Эволюция сети Ethernet на витой паре
Привет! Меня зовут Максим Куприянов. Уже около тридцати лет я тесно работаю с глобальными и локальными вычислительными сетями. Главным образом на уровне маршрутизации и проксирования трафика, но раньше приходилось в том числе проектировать и прокладывать Ethernet-сети в офисах и серверных помещениях. Как у многих других компьютерных энтузиастов, у меня дома есть своя маленькая серверная, и иногда я задумываюсь, что бы мне в ней улучшить. На этот раз я решил задуматься об апгрейде сети, ведь гигабитный Ethernet, который у меня там живёт, — уже довольно старая технология. Я начал читать, что сейчас предлагается использовать в домашних и офисных сетях, и ситуация оказалась довольно запутанной. Если в сетях дата-центров уже активно используется 400 Гбит/с, на подходе 800 Гбит/с и главный вопрос — какой форм-фактор подключаемого модуля выбрать, то для медных сетей на базе витой пары всё не так очевидно. Есть много стандартов, но наиболее распространены всё те же, что и двадцать лет назад. При этом один из самых распространённых вопросов на просторах сети о домашнем/офисном Ethernet — «Какую категорию витой пары прокладывать?» Пришлось сесть за список опубликованных стандартов IEEE 802.3 (это всё, что про Ethernet) и основательно в нём покопаться.
В этой статье я хочу немного погрузиться в историю сети Ethernet на базе витой пары, затронуть коаксиальный кабель и разобраться, куда же мы всё-таки движемся и почему всё происходит именно так. Для меня этот экскурс оказался очень познавательным, надеюсь, вам тоже будет интересно. В конце я попытаюсь дать мотивированный ответ на этот самый распространённый вопрос о выборе кабеля.
Начнём с самого начала.
1973 год. Идея сети для общего доступа к принтерам
В начале 1970-х корпорация Xerox задумалась над идеей создания проводной локальной сети, которая позволила бы подключать к одному лазерному принтеру сразу множество компьютеров. В 1973 году сотрудники исследовательского центра Xerox PARC Роберт Меткалф и Дэвид Боггс представили описание экспериментальной сети, которая передавала данные со скоростью 2,94 Мбит/с по толстому коаксиальному кабелю (шине). Назвали сеть Ethernet (эфирная сеть) из-за схожести механизма разделения среды передачи с радиосетью Гавайского университета ALOHA (ALOHAnet).
1983 год. 10BASE5 thicknet
Xerox совместно с DEC и Intel решили использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения, что привело к созданию в 1982 году спецификации Ethernet II. А в 1983 году Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) утвердил официальный стандарт Ethernet — IEEE 802.3. Там был в том числе описан стандарт физического уровня сети 10BASE5, он же thicknet (толстая сеть). К слову, стандарт был официально опубликован лишь в 1985 году, после одобрения его институтом ANSI. Поэтому правильнее называть его IEEE 802.3–1985.
10BASE5 подразумевал использование толстого (9 мм) коаксиального кабеля типа RG-8X с волновым сопротивлением 50 Ом. Клиентов сети предлагалось подключать непосредственно к этому кабелю с помощью специальных устройств, прокалывающих внешнюю оболочку, — вампирчиков. Центральный шип вампирчика контактировал с центральной жилой коаксиального кабеля, а два боковых шипа входили в контакт с экраном основного кабеля. Сами вампирчики присоединялись к приёмопередатчикам, а те — уже через AUI-интерфейс (DA15F) к компьютеру.
На изображении ниже — как выглядела эта конструкция в сборе.
10BASE5, приёмопередатчик Cabletron ST500–02
Максимальная длина шины самого коаксиального кабеля была ограничена 500 метрами, что и отражено в названии стандарта. Подключить можно было до 100 участников, а пропускная способность в 10 Мбит/с делилась на всех. Интересно, что участники должны были подключаться к кабелю с точными интервалами, кратными 2,5 метра.
Важный момент: 10BASE5 использовал так называемое манчестерское кодирование. Его ключевая особенность — возможность самосинхронизации участников сети за счёт того, что каждый переданный бит — это переход в середине такта с одного уровня на другой. А это значит, что не нужна отдельная линия для передачи синхросигнала.
