Перспективы развития сетей Ethernet

Перспективы развития сетей Ethernet

Выпуск 22 (6696) от 07 ноября 2019 г.
РУБРИКА: СРЕДСТВА СВЯЗИ

Технология Ethernet существует достаточно давно и получила широкое распространение. Она используется при автоматизации зданий и промышленных предприятий, создании внутриавтомобильных сетей, в центрах обработки и хранения данных (ЦОД), облачных сервисах и т. д. Быстро растет скорость передачи данных – ​недавно она достигла 400 Гбит/с, а скоро может перешагнуть терагерцевый рубеж.


45-я Конференция по оптической связи

Международный консорциум Ethernet Alliance, ставящий своей основной целью развитие и продвижение технологий Ethernet, провел 23–25 сентября 2019 г. 45-ю Европейскую конференцию по оптической связи (45th European Conference on Optical Communication, ECOC‑2019, г. Дублин, Ирландия). Выступления участников были посвящены сетям гигабитного Ethernet (Gigabit Ethernet, GbE) различного назначения и быстродействия – ​от 25 Гбит/с до 400 Гбит/с (25GbE – ​400GbE). Рассматривались вопросы освоения технологии 800GbE, при этом отмечалась критическая роль вопросов совместимости при ее реализации.

Технологии Ethernet стремительно наращивают свое быстродействие. Благодаря этому, а также увеличению дальности действия, они сохраняются в качестве инновационного подхода, проникая на новые рынки и в новые для себя применения. Секретом непрерывного успеха Ethernet всегда была и будет оставаться интероперабельность, то есть функциональная совместимость, возможность взаимодействия программных и аппаратных изделий различных поставщиков. В основе беспрепятственного перехода к перспективным быстродействующим экосистемам лежит именно сохранение интероперабельности.

Продемонстрированные на ECOC-2019 высокоскоростные технологии локальных сетей, работающих в реальном масштабе времени, охватывали обширный блок изделий и решений, таких как маршрутизаторы, переключатели и коммутаторы, активные оптические кабели (AOCs) и твинаксиальные пассивные кабели непосредственного подключения (DAC), межсоединения и т. п. Форматы представленных изделий колебались в диапазоне от 25GbE до 400GbE, дальность действия доходила до 4 м, а форм-факторы были представлены промышленными стандартами модульных компактных сетевых приемопередатчиков OSFP, QSFP28, и QSFP-DD, применяющихся в высокоскоростных сетях передачи данных. Свое оборудование представили разработчики и поставщики технологий Ethernet (включая корпорации Amphenol Corporation, Arista Networks, Cisco Systems, CommScope Holding Company, EXFO, Tektronix, Teledyne LeCroy, Xena Networks и фирму TE Connectivity) [1].


Маршрутная карта развития технологий Ethernet

Перспективы развития технологий и средств Ethernet описываются в «Маршрутной карте развития», издаваемой и обновляемой Ethernet Alliance. В начале 2019 г. была опубликована ее очередная версия – ​Ethernet Roadmap 2019 (рис. 1). На конференции ECOC-2019 произошло обсуждение основных направлений.



Источник: Ethernet Alliance

Рисунок 1. Общие перспективы развития Ethernet в соответствии с «Маршрутной картой развития» (Ethernet Roadmap 2019)

* IP-телефония (IP-phone) – построенная на базе протокола IP технология передачи речи по сетям с пакетной коммутацией, в частности по Интернету. IP-телефоны подключаются к Ethernet и затем получают IP-адрес. IP-телефония позволяет использовать сети передачи данных для организации телефонных разговоров и на порядки снизить цены на международные и междугородние звонки.

** Конвергентная мобильная связь – интергированые решения, объединяющие IP-телефонию, фиксированные и мобильные средства связи, Wi-Fi и т.д.


Автомобильный Ethernet

По прогнозам, в 2019 г. для 119 млн автомобилей будет отгружено до 500 млн Ethernet-портов. Внутриавтомобильные Ethernet-линии связи обеспечивают передачу данных и питания, что позволяет снизить стоимость и вес приборов, используемых в транспортных средствах, а также обеспечить экономию, обусловленную ростом масштабов производства, и интероперабельность. Спрос на увеличение пропускной способности в подключенных к сетям автомобилях может стать следующим существенным фактором, стимулирующим переход к технологии Ethernet 400GbE.


