400-гигабитный Ethernet (400 Гбит/с)

By | 07.01.2016

400-гигабитный Ethernet-2Основной инновацией Груп­пы высокоскоростных техно­логий Ethernet (HSSG, США), предложенной при создании 100GE, была идея использова­ния параллельных потоков данных, или lanes, для распре­деления общего 100-гигабитного потока по 10 или 4 таким потокам емкостью 10 или 25 Гбит/с каждый. Для поддержания этой идеи были предложены новые схемы по­дуровня физического кодиро­вания PCS и подуровня под­соединения к физической сре­де передачи РМА. PCS по­зволил построить гибкую ар­хитектуру формирования агре­гатных потоков 40/100GE, а РМА — гибкую функ­циональность схемы мультип­лексирования/ демультиплек­сирования потоков данных с помощью технологии WDM. Проследить это удобнее по опубликованной в полной вер­сии статьи о 100GE.

Эта идея позволила одним увидеть возможности быстрого использования 100GE для раз­грузки трафика перегруженных корпоративных сетей, другим -возможность формирования 400GE — новой генерации сетей Ethernet.

Если говорить о преемствен­ности версий данной техноло­гии, то, как видно из таблицы, половина параметров полудуп­лексного (первые три версии) Ethernet неприменимо к трем последним версиям, учитывая, что Ethernet уже с версии 10GE стал по-настоящему дуплекс­ной технологией.

Разработка новой версии Ethernet

В расчете на использование схемы мультиплексирования с потоками данных 25 Гбит/с,

 

CDR — источник сигнала синхронизации (играет роль статуса сигнала синхронизации): DML — лазер с непосредственной модуляцией, не использующий внешний модулятор излучения:

LD, PIN — лазерный диод и PIN-диод;

ТЕС — термоэлектрический охладитель — устройство охлаждения ИС работающее на эффекте Пельтье:

REFCLK — эталонный источник синхронизации:

SMF — одномодовое волокно (среда передачи внешнего транспорта).

TIA — трансимпедансный или управляемый током усилитель

Форум оптического Интернета (OIF) разработал два электри­ческих интерфейса: CEI-25G-LR — для приложений с переда­чей потоков 25 Гбит/с (по крайней мере в объединитель­ной панели коммутаторов или сетях типа LR при использо­вании ММ ОВ) и CEI-28G-SR — для приложений с передачей потоков 28 Гбит/с на короткие дистанции  (в  системах типа SR).

Успехи в развитии электрони­ки, как отмечалось выше, ус­корили разработку новой вер­сии Ethernet. Однако спе­циалисты IEEE и OIF пришли к выводу, что, несмотря на факт удвоения трафика каждые 18 месяцев (в основном благодаря экспоненциальному росту IP-трафика: IPTV и VoIP) и жела­тельность разработки техноло­гии терабитного Ethernet (TE=1000GE) к 2015 г., нужно, прервав традиции деся­тикратного увеличения скоро­сти передачи при переходе от одной генерации Ethernet к другой, ограничить следую­щую скорость передачи Ethernet уровнем 400 Гбит/с. Это диктовалось, с одной сто­роны, ограничениями по быст­родействию ИС, используемых для реализации электрических интерфейсов, а с другой — при­емлемо низким числом опти­ческих несущих (16+16), тре­буемых для реализации агре­гатного потока 400 Гбит/с, ко­торый можно было бы форми­ровать путем мультиплексиро­вания 16 потоков данных (lanes) емкостью 25 Гбит/с, передаваемых транспондером WDM в каждую сторону (что эквивалентно системе WDM с 32 несущими).400-гигабитный Ethernet

Эта техника реализации на­поминает многопотоковую схему, используемую для пе­редачи трафика 100Base-LR4 в технологии 100GE. Единствен­ным отличием является ис­пользование полупроводнико­вого оптического усилителя (SOA) в приемном тракте, учи­тывая, что в этом диапазоне усиления/выравнивания опти­ческих несущих усилители ти­па EDFA не работают. Ориен­тируясь на стандарт, 400GE мог бы быть реализован по 16-поточной схеме с DWDM- мультиплексированием 16 не­сущих, выбранных (как и в случае реализации 100GBase-LR4) по стандартной сетке ITU-T G.694.1 с шагом 800 ГГц (3,2 нм) и с передачей в дуп­лексном режиме по двум ОВ.

