100-гігабітний Ethernet -це

Зміст

Дати виходу Чорнових версій рішень Робочої групи P802.3ba:

Фізичний рівень

У стандартах 40/100-гігабітного Ethernet міститься опис декількох різних стандартів фізичного рівня (PHY). Мережеві пристрої можуть використовувати різні типи PHY за допомогою змінних PHY-модулів. Модулі, що використовують оптичне волокно, стандартизовані в 802.3ba а в різнихmulti-source agreements,MSA(угоди між різними виробниками). Один із стандартизованих модулів, що підтримує і 40 і 100-гігабітний Ethernet, - це CFP MSA (англ. C form-factor pluggable ) [7], який може використовуватися для відстаней 100 і більше метрів. Модулі QSFP та CXP забезпечують роботу на менших дистанціях [8] .

Стандарт 802.3ba підтримує лише повнодуплексний режим роботи [9] .

Під час розробки PHY-частини стандарту ставилися цели:

Зберегти формат кадрів Ethernet стандарту 802.3, які використовують формат 802.3 MAC
Зберегти мінімальні та максимальні розміри кадру (FrameSize), що збігаються з поточною редакцією стандарту 802.3
Забезпечити у точці сполучення MAC/PLS рівень помилок (en:Bit error ratio) не вище (тобто не більше 1 помилки в середньому на кожні біт)
Забезпечення відповідної підтримки Оптичних транспортних мереж (англ.Optical Transport Network, OTN)
Швидкість передачі даних на рівні MAC 40 і 100 гігабіт в секунду
Розробка варіантів рівня PHY для роботи через одномодове оптичне волокно (SMF), багатомодове оптичне волокно OM3 (MMF), кабелі з мідними провідниками та через об'єднувальні плати (backplane).

Стандартизовані наступні варіанти PHY:

Завданняпередачі 40 і 100 Гбіт/с сигналу оптичного кабелю OM3 на 100 м (40GBASE-SR4 і 100GBASE-SR10) була вирішена з використанням хвиль близько 850 нм, подібної до такої в стандарті 10GBASE-SR.

Передача сигналу зі швидкістю 40 Гбіт/с друкованими платами на відстані до 10 м (40GBASE-KR4) реалізується використанням 4 ліній стандарту 10GBASE-KR.

Робота на відстанях 10 та 40 км реалізується з використанням 4х різних довжин хвиль (близько 1310 нм) та використовують оптичні елементи зі швидкістю передачі даних 25 Гбіт/с (для 100GBASE-LR4 та 100GBASE-ER4) та 10 Гбіт/с (для 40GBA- LR4). [10].

Готові продукти для рівня PHY

Згруповані за реалізованими варіантами PHY.

Інформація про створення модулів 40/100GbE для об'єднувальних плат нині відсутня. Тим не менш, багатоканальні 100GbE з'єднання невеликої дальності з точки зору вартості і надійності виглядають перспективніше планарних матриць поверхнево-випромінюючих 10Gbps лазерів (VCSEL arrays) і найближчим часом швидше за все з'являться в продуктах з оптичною матрицею комутації - таких як Juniper TX та Cisco СRS FCC.

Мідний кабель

У 2009 році Quellan оголосив про створення оцінної плати (Evaluation Board) [11] , проте не надав готових модулів.

Багатомодове оптичне волокно

Компанії Mellanox [12] та Reflex Photonics [13] оголосили про початок продажів CFP-модулів для багатомодових волокон.

Одномодове оптичне волокно

Компанії Finisar [14] , Sumitomo Electric Industries [15] та OpNext [16] на Європейській Виставці Оптичних Комунікацій (англ.ECOC) у 2009 році продемонстрували одномодові 40 та 100-гігабітні Ethernet модулі, засновані на стандарті MSA.

Підтримка у комерційнихпродуктах

На відміну від ситуації кінця 1990-х років, коли відсутність швидкісних інтерфейсів магістральних маршрутизаторів стримувала розвиток усієї мережі Інтернет, збільшення транспортних швидкостей з 10 до 100 Гігабіт за секунду в 2010-х роках здебільшого мотивувалося економічними міркуваннями, а саме: скорочення кількості необхідних хвиль у магістральних оптичних мережах, зниження вартості інтерконнектів у великих центрах обробки даних та точках обміну трафіком, а також зниження втрат ємності за рахунок розбалансування трафіку у паралельних групах 10Гбіт каналів. При цьому багато магістральних операторів зв'язку прагнули перейти безпосередньо від використання 10Gbps SONET/SDH, минаючи проміжну фазу в 40Гбіт, до 100Гбіт Ethernet інтерфейсів і виграти у вартості за рахунок очікуваного швидкого зниження вартості останніх.

