Jako obvykle IEEE využil stávající standardy k vytvoření cesty k 400 Gbps. Klíčovou charakteristikou a omezením aktuálních datových rychlostí je jednokolejná sériová rychlost, která je dosažitelná současnou elektrickou technologií. S nejnovějším standardem Ethernet 100 Gb / s založeným na čtyřech paralelních drahách 25 Gb / s se toto ukázalo jako přirozený výchozí bod pro vývoj 400 Gb / s. Pro 400 Gb / s byl však jednoznačně potřebný způsob zvýšení rychlosti přenosu dat na 50 Gb / s, a vzhledem k tomu, že práce již probíhají na dosažení optických pruhů 100 Gb / s, použití těchto nových úspěchů by bylo velkou výhodou pro 400 Gb / s Ethernet.

Existuje několik způsobů, jak splnit cíle 400 Gb / s při současném zvažování různých kompromisů a požadavků síťového průmyslu. Se standardem 400 Gb / s omezujícím fyzická média pouze na optická vlákna s multimode a single-mode, bylo zřejmé, že klíčovým tématem bude počet vláken ve spojení. Je známo, že více paralelních vláken je přijatelným řešením pro spojení krátkého dosahu do 500 m, ale nikoli pro delší délky kabelů (2 až 10 km), kde jsou náklady příliš vysoké. Přenosová rychlost 400 Gbps s paralelními pruhy 16 x 25 Gbps by však vyžadovala pro přenos a příjem 32 vláken na linku. Při vývoji sady specifikací pro 400 Gb / s použila pracovní skupina IEEE řadu technologií a metod pro definování přijatelných nákladově efektivních řešení jak pro multimodové vlákno s krátkým dosahem, tak pro vlákno s jedním režimem s dlouhým dosahem využívající různý počet vláken. a řádkové sazby. Kromě toho byla jako praktická migrační cesta ke 400 Gbps také stanovena sada 200 Gbps standardů založených na 400 Gbps standardech.

Standardy 400 Gbps a 200 Gbps

Protože rychlost pruhu 50 Gb / s je základním předpokladem dosažení 400 Gb / s, bylo prvním významným rozhodnutím změnit schéma kódování signálu. Doposud všechny ethernetové standardy používaly jednoduchou dvouúrovňovou metodu non-Return-to-Zero (NRZ) pro kódování binárního datového toku na přenosný elektrický signál. Aby se dosáhlo vyšší rychlosti přenosu dat v jízdním pruhu, je třeba použít schéma kódování známé jako 4-Level Pulse Amplitude Modulation (PAM4), které účinně zdvojnásobuje množství dat přenášených ve stejném množství času.

Pokud uvažujete o binárních datech reprezentovaných signálem se dvěma napětími, jedním napětím pro „0“ a druhým napětím pro „1“, pak je popsána metoda kódování NRZ. Pro kódování PAM4 má signál čtyři úrovně napětí, které kódují dva binární bity na úroveň napětí. Metoda známá jako „šedé kódování“ kombinuje nejvýznamnější bitové (MSB) a nejméně významné bitové (LSB) páry v datovém proudu do jedné ze čtyř úrovní napětí. Šedé kódování pomáhá redukovat bitové chyby v signálu způsobené šumem amplitudy napětí. Je snadné vidět, jak lze pomocí dvou datových bitů mapovaných na jednu napěťovou hladinu přenášet dvojnásobné informace ve stejném množství času.

IEEE dokončil svůj standard 802.3bs (IEEE Std 802.3bs-2017) pro 200 Gbps a 400 Gbps Ethernet implementací kombinace kódování PAM4 a více paralelních pruhů. Specifikace se vztahují na multimode a single mode optických vláken s možností běhu od 70 m do 10 km. Následující tabulka shrnuje varianty Ethernet PHY pro 400 Gbps a 200 Gbps.