Однако здесь есть ряд нюан­сов. Даже при схеме с двумя ОВ для реализации агрегатного потока 400 Гбит/с нужно ис­пользовать 16 несущих в од­ном направлении (по одному ОВ), а сетка G.694.1 с шагом 800 ГГц дает только 11 (при использовании DWDM). Сле­довательно, этот вариант не­реализуем. Другой вариант: использовать сетку G.694.2 технологии CWDM (как и в случае реализации 40GBase-LR4 ). Тогда можно разместить 16 несущих в полосе, покры­ваемой 2-4 окнами прозрачно­сти с шагом между несущими 20 нм, что приведет к необхо­димости обеспечить полосу пропускания амплитудно-вол­новой характеристики (АВХ) SOA шириной 300 нм. Третий вариант, по которому, собст­венно, и пошли инженеры при первой реализации оборудо­вания 100GBase-LR4, — исполь­зовать произвольную фиксиро­ванную сетку несущих с шагом 5 нм (по частоте это соответст­вует шагу порядка 1000 ГГц). В этом случае требуемая ши­рина полосы АВХ составит около 75 нм, а ряд несущих может быть выбран сим­метричным относительно цен­тра второго окна прозрачности 1310 нм: 1270, 1275… 1340, 1345 нм, чтобы не попасть в область повышенного затуха­ния в районе водяного пика характеристики затухания ОВ (1383 нм).

Сравнительные параметры различных реализаций Ethernet

Параметры Е 802.3 FE 802.3U GE 802.3Z 10GE 802.3ae 40/100GE 802.3ba 400 GE 802.3
Скорость 10 Мбит/с 100 Мбит/с 1 Гбит/с 10 Гбит/с 40/100 Гбит/с 400 ГбИТ/С
Тайм-слот обра- 512 512 4096 Нп Нп Нп
ботки коллизии, ВТ            
IFG (МКИ), бит 96 96 96 [96 96 96
IFG (МКИ), не 9600 960 96 9,6 0,96 0,28
Число ПОПЫТОК 16 16 16 Нп   Нп
захвата среды            
Число откатов, при- 10 10 10 Нп Нп Нп
менение алгоритма            
Backoff            
Длина сообщения 32 32 32 Нп Нп Нп
о коллизии, бит            
Максимальная 1518 1518 1518 1518 1518 1518
длина кадра, байт            
Максимальная 2000 2000 2000 2000 2000 2000
длина оболочки            
кадра, байт            
Минимальный 512/64 512/64 512/64 512/64 512/64 512/64
размер кадра.            
бит/байт            
Относительное Нп Нп Нп 104 Нп Нп
расширение про-            
бела IFS. бит            

Примечания:

ВТ (БИ) — битовый интервал; МКИ — межкадровый интервал; Нп — параметр неприменим требует по 40 несущих в каж­дом. Кроме того, он не может быть реализован с помощью технологии CWDM, то есть единственным пригодным для него может быть только третий вариант (например, в полосе АВХ 1400-1600 нм).

Другим важным моментом является сетевой вариант реа­лизации передачи агрегатного потока 400G-Ethernet по транс­портной сети. С одной сторо­ны, ясно, что эта сеть должна быть оптической (фотонной) транспортной сетью (OTN) на базе WDM. С другой — соот­ветствующий агрегатный по­ток должен быть упакован (ин­капсулирован) в поле полезной

 

Что касается передачи агрегат­ного потока 400G-Ethernet, то она может быть осуществлена по сети LAN-OTN в рамках реализации взаимодействия типа «клиент — сервер» между локальной сетью (LAN) Ethernet и глобальной сетью OTN.

