O Guia Definitivo para 100G Gigabit Ethernet

A evolução atual do mundo das redes caminha para uma abordagem orientada por dados para atender às crescentes demandas de rede. Para o backbone da Ethernet de próxima geração, a Ethernet de 100 Gigabits (100 GbE) é atualmente a mais amplamente disponível, e o desenvolvimento dessa rede está impulsionando o crescimento contínuo da capacidade para provedores de rede, a adoção de redes com alta demanda de largura de banda e a evolução de TDM para transporte por pacotes em redes metropolitanas. Este artigo descreve o que é 100 GbE, seu caminho evolutivo, como ele proporciona benefícios e em quais setores está sendo usado.

O que é 100G Gigabit Ethernet?

100GbE refere-se a 100 Gigabit Ethernet, um padrão de rede de alta velocidade, um protocolo de rede com taxa de transferência de dados de 100 gigabits por segundo (Gbps), uma tecnologia que é um dos tipos mais comuns da família Ethernet e que constrói a base da comunicação para a maioria das redes locais (LANs) e redes de longa distância (WANs) em todo o mundo. Em comparação com seus antecessores, 10GbE e 40GbE, há melhorias significativas em velocidade e capacidade.

Para atender à necessidade de redes de alta largura de banda, o IEEE estabeleceu o HSSG (Higher Speed Study Group) em 2006 para desenvolver um padrão para Ethernet 100G, que foi formalmente transformado no grupo IEEE802.3ba em 2007, que especifica o padrão Ethernet 40G/100G, no qual 40Gbps é principalmente para aplicações de computação, enquanto 100Gbps é para serviços de núcleo e agregação. As principais tecnologias atuais da interface Ethernet 100G incluem agregação de canais da camada física(PHY) e tecnologia de Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM). Existem técnicas de codificação e modulação de ordem superior, como Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) e Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Em comparação com a tecnologia Ethernet 10G, a Ethernet 100G oferece maior uniformidade dos padrões de interface e desempenho de largura de banda, além de melhor desempenho em atenuação e dispersão.

Embora 100GbE seja praticamente idêntico ao seu antecessor em termos dos protocolos e princípios Ethernet utilizados, ele alcança eficiências de transferência de dados de até 100Gbps por meio de tecnologia mais avançada. Essa eficiência ajudou a tornar o 100GbE a espinha dorsal dos data centers, das infraestruturas de rede e da computação de alto desempenho, um componente essencial das redes modernas.

100G Ethernet é a velocidade Ethernet mais rápida sustentada em um único canal.IEEE 802.3ck tornou-se a terceira geração de 100G Ethernet usando um único canal de 100G Gb/s em dezembro de 2022, bem como 200G e 400G Ethernet usando dois e quatro desses canais, respectivamente, e especifica o uso de cabos twinaxiais para transmitir 100GBASE-CR e 100GBASE-CR usando cabos twinaxiais em distâncias de até 2 metros. Além de 100GBASE-CR, que especifica uma distância máxima de transmissão de 2 metros por cabo twinaxial, e 100GBASE-KR, que usa um backplane elétrico, o 100GBASE-ZR o padrão oferece suporte a 100G Ethernet por uma distância máxima de mais de 80 quilômetros por meio do uso de uma arquitetura multicanal, bem como do uso de um sistema DWDM de comprimento de onda único. Se a relação custo-benefício for uma prioridade, uma configuração de quatro canais usando 25G NRZ SerDes também pode ser um meio de transmissão confiável.

Introdução à evolução da Ethernet 100G

Ethernet, a tecnologia LAN mais amplamente usada atualmente, teve origem em 1973 no Xerox Palo Alto Research Center, na Califórnia. Ela foi inicialmente desenvolvida para transmitir dados entre estações de trabalho de computador, servidores e impressoras.

Isso foi uma conquista revolucionária em sua época, já que computadores mainframe significativos e caros dominavam anteriormente as redes de computadores.

