La guida definitiva a 100G Gigabit Ethernet

L'evoluzione attuale del mondo delle reti si orienta verso un approccio basato sui dati per soddisfare le crescenti esigenze del networking. Per la dorsale dell'Ethernet di nuova generazione, 100 Gigabit Ethernet (100 GbE) è attualmente la tecnologia più ampiamente disponibile e lo sviluppo di questa rete sta favorendo la continua crescita della capacità per i provider di rete, l'adozione di reti che richiedono elevata larghezza di banda e l'evoluzione da TDM al trasporto a pacchetto nelle reti metropolitane. Questo articolo descrive che cos'è 100 GbE, il suo percorso evolutivo, come offre vantaggi e in quali settori viene utilizzato.

Che cos'è 100G Gigabit Ethernet?

100GbE si riferisce a 100 Gigabit Ethernet, uno standard di rete ad alta velocità, un protocollo di rete con velocità di trasferimento dati di 100 gigabit al secondo (Gbps), una tecnologia che è uno dei tipi più comuni della famiglia Ethernet e che costituisce la base della comunicazione per la maggior parte delle reti locali (LAN) e delle reti geografiche (WAN) in tutto il mondo. Rispetto ai suoi predecessori, 10GbE e 40GbE, offre miglioramenti significativi in termini di velocità e capacità.

Per rispondere alla necessità di reti ad alta larghezza di banda, l'IEEE ha istituito nel 2006 l'HSSG (Higher Speed Study Group) per sviluppare uno standard per Ethernet 100G, che nel 2007 è stato formalmente trasformato nel gruppo IEEE802.3ba, il quale specifica lo standard Ethernet 40G/100G, di cui 40Gbps è destinato principalmente alle applicazioni di calcolo, mentre 100Gbps è destinato ai servizi core e di aggregazione. Le attuali tecnologie chiave dell'interfaccia Ethernet 100G includono l'aggregazione dei canali a livello fisico(PHY) e la tecnologia di multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (WDM). Esistono tecniche di codifica e modulazione di ordine superiore, come Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) e Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Rispetto alla tecnologia Ethernet 10G, Ethernet 100G offre una maggiore uniformità degli standard di interfaccia e delle prestazioni di larghezza di banda, nonché migliori prestazioni in termini di attenuazione e dispersione.

Sebbene 100GbE sia praticamente identico al suo predecessore in termini di protocolli e principi Ethernet utilizzati, raggiunge efficienze di trasferimento dati fino a 100Gbps grazie a una tecnologia più avanzata. Questa efficienza ha contribuito a rendere 100GbE la dorsale dei data center, delle infrastrutture di rete e del calcolo ad alte prestazioni, un componente essenziale delle reti moderne.

100G Ethernet è la velocità Ethernet più elevata sostenuta su un singolo canale.IEEE 802.3ck è diventato la terza generazione di 100G Ethernet che utilizza un singolo canale da 100G Gb/s nel dicembre 2022, nonché di 200G e 400G Ethernet che utilizzano rispettivamente due e quattro di questi canali, e specifica l'uso di cavi twinassiali per trasmettere 100GBASE-CR e 100GBASE-CR utilizzando cavi twinassiali su distanze fino a 2 metri. Oltre a 100GBASE-CR, che specifica una distanza massima di trasmissione di 2 metri su cavo twinassiale, e 100GBASE-KR, che utilizza un backplane elettrico, il 100GBASE-ZR lo standard supporta Ethernet 100G su una distanza massima di oltre 80 chilometri attraverso l'uso di un'architettura multicanale e l'uso di un sistema DWDM a singola lunghezza d'onda. Se l'economicità è una priorità, anche una configurazione a quattro canali che utilizza SerDes NRZ 25G può essere un mezzo di trasmissione affidabile.

Introduzione all'evoluzione Ethernet 100G

Ethernet, la tecnologia LAN più utilizzata oggi, ebbe origine nel 1973 presso lo Xerox Palo Alto Research Center in California. Fu inizialmente sviluppata per trasmettere dati tra workstation, server e stampanti.

