Центрове За Данни

Защо 400GbE, а не 1ТbE?

Network World

През април институтът IEEE, отговарящ за стандартизацията на Ethernet, формира изследователска група за изучаване на перспективите пред системите 400 GbE — 400 Gigabit Ethernet Study Group. По този начин бе направена поредната крачка по пътя за повишаване пределната скорост за пренос на данни. Тази крачка не е типична – досега Ethernet се ускоряваше по десетократна скала: 10 Mbps ⇒ 100 Mbps ⇒ 1 Gbps ⇒ 10 Gbps ⇒ 40/100 Gbps. Но този път бе решено скоростта да се увеличи само 4 пъти — видимо възрастта оказва своето влияние, все пак Ethernet вече отбеляза своя 40-годишен юбилей.

Още при предишните „итерации“ мрежовият бранш направи компромис, предлагайки в един стандарт IEEE 802.3ba-2010 поддръжка на две скорости: 40 и 100 Gbps. Това бе направено по редица причини, включително за осигуряване на съвместимост с оптични транспортни мрежи (OTN), използвани за далечни връзки (вж. Фигура 1). OTN представлява развитие на мрежите със синхронна цифрова йерархия (SDH), в които нарастването на скоростта ставаше с фактор 4: 155 Mbps ⇒ 622 Mbps ⇒ 2,5 Gbps ⇒ 10 Gbps ⇒ 40 Gbps. В резултат скоростта на Ethernet и SDH за първи път съвпадна на ниво 10 Gbps. На ниво 40 Gbps това се случи отново.



Фигура 1: „Зони на отговорности“ на IEEE (Ethernet) и ITU-T (OTN).

 Технологията OTN, която вече се нарича „цифров опаковач“, е създадена за ефективно предаване не само на трафик TDM, но и на Ethernet потоци. ITU-T определи 4 нива на OTN, чиито скорости (2,5G, 10G, 40G и 100G) позволяват ефективно предаване както на сигнали SDH, так и на високоскоростни потоци Ethernet (вж. Фигура 2). През юни 2010 г. организациите ITU-T и IEEE достигнаха до важно споразумение за взаимна корелация на стандартите ITU-T G.709/OTN и IEEE 802.3ba-2010. Това споразумение гарантира предаване на сигнали Ethernet 40 и 100 Gbps чрез OTN мрежи. За преноса на потоци 40GbE могат да се ползват оптични транспортни блокове OTU-3 с номинална скорост 43 Gbps, а за потоци 100GbE — блокове OTU-4 със скорост 112 Gbps.


Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg


Фигура 2: Нарастването на скоростите в SDH, OTH и Ethernet

Следващата крачка от развитието на Ethernet вече точно ще вдигне скоростите до 400 Gbps. Телекомуникационният бранш обещава да се „настрои“, предлагайки за пето ниво мрежи OTN транспортни блокове със скорост малко над 400 Gbps. Тъй като пакетният трафик става доминиращ, именно Ethernet общността вече определя скоростите в системите за връзка и изборът в полза на 400G не се влияе от мнението на „големия телеком“. Тогава защо въпреки стремителния ръст на обема мрежов трафик IEEE не гласува за 10-кратно увеличение на скоростите в системите Ethernet, т.е. 1 Tbps? Отговорът е прозаичен: важно е не просто да се увеличи скоростта, а и да се обезпечи приемлива цена на решенията, а това при терабитови скорости в обозрима перспектива е невъзможно.

Гонитбата за скорости

През юли 2012 г. комитетът IEEE 802.3 публикува изследване на перспективите за ръста на трафика в Ethernet мрежите — Industry Connections Ethernet Bandwidth Assessment. Основните изводи в него са: през 2015 г. потребностите от пропусквателна способност на мрежите ще нарасне 10 пъти, а през 2020 г. — 20 пъти в сравнение с 2010 г. А това значи, че след няколко години технологиите трябва да достигнат до терабитови нива, а след 7 г. — на ниво 10 Tbps.

В епицентъра на „цунамите трафик“ са центровете за обработка на данни (ЦОД), макар че трафикът в тях расте не само по традиционното направление север — юг, т.е. между инсталираните в тях сървъри и разхвърляните по цял свят клиенти, но и по новото направление запад — изток, а делът на този тип трафик става все по-голям. Той е свързан с преноса на данни между оборудването вътре в ЦОД в рамките на осигуряването на „жизнеспособност“ на виртуализирани среди и изградените на тяхна основа облаци.

Днес в ЦОД активно се внедряват решения 10GbE и 40GbE. По данни на Crehan Research, броят на доставените сървърни адаптери с портове 10GbE, както и на системи с интегрирани портове 10GbE през 2012 г. надхвърли 7 млн. и продължава стремглаво да расте. Що се отнася до портовете 40GbE, бързото увеличение на тяхната популярност започна преди няколко години (вж. Фигура 3).


Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg


Фигура 3: Доставки на сървърни адаптери с портове 10GbE и 40GbE, както и на системи с интегрирани портове 10GbE и 40GbE; Източник: Crehan Research

Нарастване на броя сървъри свързани с 10-гигабитови линии изисква и по-скоростни канали за агрегиране на трафика. 100-гигабитовите решения обаче засега не са много търсени, основно се продават комутатори с портове 40GbE (вж. Фигура 4). Причината е неприемливо високата цена на портовете 100GbE. И това е важен урок, който са отчели експертите при определяне на следващото скоростно ниво, избирайки 400G, а не 1T!

 

Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg

Фигура 4: Доставка на комутатори за ЦОД с портове 40GbE и 100GbE; Източник: Crehan Research

И така, защо 100GbE се оказа непоносимо скъп? То е свързано с високата цена, значителното енергопотребление и големите размери на високоскоростните трансивери от първо поколение CFP. Разработчиците на първите системи 100GbE се стремяха максимално да използват съществуващата елементна база, създадена за 10-гигабитови системи. За постигане на по-висока скорост бе решено (и записано в стандарта IEEE 802.3ba-2010) да се премине от последователно към паралелно предаване на сигнала по няколко линии (lane). При това за получаване на нужните 100 Gbps непосредствено в трансивера се поддържат 10 електрически потока по 10 Gbps. За преноса на тези потоци „навън“ могат да се ползват отделни комуникационни линии, както това е реализирано в системите 100GBaseCR10 (свързване по меден кабел на разстояние до 7 метра) или в системите 100GBaseSR10 (многовлакнеста многомодова оптика, на разстояние до 150 м).

В „далекобойните“ варианти за едномодово влакно 100GBaseLR4 и 100GBaseER4 се предвижда мултиплексиране на няколко потока. В съответните трансивери CFP се монтира специален конвертор, преобразуващ 10 входящи 10-гигабитови електрически потока в четири потока по 25 Gbps. По-нататък тези потоци „се оцветяват“ с прилагане на стандартна честотна WDM решетка и се мултиплексират за предаване по едно влакно (вж. Фигура 5).

 

Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg

Фигура 5: Структура на трансивера 100GBaseLR4 от първо поколение; Източник: www.fiberoptics4state.com

По този начин високата цена, енергопотреблението и размерите на трансивера са обусловени от големия брой (десет) обработвани електрически потоци. Неслучайно в бранша бяха инициирани няколко нови проекта, насочени към понижаване цената на решенията 100GbE, като тези проекти са ориентирани към използване на електрически потоци по 25 Gbps. Един от тези проекти ръководи от групата IEEE P802.3bj Task Force, разработваща технологията 100 Gigabit Ethernet за обединителни панели и медно окабеляване. В частност по-привлекателна алтернатива на 100GBaseCR10 може да се окаже технологията 100GBaseCR4, в която за постигане на сумарна скорост 100G се използват четири потока по 25 Gbps. Приемането на стандарт за тази технология се планира през тази година.

Друга група - IEEE P802.3bm Task Force, се занимава с развитие на оптични решения. В частност тя работи над технология за предаване на 100 Gbps по четири оптични многомодови влакна, а чрез 4-вълново спектрално уплътняване CWDM – и по едно едномодово влакно. И в двата случая вътре в трансивера се използват електрически потоци по 25 Gbps. Спецификациите IEEE P802.3bm Task Force трябва да бъдат публикувани през 2015 г.

Както се вижда, първоначалните спецификации за технологията 100 Gigabit Ethernet се оказаха неоптимални, а това доведе до появата на нови проекти, които да създадат решения 100GbE с по-добри характеристики. Предвижданият от тях преход от 10- към 25-гигабитови електрически потоци позволи да се намали себестойността, да се увеличи плътността на портове и да се свие енергопотреблението.

Скорост 100 Gbps може да се получи чрез обединяване на електрически потоци с различна скорост — например 10 по 10 Gbps (както това става в трансивери CFP 100GBaseLR4 и 100GBaseER4), 5 по 20, 4 по 25, 2 по 50 Gbps, а може да се ползва и един поток 100 Gbps. Както показал история със 100GbE, оптимални по съвокупността от параметри и с отчитане на съвременното състояние на микро- и оптоелектрониката са 25-гигабитовите оптични линии. Въпрос на организация е масовото производство на нескъпи модули за 25 Gbps.