A velocidade inicial de conexão da Ethernet era de apenas 2,85 megabits por segundo (Mbps). Em 1980, um consórcio de fornecedores da Digital Equipment Corporation, Intel e Xerox lançou o padrão DIX Ethernet, um padrão Ethernet de 10 Mbps. Como resultado, a Ethernet ficou limitada a uma velocidade máxima de 10 Mbps até a década de 1980.

Em 1995, foram introduzidos sistemas Fast Ethernet de 100 Mbps, incluindo uma variedade de sistemas de mídia de par trançado e fibra óptica. Quatro anos depois, foi introduzida a Ethernet de 1.000 Mbps (1 GbE).

A transição de 1 GbE para 10 GbE levou cerca de 7 anos, mas a transição de 10 GbE para 40 GbE levou apenas 4 anos.

Posteriormente, à medida que os data centers eliminaram gradualmente o 40 GbE, o custo dos equipamentos de rede 100 GbE começou a cair, e seguiu-se a adoção generalizada de redes 100 GbE.

Padrão IEEE de 100 Gigabit

O Grupo de Trabalho IEEE 802.2 é responsável por manter e expandir os padrões de comunicação de dados Ethernet; quando analisamos uma regulamentação específica, vemos que as adições a padrões específicos geralmente são nomeadas por uma ou duas letras. Por exemplo, a Força-Tarefa 802.3z definiu a versão original do padrão Gigabit Ethernet.

Aqui estão 3 padrões IEEE essenciais para Ethernet 100G:

Na seção anterior, mencionamos o IEEE 802.3ba, uma força-tarefa concluída em 2010 para oferecer suporte a velocidades superiores a 10Gbit/s. Esse protocolo especifica taxas de 40 e 100G bit/s, correspondentes à necessidade de oferecer suporte à agregação de endpoints e links. Esse padrão foi o primeiro protocolo IEEE a especificar taxas de 100G. A seguir estão alguns dos protocolos mais importantes relacionados a 100G.

O padrão IEEE 802.3cu é uma emenda à camada física Ethernet e aos parâmetros de gerenciamento que permite a transmissão de dados em alta velocidade de 100Gb/s e 400Gb/s por fibra monomodo.802.3cu é uma revisão do padrão base 802.3 aprovada pelo IEEE em fevereiro de 2021, atendendo à crescente demanda por dados em alta velocidade. O padrão visa possibilitar interfaces de fibra monomodo econômicas e energeticamente eficientes para Ethernet 100G e 400G, utilizando óptica 100G para reduzir custos e aumentar a densidade.

IEEE 802.3ck, que especifica principalmente as interfaces elétricas 100G, 200G e 400G, foi votado em setembro de 2022 para adoção. Quando concluído, o padrão destina-se a habilitar interfaces elétricas de 100Gbps e apoiar o desenvolvimento de interfaces elétricas de maior densidade ou menor custo para Ethernet 100, 200 ou 400G. Esta especificação também é uma especificação de correção de erros; ao estabelecer um conjunto de especificações técnicas, ela pode reduzir significativamente as taxas de erro de bits (BERs) e os erros de transmissão, aprimorando tanto a qualidade quanto a eficiência da transmissão de dados, como técnicas de codificação FEC (Forward Error Correction), sincronização de clock e assim por diante.

IEEE 802.3ct, que especifica principalmente a operação 100G em sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), foi concluído e está sob revisão final antes da publicação. Esse padrão é significativo porque é a primeira especificação Ethernet para tecnologia DWDM coerente que suporta comprimentos de conexão 100G de pelo menos 80 quilômetros.IEEE P802.3cw, sobre operação 400G em sistemas DWDM, ainda está em andamento, estendendo a especificação Ethernet para tecnologia DWDM coerente para 400G.

O benefício da Ethernet 100GbE

A adoção de 100 GbE traz inúmeras vantagens para o mundo de redes e datacom. Aqui estão alguns dos principais benefícios:

Benefícios significativos de velocidade: Oferece velocidades mais altas de transferência de dados e melhora as velocidades de acesso a arquivos em redes corporativas, especialmente em data centers e salas de servidores.