All'epoca fu un risultato rivoluzionario, poiché in precedenza i grandi e costosi computer mainframe avevano dominato le reti informatiche.

La velocità di connessione iniziale di Ethernet era di soli 2,85 megabit al secondo (Mbps). Nel 1980, un consorzio di fornitori formato da Digital Equipment Corporation, Intel e Xerox pubblicò lo standard DIX Ethernet, uno standard Ethernet da 10 Mbps. Di conseguenza, Ethernet rimase limitato a una velocità massima di 10 Mbps fino agli anni '80.

Nel 1995 furono introdotti i sistemi Fast Ethernet da 100 Mbps, inclusa una varietà di sistemi basati su cavi a doppino intrecciato e fibra ottica. Quattro anni dopo fu introdotto Ethernet da 1.000 Mbps (1 GbE).

La transizione da 1 GbE a 10 GbE ha richiesto circa 7 anni, ma la transizione da 10 GbE a 40 GbE ha richiesto solo 4 anni.

Successivamente, con la graduale dismissione di 40 GbE nei data center, il costo delle apparecchiature di rete 100 GbE iniziò a diminuire e seguì un'adozione diffusa delle reti 100 GbE.

Standard IEEE 100 Gigabit

Il gruppo di lavoro IEEE 802.2 è responsabile della manutenzione e dell'espansione degli standard di comunicazione dati Ethernet; quando esaminiamo una particolare normativa, vediamo che le aggiunte a standard specifici sono generalmente denominate con una o due lettere. Ad esempio, la Task Force 802.3z ha definito la versione originale dello standard Gigabit Ethernet.

Ecco 3 standard IEEE essenziali per 100G Ethernet:

Nella sezione precedente, abbiamo menzionato IEEE 802.3ba, una task force completata nel 2010 per supportare velocità superiori a 10Gbit/s. Questo protocollo specifica velocità di 40 e 100G bit/s, corrispondenti alla necessità di supportare endpoint e aggregazione dei link. Questo standard è stato il primo protocollo IEEE a specificare velocità di 100G. Di seguito sono riportati alcuni dei protocolli più importanti relativi a 100G.

Lo standard IEEE 802.3cu è un emendamento al livello fisico Ethernet e ai parametri di gestione che consente la trasmissione di dati ad alta velocità di 100Gb/s e 400Gb/s su fibra monomodale.802.3cu è una revisione dello standard base 802.3 approvata dall'IEEE nel febbraio 2021, che risponde alla crescente domanda di dati ad alta velocità. Lo standard mira a consentire interfacce in fibra monomodale convenienti ed efficienti dal punto di vista energetico per Ethernet 100G e 400G, utilizzando ottiche 100G per ridurre i costi e aumentare la densità.

IEEE 802.3ck, che specifica principalmente le interfacce elettriche 100G, 200G e 400G, è stato votato nel settembre 2022 per l'adozione. Una volta completato, lo standard è destinato ad abilitare interfacce elettriche da 100Gbps e a supportare lo sviluppo di interfacce elettriche a maggiore densità o a costo inferiore per Ethernet 100, 200 o 400G. Questa specifica è anche una specifica di correzione degli errori: stabilendo una serie di specifiche tecniche, può ridurre significativamente i tassi di errore sui bit (BER) e gli errori di trasmissione, migliorando sia la qualità sia l'efficienza della trasmissione dei dati., come tecniche di codifica FEC (Forward Error Correction), sincronizzazione del clock e così via.

IEEE 802.3ct, che specifica principalmente il funzionamento 100G su sistemi DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), è stato completato ed è sottoposto a revisione finale prima della pubblicazione. Questo standard è significativo perché è la prima specifica Ethernet per la tecnologia DWDM coerente che supporta lunghezze di connessione 100G di almeno 80 chilometri.IEEE P802.3cw, sul funzionamento 400G su sistemi DWDM, è ancora in corso, estendendo la specifica Ethernet per la tecnologia DWDM coerente a 400G.

Il vantaggio dell'Ethernet 100GbE

L'adozione di 100 GbE apporta numerosi vantaggi al mondo delle reti e del datacom. Ecco alcuni dei principali vantaggi:

Vantaggi significativi in termini di velocità: Fornisce velocità di trasferimento dati più elevate e migliora la velocità di accesso ai file nelle reti aziendali, soprattutto nei data center e nelle sale server.

