400G Ethernet - что представляет собой новейший стандарт?
400G Ethernet — это новейший стандарт для высокоскоростных оптических интерфейсов. Первоначально известный как IEEE 802.3bs, 400 Gigabit Ethernet был официально утвержден в декабре 2017 года и является частью более широкого семейства технологий, таких как 200G, а также следующего поколения 100G и 50G Ethernet.
Появление технологии 400G способствовало быстрой разработке и внедрению новых компактных оптических модулей и коммутаторов. Иногда называемый 400GE или 400G Ethernet, новый стандарт поддерживает многочисленные технические инновации, такие как, например, обязательное использование технологии кодирования прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction, FEC), позволяющей, в том числе, повысить производительность и снизить энергопотребления. Первые тестовые испытания сетей 400G были успешно завершены, и появление первых коммерческих развертываний ожидается уже в 2019 году.
Насколько быстр 400GE?
Термин «экспоненциальный рост», возможно, несколько перегружен в наши дни, но в случае 400GE он прекрасно подходит. Условное понятие Gigabit Ethernet, относящееся к различным технологиям Ethernet, поддерживающим передачу кадров со скоростью 1 гигабит в секунду, появилось еще в 1999 году.
В настоящее время обобщающий термин Terabit Ethernet используется для описания категории скоростей в 100 гигабит в секунду и выше. На самом деле истинный «Terabit», который составляет один триллион бит в секунду, — пока лишь прогнозируемые показатели в обозримом будущем. Но и при скорости 400 гигабит в секунду технология 400G представляет собой увеличение в 400 раз по сравнению со скоростями передачи Ethernet-кадров на рубеже XXI века. Чтобы ощутить эту разницу, представьте себе соревнование галапагосской черепахи при обычной ходьбе (самого медленного вида черепах) и гепарда во время преследования (самого быстрого животного на Земле). Сравнение будет сопоставимо.
Технология 400 Gigabit Ethernet настолько быстра, что превзошла возможности обычной реализации схемы включения / выключения лазера двухуровневой импульсно-амплитудной модуляции (PAM-2). Для компенсации этого узкого места была разработана модуляция PAM-4, которая использует четыре уровня амплитуды, а не два, что позволяет удвоить общую скорость модуляции. Но поскольку различие между уровнями сигнала теперь стало намного меньше, модуляция PAM-4 стала более восприимчива к шуму.
Но технология 400G означает намного больше, чем просто новые порты Ethernet и усовершенствованная модуляция. Смена парадигмы требует проведения комплексных изменений и корректировок во всей сетевой экосистеме, чтобы обеспечить необходимую гибкость и масштабируемость при реализации инновационных проектов на недостижимых ранее скоростях передачи.
Как тестирование сети 400G Ethernet?
До появления 100G Ethernet тестирование оптоволоконных линий было гораздо более простой задачей, чем в наши дни. Показатель интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate, BER), который оценивал вероятность получить искажение для каждого передаваемого бита данных, мог быть определен для каждого канала, а в паре с ожиданием появления «нулевых» ошибок в течение заранее определенного периода времени эти параметры часто использовались в качестве критерия успешной / неуспешной передачи данных. Но поскольку методология кодирования без возврата к нулю (Non Return to Zero, NRZ) уступает место модуляции PAM-4 и технике кодирования / декодирования FEC, тестирование и оценка 400G становятся намного сложнее. Да и увеличение пропускной способности само по себе подняло на новую высоту планку сложности вопрос тестирования новых современных решений и сетей.
Проблемы тестирования 400 Gigabit Ethernet
Более высокие скорости и использование модуляции PAM-4 дают невероятные улучшения пропускной способности, но они же ответственны за то, что вопрос тестирования оптических сетей 400G становится гораздо более сложной задачей. Прежде всего, модуляция PAM-4 всё усложняет на физическом уровне. Всегда существует вероятность, что при передаче данных могут произойти ошибки, но отныне простого количественного оценивания ошибок или тестирования на основе «нулевых» ошибок больше недостаточно для обнаружения аномалий.
Увеличенные скорости передачи данных и использование технологии FEC привело к тому, что некоторые модули с более высоким коэффициентом ошибок после FEC начали работать без ошибок вовсе, а другие — нет. Поэтому сейчас требуется более глубокое понимание статистических наблюдений и распределения ошибок, чтобы отделить паттерны с приемлемыми ошибками от неприемлемых, и, в итоге, определить истинные первопричины. Логика FEC объемна и сложна. Поэтому для тестирования 400 Gbit Ethernet вам понадобятся как логическая проверка, так и всеобъемлющий контроль динамических характеристик.