Поток от 400 Gigabit Ethernet също може да се получи по различни способи. Ето и някои от най-обсъжданите в бранша варианти: 16 потока по 25 Gbps, 8 по 50, 4 по 100 Gbps. Заради посочените по-горе причини най-вероятен първи вариант за реализация на 400GbE ще станат решения, опериращи 16 потока по 25G, които могат да бъдат мултиплексирани в режим WDM за пренос по едно едномодово влакно (вж. Фигура 6).


Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg


Фигура 6: Един от вариантите за реализация на трансивера 400GbE; Източник: Brocade

С развитието на електрониката и оптиката, акцентите ще бъдат поставени върху решения, работещи с потоци по 50 Gbps. Те ще бъдат реализирани в трансивери от второ поколение CDFP2. А следващата крачка е опериране със 100-гигабитови електрически потоци, което ще позволи още по-малки размери на трансиверите (вж. Фигура 7).



Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg


Фигура 7: Развитие на трансиверите 400G; Източник: Ethernet Alliance

Дали ще се появи и вариант на 400GbE за медна кабелна система? Отговор на този въпрос засега няма. Председателят на изследователската група IEEE 802.3 400 Gb/s Ethernet Study Group Джон Д’Амброзия, който е Ethernet евангелист в Dell, отбеляза, че все по-голяма роля в развитието на „медния“ Ethernet ще играят алтернативните алгоритми на кодиране, както и механизми за директна корекция на грешки (FEC). Такъв механизъм като опция е добавен в медния вариант на технологията 100GbE — 100GBaseCR10. Използването му може да удължи за пореден път живота на медното окабеляване, така че не е изключена появата на вариант 400GbE за медни системи.

Основна среда за 400GbE очевидно ще е оптиката. Вероятно в началото ще се появи късообхватен вариант за многовлакнести многомодови системи, който при употреба на схеми 16×25 Gbps ще изисква използване на групови конектори за 32 влакна. Далечината на предаване при този вариант едва ли ще надхвърли 100 м – в крайна сметка именно това е максималното разстояние за системи 100GbE с поддръжка на потоци по 25 Gbps, с чиято разработка се занимава групата IEEE P802.3bm Task Force. За едномодови варианти вероятно ще бъде задействано 16-канално спектрално мултиплексиране WDM, което ще позволи „полагане“ на поток 400G в едно влакно.

Не е изключена и употреба на многовлакнести едномодови решения за 400GbE, които се разглеждат от групата IEEE P802.3bm Task Force. Както навремето разработчиците на 40GbE и 100GbE се стараеха максимално да използват разработките за системи 10GbE, така и пионерите в областта на 400GbE в началото ще се стремят да задействат съществуващата технологична база. В частност е напълно възможно приложение на готови модули 100GBaseLR4, от които да бъдат „съставени“ системи 400GbE (вж. Фигура 8).

 

Защо 400GbE, а не 1ТbE?

© Network World, Networkworld.bg

Фигура 8: Един от вариантите за реализация на системи 400GbE при използване на многовлакнеста едномодова кабелна инфраструктура; Източник: Ethernet Alliance

Паралелни многовлакнести схеми вече успешно се ползват в многомодови решения. Както отбелязва Скот Кип, президент на организацията Ethernet Alliance и главен технически специалист в Brocade, подобна схема може да се ползва и за едномодови системи. За реализация на показаните на Фигура 7 системи за 400 Gbps се налага да се използват четири чифта едномодови влакна. Такова решение може да се изгради на базата на съществуващата кабелна инфраструктура с приложение на съществуващите модули 100GbE, затова и разходите за тази реализация са минимални. Освен това при използване на такова решение може при необходимост да се „разбива“ порт 400GbE в комутатора на четири порта 100GbE, както днес модулите 40G QSFP+ са способни да предоставят четири порта 10GbE.

Работата над решенията 400GbE „закипя“. Появата на стандартите се очаква през 2016 г. Мрежовият бранш ясно разбира, че е важен не самият стандарт, а възможността за неговата реализация в нужното време и на приемлива цена. Освен това е важно IEEE и ITU-U да стигнат до консенсус за стъпката на нарастване на скоростта — 4x. Ако остане тази стъпка след 400GbE ще има системи по 1,6 Тbps. Но за това все още е рано дори да се говори. От практическа гледна точка в областта на високоскоростния Ethernet главната задача в близките 1 -2 г. е поевтиняване на решенията 100GbE, намаляване на техните габарити и енергопотребление. От решаването на тази задача зависи успехът на 400GbE, тъй като продукти, осигуряващи такава скорост, ще се изграждат с елементната база за системи 100GbE.





© Ай Си Ти Медиа ЕООД 1997-2020 съгласно Общи условия за ползване

X