Что же касается инкапсуляции в поле полезной нагрузки (PL) блока OTUk, то здесь времен­ная проблема в том, что такой блок в структуре OTN пока (то есть даже в расширенной под 100GE ред. 4.0 рек. G.709 не был предусмотрен. Можно только предполагать, что рас­ширенная структура OTN бу­дет еще раз расширена (спе­циалисты считают, что новая версия Ethernet (400GE) поя­вится в 2015-2017 гг.) и вклю­чит как минимум еще один оп­тический транспортный блок (типа OTU4e) дополнительно к тем, что были использованы ранее, как это показано на рис. 3. Исходным для него, очевид­но, будет модуль 400GE емко­стью 412,5 Гбит/с (16 х 25,78425), который, будучи отображен через оптические блоки ODU4e, должен привес­ти к формированию транс­портного блока OTU4e емко­стью 447,24 Гбит/с (или, точ­нее, 447,239894 — оценка авто­ра). Этот блок фактически и должен передаваться по сети WDM.

Нынешние реалии технологии Ethernet

На уровне существующих се­годня реалий есть только один способ передать поток 400GE, используя стандартные струк­туры технологии OTN, — это представить его в виде 4 пото­ков данных (lanes) по 100G ка­ждый, то есть в виде 4 х (4 х 25,78425 Гбит/с). Разбить по­ток 400GE на четыре 100G-потока тоже не просто, учиты­вая, что для его передачи через иерархию ODU4/OTU4 техно­логии OTN скорость 111,81 Гбит/с для OTU4 (см. рис. 3) была выбрана так, чтобы обес­печить в полезной нагрузке формирование 80 трибных слотов (TS) для поддержки до 80 оптических блоков ODU0 (или до 40 блоков ODU1, или до 10 блоков ODU2e) сети OTN [6]. В результате эта ско­рость с учетом помехоустой­чивого кодирования (FEC) ко­дом Рида — Соломона (RS 255,227) должна была состав­лять: (255/227) х 40 х 2,488320 = 111,809974 Гбит/с. Это соот­ветствовало формату OTU в виде 16-килобитного фрейма фиксированной длины, пред­ставленного на рис. 4. Фрейм имеет размер 4 х 4080 бит и представляет матрицу, в кото­рой столбцы 1-16 используют­ся как заголовок фрейма (ОН); столбцы   17-3816 составляют полезную нагрузку (PL); столбцы 3817-3824 — фиксиро­ванный стаффинг, а столбцы 3825-4080 -код RS упреждаю­щей коррекции транспортного блока OTU (FEC).

CEI-25G-LR — интерфейс 100GE. разработанный OIF для передачи потоков данных 25 Гбит/с в прило­жениях, рассчитанных на переда­чу сигнала в рамках задней объ­единительной панели (или типа LR при использовании ММ ОВ). CEI-28G-SR — интерфейс 100GE, разработанный 01F для передачи потоков данных 28 Гбит/с в прило­жениях, рассчитанных на корот­кие дистанции (типа SR): ИС-ИС и ИС-модуль.

LR — интерфейс длинной секции (до 10 км), использующей ОМ ОВ на волне 1300 нм для обслужива­ния четырехпоточных приложений с общим потоком 40 Гбит/с с помощью технологии CWDM (4 х 10,3125 Гбит/с) или 100 Гбит/с с помощью технологии WDM (4 х 25,78125 Гбит/с). SR — интерфейс короткой секции, использующей ММ ОВ на волне 850 нм (обслуживает звено LAN -100 м для ОВ типа ОМЗ и 125 м для ОВ типа ОМ4).

 

Предприятия, поставщики облачных сервисов и телекоммуникационные операторы активно исполь­зуют существующие технологии Etnernet, сдерживая внедрение более быстрого стандарта:

  1. Стефен Лоусон
  2. Служба новостей IDG, Сан-Франциско

Технология Ethernet становится заложницей своего собственного успеха. И это отражается на долгосрочном планировании очередно­го серьезного увеличения скорости передачи данных. Дело в том, что раньше необходимость перехода к сетям Ethernet нового поколения ни у кого сомнений не вызывала: предприятия хо­тели ускорить работу своих сетей, производители искали способы увеличения пропускной способности и определения стандартов, а ИТ-службы покупали рост производительности в виде новых ком­пьютеров и коммутаторов.