Risponde a complesse esigenze di rete: Si adatta alla crescita del traffico Internet e alle richieste complesse provenienti da server virtuali e dispositivi nei data center, garantendo aggiornamenti in tempo reale ed elaborazione efficiente.

Compatibilità con le versioni precedenti: Supporta la compatibilità con l'infrastruttura esistente, consentendo il riutilizzo dei cavi esistenti sostituendo transceiver o moduli. Questo semplifica l'implementazione e riduce i requisiti di alimentazione e spazio, con conseguenti risparmi sui costi.

Ampio supporto del prodotto: È già disponibile un'ampia gamma di prodotti compatibili con 100GbE, come schede di interfaccia di rete, server, switch, ecc., che riducono il numero di nodi e connessioni, migliorano le prestazioni e abbassano il costo totale di proprietà.

Alleggerisce il carico di rete: 100GbE aiuta a ridurre il rischio di contesa e sovraccarico della rete core nelle reti backbone.

Supporta tecnologie emergenti: Per le organizzazioni che adottano Remote Direct Memory Access (RDMA) e altre tecnologie emergenti, migliorando la flessibilità per la crescita futura.

Applicazione Ethernet Gigabit 100G

Grazie alle sue eccellenti prestazioni ad alta velocità, 100GbE è stato ampiamente utilizzato in vari settori. Ecco alcune applicazioni critiche dell'Ethernet 100G gigabit.

Data center: I data center sono la spina dorsale dell'architettura del mondo dei dati, ospitando ed elaborando grandi volumi di dati. 100GbE consente una collaborazione più efficiente tra server, storage e dispositivi di rete, facendo una differenza significativa nelle reti dei data center. Affidandosi al data center, l'elaborazione dei dati è più rapida, le prestazioni sono più elevate e i colli di bottiglia della rete diventano meno numerosi.

Infrastruttura cloud: Con il rapido sviluppo dell'intelligenza artificiale negli ultimi anni, AWS, Azure e Google Cloud, un servizio di cloud computing, si sono sviluppati vigorosamente; la potenza di calcolo è ormai urgente, e le prestazioni ad alta velocità di 100GbE possono aiutare questi fornitori di servizi a connettersi più rapidamente ai clienti, offrendo un grande aiuto per il rapido trasferimento dei dati tra applicazioni e database.

High-Performance Computing (HPC): Per i cluster HPC su larga scala che condividono big data e conducono ricerche e simulazioni scientifiche, le reti ultraveloci sono importanti anche per gestire grandi set di dati in modo più efficiente. Anche 100GbE sta diventando sempre più l'architettura backbone negli ambienti HPC.

Intrattenimento e media: Le esigenze di rete più importanti del settore dei media e dell'intrattenimento sono bassa latenza e ampia larghezza di banda. 100GbE crea piattaforme per la distribuzione di contenuti multimediali in streaming, la creazione di contenuti e file video e audio ad alta risoluzione per consentire il trasferimento dei dati in tempo reale, offrendo ai consumatori una migliore esperienza video online.

Come puoi vedere, la maggior parte di questi scenari applicativi si basa sulle prestazioni di elevata larghezza di banda e bassa latenza di 100GbE, e questi data center mainstream sono particolarmente adatti a soddisfare la domanda, soprattutto per i data center con carichi di lavoro tradizionali ma con un grado di virtualizzazione più elevato.

Conclusione

In breve, con l'emergere di 100GbE, i data center sono cresciuti enormemente e il panorama delle reti è cambiato di conseguenza. Le reti Ethernet 100G gigabit con larghezza di banda elevata e bassa latenza hanno costruito una dorsale critica per il calcolo ad alte prestazioni e le infrastrutture telecom. Con l'evoluzione delle reti, 100GbE assumerà dimensioni ancora maggiori nelle comunicazioni dati per consentire trasferimenti di dati più rapidi ed efficienti, a vantaggio finale sia delle aziende sia dei consumatori.