Технология 400G также привносит расширенную поддержку интеграции таких элементов, как форм-факторы QSFP-DD и CFP8 съемных оптических модулей 400G. И CFP8, к примеру, представляет собой настоящее чудо инженерной мысли, с интегрированными лазерами и драйверами, высокопроизводительными фотодиодами и микроконтроллерами, встроенными в очень маленький форм-фактор. В то же время все эти дополнительные элементы требуют стратегий, обеспечивающих 400G-тестирование и проверку этих компонентов по отдельности, а также в контексте общей структуры сети. В этих новых условиях, когда увеличивается сложность решений Ethernet под влиянием технологии 400G, ценность использования специализированного инструментария для тестирования технологии 400G, позволяющего повысить точность тестирования и при этом снизить затрачиваемое на это время, возрастает в разы.
Инструменты тестирования 400G
Масштабируемость, гибкость и возможность обновления являются важными элементами эффективного решения для тестирования технологии 400G. Новая платформа для тестирования ONT-600 от компании VIAVI Solutions, основанная на новейшем стандарте 400G / 200G (IEEE 802.3 bs), включает в себя расширенные функции для анализа ошибок и тестовый модуль CFP8. Функциональность эксплуатационного программирования означает простоту обновления по мере развития стандарта. Также ONT-600 400G включает поддержку FEC и модуляции PAM-4. Это решение для тестирования обеспечивает идеальную платформу для поддержки проектирования, разработки и проверки всем тем, кто сейчас находится на переднем крае экосистемы высокоскоростных сетей.
Тестовый модуль N-PORT для тестирования и проверки системы продуктов класса 100G также играет важную роль в тестировании технологии 400G, так как помогает обеспечить 400G «зверя» поддержкой более низких скоростей. Тестовый модуль N-PORT — это четырехпортовое устройство с четырьмя собственными и независимыми портами QSFP28 и SFP28. Его продвинутые приложения для тестирования, включая Ethernet, OTN и Fiber Channel, помогают в разработке и тестировании новых компонентов и модулей, предоставляя поставщикам услуг ценный тестовый инструментарий для усовершенствования существующих и разработки новых технологий.
Сети 400G
Технология плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM) значительно увеличила пропускную способность оптического волокна. Опираясь на этот метод, один оптоволоконный канал может передавать данные со скоростью 400 Гбит / с или более. Поскольку прочность любой цепи (или быстрота, как в нашем случае) определяется по ее самому слабому соединению, то разработки в области 400G Ethernet сейчас направлены на устранение разрыва в скорости между корневым маршрутизатором и оборудованием DWDM. Интерфейс 400G Ethernet позволяет использовать весь потенциал сетевых устройств и достичь необходимой плотности размещения портов, чтобы обеспечить постоянное и бесперебойное функционирование сети передачи данных с максимально возможной пропускной способностью. Современные коммутаторы ASSP, такие как семейство Broadcom Tomahawk, могут обеспечить пропускную способность более 12 Тбит / с на одной микросхеме. Интерфейс 400G Ethernet является хорошим вариантом для достижения соответствия между этой огромной пропускной способностью и необходимой характеристикой плотности пропускной способности на передней панели.
FlexE (Flexible Ethernet)
FlexE, также известный как Flexible Ethernet и FlexEthernet, является протоколом связи, опубликованный Форумом по оптическому межсетевому взаимодействию (Optical Internetworking Forum, OIF) в 2016 году. Как следует из названия, его цель состоит в том, чтобы предоставить достаточно гибкий стандарт для обеспечения возможности подключения между Ethernet и физическим интерфейсом (сервером), который не соответствует этим современным скоростям, с помощью введение «прокладки» на уровнях MAC и PCS. Это позволяет поддерживать различные протоколы уровня MAC независимо от интерфейса сервера. FlexE также обеспечивает способ для соединения нескольких каналов. Например, 400G может предоставляться как отдельный линк, два линка по 200G или четыре линка по 100G.
FlexO
Стандарт ITU-T для оптических транспортных сетей (Optical Transport Networks, OTN) предоставляет рекомендуемые интерфейсы и линейные характеристики для элементов оптических сетей, соединенных через волоконно-оптические каналы.