Сегодня все сложнее. Операторы, гиганты Web 2.0, провайдеры об­лачных сервисов и корпоративные заказчики высказывают разные пожелания относительно интерфейсов и скоростей. В Facebook, например, в 2010 году заявляли, что их ЦОД уже сейчас нуждаются в производительности на уровне Terabit Ethernet. В попытке открыть Джон д Амброзиа: «Прийти в новую главу в истории Ethernet довольно сложно». Сегодня в сетях, развернутых по всему миру, используются миллиарды устройств Ethernet, и в таких условиях очень трудно предложить спецификации, которые удовлетворили бы каждого.

«К нам обращается множество самых разных людей, — отметил председатель исследовательской группы Джон д’Амброзиа в на конференции Technology Exploration Forum, организованной Ethernet Alliance. — Прийти к консенсусу в такой ситуации довольно сложно, а ведь для утверждения стандар­та спецификации должны получить одобрение 75% голосующих. И даже если рабочая группа знает, к какой скорости ей нужно стремиться, у производителей сетевого оборудования имеются свои интере­сы, и они могут не согласиться с тем, что им предлагают».

Опыт проектирования последнего стандарта 802.3ba, описывающего работу технологий Ethernet с пропускной способностью 40 Гбит/с и 100 Гбит/с, показывает, что задача, стоящая перед разработчи­ками, становится все сложнее. В начале проекта была поставлена цель определить спецификации для стандарта с пропускной способностью 100 Гбит/с, которую хотели получить поставщики услуг. Но затем ее пришлось дополнить спецификациями для пропускной способности 40 Гбит/с, поскольку серверы не были готовы к работе на более высоких скоростях. Если на разработку нового стандарта 802.3bs уйдет столько же времени, сколько и на проектирование предыдущего, утвердить его удастся не раньше первой половины 2017 года.

По мнению аналитика Light Counting Дэйла Мюррея, даже такой прогноз весьма оптимистичен, пото­му что разработать стандарт для передачи данных со скоростью 400 Гбит/с гораздо сложнее. Один из ключевых вопросов заключается в том, какие линии объединять для получения более высо­кой скорости. Объединение — это обычный способ получения более толстого канала. В качестве ли­ний могут выступать волоконно-оптические каналы, оптические волны разной длины и другие соеди­нения. При разработке стандарта 802.3ba, регламентирующего передачу данных на скорости 40 Гбит/с — 100 Гбит/с все было проще. Инженеры, проектировавшие эти спецификации, использовали несколько интерфейсов предыдущего стандарта 10-Gigabit Ethernet, который к тому времени был уже доступен в коммерческом варианте.

«Нового в этой технологии было не так уж много, — заметил Мюррей. — Задача состояла лишь в том, как объединить уже имеющиеся ресурсы».

Для доведения пропускной способности до 400 Гбит/с в качестве строительных блоков нужны уже более скоростные интерфейсы. Есть несколько возможных вариантов, каждый из которых повлечет за собой свои последствия. К величинам, которые предстоит определить, относятся стоимость от­дельных компонентов, виды волоконно-оптических линий или кабелей и их протяженность, а также доступность таких кабелей.

«Лучший способ создания канала 400-Gigabit Ethernet — это объединение четырех интерфейсов с про­пускной способностью 100 Гбит/с, — считает д’Амброзиа. — Это помогло бы добиться того же эффек­та, который мы наблюдали с ранее утвержденными спецификациями. Оказалось, что интерфейсы с пропускной способностью 40 Гбит/с можно создать, объединив четыре линии 10-Gigabit Ethernet. Та­ким образом, покупатели получили продукт, отвечающий как текущим, так и будущем потребностям. Это позволило увеличить объемы продаж интерфейсов с пропускной способностью 40 Гбит/с и уменьшить стоимость их компонентов».

Сегодня среди возможных вариантов называется объединение восьми соединений с пропускной способностью 50 Гбит/с или 16 линий с пропускной способностью 25 Гбит/с. Мюррей предостерег против создания технологии, которая появится раньше, но не будет отвечать текущим или будущим потребностям. Ведь если покупатели не почувствуют ценность новых предложений, они не станут за­купать соответствующие средства в больших объемах, а отрасли придется ждать перехода на техно­логию 400-Gigabit Ethernet еще дольше.

Ист. «Технология Ethernet. IP-сети.» Инв.№298054

Добавить комментарий

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