Манчестерский код
1985 год. 10BASE2 thinnet
Очевидно, 10BASE5 thicknet был не слишком удобным в практическом использовании, да ещё и дорогим. На замену ему в 1985 году в рамках документа IEEE 802.3a вышел новый стандарт — 10BASE2, также известный как cheapernet (дешёвая сеть) и thinnet (тонкая сеть). Стандарт предполагал использование более дешёвого и удобного коаксиального кабеля RG-58. Но длина сегмента ограничивалась 185 метрами, а количество одновременных участников могло достигать 30. Для подключения участников к сети начали использовать простые и дешёвые BNC T-коннекторы.
Два компьютера, объединённые сетью Ethernet 10BASE2
Лирическое отступление: 10BASE2 была первой локальной сетью, которую я собирал и поддерживал. До сих пор без всякого удовольствия вспоминаю, сколько сил уходило на диагностику сети из-за плохо обжатых коннекторов или кабеля, проложенного так, что его могла задеть швабра уборщицы. Кстати, интересно, что 10BASE5 был официально признан устаревшим лишь в 2003 году, а 10BASE2 — вообще в 2011-м. Искренне сочувствую тем, кто продолжал его сопровождать всё это время.
Что же важного для будущего развития привнёс 10BASE2? Во-первых, он помог значительно вырасти популярности Ethernet за счёт простоты развёртывания, невысокой стоимости решения и хорошей скорости. Во-вторых, он вызвал проблему — сокращение размера сегмента. Для её решения в том же 1985 году появился стандарт IEEE 802.3c, где было описано устройство репитер (повторитель). Повторители позволяли связать несколько сегментов сети в один. Для 10BASE2 разрешалось использовать до четырёх репитеров, и это позволяло разнести сеть на целых 925 метров. Повторители — это по сути Ethernet-концентраторы (хабы), без которых немыслима сеть на витой паре.
1986 год. 1BASE5 StarLAN
А эта часть истории обычно остаётся за кадром. В 1986 году был опубликован документ IEEE 802.3e, который описывал сеть Ethernet на основе витой пары. Сеть назвали StarLAN, поскольку стандарт использовал топологию звезды из центрального узла, в отличие от 10BASE2 и 10BASE5. Раннюю версию StarLAN разработали Тим Рок и Билл Арангурен из компании AT&T Information Systems ещё в 1983 году.
Почему вообще витая пара? А всё очень просто: в то время витая пара в США очень активно использовалась для обычной телефонии в офисах, так же, как в СССР использовалась «лапша». Представьте, если бы вместо прокладки дополнительной сети их коаксиального кабеля можно было воспользоваться уже существующей телефонной инфраструктурой. Это же какая экономия сил и средств.
Так вот, даже модуляция сигнала и спаривание проводов, применяемые в StarLAN, были тщательно подобраны так, чтобы они не влияли на аналоговый сигнал обычного телефонного вызова и не были подвержены его влиянию.
Более того, всем известный стандарт TIA/EIA-568-B — это не что иное, как стандарт AT&T 258A (Systimax), который был первоначально разработан именно для StarLAN. Пара 1 (синий) оставалась неиспользованной для размещения пары для аналоговых телефонов. Пары 2 и 3 (оранжевый и зелёный) обеспечивали передачу сигналов StarLAN. Да и телефонный коннектор 8P8C был изобретён Western Electric, ею владела Bell System, которую затем разбили на несколько меньших компаний. Одной из этих компаний и была AT&T Information Systems.
Стандарты соединения проводников витой пары с контактами разъёмов 8P8C
Почему StarLAN называлась 1BASE5? Первое число — максимальная скорость (1 Мбит/с), второе — максимальная длина линка (до 500 метров в зависимости от качества кабеля и условий). Для работы требовались две пары: одна — на приём, вторая — на передачу. Также StarLAN поддерживала использование до пяти концентраторов одновременно. Ну и плюс всё то же манчестерское кодирование сигнала.
1987 год. LattisNet
В 1987 г. компания SynOptics Communications, образованная выходцами из Xerox PARC, представила первый сетевой концентратор, поддерживающий передачу данных на скорости 10 Мбит/с по неэкранированной витой паре на расстояние до 100 м. А также собственную вариацию Ethernet-сети, работающей поверх. Сеть назвали LattisNet. Очень что-то напоминает, правда?
Модульный Ethernet-концентратор SynOptics LattisNet Model 3030
1988 год. StarLAN 10
Вслед за LattisNet, StarLAN тоже доработали сеть до поддержки 10 Мбит/с поверх стометровых участков неэкранированной витой пары.
Ситуация накалялась. А тут ещё и сети Token Ring от IBM с их 16 Мбит/с.
Ситуация, в которой оказались DEC, Intel и Xerox в конце 80-х гг.
1990 год. 10BASE-T
И вот в 1990 году, собрав все наработки и заручившись согласием на передачу патентов, IEEE выпускает документ 802.3i, в котором определяет использование неэкранированной витой пары (UTP) для передачи данных со скоростью 10 Мбит/с (1,25 МБ/с) в топологии «звезда». Рождается тот самый 10BASE-T, положивший начало всем стандартам NBASE-T. 10 в названии стандарта — максимальная скорость (10 Мбит/с), T — twisted pair, то есть витая пара.
Что стратегически нового и важного приносит нам 10BASE-T?
Он собирает воедино наработки StarLAN и LattisNet, освобождая их от патентных ограничений.
Унифицирует сигнализацию и кодирование данных.
Прописывает спецификацию топологии «звезда».
Фиксирует требования к используемой неэкранируемой витой паре (UTP Cat 3).
Добавляет так называемый сигнал link beat для быстрого определения наличия активного соединения между узлами.
Концентратор 3Com OfficeConnect, позволяющий соединять сеть 10BASE-T с сегментом 10BASE-2
1995 год. 100BASE-TX
Прошло пять лет, Ethernet постепенно завоёвывал мир, а потребитель хотел большего. И вот в 1995 году на свет появляется IEEE 802.3u, где описана серия стандартов физического уровня передачи данных в сетях Ethernet на скорости 100 Мбит/с (12,5 МБ/с) как по оптоволокну, так и по витой паре.
Для витой пары 802.3u предлагал два варианта, оба со 100 Мбит/с на участках до 100 м. Различались требования к кабелю.
100BASE-TX требовал две пары в кабеле пятой категории (Cat 5): одна пара работала на приём, а вторая на передачу в полном дуплексе.
100BASE-T4 требовал четыре пары, но в кабеле категории три (Cat 3): одна пара была выделена на передачу, одна на приём, а вот две оставшиеся могли работать как на приём, так и на передачу, но не одновременно. Другими словами, никакого полного дуплекса тут не было.
100BASE-T4 не прижился, но подарил идею параллельной передачи данных по нескольким проводникам, которую мы ещё увидим немного позже. Плюс 100BASE-T4 первым использовал PAM-3 модуляцию, которая тоже не пропала даром.
100BASE-TX же был принят рынком, и его, как и витую пару пятой категории, начали активно внедрять. Кстати, он широко применяется даже в новых продуктах и по сей день. Что полезного, кроме скорости, принёс новый стандарт?
В первую очередь это отказ от манчестерского кодирования. Оно требовало удвоенной частоты передачи символов, что для 100BASE-TX равнялось бы 200 МГц, а это очень много. На замену пришли комбинация 4B/5B для избыточного кодирования и трёхпозиционный MLT-3 (Multi Level Transmission — 3). Особенность этого подхода в том, что можно существенно сэкономить на необходимой для передачи данных частоте. В частности, для работы 100BASE-TX достаточно полосы в 31,25 МГц, хотя с учётом 25% избыточности реальная скорость передачи данных составляет 125 миллионов символов в секунду.
Витая пара третьей категории не рассчитана на частоты более 16 МГц. Даже экзотическая сейчас четвёртая категория витой пары позволяла максимум 20 МГц. Пришлось менять стандарты. Отсюда и требования к наличию пятой категории витой пары (Cat 5), которая гарантирует прохождение сигналов с частотой до 100 МГц.
