Технология Ethernet 100 ГБит/с (GE)

By | 24.12.2015

Технология Ethernet 100 ГБит/с (GE)Технология 100-гигабитного Ethernet демонстрирует все боль­шие возможности роста скорости передачи за пределы 10 Гбит/с [1], обещая в перспективе освоить скорости 400 и даже 1000 Гбит/с. Ключевым моментом в развитии 100GE стало то, что она узаконила последовательно-параллельный вариант передачи потока кадров Ethernet (Lanes) и для диверсификации приложений предложила формировать две скорости -40 и 100 Гбит/с. Вместе с тем новый стандарт отошел от ориен­тации на возможность инкапсуляции даже 40-гигабитного Ethernet в поле полезной нагрузки SDH, предпочитая использо­вать для этого оптические транспортные блоки OTUk сетей AON.

Проект стандарта 100 GE

Еще в 2006 г. Группа высо­коскоростных технологий Ethernet (HSSG, США) обсуж­дала возможность создания 100-гигабитного Ethernet (100GE) и разработала график, ориентированный на выпуск временного стандарта 100GE в 2009 г. Она предложила сле­дующие цели проекта 100GE:

  • поддерживать только полно­дуплексную версию Ethernet;
  • сохранить формат кадра Ethernet 802.3 на уровне сер­висного интерфейса клиента MAC;
  • сохранить минимальный и максимальный размеры кад­ров текущего стандарта 802.3;
  • обеспечить поддержку BER на уровне не хуже 10 12 на интерфейсе MAC/PLS;
  • обеспечить поддержку сетей OTN;
  • поддержать скорость 100 Гбит/с на интерфейсе MAC/PLS;
  • обеспечить длину передачи не меньше 10 км на одномо-довом (ОМ) ОВ и 100 м на многомодовом (ММ) ОВ. При проработке нового стан­дарта за основу был взят стандарт lOGE [1]. Новый стандарт имел сна­чала название HSE (Ethernet более высокой скорости), а не 100GE.   Временный стандарт (Р802.3Ьа) 2009 г. предлага­лось использовать для прило­жений разных классов: много­процессорных суперкомпью­терных систем (МП-СКС), тра­диционных транспортных се­тей SONET/SDH/WDM, и соб­ственно   транспортных сетей Ethernet.     Притом сначала предполагалось реализовать Ethernet на скорости 100 Гбит/с (100GE), а затем на скорости 40 Гбит/с (40GE).

Если говорить о преемствен­ности версий данной техноло­гии, то, как видно из табл. 1, больше половины параметров первых трех версий (полудуплексного) Ethernet непри­менимо к двум последним вер­сиям, прежде всего потому, что Ethernet стал по-настоящему дуплексной технологией.

Что такое разные классы приложений и может ли стандарт удовлетворить их?

Таблица 1. Сравнительные параметры различных реализаций Ethernet

Параметры

Скорость, Мбит/с 10 100 1000 10 Гбит/с 40/100 Гбит/с
Тайм-слот обработки коллизии, ВТ (БИ)’ 512 512 4096 нп нп
IPG (МКИ), бит 96 96 96 96 96
IFG (МКИ). не 9 600 960 96 9,6 0.36
Число попыток захвата среды 16 16 16 нп нп
Число откатов (применение алгоритма Backoff) 10 10 10 нп нп
Длина сообщения о коллизии, бит 32 32 32 нп нп
Максимальная длина кадра, байт 1518 1518 1518 1518 1518
Максимальная длина оболочки кадра, байт 2000 2000 2000 2000 2000
Минимальный размер кадра, бигбайт 512/64 512/64 512/64 512/64 512/64
Длина пакета монопольного режима нп нп 65 536 нп НП
передачи, бит
Относительное расширение пробела IFS. бит нп нп нп 104 нп

ПримечанияТехнология Ethernet 100 ГБит/с (GE)

*ВТ (БИ) — битовый интервал: ‘МКИ — межкадровый интервал; *нп — параметр неприменим.

Это привело к созданию в рамках HSE версии Ethernet со скоростью 40 Гбит/с (40GE), получаемой объединением 4 потоков по 10 Гбит/с.

