Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 01-02 2012
Андрей СЕМЕНОВ  02 февраля 2012

Сетевые интерфейсы Ethernet 40 и 100 Гбит/с. Что внутри?

Взрывной рост объемов передаваемых данных и соответственно потребность в непрерывном расширении полосы пропускания каналов связи привели к появлению сетевых интерфейсов Ethernet 40 и 100 Гбит/с. Какие технические решения позволили обеспечить такие скорости?

Андрей СЕМЕНОВ, директор по развитию «АйТи-СКС»Наиболее скоростные сетевые интерфейсы, используемые сегодня при построении информационных систем, представлены различными вариантами оборудования 10G Ethernet. За время, прошедшее с начала массовых поставок этой техники на рынок, появилось множество сервисов, в частности видео по запросу и телеконференции, которые предъявляют к сетям все более жесткие требования в отношении пропускной способности. Одновременно быстро растет число центров обработки данных и набирают популярность в значительной степени опирающиеся на ЦОДы облачные вычисления, весьма требовательные к ширине предоставляемых каналов связи.

В результате возможности 10-гигабитной техники, даже при использовании транкинга, заметно эти возможности расширяющего, уже практически исчерпаны. Поэтому на повестку дня встал вопрос о переходе к следующему поколению сетевой аппаратуры с качественно иным уровнем быстродействия. Эта задача решена принятием в июле 2010 г. стандарта IEEE 802.3ba, который фиксирует основные технические параметры сетевых интерфейсов Ethernet, обеспечивающих скорости передачи данных 40 и 100 Гбит/с.

Особенности построения новых типов интерфейсов Ethernet

Стандарт IEEE 802.3ba с последующими дополнениями (в частности, изданный в 2011 г. стандарт IEEE 802.3bg, фиксирующий характеристики 40-гигабитного одномодового оптического интерфейса) определяет ключевые параметры, без которых невозможно создание оборудования нового поколения. Это оборудование носит обобщенные названия 40G Ethernet и 100G Ethernet (или 40GbE и 100GbE соответственно); для указания типа среды передачи, числа каналов, дальности действия и других параметров разработана целая система суффиксов.

Область нормирования стандарта IEEE 802.3ba охватывает линии разной длины, которые могут работать по разным типам электропроводных и оптических кабелей (см. таблицу).

При создании техники с новым уровнем быстродействия использован целый арсенал разнообразных приемов, как уже апробированных (в том числе традиционно заимствованных из дальней связи), так и совершенно новых.

Для обеспечения совместимости, упрощения стыковки с менее скоростными предшественниками и повышения качества работы в оборудовании стандарта 802.3ba применяется традиционный формат кадров Ethernet. Параметры оборудования и трактов передачи вне зависимости от их исполнения выбираются и нормируются таким образом, чтобы вероятность битовых ошибок линейных сигналов не превышала 10-12.

Чтобы сократить сроки и снизить стоимость НИОКР, для новых типов интерфейсов средней и большой дальности действия в качестве прототипа была выбрана хорошо зарекомендовавшая себя технология 10G Ethernet. Уровню, достигнутому у прототипа, в основном соответствует и сервис, который предоставляется системному администратору в области диагностики и управления.

40- и 100-гигабитные варианты оборудования рассматриваются не как конкурирующие, а скорее как дополняющие друг друга. Предполагается, что системы 40G Ethernet будут обслуживать в основном серверы, тогда как 100-гигабитная техника ориентирована преимущественно на различные соединительные линии в ЦОДах.

Выбор количества каналов передачи и канальной скорости

Естественно, что работа над новыми типами сетевых интерфейсов началась с их оптических разновидностей. Необходимость одновременного выпуска спецификаций на оборудование, поддерживающее разные скорости передачи, заставила разработчиков принять меры к их максимальной унификации. Отправной точкой послужил тот факт, что возможности современной микроэлектроники не позволяют осуществлять прямую или косвенную модуляцию линейной несущей сигналами со скоростью 100 Гбит/с. Положение не спасают ни использование в качестве передатчика столь малоинерционного источника света как лазер, ни сложные многопараметрические линейные коды. Наилучшим выходом оказалось применение схемы параллельной передачи в нескольких субканалах. Этот подход уже хорошо отработан в системах 1G и 10G Ethernet, работающих по симметричному кабелю.

При разработке 100-гигабитного Ethernet серьезной проблемой стал выбор скорости передачи в субканалах. Из двух наиболее приемлемых вариантов: 8 × 12,5 и 10 × 10 Гбит/с был принят последний (см. рисунок). По всей вероятности, этому способствовала меньшая сложность отработки делителя исходного информационного сигнала на 10 на передающей стороне и их сумматора на приеме. Ведь в противном случае потребовалось бы фактически с нуля создавать электрооптические и оптоэлектронные преобразователи для скорости 12,5 Гбит/с с соответствующей электроникой. Кроме того, схемные решения отдельных 10-гигабитных субканалов можно во многом заимствовать из 10-гигабитного прототипа.

Для скорости 100 Гбит/с целесообразным казалось использовать комбинацию из четырех отдельных 25-гигабитных потоков, которая применяется в оборудовании дальней связи. Однако такой подход, несмотря на имеющийся задел и демонстрацию осуществимости, был отвергнут еще на ранних этапах работы из-за неудовлетворительных стоимостных характеристик.

Метод достижения требуемой скорости, выбранный в результате создателями стандарта, позволяет свести к минимуму объем НИОКР. При этом нет необходимости искать новые схемы модуляции, линейный сигнал формируется с помощью традиционного и вполне удовлетворяющего требованиям практики в отношении мультигигабитных систем блочного кодирования 64В66В.

Принципы построения интерфейса 100G Ethernet практически автоматически задают информационную скорость второго варианта оборудования следующего поколения, фиксируя ее на значении 40 Гбит/с. Можно сказать, что интерфейс 40G Ethernet – усеченный вариант своего более скоростного собрата.

Многомодовые оптические интерфейсы

Применение в высокоскоростных интерфейсах схемы параллельной передачи позволяет не только достичь высокого быстродействия техники следующего поколения, но и снизить ее стоимость.

Схема параллельной передачи обеспечивает пространственное уплотнение оптического кабеля. Для передачи сигналов каждого субканала из соображений максимального удешевления решения используется отдельное многомодовое волокно. С учетом необходимости организации двухстороннего информационного обмена для скорости 40 Гбит/с таких волокон берется восемь, а для 100-гигабитного интерфейса – 20. Передача осуществляется в экономически выгодном спектральном диапазоне 850 нм, кабель строится на волокнах с 50-микронной сердцевиной категорий ОМ3 и ОМ4. Выбор менее широкополосных световодов нецелесообразен из-за слишком сильных дисперсионных искажений.

Относительно небольшая дальность действия, определяемая фокусной областью применения, позволяет ослабить по сравнению с прототипом требования к максимально допустимой ширине линии излучения лазеров, что благотворно сказывается на стоимостных характеристиках оборудования.

Функции разъемного соединителя выполняет известное уже свыше десяти лет многоканальное изделие типа MTP/МРО. При этом для 100-гигабитного интерфейса, в отличие от 40-гигабитного, в наиболее часто применяемой на практике однорядной установочной линейке 12-волоконного разъема MTP/МРО не задействуются две внешних позиции – 1 и 12 (см. рисунок). Выбор именно такой схемы может объясняться как соображениями симметрии, так и, возможно, удобством построения схемы автоматического определения скорости. Пока эта опция не востребована, однако резкий рост потребности в ней не исключен уже в обозримой перспективе при массовом внедрении 100-гигабитных решений (по некоторым оценкам – после 2015 г.). Подобная схема может использоваться без ограничений как в случае двухкабельного (одна 10-волоконная сборка волокон – на передачу, вторая аналогичная – на прием), так и для однокабельного (все 20 волокон в одном кабеле) варианта построения 100-гигабитной линии.

Линии связи большой протяженности

Для передачи данных на большие расстояния применяются одномодовая оптическая техника и технология спектрального уплотнения (мультиплексирования по длинам волн), которые были хорошо отработаны при создании линий городской и междугородной связи. На скорости 40 Гбит/с используются четыре оптические несущие с центральными длинами волн 1270, 1290, 1310 и 1330 нм. Скорость передачи в каждом таком субканале составляет 10,3125 Гбит/с. Для скорости 100 Гбит/с используются четыре оптические несущие с центральными длинами волн 1295, 1300, 1305 и 1310 нм. Скорость передачи в каждом из спектральных субканалов в вариантах реализации 100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4 составляет 25 Гбит/с.

При работе на более длинных линиях естественным образом предполагается применение оптических несущих, находящихся в спектральном диапазоне 1550 нм (согласно стандарту IEEE 802.3bg, одобренному в марте 2011 г.).

Сетка длин оптических несущих из соображений преемственности и максимальной унификации выбрана в соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи.

А где же медь?

Технология Ethernet рассчитана в первую очередь на ЛВС, т.е. предполагает передачу информации преимущественно на небольшие расстояния. В реалиях сегодняшнего дня физический уровень подобных сетей реализуется в форме структурированной кабельной системы, горизонтальная подсистема которой предусматривает применение четырехпарных симметричных кабелей различных категорий.

При построении интерфейсов Ethernet с суффиксом Т (twisted – витая пара проводов), к которым относятся 1G Ethernet и 10G Ethernet, неоднократно упомянутая выше схема параллельной передачи применяется еще с конца 90-х гг. прошлого века. Поэтому наращивание скорости передачи в них возможно только за счет увеличения тактовой частоты и добавления новых уровней в кодах серии PAM-X. Переход на другие схемы кодирования, скорее всего, нецелесообразен из-за слишком больших сложностей обеспечения обратной совместимости.

Техническая возможность создания подобных интерфейсов для скорости 100 Гбит/с была продемонстрирована еще в конце 2009 г. на лабораторном макете линии протяженностью 110 м. Передача тестовых сигналов производилась по серийному так называемому мульти-медиа-кабелю со структурой SF/FTP, который по своим характеристикам заметно превосходит требования наиболее жесткой на сегодняшний день спецификации категории 7а. Выбор для экспериментов именно 110-метрового отрезка линии объяснялся стремлением разработчиков в максимальной степени смоделировать полный тракт передачи хотя бы с точки зрения затухания. Из них 90 м считались моделью линейного кабеля, а 15 м выполняли функции шнуров (по затуханию 15 м линейного кабеля согласно требованиям международного стандарта эквивалентны 10 м шнурового). Оставшиеся 5 м линии имитировали затухание в разъемных соединителях.

Фокусной областью применения симметричных интерфейсов считаются линии связи в ЦОДах. Там они из-за малой протяженности заметно превосходят оптические аналоги по такому важному параметру, как энергопотребление, за счет возможности работы в режиме малой дальности.

  

Сетевые интерфейсы Ethernet следующего поколения в основном удовлетворяют как сегодняшние потребности отрасли в высокоскоростных каналах связи, так и потребности обозримого будущего.

Оборудование, нормируемое стандартом IEEE 802.3ba, позволяет создавать линии различной протяженности – от межблочных соединений до сетей городского масштаба (в последнем случае – без обращения к ресурсам транспортных сетей).

Характерный отличительный признак оборудования нового поколения – широкое использование различных вариантов схемы параллельной передачи.

При создании интерфейсов новых типов массово применяются узлы и блоки, отработанные ранее на 10-гигабитной технике, что позволяет надеяться на хорошие стоимостные характеристики оборудования даже в начале его серийного производства.  

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!