Specifikace 400GBASE-SR16 podporuje 16 multimodových vláken při 25 Gbps pomocí NRZ kódování, což znamená, že celková vysílací a přijímací vlákna ve spoji bude 32. Volba 400GBASE-DR4 podporuje kontroverzní rychlost pruhu 100 Gbps přes čtyři single-mode vlákna , ale může dosáhnout pouze 500 m. Varianty duplexních vláken, 400GBASE-FR8 a 400GBASE-LR8, používají multiplexování s dělením vlnové délky (WDM) k přenosu osmi pruhů přes osm různých vlnových délek na single-mode vlákně pro dosah až 10 km. Specifikace 200 Gb / s se v zásadě řídí specifikacemi pro 400 Gb / s, ale používají čtyři pruhy o rychlosti 50 Gb / s na jednom nebo čtyřech single-mode vláknech.

Zásuvné moduly a kabely

K nasazení zařízení podporujících nový standard Ethernet GPR 400 Gb / s jsou zapotřebí zcela nové zásuvné moduly, konektory a kabely. Port 400GBASE-SR16 vyžaduje 32-vláknové konektory a kabely a varianta 400GBASE-DR4 používá vyšší rychlost elektrické signalizace 56 Gbps.

Společný konektor QSFP28 o rychlosti 100 Gb / s podporuje čtyři pruhy o rychlosti 25 Gb / s s rychlostí elektrické signalizace 28 Gb / s. To je osm vláken pro vysílání a příjem, která je podporována 12-vláknovými konektory MPO (multi-fibre push-on) a kabely, které se v současné době používají pro rychlost 100 Gbps. Je zřejmé, že 12-vláknové konektory a kabely MPO podporují varianty 400GBASE-DR4 a 200GBASE-DR4 ve standardu 802.3bs. Jiné varianty, které používají pouze dvě vlákna ve spojení, mohou využívat běžné duplexní LC konektory a kabely. To ponechává 32-vláknové MPO jako nový vývoj speciálně pro standard 400 Gbps Ethernet.

12-vláknový konektor MPO uspořádá vlákna do jedné řady mezi dvěma vyrovnávacími kolíky. U 32-vláknového MPO existují dvě řady 16 vláken, což činí nový konektor nekompatibilní s 12-vláknovým MPO. 32-vláknový konektor MPO je proto klíčován odlišně od 12-vláknového MPO, aby se zabránilo nesprávnému připojení vysílačů a kabelů.

S rozvojem rychlejší signalizace, více jízdních pruhů a více vláken jsou pro 400 Gbps Ethernet vyžadovány nové formové faktory transceiveru. Při pokusu o vložení dalších komponent, které rozptýlí více energie do malých modulů, vždy existují výzvy a kompromisy. Stejně jako u předchozích standardů Ethernet se u 400 Gb / s Ethernet objevilo množství optických transceiverových tvarových faktorů:

• CFP8 - Velký tvarový faktor. Nízká hustota portů. Dobré tepelné řízení.

• OSFP - Navrženo pro optimální signál a tepelný výkon. Nekompatibilní tvarový faktor.

• QSFP-DD - QSFP s dvojitou hustotou. Zpětně kompatibilní se 100 GbpS a 40 Gbps Ethernet. Vysoká hustota portů.

• COBO - Palubní optický modul, který není zásuvným vysílačem a přijímačem. Nejvyšší hustota portů.

Díky rostoucím požadavkům cloudových datových center vývoj ethernetových standardů rychle dosáhl neuvěřitelné datové rychlosti 400 Gbps. Díky novým schématům kódování a vyšším signalizačním rychlostem představuje standard Ethernet Ethernet s rychlostí 400 Gb / s významný zlom od minulých standardů a v budoucnu stanoví cestu k ještě rychlejším rychlostem. Nové standardy 400 Gbps a 200 Gbps zahrnují možnosti optických vláken pro multimode a single-mode běžící od 70 m do 10 km. Standardy pokrývají různé nákladově efektivní aplikace s krátkým a dlouhým dosahem a byly podporovány řadou nových tvarových faktorů, kabelů a konektorů transceiveru.

Jakmile bude k dispozici nové zařízení s rychlostí 400 Gb / s, můžete očekávat rychlé nasazení v sítích datových center, operátorů a poskytovatelů služeb po celém světě. Velmi potřebná zvláštní šířka pásma poskytne podporu, protože síťový provoz se meziročně neustále zvyšuje. Vývoj Ethernetu se však nezastaví. Nové pracovní skupiny pro Ethernet již usilují o vyšší rychlosti a hospodárnější a kompaktnější formové faktory, které udrží krok s budoucími průmyslovými požadavky.

Od 400 Gbps do 800 Gbps

Nedávno zveřejněná zpráva skupiny Dell'Oro uvádí, že se očekává, že 400 Gbps bude do roku 2020 zahrnovat 20 procent výnosů z přepínání datových center. Podle výzkumné skupiny jsou vyšší rychlosti - 100 Gbps, 200 Gbps, 400 Gbps a 800 Gbps - Všechny prognózy povedou v následujících pěti letech k významnému růstu. Možná není divu, že se očekává, že cloudová datová centra budou hrát klíčovou roli v nadcházejícím rychlostním skoku pro sítě (od 100 Gbps do 400 Gbps).

Mezitím zpráva o trhu zveřejněná skupinou 650 potvrzuje, že 200 Gb / s, 400 Gb / s a 800 Gb / s se bude dodávat v příštích pěti letech - s plánovaným rampou počátkem příštího desetiletí.

„První vlna 200 Gbps a 400 Gbps zasáhne trh začátkem roku 2018, protože trh s přepínačem Ethernet rozšiřuje počet rychlostí portů jen tři roky od poslední významné sady technologických pokroků,“ říká Alan Weckel, zakladatel a technologický analytik společnosti 650 Group. „Jak 200 Gbps, tak 400 Gbps se vynoří z technologie SerDes 50 Gbps, která byla ohlášena v roce 2017. Rychlé tempo inovací je vedeno nejen působivými technologickými vylepšeními, ale také softwarem definovanými sítěmi (SDN), které umožňují cloudu lépe využívat výpočetní a síťové zdroje, které mají k dispozici. “

Testování 400 Gb / s, při pohledu 1,6 Tb / s

Podle Ronen Isaac of Military Embedded Systems toto odvětví v současné době testuje a ratifikuje technologie, které přinesou rychlosti až 400 Gbps a dále.

„V letech 2018 až 2020 bude testováno a přijato 50 Gbps a 200 Gbps. Tisíce 25GbE serverů a případně 50GbE serverů v hyperrozměrných datových centrech, jako jsou poskytovatelé cloudových služeb, přivedou potřebu 400GbE do metropolitních sítí (MAN) a širokopásmových sítí (WAN), “říká. "V nepříliš vzdálené budoucnosti začne testování s rychlostí 200 Gb / s, 8000 Gb / s a překvapivě rychlosti datového toku 1 Tb / s a 1,6 Tb / s s očekávaným testováním a ratifikací standardů do roku 2020."

Závěr

Ethernet se rychle pohybuje z 40 Gb / s na 100 Gb / s až 400 Gb / s, což vede k řadě nových iniciativ a vývoje SerDes. Opravdu, 25 Gb / s SerDes sloužilo jako klíčový aktivátor pro 100 Gb / s Ethernet, přičemž se očekává, že průmysl zpočátku využije 50 Gb / s SerDes pro 400 Gb / s Ethernet před přechodem na technologii 100 Gb / s SerDes.

Současně se technologie SerDes přesouvá z NRZ na PAM4, protože zrychluje z 25 Gbps na 50 Gbps. To vyvolalo řadu architektonických změn, včetně nahrazení tradičního analogu za ADC + DSP, které pomohou splnit výkonnostní cíle a udržovat podobnou obálku výkonu / oblasti.