  1. Первый класс МП-СКС не нов и удовлетворяется комму­тационными структурами по­следовательного типа (КСПТ) путем формирования парал­лельных потоков GE и 10GE (называемых потоками дан­ных, или lanes) для замены в компьютерах параллельной шины PCI на последовательно-параллельную шину PCI Express [2]. При работе в ком­пьютерах достаточно иметь возможность передавать дан­ные на расстояние 1 м, чтобы обеспечить операции на задней (объединительной) панели (backplane). Этот класс обеспе­чивает гибкость и масштаби­руемость, но требует объеди­нения нескольких потоков
  2. Второй класс традиционен для Ethernet, начиная с версии 10GE. Это распределительные и транспортные сети SONET/SDH/WDM уровня 10/40 (4×10) Гбит/с [3]. Однако если 10GE может быть инкап­сулирован в полезную нагруз­ку SDH STM-64 с помощью интерфейса   9,95   Гбит/с, то 40GE не может быть инкапсу­лирован в полезную нагрузку STM-256 емкостью 39,81 Гбит/с, так как имеет скорость 41,25 Гбит/с [4]. Единственное решение использовать интер­фейсы Ethernet-WDM ( 4/10×10 Гбит/с).
  3. Третий класс — собственно транспортные сети 100GE, ко­торые могут составить конку­ренцию транспортным сетям SDH/WDM с архитектурой метро-сетей протяженностью до 40 км, если к этому времени не появится 160 Гбит/с вариант SDH (STM-1024) [5].
  4. Четвертый класс характерен для передачи 1/10/40/100GE через оптические транспорт­ные сети OTN, описанные в рекомендации ITU-T G.709 [6]. Любые гигабитные потоки Ethernet могут быть инкапсу­лированы в оптические транс­портные блоки OTUk (уровня k = 1, 2, 3, 4) сетей OTN. Так. OTU1 может инкапсулировать поток 2,67 Гбит/с, или 2×1 GE (фактически 2×1,25 Гбит/с); OTU2 — 10,71 Гбит/с, или lOGE     (фактически 10,31 Гбит/с); OTU3 — 43,02 Гбит/с или 40GE (фактически 41,25 Гбит/с) и OTU4 — 111,81, или 100GE   (фактически 103,12 Гбит/с). Проблема в том, что эти сети существуют пока только на бумаге (как реко­мендации G.709/Y.1331), хотя технология WDM позволяет реализовать OTN [4].

Таблица 2. Типы интерфейсов физического уровня стандарта IEEE 802.ЗЬа

Тип PMD-интерфейса Тип кодирования Число потоков Макс, дистанция Среда передачи
40GBASE-KR4 40GBASE-R 4 (lanes) 1 м Задняя панель
40GBASE-CR4 40GBASE-R — lanes) Медный провод (STP)
40GBASE-SR4 40GBASE-R 4 (lanes) 100/125 м ММ ОВ, 850 нм
40GBASE-LR4 40GBASE-R 4(CWDM) 10км ОМОВ. 1300 нм
100GBASE-CR10 100GBASE-R 10 (lanes) Медный провод (STP)
100GBASE-SR10 100GBASE-R 10 (lanes) 100м ММ ОВ, 850 нм
100GBASE-LR4 100GBASE-R 4(CWDM) 10км ОМОВ. 1300 нм
100GBASE-ER4 100GBASE-R 4 (WDM) 40 км ОМОВ. 1300 нм

 

 

Реализация технологии HSE

Уже во временной версии стандарта HSE (40/100GE) бы­ла приведена спецификация следующих интерфейсов уров­ня PHY подуровня PMD, опре­деляющих типы потоков Ethernet (см. табл. 2).

Здесь использованы сле­дующие сокращения:

KR — интерфейс с макси­мальной дистанцией передачи 1 м (обслуживает заднюю па­нель компьютерных систем);

CR — интерфейс, использую­щий медную пару (STP), мак­симальная дистанция передачи -7м (обслуживает компью­терные системы и аппаратные комнаты LAN);

SR — интерфейс короткой секции, использующей ММ ОВ на волне 850 нм (обслуживает звено LAN — 100 м для ОВ типа

ОМЗ и 125 м для ОМ4 [7]);

LR — интерфейс длинной сек­ции (до 10 км), использующей ОМ ОВ на волне 1300 нм для обслуживания 4 поточных приложений с общим потоком 40 Гбит/с с помощью техноло­гии CWDM (4×10,3125 Гбит/с) или 100 Гбит/с с помощью техно­логии   WDM (4×25,78125 Гбит/с);

ER — интерфейс расширенной секции (до 10 км), использую­щей ОМ ОВ на волне 1300 нм (для обслуживания 100 Гбит/с приложений с помощью тех­нологии WDM).

