Мережеві інтерфейсиEthernet 40 та 100 Гбіт
Вибухова зростання обсягів переданих даних і відповідно потреба в безперервному розширенні смуги пропускання каналів зв'язку призвели до появи мережевих інтерфейсів Ethernet 40 і 100 Гбіт/с. Які технічні рішення дали змогу забезпечити такі швидкості?
Особливості побудови нових типів інтерфейсів Ethernet
Стандарт IEEE 802.3ba з наступними доповненнями (зокрема виданий у 2011 р. стандарт IEEE 802.3bg, що фіксує характеристики 40-гігабітного одномодового оптичного інтерфейсу) визначає ключові параметри, без яких неможливе створення обладнання нового покоління. Це обладнання носить узагальнені назви 40G Ethernet та 100G Ethernet (або 40GbE та 100GbE відповідно); для вказівки типу середовища передачі, числа каналів, дальності дії та інших параметрів розроблено цілу систему суфіксів.
При створенні техніки з новим рівнем швидкодії використано цілий арсенал різноманітних прийомів, як уже апробованих (у тому числі традиційно запозичених з телекомунікації), так і абсолютно нових.
Для забезпечення сумісності, спрощення стикування з менш швидкісними попередниками та підвищення якості роботи в устаткуванні стандарту 802.3ba застосовується традиційний формат кадрів Ethernet. Параметри обладнання та трактів передачі незалежно від їх виконання вибираються та нормуються таким чином, щоб ймовірність бітових помилок лінійних сигналів не перевищувала 10-12.
Щоб скоротити терміни та знизити вартість НДДКР, для нових типів інтерфейсів середньої тавеликої дальності дії як прототип була обрана технологія 10G Ethernet, що добре зарекомендувала себе. Досягнутому у прототипу рівню в основному відповідає і сервіс, який надається системному адміністратору в області діагностики та управління.
40- і 100-гігабітні варіанти обладнання розглядаються не як конкуруючі, а скоріше як такі, що доповнюють один одного. Передбачається, що системи 40G Ethernet обслуговуватимуть переважно сервери, тоді як 100-гігабітна техніка орієнтована переважно на різні сполучні лінії в ЦОДах.
Вибір кількості каналів передачі та канальної швидкості
Звичайно, робота над новими типами мережевих інтерфейсів почалася з їх оптичних різновидів. Необхідність одночасного випуску специфікацій на обладнання, що підтримує різні швидкості передачі, змусила розробників вжити заходів щодо їх максимальної уніфікації. Відправною точкою послужив той факт, що можливості сучасної мікроелектроніки не дозволяють здійснювати пряму або непряму модуляцію лінійної сигналів, що несе зі швидкістю 100 Гбіт/с. Положення не рятують ні використання як передавача настільки малоінерційного джерела світла як лазер, ні складні багатопараметричні лінійні коди. Найкращим виходом виявилося застосування схеми паралельної передачі у кількох субканалах. Цей підхід вже добре відпрацьований у системах 1G та 10G Ethernet, що працюють за симетричним кабелем.
Для швидкості 100 Гбіт/с доцільним здавалося використовувати комбінацію із чотирьох окремих 25-гігабітних потоків, яка застосовується в обладнанні телекомунікації. Однак такий підхід, незважаючи на наявний доробок та демонстрацію здійсненності, був відкинутий ще на ранніх етапах роботи через незадовільні вартісні характеристики.
Метод досягнення необхідної швидкості, вибраний у результаті творцями стандарту, дозволяє мінімізувати обсяг НДДКР. При цьому немає необхідності шукати нові схеми модуляції, лінійний сигнал формується за допомогою традиційного й цілком задовольняє вимогам практики щодо мультигігабітних систем блокового кодування 64В66В.
Принципи побудови інтерфейсу 100G Ethernet практично автоматично задають інформаційну швидкість другого варіанту наступного покоління, фіксуючи її на значенні 40 Гбіт/с. Можна сказати, що інтерфейс 40G Ethernet – усічений варіант свого швидкісного побратима.