Стандарт OTN B100G является расширением стандарта OTN для скоростей передачи данных свыше 100 Гбит / с. Однако, вместо того, чтобы разрабатывать новые или отличающиеся спецификации для аналогичных типов каналов, подразделение ITU-T использовало завершенную спецификацию IEEE 802.3 для определения того, как подобные подключаемые модули должны использоваться на интерфейсах OTN. Этот гибкий протокол обычно известен как «FlexO».
Кому стоит задуматься о переходе на 400G?
Эффективность, которую можно получить благодаря внедрению 400G, окажет заметное влияние на всю экосистему высокоскоростных сетей, включая производителей чипов, модулей и тестового оборудования, а также сервис-провайдеров, Интернет-корпорации и поставщиков телекоммуникационных услуг, которые ждут этих улучшений и надеются, что они дадут новый толчок их бизнесу.
Компании из сегмента Web 2.0, предоставляющие облачные сервисы, рассчитывают на 400G, как на эффективное средство по увеличению плотности своих быстро растущих центров обработки данных. Поставщики телекоммуникационных услуг, в свою очередь, не должны будут отставать от своих клиентов с внедрением ультрасовременных каналов связи для их огромных центров обработки данных. Эти крупные игроки в настоящее время являются основной движущей силой, требующей скорейшего развития 400G. Разработчики оптических модулей получат свою выгоду от этого спроса на более универсальные и компактные продукты.
Изменения в отрасли, которые неизменно принесет с собой технология 400G, могут оказаться практически незаметными для конечного пользователя, но появление 400G позволит современным сетям соответствовать растущим ожиданиям сверхвысокой скорости и бесперебойной производительности. Потоковое видео, виртуальные игры и Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это лишь некоторые из приложений, которые выиграют от появления и широкого применения сетевого стандарта 400GE.
100G и дальше
Совместимость между 100G и 400G поможет упростить тестирование новых решений и обновление существующих, а также станет благоприятным фактором для стимулирования бизнеса. Первые решения 100G Ethernet были представлены еще в 2010 году, но до 2016 года этот рынок рос медленными темпами.
Появление промышленного стандарта QSFP28, приведшего к появлению четырехканальных модульных компактных сетевых трансиверов малого форм-фактора, поддерживающих возможность «горячего» подключения и отключения, а также осуществляющего передачу до 28G для одного оптического канала, сыграло важную роль в том, что к 2017 году технология 100G стала мейнстримом. Прогресс в разработке подключаемых оптических компонентов, который постепенно двигает вперед технологию 100G, безусловно окажет заметный эффект на развитие 400G Ethernet.
Снижение затрат и усовершенствование конструкции для модулей 100G позволило использовать обратно совместимую технологию, такую как QSFP-DD, с ориентацией уже на технологию 400G, что привело к появлению нового типа модуля, аналогичного стандартному QSFP+, но с дополнительным рядом контактов, позволяющих удвоить количество электрических интерфейсов до восьми полос.
CFP8 — другой форм-фактор для оптических трансиверов последнего поколения, который позволяет передавать данные со скоростью до 6,4 Тбит / с для 1 RU системной карты хоста и поддерживает удвоенную плотность портов по сравнению с 100G QSFP28.
Передовые разработки для 400G, включая модуляцию PAM4 и технологию кодирования KP4 FEC, могут быть также использованы для увеличения плотности и снижения затрат на применение решений 100GE. Аналитики ожидают, что по мере развития этих технологий, предлагаемые на рыке продукты 100G начнут в полной мере использовать улучшения, порожденные разработкой 400 Gbit.
Выводы
Значительные улучшения скорости, присущие технологии 400GE, являются гигантским скачком в возможностях Ethernet. Однако увеличение скорости и пропускной способности — это лишь верхушка айсберга. 400G Ethernet не только обеспечивает большую пропускную способность, но и предоставляет правильную пропускную способность при правильной плотности.
Постоянно растущие требования к облачным вычислениям и провайдерам телекоммуникационных услуг заставляют использовать все доступные физические возможности серверов, установленных в их центрах обработки. Устранение узкого места, которым когда-то был Ethernet, окажет огромное позитивное влияние на весь этот сетевой процесс. А инновации, такие как модуляция PAM-4, сделали возможным это усовершенствование, но и одновременно создали новый набор проблем для задач тестирования и проверки новых решений и сетей 400G. Успешно решить эти задачи — это означает успешно встретить новую эру производительности сетей.
См. также:
