Полное руководство по 100G Gigabit Ethernet

Современное развитие сетевого мира направлено на использование подхода, основанного на данных, для удовлетворения растущих требований к сетям. В качестве основы Ethernet следующего поколения Ethernet 100 Gigabit (100 GbE) в настоящее время является наиболее широко доступным решением, а развитие этой сети стимулирует дальнейшее увеличение пропускной способности поставщиков сетевых услуг, внедрение сетей с высокими требованиями к пропускной способности и переход от TDM к передаче пакетов в городских сетях. В этой статье рассказывается о том, что такое 100 GbE, каковы пути его развития, какие преимущества он обеспечивает и в каких отраслях используется.

Что такое 100G Gigabit Ethernet?

100GbE означает 100-гигабитный Ethernet, высокоскоростной сетевой стандарт, сетевой протокол передачи данных со скоростью 100 гигабит в секунду (Gbps), одна из наиболее распространенных технологий семейства Ethernet, формирующая основу коммуникаций для большинства локальных сетей (LAN) и глобальных сетей (WAN) по всему миру. По сравнению с предшественниками, 10GbE и 40GbE, он обеспечивает значительные улучшения скорости и емкости.

Для удовлетворения потребности в сетях с высокой пропускной способностью IEEE в 2006 году создал HSSG (Higher Speed Study Group) для разработки стандарта 100G Ethernet, который в 2007 году был официально преобразован в группу IEEE802.3ba. Эта группа определяет стандарт Ethernet 40G/100G, при этом 40 Гбит/с предназначены главным образом для вычислительных приложений, а 100 Гбит/с — для магистральных и агрегирующих сервисов. Ключевые технологии современного интерфейса 100G Ethernet включают агрегацию каналов физического уровня (PHY) и технологию мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM). Также существуют методы кодирования и модуляции более высокого порядка, такие как квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) и квадратурная амплитудная модуляция (QAM). По сравнению с технологией 10G Ethernet, 100G Ethernet обеспечивает более высокую унификацию стандартов интерфейсов и более высокие характеристики пропускной способности, а также лучшие показатели затухания и дисперсии.

Хотя 100GbE практически идентичен своему предшественнику с точки зрения используемых протоколов и принципов Ethernet, благодаря более передовым технологиям он обеспечивает эффективность передачи данных до 100Gbps. Эта эффективность помогла сделать 100GbE основой центров обработки данных, сетевых инфраструктур и высокопроизводительных вычислений, а также важнейшим компонентом современных сетей.

100G Ethernet — это самая высокая скорость Ethernet, поддерживаемая по одному каналу.IEEE 802.3ck стал третьим поколением 100G Ethernet, использующим один канал 100G Gb/s, в декабре 2022 года, а также определил 200G и 400G Ethernet, использующие соответственно два и четыре таких канала, и предусматривает применение Twinaxial-кабелей для передачи 100GBASE-CR и 100GBASE-CR по Twinaxial-кабелям на расстояния до 2 метров. Помимо 100GBASE-CR, для которого указано максимальное расстояние передачи 2 метра по Twinaxial-кабелю, и 100GBASE-KR, использующего электрическую объединительную панель, 100GBASE-ZR стандарт поддерживает Ethernet 100G на максимальном расстоянии более 80 километров благодаря использованию многоканальной архитектуры, а также одноволновой системы DWDM. Если приоритетом является экономическая эффективность, конфигурация с четырьмя каналами на основе 25G NRZ SerDes также может служить надежной средой передачи.

Введение в развитие Ethernet 100G

Ethernet, наиболее широко используемая сегодня технология LAN, возникла в 1973 году в Исследовательском центре Xerox Palo Alto в Калифорнии. Изначально она была разработана для передачи данных между компьютерными рабочими станциями, серверами и принтерами.

В свое время это было революционным достижением, поскольку ранее в компьютерных сетях доминировали значительные и дорогостоящие мейнфреймы.

Начальная скорость соединения Ethernet составляла всего 2.85 мегабита в секунду (Mbps). В 1980 году консорциум поставщиков, в который входили Digital Equipment Corporation, Intel и Xerox, выпустил стандарт DIX Ethernet, стандарт Ethernet со скоростью 10 Mbps. В результате максимальная скорость Ethernet оставалась ограниченной значением 10 Mbps вплоть до 1980-х годов.

В 1995 году были представлены системы Fast Ethernet со скоростью 100 Mbps, включая различные системы на основе витой пары и оптоволокна. Четыре года спустя был представлен Ethernet со скоростью 1,000 Mbps (1 GbE).

Переход от 1 GbE к 10 GbE занял около 7 лет, тогда как переход от 10 GbE к 40 GbE занял всего 4 года.

Впоследствии, по мере отказа центров обработки данных от 40 GbE, стоимость сетевого оборудования 100 GbE начала снижаться, после чего последовало широкое распространение сетей 100 GbE.

Стандарт IEEE 100 Gigabit

Рабочая группа IEEE 802.2 отвечает за поддержку и расширение стандартов передачи данных Ethernet; если рассмотреть конкретный нормативный документ, можно заметить, что дополнения к определённым стандартам обычно обозначаются одной или двумя буквами. Например, рабочая группа 802.3z определила исходную версию стандарта Gigabit Ethernet.

Вот 3 основных стандарта IEEE для Ethernet 100G:

В предыдущем разделе мы упоминали IEEE 802.3ba — рабочую группу, завершившую работу в 2010 году для поддержки скоростей выше 10 Гбит/с. Этот протокол определяет скорости 40 и 100 Гбит/с, что соответствует необходимости поддержки агрегации конечных точек и каналов. Этот стандарт стал первым протоколом IEEE, определившим скорость 100G. Ниже приведены некоторые наиболее важные протоколы, связанные со скоростью 100G.

Стандарт IEEE 802.3cu представляет собой поправку к параметрам физического уровня Ethernet и управления, которая обеспечивает высокоскоростную передачу данных со скоростью 100Gb/s и 400Gb/s по одномодовому волокну.802.3cu является редакцией базового стандарта IEEE 802.3, утвержденной IEEE в феврале 2021 года и отвечающей растущему спросу на высокоскоростную передачу данных. Стандарт предназначен для создания экономичных и энергоэффективных интерфейсов одномодового волокна для Ethernet 100G и 400G с использованием оптики 100G для снижения затрат и повышения плотности.

Стандарт IEEE 802.3ck, который в основном определяет электрические интерфейсы 100G, 200G и 400G, был вынесен на голосование для принятия в сентябре 2022 года. После завершения разработки стандарт должен обеспечить электрические интерфейсы 100 Гбит/с и поддержать разработку электрических интерфейсов более высокой плотности или меньшей стоимости для Ethernet 100, 200 или 400G. Эта спецификация также является спецификацией коррекции ошибок: устанавливая набор технических требований, она позволяет значительно снизить коэффициент битовых ошибок (BER) и количество ошибок передачи, повышая качество и эффективность передачи данных, например с помощью методов кодирования FEC (прямой коррекции ошибок), синхронизации тактовых сигналов и т. д.

IEEE 802.3ct, который в основном определяет работу на скорости 100G по системам DWDM (плотное волновое мультиплексирование), завершён и проходит финальную проверку перед публикацией. Этот стандарт имеет большое значение, поскольку является первой спецификацией Ethernet для когерентной технологии DWDM, поддерживающей соединения 100G длиной не менее 80 километров.IEEE P802.3cw, посвящённый работе на скорости 400G по системам DWDM, всё ещё находится в разработке, расширяя спецификацию Ethernet для когерентной технологии DWDM до 400G.