Важливу роль очікуваному зниженні цін відіграла відмова від розробки окремих канальних схем для SONET/SDH і Ethernet. Де-факто, 100 гігабітний Ethernet відтепер ставав єдиним фреймовим форматом на вершині оптичної ієрархії швидкостей (ODU4), що гарантує паралельне зниження цін при зростанні виробництва 100Гбіт інтерфейсів як для магістральних, так і для локальних мереж. Наступним рівнем ієрархії має стати формат ODU5, що ексклюзивно планується до застосування в 400Гбіт Ethernet мережах.

При створенні 100Гбіт систем промисловості треба було подолати такі технологічні проблеми:

розробити схеми модуляції та кодування сигналу, що дозволяють передавати 100Гбіт потоки на достатню дальність в оптичному С-діапазоні (1530-1565 нм)
розробити нові оптичні джерела та приймачі разом з обладнанням оптичної корекції (підсилювачі, компенсатори дисперсії, селективні фільтри тощо)
розробити електронні лінійні карти, Ethernet MAC чіпи та мережеві процесори для потокової обробки пакетних даних на швидкості 100 Гбіт за секунду

У цілому нині, вирішення цих проблем зажадало значних інвестицій у інтелектуальну власність, що сприяло затягування виходу кінцевих товарів ринку. Незважаючи на те, що більшість виробників оптичного та електронного обладнання заявили про підтримку 100Гбіт систем протягом 2009—2010 року та регулярно випробовували системи різного ступеня готовності, широке впровадження 100-гігабітного Ethernet почалося лише у 2011 році.

Оптичний транспорт із підтримкою 100-гігабіт Ethernet

Оскільки передача оптичного сигналу в умовах нелінійного середовища (оптичне волокно) є принципово аналоговою проблемою, прогрес у цій галузі уповільнюється, причому значно більшою мірою, ніж прогрес, що знижується, в літографії цифрових електронних схем (описуваний емпіричним законом Мура). Як результат, незважаючи на те, що 10Гбіт оптичні інтерфейси та транспортні системи існували з середини 1990-х років, перші успішні спроби передачі 100Гбіт потоків в оптичних мережах сталися більш як через 15 років. Крім того, перші магістральні 100Гбіт системи були схильні до низки серйозних обмежень, у тому числі — високої вартості за рахунок використання унікальних лазерних систем, а також значним енерго-габаритним вимогам, що виключало випуск трансіверів у компактних форматах (таких як SFP+) раніше розроблених для 1Гбіт , 2.5Гбіт та 10Гбіт сигналів.

Удосконалення оптичних транспортних систем для передачі 100Гбіт Ethernet неминуче відбуватиметься у бік зменшення їх вартості, при цьому можуть використовуватись такі перспективнітехнології: спільна передача сигналу двома 50Гбіт лазерами меншої вартості в одній виділеній смузі спектру, широке використання цифрової обробки сигналу (DSP) для корекції нелінійностей, зменшення числа оптоелектронних (OEO) перетворень у транспортній системі за рахунок підтримки зовнішніх джерел сигналу (foreign lambdas) тощо далі.

Перші пакетні маршрутизатори та комутатори з підтримкою 100-гігабіт Ethernet

Наявність лінійних оптичних 100Гбіт систем передачі дозволяє скоротити кількість необхідних довжин хвиль в DWDM системах і збільшити обсяг переданих даних з існуючої кабельної інфраструктури. Тим не менш, використання 100Гбіт оптичного транспорту для передачі паралельних 10Гбіт потоків даних знижує ефективність статистичного мультиплексування в пакетних мережах і вимагає 10x10Гбіт мукспондерів для узгодження форматів. З цієї причини магістральні оператори виявляють зацікавленість у переході на підтримку 100Гбіт Ethernet безпосередньо на інтерфейсі маршрутизатора (пакетного комутатора).