Багатомодові оптичні інтерфейси
Застосування у високошвидкісних інтерфейсах схеми паралельної передачі дозволяє досягти високої швидкодії техніки наступного покоління, а й знизити її вартість.
Відносно невелика дальність дії, яка визначається фокусною областю застосування, дозволяє послабити порівняно з прототипом вимоги до максимально допустимої ширини лінії випромінювання лазерів,що сприятливо позначається на вартісних характеристиках устаткування.
Функції роз'ємного з'єднувача виконує відомий понад десять років багатоканальний виріб типу MTP/МРО. При цьому для 100-гігабітного інтерфейсу, на відміну від 40-гігабітного, у найчастіше застосовуваній на практиці однорядній настановній лінійці 12-волоконного роз'єму MTP/МРО не використовуються дві зовнішні позиції - 1 і 12 (див. малюнок). Вибір саме такої схеми можна пояснити як міркуваннями симетрії, і, можливо, зручністю побудови схеми автоматичного визначення швидкості. Поки що ця опція не потрібна, проте різке зростання потреби в ній не виключено вже в найближчій перспективі при масовому впровадженні 100-гігабітних рішень (за деякими оцінками – після 2015 р.). Подібна схема може використовуватися без обмежень як у разі двокабельного (одна 10-волоконна збірка волокон – на передачу, друга аналогічна – на прийом), так і для однокабельного (всі 20 волокон в одному кабелі) варіанта побудови 100-гігабітної лінії.
Лінії зв'язку великої протяжності
Для передачі на великі відстані застосовуються одномодова оптична техніка і технологія спектрального ущільнення (мультиплексування по довжинах хвиль), які були добре відпрацьовані при створенні ліній міського та міжміського зв'язку. На швидкості 40 Гбіт/с використовуються чотири оптичні несучі з центральними довжинами хвиль 1270, 1290, 1310 та 1330 нм. Швидкість передачі у кожному такому субканалі становить 10,3125 Гбіт/с. Для швидкості 100 Гбіт/с використовуються чотири оптичні несучі з центральними довжинами хвиль 1295, 1300, 1305 та 1310 нм. Швидкість передачі у кожному із спектральних субканалів у варіантах реалізації 100GBASE-LR4 та 100GBASE-ER4 становить 25 Гбіт/с.
Сітка довжин оптичнихнесучих з міркувань спадкоємності та максимальної уніфікації обрано відповідно до рекомендацій Міжнародного союзу електрозв'язку.
А де ж мідь?
При побудові інтерфейсів Ethernet з суфіксом Т (twisted – кручена пара проводів), яких ставляться 1G Ethernet і 10G Ethernet, неодноразово згадана вище схема паралельної передачі застосовується ще з кінця 90-х гг. минулого століття. Тому нарощування швидкості передачі в них можливе лише за рахунок збільшення тактової частоти та додавання нових рівнів у кодах серії PAM-X. Перехід на інші схеми кодування, швидше за все, недоцільний через надто великі складності забезпечення зворотної сумісності.
Фокусною сферою застосування симетричних інтерфейсів вважаються лінії зв'язку в ЦОДах. Там вони через малу протяжність помітно перевершують оптичні аналоги за таким важливим параметром, як енергоспоживання, за рахунок можливості роботи в режимі малої дальності.
Мережеві інтерфейси Ethernet наступного покоління переважно задовольняють як сьогоднішні потреби галузі у високошвидкісних каналах зв'язку, і потреби доступного для огляду майбутнього.
Устаткування, яке нормується стандартом IEEE 802.3ba, дозволяє створювати лінії різної протяжності – від міжблочних з'єднань до мереж міського масштабу (в останньому випадку – без звернення до ресурсів транспортних мереж).
Характерна відмітна ознака обладнання нового покоління – широке використання різних варіантів схеми паралельної передачі.
При створенні інтерфейсів нових типів масово застосовуються вузли та блоки, відпрацьовані раніше на 10-гігабітній техніці, що дозволяє сподіватися хороші вартісні характеристики устаткування навіть на початку його серійного виробництва.