Как обычно, IEEE использовал существующие стандарты, чтобы проложить путь до 400 Гбит / с. Ключевой характеристикой и ограничением текущих скоростей передачи данных является последовательная скорость на одной полосе, которая достижима при использовании современных электрических технологий. Поскольку новейший стандарт Ethernet 100 Гбит / с основан на четырех параллельных линиях 25 Гбит / с, это стало естественной отправной точкой для разработки 400 Гбит / с. Однако для повышения скорости передачи 400 Гбит / с явно требовался метод увеличения скорости передачи данных по полосам до 50 Гбит / с, и с учетом того, что уже ведется работа по созданию оптических линий 100 Гбит / с, использование этих новых достижений станет большим преимуществом для Ethernet 400 Гбит / с.

Существовал ряд способов достижения целей 400 Гбит / с, но при этом учитывались различные компромиссы и требования сетевой индустрии. С учетом стандарта 400 Гбит / с, ограничивающего физические носители только многомодовым и одномодовым оптическим волокном, стало очевидно, что ключевым фактором будет количество волокон в линии. Известно, что множественные параллельные волокна являются приемлемым решением для линий связи малого радиуса действия до 500 м, но не для длинных кабелей (от 2 до 10 км), где затраты становятся чрезмерными. Однако скорость передачи данных 400 Гбит / с с параллельными линиями 16 x 25 Гбит / с потребует 32 волокна на канал для передачи и приема. При разработке набора спецификаций для 400 Гбит / с целевая группа IEEE использовала ряд технологий и методов для определения приемлемых экономичных решений как для многомодового волокна ближнего радиуса действия, так и для одномодового волокна дальнего радиуса действия, используя различное количество волокон. и линейные ставки. Кроме того, набор стандартов 200 Гбит / с на основе стандартов 400 Гбит / с также был указан в качестве практического пути перехода к 400 Гбит / с.

Стандарты 400 Гбит / с и 200 Гбит / с

Поскольку скорость полосы 50 Гбит / с является фундаментальной основой для достижения скорости 400 Гбит / с, первым важным решением было изменение схемы кодирования сигнала. До настоящего времени все стандарты Ethernet использовали простой двухуровневый метод без возврата к нулю (NRZ) для кодирования потока двоичных данных в передаваемый электрический сигнал. Чтобы достичь более высокой скорости передачи данных по дорожке, необходимо было использовать схему кодирования, известную как 4-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM4), которая эффективно удваивает объем данных, передаваемых за одно и то же время.

Если вы думаете о двоичных данных, представленных сигналом с двумя напряжениями, одним напряжением для «0» и другим напряжением для «1», то это описывает метод кодирования NRZ. Для кодирования PAM4 сигнал имеет четыре уровня напряжения, которые кодируют два двоичных разряда на уровень напряжения. Метод, известный как «кодирование Грея», объединяет пары старших разрядов (MSB) и младших разрядов (LSB) в потоке данных в один из четырех уровней напряжения. Кодирование Грея помогает уменьшить битовые ошибки в сигнале, вызванные шумом амплитуды напряжения. Легко увидеть, как с помощью двух битов данных, сопоставленных одному уровню напряжения, удвоенная информация может передаваться за одно и то же время.

IEEE завершил свой стандарт 802.3bs (IEEE Std 802.3bs-2017) для 200 Гбит / с и 400 Гбит / с Ethernet, реализовав комбинацию кодирования PAM4 и нескольких параллельных линий. Спецификации охватывают варианты многомодового и одномодового оптического волокна длиной от 70 до 10 км. В следующей таблице приведены варианты PHY Ethernet для 400 Гбит / с и 200 Гбит / с.

Спецификация 400GBASE-SR16 поддерживает 16 многомодовых волокон со скоростью 25 Гбит / с с использованием кодирования NRZ, что означает, что общее количество передающих и принимающих волокон в канале будет равно 32. Опция 400GBASE-DR4 поддерживает неоднозначную скорость полосы 100 Гбит / с по четырем одномодовым волокнам. , но может достигать только 500 м. Варианты дуплексного волокна, 400GBASE-FR8 и 400GBASE-LR8, используют мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для передачи восьми полос на восьми разных длинах волн по одномодовому волокну на расстоянии до 10 км. Спецификации 200 Гбит / с в основном соответствуют спецификациям для 400 Гбит / с, но используют четыре полосы 50 Гбит / с по одному или четырем одномодовым волокнам.

Съемные модули и кабели

Для развертывания оборудования, поддерживающего новый стандарт Ethernet 400 Гбит / с, необходимы совершенно новые подключаемые модули, разъемы и кабели. Для порта 400GBASE-SR16 требуются 32-волоконные разъемы и кабели, а в варианте 400GBASE-DR4 используется более высокая скорость передачи электрических сигналов - 56 Гбит / с.

Общий разъем QSFP28 со скоростью 100 Гбит / с поддерживает четыре полосы по 25 Гбит / с со скоростью передачи электрических сигналов 28 Гбит / с. Это восемь волокон для передачи и приема, которые поддерживаются 12-оптоволоконными разъемами MPO (multi-fiber push-on) и кабелями, которые в настоящее время используются для 100 Гбит / с. Очевидно, что 12-волоконные разъемы MPO и кабели будут поддерживать варианты 400GBASE-DR4 и 200GBASE-DR4 в стандарте 802.3bs. Другие варианты, которые используют только два волокна в соединении, могут использовать общие разъемы дуплекс-LC и кабели. Это делает MPO с 32 волокнами новой разработкой специально для стандарта Ethernet 400 Гбит / с.