Предприятия: территория предприятия и ЦОД

Расширение применения Ethernet на всей территории предприятий и в их ЦОДах сопровождается наращиванием поставок Ethernet-портов. Эти поставки предназначены в основном для локальных сетей и измеряются сотнями миллионов штук в год, включая изделия типа Base-T. В локальных сетях широко применяется медная разводка – ​за последние 15 лет в них было развернуто более 70 млрд метров кабеля. Корпоративные ЦОД чувствительны к затратам, поэтому большинство серверов развертывается в вариантах GbE и 10 GbE.


Автоматизация строительства и промышленности

Строительные и промышленные применения характеризуются потребностью в низкоскоростных локальных сетях, способных работать в жестких и агрессивных условиях окружающей среды. Сообщество Ethernet работает над определением единого стандарта для работы со скоростью 10 МБ/с с подачей питания по одной витой паре. Это позволит консолидировать ряд устаревших протоколов и значительно повысить уровень интероперабельности Ethernet – ​весьма своевременная перспектива с учетом того, что прогнозируемый уровень отгрузок в 2019 г. составит 165 млн портов.


Провайдеры облачных вычислений

Провайдеры облачных вычислений первыми широко освоили серверы 10GbE в 2010 г. для использования в ЦОД, перешедших на гиперразмерные вычисления. Потребность в большей пропускной способности, особенно в отношении внутреннего трафика, подвигла этих провайдеров быстро перейти на стандарт 25GbE, а к концу 2018 г. – ​на 50GbE. Уникальные сетевые архитектуры хранилищ данных ЦОДов способствовали развитию решений 100GbE, 200GbE, и 400GbE на основе одномодовых и многомодовых оптоволокон. Требования к пропускной способности ЦОДов гиперразмерных вычислений и провайдеров облачных вычислений и услуг продолжают демонстрировать экспоненциальный рост практически в одном и том же направлении.


Поставщики услуг

Поставщики услуг десятилетиями занимались повышением быстродействия Ethernet-решений. Соединения маршрутизаторов, клиентская оптика оборудования оптических транспортных сетей (OTN) и беспроводные транзитные передачи постоянно стимулировали повышение быстродействия и дальности действия локальных сетей, обеспечивая соответствие растущим требованиям к ним. Глобальный рост спроса на видеоконтент со стороны потребителей ситуацию не изменил [2].


Повышение скорости передачи данных

Сети ЦОДов в 2019 г. начали переход на стандарт 400GbE, в 2020 г. эта тенденция получит дальнейшее развитие. Следующим большим скачком станет переход на сети 800GbE, особенно если стандарты IEEE и оптические средства будут развиваться в этом же направлении. Основной объем спроса предъявляется крупнейшими ЦОД, специализирующимися на гиперразмерных вычислениях и обработке больших данных (рис. 2), при этом требования к пропускной способности растут более чем на 50%.



Источник: Dell’Oro Group

Рисунок 2. Основные потребители линий с пропускной способностью 400 Гбайт/с –крупные ЦОД обработки больших данных


В 2019 г. может быть отгружено до 800,0 тыс. Ethernet-портов с пропускной способностью 400 Гбит/с – ​в основном для сетей с транзитной передачей и городских сетей. В 2020 г. этот показатель может вырасти до трех миллионов 400GbE-портов, во многом благодаря появлению модулей 400G-ZR/ZR+. Это новый класс когерентных, подключаемых оптических модулей, поддерживающих «плотное» мультиплексирование по длине волны (dense wavelength-division multiplexing, DWDM). Сейчас около десятка поставщиков предлагают отгрузку модулей в 2020 г. по ценам около 4,0 тыс. долл., или 10 долл. за Гбит/сек, что на порядок дешевле альтернативных предложений. Кроме того, потребляемая мощность модулей версии ZR+ составит до 20 Вт, дальность действия – ​от 10 до 1000 км, а сами модули будут поддерживать преобразователи SERDES следующего поколения с быстродействием 100 Гбит/с (при том что альтернативы ограничены быстродействием 50 Гбит/с при потребляемой мощности 15 Вт).

