La rete Ethernet, da base per reti locali che oggi definiamo semplici, sta diventando una tecnologia in grado di soddisfare le nuove esigenze imposte dalla necessità di gestire velocemente dati di grandi dimensioni e con contenuti complessi.
I concetti alla base della rete Ethernet risalgono agli anni ‘70, ispirati da una rete wireless dell’epoca, ALOHAnet, creata per collegare computer di un college delle Hawaii dislocati su diverse isole dell’arcipelago. Il problema risolto da questa rete, cioè consentire una comunicazione peer-to-peer (alla pari) tra nodi diversi senza interferenze, è stato alla base del meccanismo CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access – Collision Detection, poi formalizzata nello standard IEEE 802.3 che definisce il layer fisico e data link del protocollo, secondo il modello di riferimento OSI, Open System Interconnection. All’inizio la velocità era di 10Mbps, con versioni quali la 10Base-T, con cavi non schermati di categoria 3, e con i nodi tipicamente collegati tramite connettori RJ-45 su distanze di alcune decine di metri, a un nodo centrale secondo una topologia a stella. Tra le varianti, la 10Base-FL, a fibra ottica, per distanze dell’ordine dei chilometri. Un primo passaggio importante si è avuto, a metà degli anni ‘90, con Fast Ethernet, o 100Base-TX, che ha elevato la velocità a 100Mbps. Per un uso industriale restava il problema del determinismo, dato che Ethernet è per sua natura “probabilistica”, ma la diffusione era oramai tale da sollecitare i player dell’automazione a definire versioni industriali di Ethernet, con meccanismi a garanzia del determinismo. È poi iniziata l’era “gigabit”.
Verso elevati data rate
La rete Ethernet non poteva certo fermarsi nella sua evoluzione, come del resto avviene per qualsiasi soluzione tecnologica di successo, e si arriva a Ethernet Gigabit. L’origine si può far risalire al novembre 1995 quando Compaq Computer Communication, azienda poi fusa nel 2002 con HP, propone al comitato IEEE 802 l’architettura di una rete Ethernet a 1 Gbps; all’inizio del 1996 la IEEE forma il gruppo IEEE 802.3z con l’obiettivo di definire uno standard per questa rete, e nell’aprile 1996 si costituisce la “Gigabit Ethernet Alliance” per accelerare lo sviluppo di tale rete. Come premessa, la compatibilita con Ethernet e Fast Ethernet, quindi l’uso di CSMA/CD e stesso formato e stessa dimensione dei pacchetti dati, per semplificare un passaggio a Gigabit Ethernet. Come mezzi fisici, lo standard IEEE 802.3z, ratificato nel giugno 1998 prevede fibra ottica (standard 1000 Base-SX con fibre ottiche multimodali e standard 1000Base-LX con fibre ottiche monomodali), e doppino schermato (standard 1000 Base-CX con “shielded balanced copper cable”). Un altro gruppo IEEE (802.3ab) ha definito poi il livello fisico di una rete Gigabit con doppino non schermato di categoria 5, 5e o 6 e massima distanza raggiungibile pari a 100 metri. Questo standard (1000Base-T), si è diffuso rapidamente in quanto un’organizzazione poteva utilizzare la sua infrastruttura in rame senza obbligo di passare a un cavo schermato o alla fibra ottica per avere prestazioni gigabit. Da ricordare poi che la TIA, Telecommunication Industry Association, aveva promosso un suo standard simile a 1000Base-T, denominandolo 1000Base-TX, che doveva essere più semplice e meno costoso da implementare adottando due coppie di cavi unidirezionali in ciascuna direzione al posto di 4 bidirezionali, ma servivano cavi categoria 6 e la proposta non ha avuto successo anche per il calo dei costi dell’hardware per 1000Base-T. La tecnologia gigabit, per quanto inizialmente adottata per backbone (dorsali) ad alta capacità, quando nel 2000 la Apple la introdusse nei propri prodotti consumer, per esempio nel PowerBook G4, si sviluppa anche a livello PC mettendo a disposizione connettività 10/100/1000 gigabit nei modelli più aggiornati di molti costruttori, o con adattatori USB 3.0 per 10BASE-T, 100BASE-TX e 1000BASE-T.
La codifica di linea
Tutta la “famiglia” di protocolli Ethernet in fibra ottica utilizza una codifica di linea, cioè una trasformazione dei bit di payload in ingresso, cioè i dati utili trasmessi, in una nuova serie di bit. Come teoria generale, in una codifica di linea “k/n”, k bit in ingresso vengono trasformati in n bit di uscita, con n>k secondo delle tabelle di conversione predeterminate. Le codifiche di linea sono utilizzate nelle trasmissioni ad alta velocità per ottenere particolari funzionalità utili a livello fisico. Nel caso di Ethernet su fibra, si usa la codifica 8B/10B, con cui 8 bit in ingresso sono “mappati” in 10 bit in uscita. La mappatura è concepita per ottenere, per tutte le 256 possibili combinazioni in ingresso, un flusso in uscita che abbia un numero sufficiente di transizioni 0/1 tale da poter recuperare con facilità il clock in ricezione (clock recovery), ma anche per poter aggiungere delle parole di controllo, tipo start-of-frame e end-of-frame. Lo scopo fondamentale di questa codifica resta comunque quello di ottenere, come definito in telecomunicazioni, dei “DC balanced signals” per prevenire errori sui bit. Questa codifica comporta un aumento del data rate in linea pari al 25%: da 1 Gbps a 1,25 Gbps. Nel caso dello standard 802.3ab, per comunicazioni su rame, viene usato un differente schema di codifica finalizzato a mantenere il symbol data rate il più basso possibile.
Il ruolo delle fibre ottiche
Prima di proseguire, è importante soffermarsi sul ruolo delle fibre ottiche nelle reti gigabit. Prima di tutto le fibre possono essere multimodali (multi mode), con più modi o cammini di propagazione del segnale luminoso che rimbalza sulle pareti interne della fibra, usate per brevi distanze e meno costose delle monomodali (single mode), di diametro più piccolo, con un solo modo di propagazione del segnale coincidente con l’asse della fibra, usate per lunghe distanze. Considerando lo standard 1000Base-SX (short wavelenght), basanto su sorgente LED da 850nm e con fibre ottiche multimodali, la massima distanza raggiungibile dipende da due fattori: diametro della fibra, e banda modale (modal bandwidth) che, espressa in Mhz*km, rappresenta la capacità delle fibre di trasmettere una certa quantità d’informazioni su una certa distanza. Il diametro della fibra può essere 50μm o 62,5μm, mentre la banda modale assume valori di 160, 200, 400 e 500. Nel caso delle 62,5μm con banda modale 200 (valore massimo per queste fibre) si raggiungono 275 metri, che diventano 550 con fibre da 50μm e banda modale 500. Se poi si passa a 1000Base-LX (long wavelenght) con LED da 1300nm e fibre monomodali da 10μm, non ha più senso parlare di banda modale, e le distanze raggiungibili sono anche di 5000 metri. I valori di lunghezza d’onda prima indicati si riferiscono alle cosiddette “finestre di trasmissione”; combinando i diversi fenomeni di attenuazione, rifrazione, dispersione, vi sono tre “finestre” trasmissive particolarmente adatte all’uso nelle telecomunicazioni, con prestazioni crescenti in termini di larghezza di banda e distanza: prima finestra a 850nm (800-900), seconda finestra a 1310nm (1250-1350), terza finestra a 1550nm, quest’ultima usata da soluzioni proprietarie che raggiungono anche i 150Km con fibre monomodali, senza necessità di amplificazione ottica e compensazione di dispersione. In pratica, parlando di Gigabit Ethernet resta per certi versi non definito il discorso sulle distanze raggiungibili, condizionate dalla qualità del mezzo trasmissivo fibra ottica, con costi crescenti con la lunghezza di rete che si intende implementare. Un chiaro esempio al riguardo si ha con 10, 40 e 100Gbps Ethernet, di cui anticipiamo alcuni spunti. Da premettere che le performance di una fibra ottica non si riducono alla sola dimensione del core, come specificato, per le multimodali, dalla presenza di 4 gradi OM (optical multimode): OM1, OM2, OM3 e OM4. Con OM1, per esempio, si indicano fibre con 200/500 MHz*km overfilled launch (OFL) bandwidth a 850/1300nm, e diametro 62,5μm (OFL è il metodo di test con cui si garantisce, in questo caso, una banda minima di 200 Mhz*km con sorgente LED a 850nm, e 500 Mhz*km con sorgente LED a 1300nm). Queste fibre ottiche non sono in grado di operare a 10Gbit, data rate per il quale sono state concepite le OM3, fibre laser-optimized per uso con sorgente laser, diamentro 50μm, e le OM4, anch’esse laser-optimized da 50μm, per distanze più lunghe. Salendo ancora di data rate, quindi 40-100 Gbps, una OM4, con laser a 850nm, può raggiungere 150 metri mentre una OM3, meno costosa, si ferma a 100 metri. Ancora, se per 10Gbps Ethernet si volesse usare una fibra da 62,5μm con luce a 850nm, che con 1 Gbps Ethernet può arrivare a 275 metri, ci si fermerebbe a 20-30 metri, e volendo aumentare le distanze si dovrebbero usare dispositivi transceiver per luce a 1300nm che sono molto più costosi di quelli per luce a 850nm.
Ethernet 10 gigabit e oltre
Ethernet 10Gbps diventa disponibile nel 2002, alla ratifica dello standard IEEE 802.3ae su fibra ottica, cui segue nel 2004 lo standard 802.3ak su rame per brevi distanze, e 802.3an nel 2006 (10GBASE-T) su doppino, e da quel momento inizia a sostituire le reti 1 Gbps, ampliando la familiare “vision” di Ethernet come LAN verso reti SAN, Storage Area Netwok dedicate a dispositivi di memorizzazione di massa, verso dorsali per reti di aziende di grandi dimensioni, e verso reti WAN (Wide Area Network) e MAN (Metropolitan Area Network). Ethernet 10Gbps è ancora “ethernet”: usa il protocollo MAC (Media Access Control) standard IEEE 802.3, lo stesso frame format e la stessa frame size, ed è full-duplex, come full-duplex Fast Ethernet. Tra le innovazioni, la presenza nel protocollo del sublayer WIS (WAN Interface Sublayer) che rende la 10Gbps compatibile con SONET (Synchronous Optical NETwork), sistema di trasmissione in fibra ottica per traffico ad alta velocità, utilizzato da compagnie telefoniche e provider Internet. Lo standard 802.3ae è sostanzialmente Physical Medium Dependent, prevedendo più versioni, a seconda del tipo di fibra ottica usata, della lunghezza d’onda della luce laser, e dell’ambientazione SONET o meno. Per esempio, 10GBase-SR, con fibre multimodali a 850nm, è per distanze fino a 65 metri, che diventano 10Km con la 10GBase-LX4 che prevede fibre monomodali e luce laser a 1310nm; in ambito SONET, la versione 10GBase-EW, con fibra monomodale e laser da 1550nm, copre fino a 40Km. Passando al rame, lo standard 10GBase-CX4 permette solo 15 metri, evidenziando un utilizzo molto specifico, in ambito Data Center. La versione 10GBase-T garantisce invece fino a 55 metri, se con cavi categoria 6, e fino a 100 metri con cavi categoria 6a o 7. Ethernet 10Gbps evidenzia un forte cambiamento, non tanto riferito alla pura velocità, quanto all’ambientazione della tecnologia, e questo si fa più marcato con Ethernet 40Gbps e 100Gbps definite nello standard IEEE 802.3ba del 2010. La velocità di Ethernet è sempre cresciuta di un fattore 10: da 10 a 100 a 1000Mbps, fino a 10Gbps: ma la sequenza si interrompe con 40G/100G. Un gruppo di lavoro IEEE (Higher Speed Study Group, HSSG) verifica a un certo punto che le applicazioni computing e networking crescono a tassi differenti, tal per cui servono risposte diverse: da cui 100Gbps per applicazioni networking e 40Gbps per server e applicazioni computing. Ma cambiano anche i target: 100Gbps per service provider e telecomunicazioni, 40Gbps per applicazioni di aziende medio-grandi. In sostanza, la necessità di Ethernet 40Gbps deriva dalla richiesta delle aziende di maggior larghezza di banda; tra i motivi: un’ampia adozione di applicazioni sia ricche in contenuti multimediali che Cloud-based; una crescente adozione di virtualizzazione delle risorse; innovazioni nelle tecnologie dei server; convergenza tra SAN e LAN, tra reti storage per la condivisione di grandi quantità di dati tra più utenti, e le più tradizionali reti locali. Cosa ci aspetta il futuro? Come ci siamo lasciati alle spalle i “mega”, ci lasceremo anche i “giga”, se è vero che la IEEE sta definendo un nuovo standard Ethernet per 400Gbps e per 1 Terabit, quest’ultimo ipotizzabile per la fine del 2015, con previsione di 100 Terabit entro il 2020.