В два раза бо́льшая частота витков в Cat 5 по сравнению с Cat 3
История 1995 года была бы неполной без этого момента: в том же году вышел конкурирующий стандарт от компании Hewlett-Packard: IEEE 802.12–1995, известный как 100BaseVG. Стандарт, так же как и 100BASE-T4, предлагал работу по четырём парам Cat 3 в режиме полудуплекса: все четыре пары или передавали, или принимали данные. VG — это voice grade, как раз про категорию витой пары. 100VG-AnyLAN, как его ещё называли, несмотря на полудуплекс, предлагал лучшую утилизацию сети за счёт использования так называемого маркера передачи данных, который ранее использовался в сетях Token Ring. В отличие от Token Ring, маркер в AnyLAN не покидал концентратора, что позволяло утилизировать до 95% теоретической ёмкости сети, при том что стандарты 100BASE-TX и 100BASE-T4 выдавали 45% при условии использования концентраторов.
1997 год. 100BASE-T2
Очередная попытка переиспользовать существующую кабельную инфраструктуру была предпринята в 1997 году с появлением стандарта IEEE 802.3y, где был описан 100BASE-T2. Стандарт предлагал всё те же 100 Мбит/с, но по двум парам Cat 3. Достигалось это за счёт сложного кодирования сигнала и модуляции по методу PAM-5 (Pulse Amplitude Modulation with 5 levels). PAM-5 использует 5 уровней напряжения для кодирования сигнала, что позволяет закодировать в одном символе два бита данных и оставить ещё один уровень алгоритмам поиска/коррекции ошибок.
Стандарт благополучно умер, а вот метод модуляции PAM-5 прижился.
Метод модуляции PAM-5
1999 год. 1000BASE-T
И наконец мы достигли пика технологического совершенства прошлого века в части скорости и удобства передачи данных. В 1999 году появляется IEEE 802.3ab, где описывается 1000BASE-T — передача со скоростью в 1 Гбит/с (125 МБ/с) по неэкранированной витой паре пятой категории (Cat 5). Сразу добавлю, что инженеры были чересчур оптимистичны относительно качества продаваемой кабельной продукции, и уже в 2000 году требования к качеству кабеля ужесточили, введя новую категорию — Cat 5e. Следует отметить, что качественный кабель Cat 5 вполне подходил и под требования Cat 5e.
Итак, как они это сделали? Смотрите, как всё сложилось.
Стандарт использует все четыре пары проводников, то есть нет никакого полудуплекса, выделенных пар под приём/передачу или телефонного сигнала по первой паре.
Все пары могут синхронно передавать и принимать данные благодаря хитрому эхоподавлению, фильтрации и компенсации перекрёстных наводок.
Каждый байт передаваемых данных разбивается на четыре части по два бита, и эти части передаются параллельно по четырём парам (пришло из 100BASE-T4).
Для модуляции используется 4D-PAM-5 (по сути взяли из 100BASE-T2), который позволяет уложить два бита в один символ. То есть за один такт передаётся байт по четырём парам целиком.
Так как PAM-5 использует пять фиксированных уровней напряжения, а для кодирования двух битов достаточно четырёх, то пятый (ноль) используется для коррекции ошибок, что позволяет компенсировать расходы на избыточное кодирование.
Таким образом, максимальная скорость передачи данных по одной паре растёт со 100 Мбит в 100BASE-TX до 250 Мбит в 1000BASE-T.
Требования к частотному диапазону вырастают в два раза, до 62,5 МГц, но всё ещё остаются в пределах возможностей Cat 5 (и Cat 5e).
Схема работы кодирования 4D-PAM-5 в 1000BASE-T
Стандарт 1000BASE-T подсветил три основных последующих направления развития сети Ethernet:
Параллелизация передачи. Для витой пары на стандартном разъёме четыре линии передачи — это уже предел, но для оптоволокна — вовсе нет.
Увеличение максимальной частоты передачи данных и снижение помех. И это очень больная тема для витой пары.
Усложнение алгоритмов кодирования. С одной стороны, это передача большего количества битов за такт. С другой — специальная предварительная подготовка сигнала, алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления сигнала, а также сама модуляция снижают требования к качественным характеристикам кабеля.
Вот по этому вектору Ethernet и развивался следующие 25 лет. Давайте посмотрим, как именно. Чтобы не уходить в дебри, я буду говорить только о сетях, построенных на основе неэкранированной (но иногда и фольгированной) витой пары.
2006 год. 10GBASE-T
Итак, прошло семь лет с выхода в свет гигабитного Ethernet. Стандарт на десятигигабитный Ethernet по оптоволокну (802.3ae) появился в 2002 году.