Отмечается, что ZR-модули могут в течение двух лет перейти на версию 800 GbE. ЦОДы в этом случае также быстро перейдут на новые модули с целью сокращения издержек. Ожидается, что в ближайшем будущем наиболее быстрый рост доходов будет наблюдаться у сетей с быстродействием 400 Гбит/с и выше (рис. 3). В тоже время, как отмечают специалисты, сети 50GbE долго не просуществуют (см. таблицу).



Источник: Dell’Oro Group

Рисунок 3. Быстрый рост доходов сетей с пропускной способностью 400 Гбит/с и более


Таблица

Сроки использования полос с различной скоростью передачи данных

Готовность к коммерческому использованию, год

2011

2015

2019

2021

Скорость полосы, Гбит/с

10

25

50

100

Интерфейс сервера

1x

10

25

50

100

2x

50

100

200

Интерфейс архитектуры Leaf-Spine*

4x

40

100

200

400

8x

400

800

* Leaf-Spine interface – ​интерфейс двухуровневой архитектуры Leaf-Spine, в которой уровень Leaf состоит из коммутаторов доступа, подключенных к другим устройствам ЦОД (серверы, межсетевые шлюзы, балансировщики нагрузки и оконечные коммутаторы), а уровень Spine (ядро сети) – ​из маршрутизирующих коммутаторов, при этом каждый Leaf-коммутатор подключен к каждому из Spine-коммутаторов. Для обеспечения предсказуемого расстояния между приборами этих уровней используется динамическая маршрутизация 3-го уровня (Layer 3), обеспечивающая наилучший маршрут. Все устройства «равноудалены» от коммутаторов ядра, т. е. имеют одинаковые и предсказуемые задержки при передаче пакетов. Архитектура предназначена в основном для ЦОД и ориентирована на внутренний трафик.


Для перехода к ИС переключения и коммутации и их поддержки IEEE может просто увеличить вдвое пропускную способность полос частот в стандарте 802.3bs. Поднятие быстродействия SERDES выше уровня 112 Гбит/с ожидается в 2021 г. Однако данный процесс, как и модернизация оптических модулей и переключателей до пропускной способности 1,6 Тбит/с, будет сопряжен с определенными трудностями [3].


Увеличение пропускной способности и фактор КНР

Несколько лет назад отраслевые специалисты пришли к выводу, что существует три важных фактора, которые в сочетании приводят к экспоненциальному росту пропускной способности. Это увеличение числа пользователей, увеличение скорости доступа и увеличение объема услуг.

Таким образом, выделяются три отдельные тенденции, которые необходимо постоянно отслеживать, чтобы гарантировать, что Ethernet продолжает развиваться в темпе, отвечающем требованиям того или иного целевого пространства приложений.

Одно из таких пространств приложений – ​мобильные сети, где решения на основе Ethernet используются для централизованной прямой, среднемагистральной и транзитной (обратной) передачи мобильного трафика. Требования к пропускной способности пространства приложений мобильной сети, в частности в КНР, послужили обоснованием для начала работы группы IEEE, разрабатывавшей версию стандарта 802.3 для средств оптической свзи физического уровня с дальностью действия более 10 км (IEEE802.3 Beyond 10km Optical PHY Study Group). Как показано на рис. 4, КНР переживает существенное увеличение пропускной способности своих мобильных сетей. К 2020 г. это приведет к тому, что ежемесячный объем данных, передаваемых по сетям Поднебесной, окажется на 40% больше, чем аналогичный показатель ближайшего (по объему) региона мира.



Источник: Ethernet Alliance

Рисунок 4. Тенденции наращивания пропускной способности мобильных сетей (данные 2017 г.)


Недавняя презентация проекта IEEE802.3 New Ethernet Applications Bandwidth Assessment предоставила данные, которые позволили глубже понять проблему мобильных сетей Китая и дали реальный пример приведенного выше соотношения факторов, влияющих на увеличение пропускной способности.