 

Интерфейсы и подуровни PHY и MAC

Уникальная особенность уровня 40/100GE PHY (по сравнению с 10GE PHY) со­стоит в использовании много­потоковой масштабируемой схемы, позволяющей достичь высоких скоростей передачи. Она снижает скорость каждого потока до 10/25 Гбит/с. При этом для уровня РН Y не ис­пользуется подуровень WAN PHY, введенный в 10GE для совместимости с технологией SDH, так как в итоговом стан­дарте WAN-интерфейсы реа­лизуются на основе рекоммен-дации G.709 (OTN), а не G.707 (SDH).

Этот стандарт включает все изменения, внесенные в IEEE 802.3-2008, а также новые раз­делы и приложения. Эти мате­риалы формируют Дополнение (Amendment) 4, содержащее новые параметры подуровня MAC и уровня PHY, а также параметры управления для пе­редачи кадров на скоростях 40/100 Гбит/с.

  1. Во-первых, новая версия до­бавляет для совместимости 6 новых интерфейсов: • X LGMII ( 40 G igabit Media Independent I nterface) — 40-гигабитный интерфейс, неза­висимый от среды передачи, используется для соединения подуровня MAC, способного передавать 40 Гбит/с, с 40-Гбит/с-уровнем PHY. Он обеспечивает гибкость взаи­модействия разнотипных устройств (PHY и DTE) при передаче потока 40 Гбит/с.
  2. XLGMII — это логическое соединение, ис­пользуемое как интерфейс внутри ИС, и не предполагает наличия како­го-то  механического соеди-нителя(XLGMII опционален). • XLAUI (40 Gigabit Attachment Unit I   nterface) — 40-гигабитный интерфейс блока подключения — физическая реализация сервисного интер­фейса РМА для увеличения длины соединений между 40-гигабитными РМА.
  3. Он реко­мендуется для применения, так как позволяет реализо­вать максимальную гибкость при взаимодействии разно­типных устройств (PHY и DTE) при передаче потока 40 Гбит/с. XLAUI используется как интерфейс между двумя ИС или ИС и физическим модулем, но при этом не предполагает наличия меха­нического соединителя (оп­ционален).

 

  • XLPPI ( 40 GigabitParallel Physical I nterface) — 40-гигабитный параллельный физ!гческий интерфейс -физическая реализация сер­висного интерфейса PMD для 40GBASE-SR4 и 40GBASE-LR4 PMD. Интерфейс XLPPI формирует 4 потока данных (lanes). Он рекомендуется для применения, так- как допус­кает гибкость при соедине­нии 40GBASE-SR4 или 40GBASE-LR4 PM D. X LPPI применяется как интерфейс между ИС и физическим мо­дулем, но не предполагает наличия механического со­единителя (опционален).
  • CGMII (100 GigabitMediaIndependentInterface) — 100-гигабитный интерфейс, неза­висимый от среды передачи, для соединения подуровня MAC, способного передавать

100    Гбит/с,    со 100-гигабитным физическим уровнем PHY. Он обеспечи­вает гибкость при взаимодействии разнотипных устройств (PHY и DTE) при передаче потока 100 Гбит/с. XLGMII -это логическое соединение, применяемое как интерфейс внутри ИС, и не предполагает наличия механического со­единителя (опционален).

  • CAUI (100 Gigabit Attachment Unit I   nterface) — 100-гигабитный интерфейс блока подключения — физическая реализация сервисного ин­терфейса РМА для увеличе­ния длины соединений между 100-гигабитным РМА. Он ре­комендуется для применения, так как допускает максималь­ную гибкость при взаимодей­ствии разнотипных устройств (PHY и DTE) при передаче потока 100 Гбит/с. CAUI ис­пользуется как интерфейс между ИС или ИС и физиче­ским модулем, но не предпо­лагает наличия механическо­го соединителя (опционален).
  • CPPI ( 100 Gigabit P arallel Physical I nterface) — 100-гигабитный параллельный физический интерфейс -физическая реализация сер­висного интерфейса PMD для 100GBASE-SR10 PMD. Ин­терфейс CPPI формирует 10 потоков данных (lanes). Он рекомендуется для примене­ния, так как допускает гиб­кость при соединении 100GBASE-SR10 PMD. CPPI применяется как интерфейс между ИС и физическим мо­дулем, но не предполагает наличия механического со­единителя (он опционален).

Особенности архитектуры подуровней MAC-PHY для 100GE

МАС-подуровень и его роль с ростом скорости потока не изменились [9]. Он, как и раньше, преобразует пакеты верхнего уровня в кадры Ethernet, а именно: сегменти­рует пакеты для инкапсуляции в кадр Ethernet, добавляет к заголовку преамбулу и МАС-адрес, а также формирует кон­трольную последовательность (FCS)

Подуровень согласования (RS) формирует интерфейс между RS и подуровнем коди­рования PCS, как логический 100-гигабитный интерфейс CGMII, то есть преобразует (с помощью PCS) последователь­ные потоки МАС-подуровня в параллельные 64-битные пото­ки данных (с интерфейсным кодом 64В/66В)

CGMII используется как ин­терфейс между 100GE MAC и уровнем PHY. Ниже он разби­вается на 3-5 подуровней: PCS,

РМА, PMD, FEC и AN (по­следних двух нет в 10GE) с интерфейсами   между ними:

CAUI, CPPI (их нет в 10GE) и MDI (рис. 1 а, б).

Помехоустойчивое кодиро­вание FEC (опционально). Его необходимость определяется подуровнем AN. Он применя­ется  для  улучшения уровня

 

Интерфейс CAUI передает по­ток 100 Гбит/с через десять 10-гигабитных последовательных интерфейсов при оптической передаче на короткие дис­танции (100GBASE-CR10) или через четыре 25-гигабитных последовательных интерфейса при передаче на длинные дис­танции (100GBASE-LR4). Ин­терфейс CPPI используется, как и CAUI, для 10-потоковой передачи общего 100-гигабитного потока на корот­кие   дистанции (100GBASE-SR10).

MAC/PCS LSI (рис. 1 б) на по­дуровне PCS 66-битные блоки данных с кодом 64В/66В рас­пределяются циклически по 20 логическим потокам. Учиты­вая, что после 64В/66В-кодирования скорость 100G-сигнала становится 103,125 Гбит/с, получаем, что скорость одного логического потока -5,15625 Гбит/с. В подуровне РМА указанные 20 потоков можно конвертировать (путем мультиплексирования с бит-интерливингом в требуемое число физических потоков (кратность выхода 1, 2, 4, 5 и 10). Стандарт поддерживает только кратности 4 и 10. В первом случае скорость физи­ческого потока составит 25,78125 (100/4), а во втором — 10,3125 Гбит/с (100/10).

Так как число исходных ло­гических потоков велико (20), могут возникнуть перекосы из-за джиттера и различия време­ни прихода. Они компенсиру­ются вставкой (через каждые 16 383 кодовых 66-битовых блока) специальных выравни­вающих 66-битовых маркеров, содержащих номер логическо­го потока и поле проверки на четность чередующихся бит типа В IP.

Подуровень РМА осуществ­ляет конвертирование 20:10 для формирования 10-гигабитных потоков и 10:4 для формирования 25-гигабитных потоков.

Подуровень FEC включается для формирования вариантов 40/100GBASE-R FEC, исполь­зуемых при передаче по мед­ной паре (или при применении на задней панели компьюте­ров) и позволяющих на 2 дБ улучшить BER и исправлять пачки ошибок. Для этой цели применяется укороченный циклический код Файера (Fire code — FC) с 32-битной четно­стью (для каждого потока), позволяющий исправлять пач­ки ошибок длиной до 11 бит.