Стоит добавить, что в этом же году появился стандарт на витую пару шестой категории (Cat 6). Подавался он под соусом: с шестой-то категорией вы точно будете готовы к десятигигабитным сетям, которые вот-вот появятся. Ведь Cat 6 гарантировал передачу сигнала на частоте уже до 250 МГц. Внимательный читатель тут же сопоставит 250 МГц Cat 6 и 100 МГц Cat 5 и Cat 5e и не увидит десятикратного роста. И будет совершенно прав: чуда не случилось. В итоге Cat 6 одобрили для работы на скорости 10 Гбит/с лишь для коротких участков.
Сравнение кабелей Cat 6 и Cat 5e. Cat 6 толще за счёт крестовины и большего числа витков на дюйм
Продолжаем разбирать сложный путь рождения десятигигабитного Ethernet по витой паре. В 2004 году появляется стандарт передачи по твинаксиальному кабелю (10GBASE-CX4, 802.3ak), что хорошо принимается рынком, так как позволяет решить вопросы коммутации внутри стоек. Позднее их вытеснили более удобные DAC-кабели (Direct Attach Copper) с разъёмами SFP+ или QSFP на концах.
Медный твин-коаксиальный кабель стандарта CX4
И лишь в 2006 году наконец-то вышел 802.3an, он же 10GBASE-T. Четыре года инженеры потратили на размышления и эксперименты по утрамбовыванию сигнала в UTP. У них получилось, вот только очень сложно и дорого.
10GBASE-T, SFP+ трансивер
Для передачи сигнала на небольшие расстояния, до 55 метров, требовалась неэкранированная витая пара Cat 6 (максимальная частота передачи сигнала — 250 МГц). Для передачи на участки до 100 м требовалась уже категория 6a (да здравствуют инвестиции в будущее, сделанные кем-то ранее). Cat 6a обеспечивала передачу сигнала на частоте до 500 МГц. И да, это уже был прорыв. Но как его достигли?
А достигли за счёт сложного кодирования данных: комбинации алгоритмов PAM-16 и DSQ128. Если 4D-PAM-5 из 1000BASE-T мог передавать два бита за такт, то PAM-16 способен передать уже четыре.
В итоге на рынке 10GBASE-T появился в виде реально существующих портов ещё через два года, в 2008-м. К сожалению, он, пожалуй, так до сих пор успешным и не стал. На это есть как минимум три причины:
Во-первых, дорогая и довольно неудобная Cat 6a. Кабели стали существенно толще за счёт фольгирования и появившейся разделительной крестовины. Коннекторы тоже немного поменялись. В офисах никто обновлять СКС под десять гигабит не станет — там и одного гигабита обычно более чем достаточно. В дата-центрах уже́, как правило, оптоволокно. Для домашних пользователей исключительно высокая цена. Кто же тогда потребитель?
Во-вторых, интерфейсы 10GBASE-T потребляют довольно много электроэнергии и заметно греются.
В-третьих, по сравнению с оптоволокном 10GBASE-T показывает в десять раз бо́льшую задержку на линк. Вот результаты проведённых замеров, это подтверждающие.
В итоге стандарт остался нишевым и как-то не прижился. Но не всё так плохо, инженеры сделали выводы, и сейчас мы посмотрим, что произошло десять лет спустя.
2016 год. 2.5GBASE-T и 5GBASE-T
Через 17 лет после возникновения гигабитного стандарта 1000BASE-T появилось то, что должно было появиться с удешевлением элементной базы для реализации сложных алгоритмов модуляции. Инженеры компаний, входящих в Ethernet Alliance, решили применить алгоритмические наработки 10GBASE-T к широко распространённым кабельным системам на базе Cat 5e и Cat 6. И да, модуляция PAM-16 (и всё остальное, что там есть в кишочках) поверх Cat 5e позволила получить 2,5 Гбит/с на участках до 100 метров, а поверх Cat 6 — 5 Гбит/с. Оба физических стандарта, 2.5GBASE-T и 5GBASE-T, были опубликованы в одном документе — IEEE 802.3bz.
Коммутатор TP-Link SOHO-уровня с поддержкой портов 2,5 Гбит/с
Интересно и даже уникально, что в рамках того же документа была зафиксирована поддержка Power over Ethernet (IEEE 802.3at, PoE+). Таким образом, авторы документа очень толсто намекают, что оба этих стандарта в первую очередь предназначены для подключения Wi-Fi 5 и более современных точек доступа, требующих более чем гигабитных аплинков.
Из собственной практики домашнего использования: я попробовал к имеющейся и довольно старой кабельной системе Cat 5e подключить устройства 2.5GBASE-T, и… всё прошло успешно, они прекрасно заработали. На мой взгляд, это тот самый современный sweet spot, на который стоит ориентироваться при построении домашних сетей.
Но на этом 2016 год не закончился.
2016 год. 25GBASE-T и 40GBASE-T
Да, всё в том же 2016 году вышли не только стандарты Ethernet по витой паре на 2,5 и 5 Гбит/с, но и ещё два супербыстрых стандарта на 25 и 40 Гбит/с.
«Как у них получилось?» — возможно, спросите вы. Но на самом деле никакой магии тут нет. Ну, кроме той магии, с помощью которой планируется найти потребителей этих стандартов. Самое значимое, что изменилось относительно 10GBASE-T, — это требования к кабелю.
Теперь нужен кабель с частотным диапазоном до 2 ГГц. А это, напомню, в четыре раза больше, чем предлагает Cat 6a, которого требует 10GBASE-T.
Вторым требованием, а точнее — ограничением, является максимальная длина участка. Оба стандарта предлагают максимум 30 метров против 100 метров ранее.
Для стабильной работы с 40 Гбит/с ISO версия стандарта рекомендует использовать Cat 8.2, который, в частности, требует других разъёмов: TERA / GG45 / ARJ45.
Различия между классическим коннектором RJ45 и GG45
Уверен, что вы часто видели в продаже фольгированный кабель Cat 7, который рекламируется под лозунгом «инвестиции в будущее». Так вот, он не удовлетворяет требованиям обоих стандартов. Возникает вопрос: зачем же он нужен, если для 10GBASE-T достаточно Cat 6a, а 25GBASE-T уже нужен Cat 8? Я ответа не нашёл. Кажется, мы уже видели эту историю с Cat 6. Но успокаивает, что Cat 6 всё-таки вполне себе реанимировали для 5GBASE-T.
Забавный факт: новый кабель Cat 8 значительно толще, чем Cat 6a. К примеру, кабель восьмой категории для внешней прокладки производства American Tech Supply имеет диаметр 9,9 мм, что на 0,9 мм больше, чем так называемый толстый коаксиальный кабель, с которого всё и началось.
Оба стандарта используют более легковесную модуляцию PAM-4, что позволяет передавать два бита данных в одном символе, как и в PAM-5, но с меньшими энергозатратами. Для повышения помехоустойчивости и надёжности передачи данных используется алгоритм кодирования LDPC.
Выживут ли эти стандарты? Довольно сомнительно. На сегодня (2024 год) я не смог найти в свободной продаже устройств с их поддержкой, хотя такие продукты точно есть. Кроме того, опять возникает вопрос замены кабеля и, вероятно, патч-панелей.
Коммутатор Alpha Networks SNC-60×0–486T с поддержкой 48 портов 25GBASE-T
Кажется, что на этом история применения витой пары в среде Ethernet заканчивается, так как для коммутации в стойке проще и дешевле воспользоваться коаксиальным кабелем или оптоволоконным патч-кордом, а от стоек у всех, кому важна производительность сети, уже давно идёт только оптика. Пользователи в офисах и домах, как и различные не требовательные к полосе устройства, висят на Wi-Fi.
У Ethernet, конечно, есть туз в рукаве — Power Delivery. Ведь те же точки доступа, видеокамеры или киоски самообслуживания как-то нужно запитывать. Кроме того, если потребителей много, Wi-Fi не всегда будет хорошим вариантом. Но если вы думаете, что Ethernet смирилась с развитием в таком узком сегменте, то вы удивитесь.
2016 год. 1000BASE-T1
Сразу прошу прощения за небольшую манипуляцию. Я должен был написать в заголовке »2015 год», но это несколько ломало хронологию повествования.
Итак, в 2015 году был опубликован документ IEEE 802.3bw, а в 2016 году — IEEE 802.3bp с описаниями стандартов 100BASE-T1 и 1000BASE-T1 соответственно. Эти стандарты описывают работу сети Ethernet по витой паре. По единственной витой паре, правда, ограниченной длиной в 15 метров.