Responde a demandas complexas de rede: Adapta-se ao crescimento do tráfego da Internet e a solicitações complexas de servidores virtuais e dispositivos em data centers, garantindo atualizações em tempo real e processamento eficiente.

Compatibilidade com versões anteriores: Ele oferece compatibilidade com a infraestrutura existente, permitindo a reutilização dos cabos existentes por meio da substituição de transceptores ou módulos. Isso simplifica a implantação e reduz os requisitos de energia e espaço, resultando em economia de custos.

Amplo suporte a produtos: Uma ampla variedade de produtos compatíveis com 100GbE, como placas de interface de rede, servidores, switches, etc., já está disponível, reduzindo o número de nós e conexões, melhorando o desempenho e diminuindo o custo total de propriedade.

Alivia a carga da rede: 100GbE ajuda a reduzir a contenção e o risco de sobrecarga da rede principal em redes de backbone.

Compatível com tecnologias emergentes: Para organizações que adotam Remote Direct Memory Access (RDMA) e outras tecnologias emergentes, aumentando a flexibilidade para o crescimento futuro.

Aplicação de Ethernet Gigabit 100G

Devido ao seu excelente desempenho de alta velocidade, o 100GbE tem sido amplamente usado em vários setores. Aqui estão algumas aplicações críticas de Ethernet gigabit 100G.

Data Centers: Os data centers são a espinha dorsal da arquitetura do mundo dos dados, hospedando e processando grandes volumes de dados. 100GbE possibilita uma colaboração mais eficiente entre servidores, armazenamento e dispositivos de rede, fazendo uma diferença significativa nas redes de data centers. Dependendo do data center, o processamento de dados é mais rápido, o desempenho é maior e os gargalos de rede se tornam menos frequentes.

Infraestrutura em nuvem: Com o rápido desenvolvimento da inteligência artificial nos últimos anos, AWS, Azure e Google Cloud, um serviço de computação em nuvem, foram desenvolvidos vigorosamente; como a demanda por poder computacional também é iminente, o desempenho de alta velocidade do 100GbE pode ajudar esses provedores de serviços a se conectarem aos clientes mais rapidamente, além de oferecer grande ajuda para a rápida transferência de dados entre aplicações e bancos de dados.

Computação de Alto Desempenho (HPC): Para clusters de HPC de grande escala que compartilham big data e realizam pesquisas científicas e simulações, redes ultrarrápidas também são importantes para lidar com grandes conjuntos de dados de forma mais eficiente. O 100GbE também está se tornando cada vez mais a arquitetura de backbone em ambientes de HPC.

Entretenimento e mídia: As necessidades de rede mais significativas do setor de mídia e entretenimento são baixa latência e alta largura de banda. 100GbE cria plataformas para entrega de streaming de mídia, criação de conteúdo e arquivos de vídeo e áudio de alta resolução para permitir a transferência de dados em tempo real, proporcionando aos consumidores uma melhor experiência de vídeo online.

Como você pode ver, a maioria desses cenários de aplicação depende do desempenho de alta largura de banda e baixa latência de 100GbE, e esses data centers convencionais são bem adequados para atender à demanda, especialmente para data centers com cargas de trabalho tradicionais, mas com um grau mais alto de virtualização.

Conclusão

Em resumo, com o surgimento do 100GbE, os data centers cresceram tremendamente, e o cenário das redes mudou por causa disso. Redes 100G gigabit Ethernet com alta largura de banda e baixa latência construíram uma espinha dorsal crítica para infraestruturas de computação de alto desempenho e telecomunicações. À medida que as redes evoluem, o 100GbE assumirá dimensões ainda maiores nas comunicações de dados para permitir transferências de dados mais rápidas e eficientes, beneficiando, em última análise, empresas e consumidores.