В результате для 40/100GE получаем следующую картину подуровней физического уров­ня. Интерфейс МП (Media Independent Interface), незави­симый от среды передачи, обеспечивает логическое соединение между МАС-подуровнем и составляющими уровня PHY. Он не требует физической реализации и со­единяет уровни внутри какого-то устройства логически. Интерфейс XLGMII — под­держивает   40-гигабитные, а интерфейс    CGMII -100- гигабитные операции в про­цессе передачи/приема прохо­дящих через них 64-битных потоков данных, тогда как по­дуровень RS обеспечивает ото­бражение между сигналами, формируемыми интерфейсами XLGMII и CGMII и специфи­кациями сервиса MAC/PLS. Несмотря на то что интер­фейсы XLGMII и CGMII оп­циональны, они широко при­меняются в стандарте как ос­нова для функциональной спе­цификации, и обеспечивают общий сервисный интерфейс для подуровней физического кодирования, определенных в стандарте.

Подуровень физического кодирования(PCS)

Термины 40/100GBASE-R относятся к особой группе реа­лизаций интерфейсов физиче­ского уровня, основан ной на методе блочного коди­рования данных кодом 64В/66В и спецификации РМА. 40/100GBASE-R PCS осу­ществляют: кодирова­ние/декодирование данных, полученных от интерфейсов (или переданных на интерфей­сы) XLGMII/CGMII в виде блоков кода 64В/66В; распре­деление данных по нескольким параллельным потокам (lanes) и передачу данных на РМА.

Подуровень упреждающей коррекции ошибок (FEC)

Подуровень FEC — опциона­лен для 40/100GBASE-R, рас­считанных на передачу по медной паре (STP) или переда­чу на задней панели PHY. Он может быть помещен между подуровнями PCS и РМА или между двумя подуровнями РМА, реализуется для каждого потока PCS (PCS-lane) отдель­но и работает автономно для каждого потока PCS.

Подуровень Auto-Negotiation (AN)

AN — подуровень согласова­ния необходимости использо­вать кодирование FEC, обеспе­чивающий наличие такого подключенного устройства, которое может обнаружить на другом конце звена связи уст­ройство, обладающее таким же режимом работы, и, определив наличие общих возможностей, сконфигурировать реализацию совместной операции. AN ис­пользуется 40-гигабитной зад­ней панелью уровня PHY для поддержки Ethernet типа 40GBASE-KR4 и потоков 40/100 Гбит/с по STP физиче­ского уровня для поддержки Ethernet типа 40GBASE-CR4 и 100GBASE-CR10.

Подуровень подключения к физической среде передачи (РМА)

Подуровень РМА обеспечи­вает для PCS независимое от среды передачи средство под­держки использования различ­ных физических сред переда­чи. Дополнительно он осуще­ствляет (по требованию) ре-тайминг (восстановление син­хронизации) принятых данных для 40/100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4 и обеспечивает их тестирова­ние и общий контроль.

Подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи (PMD)

Подуровень PMD отвечает за интерфейс данных, передавае­мых в среду передачи, и рас­полагается непосредственно над интерфейсом MDI, кото­рый относится к категории элементов, включаемых в каж­дый подуровень PMD, и фак­тически является подсо­единением к среде передачи.

40-гигабитный (XLAUI) и 100-гигабитный (CAUI) ин­терфейс блока подключения. Цель интерфейсов XLAUI/САUI -обеспечить гиб­кое соединение между двумя ИС или между ИС и модулем для 40/100-гигабитных компо­нентов при длине соединения на печатной плате до 25 см, включая разъем. Интерфейс САШ может обеспечить со­единение между 10-поточным подуровнем РМА (скорость передачи 100 Гбит/с) и элемен­том отображения 10:4 РМА. А интерфейс XLAUI может обес­печить удлинение потока для соединения распределенных на печатной плате компонентов MAC и PHY уровней в системе 40-гигабитного Ethernet.

Интерфейс XLAUI/CAUI

имеет следующие характери­стики:

  • независимые маршруты про­хождения данных для приема и передачи;
  • дифференциальную (связан­ную по переменному току) низковольтную схему пере­дачи сигналов;
  • самосинхронизирующийся интерфейс;
  • совместное использование технологии с другими 40/100-гигабитными интерфейсами;
  • использование кодирования типа 64В/66В.

