ายแบบ Ethernet แบบเก่าที่มีความเร็ว 10 Mbps ให้สามารถรับส่งข้อมูลได้ที่ระดับความเร็ว 1 Gbps ทั้งนี้เทคโนโลยีนี้ ยังคงใช้กลไก CSMS/CD ในการร่วมใช้สื่อเหมือนEthernet แบบเก่า หากแต่มีการพัฒนาและดัดแปลงให้สามารถรองรับความเร็วในระดับ 1 Gbps ได้

2.หลักการพื้นฐานGigabit Ethernet (IEEE802.3z) คืออะไรบ้าง

ก.ความเร็วสูง

ข.ความเร็วต่ำ

ค.แบบเก่า

ง.หลักการพื้นฐานที่สำคัญของ Gigabit Ethernet (IEEE802.3z) คือการปรับแก้ส่วนของ MAC Layer (Media Access Control Layer) โดยกลไกที่เรียกว่า Carrier Extension

ตอบ ง.การปรับแก้ส่วนของ MAC Layer (Media Access Control Layer) โดยกลไกที่เรียกว่า Carrier Extension โดยกลไกตัวนี้จะทำการเพิ่มความยาวของเฟรมที่มีขนาดน้อยกว่า 512 ไบต์ โดยจะทำการเพิ่มข้อมูลเข้าไปยังส่วนท้ายของเฟรมเพื่อให้เฟรมข้อมูลนั้นมีขนาดเท่ากับ 512 ไบต์

3.Carrier Extension กับ Throughputมีขนาดของเฟรมเท่าใด

ก.มีขนาด2.36

ข.512ไบต์

ค.785ไบต์

ง.325ไบต์

ตอบข.การที่ต้องเพิ่มขนาดของเฟรมที่เล็กว่า 512 ไบต์ด้วยส่วนข้อมูลพิเศษต่อท้ายเพื่อให้มีขนาดเท่ากับ 512 ไบต์นั้นจะทำให้ค่า Throughput