1. Количество пользователей 4G. Сейчас в КНР насчитывается 1,1 млрд пользователей сетей 4G. В 2011 г. насыщенность этого рынка составляла всего около 10%, но к июню 2018 г. выросла до 73,5%.

2. Увеличение скорости доступа. С IV кв. 2016 г. по II кв. 2018 г. средняя скорость загрузки пользователей 4G выросла на 70%, увеличившись с 11,93 до 20,22 Мбит/с.

3. Потребление трафика на домохозяйство. Ежемесячный мобильный трафик данных в месяц вырос с 0,2 до 4,2 ГБайт.

Эти три тенденции помогают объяснить рост трафика мобильной сети, показанный на рис. 4. Ожидается, что развертывание средств и сетей 5G будет следовать тенденциям, наблюдаемым при развертывании средств и сетей 4G.

Дополнительную нагрузку на мобильные сети обеспечат и подключенные к сетям автомобили. За последние 10 лет Ethernet-сообщество инвестировало значительные средства в разработку семейства решений на основе одной витой пары для использования в автомобилях. Разработка стандартов диапазона 100MbE и GbE уже завершается – ​они охватывают скорости передачи данных 10 Мбит/с; 2,5, 5 и 10 Гбит/с.

Поскольку транспортные средства все шире подключаются к сетям и облачным вычислениям и услугам (с собственными тенденциями роста скорости доступа), они будут становиться еще одним фактором значительной нагрузки на мобильные сети. Пока неясно, какие приложения будут внедряться, каков будет результирующий потенциальный спрос на пропускную способность подключенных автомобилей, особенно для автономного вождения. Ясно лишь, что трафик будет огромным, особенно в сильно перегруженных городских районах.

Такие тенденции для сообщества Ethernet могут означать только одно – ​ему следует развиваться и дальше, представляя новые решения, способные поддерживать будущие требования к пропускной способности мобильных сетей. В рамках рабочей группы IEEE802.3 Ethernet уже предпринимается ряд усилий по формированию соответствующих стандартов.

IEEE P802.3cn. Пропускная способность 50, 200 и 400 Гбит/с по одномодовому оптоволокну. Стандарт будет использовать технологию PAM4 (PAM – ​импульсная амплитудная модуляция), разработанную для поддержки связи с такими скоростями передачи данных (в настоящее время дальность связи составляет до 10 км, за счет нового стандарта охват предполагается расширить до 40 км).

IEEE P802.3cp. Пропускная способность 10, 25 и 50 Гбит/с по двунаправленному оптоволокну. Стандарт предназначен для развития средств оптического доступа физического уровня (Optical Access PHY) 10GbE, 25GbE и 50GbE для двухточечных соединений6, где доступность оптических волокон ограничена. Одним из ключевых прикладных пространств, на которые нацелены эти усилия, является беспроводная инфраструктура.

IEEE P802. 3ct Пропускная способность 100 и 400 Гбит/с по DWDM-системам. Основные усилия сосредоточены на увеличении дальности действия локальных сетей до 80 км с использованием технологии DWDM. Хотя основные усилия в этом направлении предпринимают операторы мультисервисных сетей (Multi-Service Operators, MSO) и группы объединений двух или более ЦОДов (Data Center Interconnect, DCI), создаваемые решения могут быть использованы в будущем для агрегации мобильных сетей и осуществления транзитных (обратных) передач [4].


1. Ethernet Alliance ECOC2019 Demo Points to The 800GbE Future. Business Wire, September 17, 2019: https://www.businesswire.com/news/home/20190917005684/en/Ethernet-Alliance-ECOC‑2019-Demo-Points‑800GbE

2. Ethernet Roadmap 2019. Ethernet Alliance, 2019: https://ethernetalliance.org/

3. Merritt Rick. Hyperscalers Drive Ethernet Roadmap. EE Times, August 19, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1335039

4. Ethernet in 2019. The Fast Mode, February 2019: https://www.thefastmode.com/technology-solutions/14119-ethernet-in2019


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 20(6744) от 14 октября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.