12-волоконный разъем MPO размещает волокна в один ряд между двумя центрирующими штифтами. Для MPO с 32 волокнами имеется два ряда по 16 волокон, что делает новый разъем несовместимым с MPO с 12 волокнами. Поэтому 32-оптоволоконный разъем MPO имеет другое назначение, чем 12-волоконный MPO, чтобы избежать неправильного подключения трансиверов и кабелей.

С развитием более быстрой передачи сигналов, большего количества линий и большего количества волокон требуются новые форм-факторы трансивера для Ethernet 400 Гбит / с. Всегда есть проблемы и компромиссы, которые нужно учитывать при попытке разместить больше компонентов, которые рассеивают больше энергии в маленьких модулях. Как и в предыдущих стандартах Ethernet, появился ряд форм-факторов оптических трансиверов для Ethernet 400 Гбит / с:

• CFP8 - Большой форм-фактор. Низкая плотность портов. Хорошее управление температурой.

• OSFP - предназначен для оптимального сигнала и тепловых характеристик. Несовместимый форм-фактор.

• QSFP-DD - QSFP «двойной плотности». Обратная совместимость с 100 Гбит / с и 40 Гбит / с Ethernet. Высокая плотность портов.

• COBO - модуль бортовой оптики, который не является сменным приемопередатчиком. Высочайшая плотность портов.

Вследствие растущих потребностей облачных центров обработки данных развитие стандартов Ethernet быстро достигло невероятной скорости передачи данных 400 Гбит / с. Используя новые схемы кодирования и более высокие скорости передачи сигналов, стандарт Ethernet со скоростью 400 Гбит / с знаменует собой значительный отрыв от прежних стандартов и определяет путь к еще более быстрым скоростям в будущем. Новые стандарты 400 Гбит / с и 200 Гбит / с включают многомодовое и одномодовое оптическое волокно длиной от 70 до 10 км. Стандарты охватывают различные экономичные приложения ближнего и дальнего радиуса действия и поддерживаются рядом новых форм-факторов трансиверов, кабелей и разъемов.

По мере появления нового оборудования с пропускной способностью 400 Гбит / с вы можете ожидать его быстрого развертывания в центрах обработки данных, доступа операторов и сетей поставщиков услуг по всему миру. Необходимая дополнительная пропускная способность обеспечит увеличение, так как сетевой трафик продолжает расти из года в год. Однако развитие Ethernet на этом не остановится. Новые рабочие группы Ethernet уже стремятся к более высоким скоростям и более экономичным, компактным форм-факторам, которые будут идти в ногу с будущими отраслевыми требованиями.

От 400 до 800 Гбит / с

В недавно опубликованном отчете группы Dell'Oro говорится, что к 2020 году ожидается, что 400 Гбит / с будут составлять 20 процентов доходов от коммутации центров обработки данных. По данным исследовательской группы, более высокие скорости - 100 Гбит / с, 200 Гбит / с, 400 Гбит / с и 800 Гбит / с. все прогнозируют значительный рост в течение следующих пяти лет. Возможно, неудивительно, что облачные дата-центры будут играть ключевую роль в предстоящем скачке скорости для сетей (от 100 Гбит / с до 400 Гбит / с).

Между тем, рыночный отчет, выпущенный 650 Group, подтверждает, что 200 Гбит / с, 400 Гбит / с и 800 Гбит / с будут отправлены в течение следующих пяти лет, причем последние, как ожидается, начнут расти в начале следующего десятилетия.

«Первая волна 200 Гбит / с и 400 Гбит / с выйдет на рынок в начале 2018 года, поскольку рынок коммутаторов Ethernet увеличивает число скоростей портов всего через три года с момента последнего основного набора технологических достижений», - говорит Алан Векель, основатель и аналитик по технологиям в 650 группа. «Как 200 Гбит / с, так и 400 Гбит / с появятся на основе технологии SerDes 50 Гбит / с, анонсированной в 2017 году. Быстрые темпы инноваций обусловлены не только впечатляющими технологическими усовершенствованиями, но и программно-определяемыми сетями (SDN), которые позволяют облаку лучше использовать вычислительные и сетевые ресурсы в их распоряжении ».

Тестирование 400 Гбит / с, прицел 1.6 Гбит / с

По словам Ронена Айзека из Военных встраиваемых систем, отрасль в настоящее время испытывает и ратифицирует технологии, которые будут развивать скорость до 400 Гбит / с и выше.

«Между 2018 и 2020 годами будут протестированы и приняты скорости 50 и 200 Гбит / с. Тысячи серверов 25GbE и, в конечном итоге, серверов 50GbE в гипермасштабных центрах обработки данных, таких как поставщики облачных услуг, обеспечат потребность в 400GbE для городских сетей (MAN) и глобальных сетей (WAN) », - говорит он. «В недалеком будущем тестирование начнется на скорости 200 Гбит / с, 8000 Гбит / с и поразительной скорости передачи данных 1 Тбит / с и 1,6 Тбит / с с ожидаемым тестированием и ратификацией стандартов к 2020 году».

Заключение

Ethernet быстро перемещается с 40 Гбит / с до 100 Гбит / с на 400 Гбит / с, что стимулирует ряд новых инициатив и разработок SerDes. Действительно, SerDes с пропускной способностью 25 Гбит / с служил ключевым средством поддержки 100 Гбит / с Ethernet, и ожидается, что отрасль сначала будет использовать 50 Гбит / с SerDes для 400 Гбит / с Ethernet, прежде чем перейти к технологии SerDes 100 Гбит / с.

Одновременно технология SerDes смещается от NRZ к PAM4, поскольку она ускоряется с 25 Гбит / с до 50 Гбит / с. Это вызвало ряд архитектурных изменений, в том числе замену традиционного аналога на ADC + DSP, чтобы помочь в достижении целевых показателей производительности и поддержании аналогичной огибающей мощности / площади.