Зачем это нужно? Автомобили! В современных автомобилях много датчиков, которые передают показания в соответствующие контроллеры через какую-нибудь шину, например CAN. А шина CAN работает — вот ведь удачно получилось! — поверх витой пары. Как правило, все эти контроллеры и датчики принадлежат разным контурам. И, к примеру, камеру заднего вида нельзя просто так взять и подключить к новому потребителю, например к приложению, которое будет распознавать номера едущих сзади машин. Появилась идея унифицировать сеть передачи данных внутри отдельно взятого автомобиля. Кроме того, потребность в скорости передачи данных между устройствами растёт. Да и вообще рынок уже большой, а конкуренция — это замечательно.
Кстати, интересный факт: 100BASE-TX появился внутри автомобиля ещё в 2008 году — на седьмой серии BMW для подключения к порту диагностики OBD2.
Welcome to the wonderful world of automotive Ethernet!
SFP-модуль Technica Engineering 1000BASE-T1
2019 год. 10BASE-T1L и 10BASE-T1S
В заголовке нет никакой ошибки: скорость новых стандартов действительно 10 Мбит/с. И да, это 2019 год, почти 30 лет после появления 10BASE-T. Но на всё есть свои причины. Давайте посмотрим, что это за стандарты.
Оба они работают только в полном дуплексе по одной паре проводов, способной обеспечить частотный диапазон в 20 МГц (что близко к 16 МГц, которых требовал 10BASE-T).
10BASE-T1S предназначен в первую очередь для использования в автомобилях и может работать на расстоянии до 15 м в режиме шины, да ещё и использует манчестерское кодирование. Ethernet 10 Мбит/с в режиме шины? Какой сейчас год? Ещё добавлю, что сеть использует что-то вроде токена для работы без коллизий, и напомню о VG-AnyLAN и Token Ring. Снова привет из восьмидесятых. Но очевидно, что шина в автомобилях более удобна, через «точка-точка» соединения, вот и пришлось пойти на такой шаг.
10BASE-T1L работает на участках до 1 000 метров и поддерживает технологию доставки питания Power over Data Line (PoDL). В качестве модуляции используется PAM-3, который пришёл из 100BASE-T4 (1995 год). Очевидно, что стандарт направлен на продвижение Ethernet в промышленных сетях. Автомобилей нам уже мало. Напомню, что Ethernet Alliance — это консорциум очень крупных поставщиков и потребителей сетевых решений (список). Так что рискну предположить, что на горизонте следующих 10 лет Ethernet глубоко проникнет в промышленные сети, несмотря на звучащий сейчас скептицизм.
FC621 USB 10BASE-T1L Stick
Самое интересное для нас как потребителей в этих ответвлениях — то, что это всё тот же хорошо знакомый нам Ethernet. И мы можем подключать его к простой домашней, офисной и прочей сети, просто добавив соответствующий порт в коммутатор. Посмотрите, как предлагается организовывать автомобильную сеть: там есть и традиционный Ethernet, и новый 10BASE-T1S. Аналогичные схемы можно придумать и с 10BASE-T1L. Например, подключить все умные датчики к сети здания с единым управлением.
Пример организации локальной сети автомобиля
Что же будет дальше?
2020 год. 2.5GBASE-T1, 5GBASE-T1, 10GBASE-T1
Проходит четыре года — и от 1000BASE-T1 мы прыгаем к 10GBASE-T1 и его мультигигабитным подмножествам. Эти стандарты были опубликованы в документе IEEE 802.3ch.
Все три стандарта используют те же алгоритмы кодирования и модуляции (LDPC и PAM-4), что и 25GBASE-T и 40GBASE-T. Да и требования к частотным характеристикам кабеля у них схожие, явно необходимо что-то близкое к Cat 8.
2.5GBASE-T1: до 600 МГц. Тут и Cat 7 как раз должен подойти.
5GBASE-T1: до 1 250 МГц.
10GBASE-T1: до 2 000 МГц.
Важно не забывать, что все T1-стандарты (кроме T1L) пока рассчитаны на очень короткие отрезки кабеля — до 15 метров.
Single Pair Ethernet коннекторы
2023 год. 25GBASE-T1
В 2023 году IEEE 802.3cy утверждает суперскоростной 25-гигабитный стандарт 25GBASE-T1 по одной витой паре. Всё те же PAM-4 и LDPC, что и в 10GBASE-T1, и всё то же требование к кабелю (до 2 000 МГц), но на ещё более коротких отрезках — 11 метров.
Пока живых образцов на рынке нет, но тем не менее смотрите, как интересно получается: индустрия требует в автомобильную сеть скорости, сравнимые со скоростью чтения с хорошего NVMe-диска. Есть идеи, для чего? Неужели всё-таки self-driving cars?
2025 год. Планы Ethernet Alliance
В ближайших планах на 2025 год следующее:
IEEE 802.3da — увеличение максимальной длины сегмента 10BASE-T1S с 15 до 50 метров;
IEEE 802.3dg — увеличение максимальной длины сегмента 100BASE-T1 и 1000BASE-T1 до 500 метров.
Очень похоже на то, что Ethernet Alliance сделал ставку на однопарную сеть, и в ближайшие несколько лет мы увидим там много интересного. Да, в первую очередь это появится в автомобилях и в промышленных сетях, но что-то придёт и в дом, офис. В конце концов, Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn) уже не за горами, а там обещают пропускную способность до 46 Гбит/с (в теории), которые куда-то нужно будет подключать.
Заключение
Мы познакомились с основными этапами появления и развития сети Ethernet на базе кабеля типа «витая пара». Осознали, что главная проблема, с которой приходится бороться разработчикам её новых, более скоростных стандартов, — это частотные характеристики кабеля. Фактически неэкранированная витая пара исчерпала свои возможности, и единственный рабочий в настоящее время путь развития — это совершенствование алгоритмов подготовки данных и модуляции, которые позволяют снизить требования к среде передачи. С учётом того, что сейчас Ethernet Alliance очень активно вкладывается в automotive и промышленный Ethernet, где борьба с помехами — одна из важнейших задач, можно оптимистично смотреть на развитие в этих областях. А это значит, что мы, скорее всего, увидим менее требовательные к кабелю высокоскоростные стандарты и в классическом Ethernet по четырём парам.
И попробую ответить на вопрос, какую же категорию витой пары тянуть дома или в офисе.
Если у вас уже протянута сеть на базе витой пары категории 5e, вы можете воспользоваться устройствами стандарта 2.5GBASE-T и, не трогая кабельную составляющую, значительно поднять производительность сети.
Если вам нужна недорогая, но надёжная сеть для быстрой передачи данных и доставки питания к устройствам, Cat 6 даст вам гарантированные 5 Гбит/с, а иногда и все 10 Гбит/с. Продажи кабеля этой категории, кстати, сейчас на пике. Правда, советую обращать внимание на толщину проводников и не использовать тоньше, чем 23 AWG (0,573 мм). На всякий случай: 24 и 26 AWG — это тоньше. Кроме того, к местам размещения ёмких по части требований к пропускной способности устройств — точек доступа, NAS, видеосерверов и т. д. — лучше подвести хотя бы два кабеля, чтобы можно было при необходимости объединить их в один логический порт (port channel) и в некоторых случаях удвоить доступную пропускную способность.
Если вы можете потратить больше и хотите быть готовы к предстоящему появлению Wi-Fi 8, стоит рассмотреть Cat 6a. Он толще, жёстче, но уже сейчас позволит вам получить 10 Гбит/с, а в будущем, думаю, при соответствующем развитии алгоритмов обработки сигнала, и 25 Гбит/с.
Ультимативный вариант на сегодняшний день — Cat 8. Очень дорогой, фольгированный кабель позволит вам использовать все доступные современные скорости передачи данных — конечно, если сможете найти соответствующее оборудование. Но я бы обратил внимание на оптоволокно. Тем более что сейчас в рамках автомобильной линейки Ethernet обсуждается передача данных по пластиковому волокну, что явно должно положительно сказаться как на стоимости кабеля, так и на его надёжности.
И подумайте об однопарном Ethernet. Мне кажется, тот же стандарт T1L с выносами до 1 км и одновременной подачей питания может пригодиться не только на предприятиях. Постепенно появятся продукты на его основе, затем они станут дешевле и наконец придут в каждый дом. У проводного Ethernet грандиозные планы: посмотрите на свежую дорожную карту Ethernet Alliance.