Складність у розробці чіпсету для підтримки 100Гбіт Ethernet полягає в необхідності забезпечення високої продуктивності при рівномірному завантаженні інтерфейсу незалежно від параметрів вхідного трафіку і відсутності перестановок пакетів усередині одного IP/MPLS потоку — остання вимога робить розпаралелювання одного повнодуплексного або 100Гбіт інтерфейсу між кількома 4-ма) окремими мережевими процесорами технічно складним. Додаткові труднощі створює дизайн лінійних карт - за рахунок збільшених вимог до розмірів та охолодження 100Гбіт оптики та в умовах дефіциту на ринку 100Гбіт трансіверів, фірми-піонери 100Гбіт мережного обладнання були змушені вести самостійніабо спільні оптоелектронні розробки для того, щоб укластися в жорсткі лінійні та енергетичні обмеження сучасних мережевих пристроїв. Очікується, що в міру виходу на вільний ринок комерційних електронних та оптичних компонентів 100Гбіт рішень, список поставачів таких систем зростатиме, а ціни активно знижуватимуться.

Alcatel-Lucent

Можливим поясненням такої тривалої затримки є унікальна архітектура пакетних продуктів Alcatel-Lucent, які спочатку орієнтовані на надання послуг на кордоні мережі (VPLS, PPPoE, розвинена структура черг).

Фактично, компанія Alcatel-Lucent виробляє лише одне базове сімейство маршрутизаторів (Alcatel 7750), придбане з компанією Timetra Networks. У 2011 році єдиною серійно випусканою елементною базою для сімейства був мережевий процесор власної розробки FP2 з повнодуплексною продуктивністю в 50Gbps. Відповідно до документації фірми, два чіпсети FP2 можуть бути встановлені в опозитній, напівдуплексній 100Гбіт конфігурації, що дозволяє реалізувати інтерфейс 100Гбіт Ethernet без балансування по потоках між чіпами. Однак, така апаратна конфігурація загрожує дисбалансом навантаження через те, що кількість вхідних операцій (ingress lookup) зазвичай перевищує кількість необхідних вихідних операцій (egress lookup) — що може бути недостатньо для стабільної роботи рішення в реальній мережі.

У перспективі Alcatel-Lucent планує перевести платформу 7750 на оголошений у травні 2011 року 400Гбіт чіпсет FP3 [21] , який, можливо і стане першим реальним 100GE продуктом компанії на оновленій платформі 7750.

Лінійка швидкісних маршрутизаторів MLXe використовує мережні процесори та оптику сторонніх розробників; платформапідтримує мінімум послуг як у пакетному (базовий IP/MPLS комутатор), так і в оптичному (різноманітність трансіверів) діапазоні. Brocade позиціонував свій перший 100Гбіт Ethetnet продукт для MLXe (2-x портову лінійну карту) у початковому ціновому сегменті з додатковою ліцензією на використання другого порту.

Корпорація Cisco спільно з Comcast ще в 2008 році оголосили про успішні випробування 100-гігабітного Ethernet (100GbE) щодо існуючої оптичної інфраструктури між містами Філадельфія (штат Пенсільванія) [24] та Маклін (штат Вірджинія). Використовувалися маршрутизатори Cisco CRS-1 та оптичні канали DWDM [25] . Тим не менш, ця демонстрація не відтворювала повністю повнодуплексний 100Гбіт/с Ethernet канал, оскільки маршрутизатор CRS-1 підтримує швидкість лише до 40Gbps на слот. Очевидно, що в тесті 2008 навантаження інтерфейсу не могло перевищити половини від розрахункової швидкості.

Крім затримок з реалізацією чіпсету для підтримки 100GbE, позиції Huawei можуть також послаблюватися встановленою базою NE5000e, більшість екземплярів якої несумісні з новими 100Гбіт/слот та 200Гбіт/слот картами. Таким чином, незважаючи на раннє анонсування 100-гігабітних продуктів, ймовірність отримання компанією Huawei прибутку на 100Гбіт Ethernet ринку в 2011 році невелика.

Juniper Networks

Цікаво, що ринок 100Гбіт рішень для маршрутизаторів загалом повторив ситуацію із запуском 10Gbps інтерфейсів десятирічної давності - де-факто, піонером поставок виступила компанія Juniper, яка на кілька місяців випередила свого найбільшого суперника - Cisco. Компанію їм склало нове мережеве відділення компанії Brocade, при цьому решта учасників ринку закріпитися в першій хвилі не змогли.