Преимущества Ethernet 100GbE

Внедрение 100 GbE приносит многочисленные преимущества в мир сетевых технологий и сетей передачи данных. Вот некоторые из ключевых преимуществ:

Значительные преимущества по скорости: Обеспечивает более высокую скорость передачи данных и повышает скорость доступа к файлам в корпоративных сетях, особенно в центрах обработки данных и серверных помещениях.

Отвечает сложным требованиям сети: Адаптируется к росту интернет-трафика и сложным запросам виртуальных серверов и устройств в центрах обработки данных, обеспечивая обновление в реальном времени и эффективную обработку.

Обратная совместимость: Он поддерживает совместимость с существующей инфраструктурой, позволяя повторно использовать имеющиеся кабели путем замены трансиверов или модулей. Это упрощает развертывание и снижает требования к энергопотреблению и пространству, обеспечивая экономию средств.

Широкая поддержка продукции: Уже доступен широкий ассортимент продуктов, совместимых с 100GbE, таких как сетевые карты, серверы, коммутаторы и т. д., что позволяет сократить количество узлов и подключений, повысить производительность и снизить совокупную стоимость владения.

Снижает нагрузку на сеть: 100GbE помогает снизить конкуренцию за ресурсы и риск перегрузки основной сети в магистральных сетях.

Поддерживает передовые технологии: Для организаций, внедряющих Remote Direct Memory Access (RDMA) и другие перспективные технологии, обеспечивая повышенную гибкость для будущего роста.

Применение Gigabit Ethernet 100G

Благодаря отличным высокоскоростным характеристикам 100GbE широко используется в различных отраслях. Ниже приведены некоторые важные области применения гигабитного Ethernet 100G.

Центры обработки данных: Дата-центры являются основой архитектуры мира данных, размещая и обрабатывая большие объемы информации. 100GbE обеспечивает более эффективное взаимодействие между серверами, системами хранения данных и сетевыми устройствами, существенно улучшая работу сетей дата-центров. Благодаря дата-центрам обработка данных выполняется быстрее, производительность повышается, а сетевых узких мест становится меньше.

Облачная инфраструктура: В последние годы искусственный интеллект стремительно развивается, а такие облачные вычислительные сервисы, как AWS, Azure и Google Cloud, активно расширяются. Потребность в вычислительных мощностях также становится всё более актуальной, и высокая производительность 100GbE помогает этим поставщикам услуг быстрее подключать клиентов, обеспечивая значительные преимущества для быстрой передачи данных между приложениями и базами данных.

Высокопроизводительные вычисления (HPC): Для крупномасштабных HPC-кластеров, которые обмениваются большими объемами данных и выполняют научные исследования и моделирование, сверхскоростные сети также имеют большое значение для более эффективной обработки больших наборов данных. 100GbE также все чаще становится базовой архитектурой в средах HPC.

Развлечения и медиа: Наиболее значимыми потребностями сетей индустрии СМИ и развлечений являются низкая задержка и высокая пропускная способность. 100GbE создает платформы для доставки потокового мультимедиа, создания контента, а также работы с видео- и аудиофайлами высокого разрешения, обеспечивая передачу данных в реальном времени и предоставляя потребителям более качественный опыт просмотра онлайн-видео.

Как видите, большинство этих сценариев применения зависят от высокой пропускной способности и низкой задержки 100GbE, а такие современные центры обработки данных хорошо подходят для удовлетворения этого спроса, особенно центры обработки данных с традиционными рабочими нагрузками, но более высокой степенью виртуализации.

Заключение

Иными словами, с появлением 100GbE центры обработки данных значительно выросли, а сетевая среда изменилась. Сети гигабитного Ethernet 100G с высокой пропускной способностью и низкой задержкой сформировали критически важную основу для высокопроизводительных вычислений и телекоммуникационной инфраструктуры. По мере развития сетей 100GbE будет приобретать еще большее значение в передаче данных, обеспечивая более быструю и эффективную передачу данных и в конечном счете принося пользу как компаниям, так и потребителям.