Параллельный физический интерфейс для 40GBASE-SR4/-LR4 (XLPPI) и 100GBASE-SR10 (CPPI)

Параллельный физический интерфейс (nPPI) — это реали­зация сервисного интерфейса PMD. Он позволяет конструи­ровать компактные модули оптических   трансиверов для 40GBASE-SR4/LR4 или 100GBASE-SR10. 40 -гигабитный PPI (XLPPI, 4 по­тока)        используется с 40GBASE-SR4/LR4,  а 100-гигабитный PPI (CPPI, 10 по­токов) — с 100GBASE-SR10.

Подуровни PMD и РМА нужно подключать к интер­фейсам nPPI, чтобы удовле­творить требования по задерж­ке, перекосу и вариации пере­коса. Интерфейс управления (MDI0/MDC)

Опциональный интер­фейс MDIO/MDC — интерфейс ввода-вывода данных менедж­мента (или интерфейс управ­ления) обеспечивает соеди­нение между управляемыми устройствами MDIO (MMD) п логическими объектами управ­ления   рабочими станциями (STA). Особенности реализации технологии 40/100GBE Из 8 вариантов (типов интер­фейсов) Ethernet (см. табл. 2) мы рас­смотрим особенности реализа­ции пяти вариантов, собран­ных в две группы: 40/100GBASE-SR4/10 и 40/100GBASE-LR4+ER4. Пер­вая группа позволяет передать 4/10 потоков на расстояние 100 м по ММ ВОК в первом окне прозрачности, тогда как вторая — позволяет передать 4 потока на расстояние 10/40 км по ОМ ВОК во втором окне прозрач­ности.

Сервисные интерфейсы для 40GBASE-SR4 и 100GBASE-SR10 PMD описаны достаточ­но абстрактно и не подразуме­вают какое-то конкретное ис­полнение, хотя логически под­держивают обмен кодирован­ными данными между объек­тами РМА и PMD, транслируя данные в сигналы, подаваемые в среду или принимаемые из нее. Суммарная задержка сиг­нала при прохождении PMD (с учетом 2 м ВОК) не должна превышать для 40GBASE-SR4 1024 ВТ, а для 100GBASE-SR10 — 2048 ВТ.

 

Согласно стандарту [8] и рис. 3 этот тип Ethernet реализуется по 4-поточной схеме с WDM-мультиплексированием 4 не­сущих: 1295, 1300, 1305 и 1310 нм, выбранных во втором окне прозрачности по стандартной сетке ITU-T G .694.1 с шагом 800 ГГц. Передача в дуплекс­ном режиме осуществляется по двум ОВ.

Если для реализаций 100GbE, ориентированных на использование электрических сигналов, характерно при­менение 10-гигабитных пото­ков, то для реализаций, ориен­тированных на оптические сигналы, характерно при­менение 25-гигабитных пото­ков. На эту схему ориентиро­вана в  целом и реализация 100GBASE-LR4. Здесь логично использовать и 25-гигабитные электрические потоки (как предложил Форум оптического сетевого взаимодействия -OIF).

Однако для модулей первого поколения была использована архитектура с электрическим интерфейсом 10-гига-битного 10-поточного CAUI (10×10 Гбит/с), учитывая наличие го­товых модулей, разработанных для 10GE. Она требовала ис­пользования сериалайзера на передающей стороне модуля, конвертирующего 10 потоков в 4 (10:4), и десериалайзера на приемной стороне модуля, осуществляющего обратную конвертацию (4:10). Но эти конвертеры увеличивали энер­гопотребление модуля, ширину интерфейса САШ и размеры модуля.

Этого можно избежать, ис­пользуя 25-гигабитный элек­трический интерфейс, предла­гаемый OIF. На этом и основа­на блок-схема реализации 100GBASE-LR4 нового поко­ления с более простой схемой преобразования: 4:1 ? 1:4, при­веденной на рис. 4. При отсут­ствии блоков конвертации энергопотребление модуля су­щественно ниже, а его размеры практически сводятся к разме­рам модуля 10GBE.

Ист. Тематическая подборка «Технология Ethernet. IP-сети.»

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *