Od chwili kiedy Robert Metcalfe nakreślił pierwszy schemat sieci Ethernet minęło już ponad 35 lat. Od tego czasu technologia Ethernet bardzo się rozwinęła i znacznie poprawiła swoją jakość i niezawodność. Obecnie szybkimi krokami zbliżają się dwa nowe standardy – 40 GE i 100 GE. Jakie niosą ze sobą wyzwania i kiedy znajdą zastosowanie w sieciach produkcyjnych?
Do szybkiego rozwoju Ethernetu przyczynił się fakt, że jak żadna inna technologia, skutecznie odpowiada na rosnące zapotrzebowanie użytkowników na pasmo. Szczególnie dla najbardziej dynamicznie zmieniającej się aplikacji – IP (Internet Protocol). Drugim powodem popularności Ethernetu jest niska cena układów ASIC, zapewniających niski koszt portów urządzeń i kart sieciowych. Trzecim elementem decydującym o sukcesie Ethernetu jest łatwość instalacji i prostota w utrzymaniu. Ostatnim elementem, ale nie najmniej ważnym, jest standaryzacja protokołu w ramach grupy IEEE 802.3. Różne urządzenia pochodzące od różnych producentów, mogą być łączone ze sobą bez żadnych problemów. Obecnie znakomita większość połączeń sieciowych i internetowych w całości wykonanych jest w technologii Ethernet – od gniazdka domowego użytkownika, przez port na routerze szkieletowym, do farmy serwerów w centrum przetwarzania danych.
Prace nad standaryzacją 40 i 100 GE
Szybko zauważono potrzebę oferowania większych przepustowości niż 10 Gbit/s. W 2006 roku rozpoczęto prace nad przyjęciem standardu i zdefiniowano dwie kolejne fazy Ethernetu: 40 i 100 GE. Prace prowadzone są w ramach trzech wydzielonych grup roboczych:
- IEEE 802.3ba skoncentrowanej na technologii 40 i 100 GE Ethernet o lokalnym zasięgu,
- ITU Study Group (15), która definiuje sposoby transmisji 40i 100 GE w sieci transportowej Optical Transport Network (OTN),
- Optical Interworking Forum (OIF) , która definiuje wzajemną współpracę 40 i 100GE z siecią optyczną DWDM.
Z punktu widzenia sieci lokalnych, dużych serwerów i centrów przetwarzania danych największe znaczenie mają pracę prowadzone przez grupę IEEE, ponieważ bezpośrednio dotyczą sieci LAN i standardu Ethernet 802.3ba. Jednak dla urządzeń sieciowych, pracujących w sieciach szkieletowych i agregacyjnych może nawet większe znaczenie mają ustalenia pozostałych ciał standaryzacyjnych. To one przekładają się na sposób wykorzystania Ethernetu wysokiej przepustowości do transmisji na duże odległości. Obecnie bez problemu można sobie wyobrazić transmisję 40 G/bit/s i 100 bit/s bez udziału ramki ethernetowej.
Założenia i cele, które przyświecały twórcom technologii Ethernet 40 i 100 GE były takie same, jak dla standardu 10GE:
- obsługa tylko dla transmisji dwukierunkowej (full-duplex),
- zachowanie formatu ramki ethernetowej 802.3 MAC,
- zachowanie tej samej wielkości ramki, co dla standardu 802.3,
- zdolność do współpracy z siecią optyczną Optical Transport Network (OTN),
- zasięg pracy do 40km dla optyki jednomodowej (SMF).
Wszystkie te założenia stanowią logiczną kontynuację obecnego standardu 10GE. Ostatni punkt wydaje się jednak bardzo istotny, jeśli chodzi o wykorzystanie tej technologii do przesyłania pakietów na duże odległości. Operatorzy telekomunikacyjni budują lub aktualnie posiadają sieci transportowe zaprojektowane w większości na 10GE. Przyjęty standard powinien umożliwić przesłanie sygnału 40 i 100 GE w ramach tej samej infrastruktury optycznej DWDM.
Zakończenie prac nad standaryzacją technologii Ethernet 40 i 100GE planowane jest na czerwiec 2010 roku. Od momentu przyjęcia standardu musi upłynąć określony czas, zanim producenci zaprojektują, zbudują i przetestują pierwsze urządzenia wykonane w tej technologii. Należy również zwrócić uwagę, że upłyną kolejne miesiące, zanim technologia stanie się na tyle „dojrzała”, że klienci zaczną ją chętnie wykorzystywać w sieci produkcyjnej.
Można zatem powiedzieć, że pojawienia się pierwszych urządzeń wspierających duże interfejsy ethernetowe należy spodziewać się dopiero za dwa lata. Oczywiście już w tej chwili wiele firm projektuje prototypowe wersje urządzeń i kart sieciowych. W czerwcu 2008 roku Cisco po raz pierwszy zademonstrowała w sieci Comcast router z interfejsem 100 GE. Było to pierwsze na świecie testowe uruchomienie interfejsu 100GE w sieci produkcyjnej. Dwa routery Cisco CRS-1 z prototypami kart 100GE zostały połączone ze sobą poprzez sieć DWDM na odległość 300 km.
Problemem jest jednak to, że rynek już teraz wymaga większych przepustowości niż 10 GE. Dzieje się, ponieważ następuje bardzo duży przyrost ruchu, powodowany głównie nowymi serwisami internetowymi, aplikacjami wideo, telewizją internetową, grami sieciowymi, serwisami informacyjnymi, ruchem P2P oraz, ogólnie, stale rosnącą liczbą użytkowników sieci.
Z drugiej strony operacje na macierzach NAS i SAN w centrach przetwarzania danych oraz ruch w punktach wymiany ruchu internetowego IX zużywają już znacznie więcej pasma niż 10GE. Zastosowanie przełączników ethernetowych z portami 40/100 GE znacznie uprościłoby infrastrukturę oraz zmniejszyło liczbę urządzeń, portów i kabli potrzebnych do instalacji i utrzymania.
Czy 40GE jest możliwy już dzisiaj?
Operatorzy telekomunikacyjni już dzisiaj widzą zatem potrzebę inwestowania w urządzenia oferujące wyższe przepustowości, żeby nadążyć za potrzebami rynku i nie tracić biznesu. Pojedyncze interfejsy są łatwiejsze w utrzymaniu, a jednocześnie zapewniają znaczne obniżenie kosztów operacyjnych i zużycia energii.
Jedynym dostępnym dzisiaj standardem do przesyłania danych z szybkością 40Gbit/s jest interfejs STM-256c, występujący w dwóch odmianach: POS i DWDM. Zasięg interfejsu POS jest dosyć ograniczony, a jego koszt stosunkowo duży.
Transport pakietów IP bepośrednio poprzez systemy DWDM nosi nazwę IPoDWDM. W ramach prac grupy ITU opracowano kilka sposobów mapowania ramki POS 40 G w sieci optycznej. Technologia IPoDWDM umożliwia podłączenie portu 40 Gbit/s bezpośrednio do sieci optycznej DWDM. Uzyskuje się w ten sposób czterokrotne zwiększenie przepustowości sieci optycznej i przesyłanie danych z szybkością 40 Gbit/s w ramach pojedynczego kanału 10 Gbit/s.
Technologia ta w ostatnich kilku latach bardzo szybko się rozwija, jako naturalny proces ewolucji konwergentnych sieci transportowych. Pozwala ona operatorom lepiej wykorzystać pasmo i uzyskać znaczące oszczędności, jeśli chodzi o efektywność poniesionych inwestycji w porównaniu z ilością uzyskiwanego pasma. Jest to szczególnie istotne dla operatorów telekomunikacyjnych, którzy stale muszą rozbudowywać swoje sieci z uwagi na niekończący się wzrost ruchu w Internecie oraz liczby podłączonych klientów szerokopasmowych i biznesowych.
Wyzwania dla przepustowości 40 i 100 Gbit/s
Oczywistym wyzwaniem dla obsługi większych przepustowości jest większa moc obliczeniowa układów scalonych montowanych na kartach liniowych. Od strony urządzeń sieciowych wymaganie jest takie, aby dokładnie te same aplikacje i funcjonalnosci mogły działać na portach o wyższych przepustowościach – 40 i 100 Gbit/s. Wymaga to odpowiednio cztero- i dziesięciokrotnie większej mocy obliczeniowej na kartach liniowych. Dla przykładu, jeśli pojedynczy port 10 GE wymaga przetworzenia 16 mln pakietów na sekundę, to interfejs 40 GE będzie musiał przetworzyć w czasie rzeczywistym ponad 60 mln pakietów na sekundę. W większości urządzeń, wraz z pojawieniem się interfejsów o przepustowościach 100 GE, będzie wymagana wymiana matrycy przełączającej.
Można śmiało powiedzieć, że szybkość przeszukiwania tablicy routingu i tablicy FIB dla wyższych przepustowości nie bedzie miała większego znaczenia dla interfejsów o dużych przepustowościach. Z pomocą może przyjść protokół IPv 6, który bardziej efektywnie będzie agregował trasy internetowe, a przez to lista wpisów do tablicy routingu będzie mniejsza niż dla IPv4.
Osobnym problemem jest zasilanie urządzeń oraz chłodzenie kart liniowych. Nowe układy scalone bedą wymagały większego prądu, bedą się bardziej grzały, a tym samym będą musiały odprowadzać znaczny nadmiar ciepła. W projektowaniu urządzeń 40 i 100 GE doprowadzenie odpowiedniego zasilania i chłodzenia zaczyna być sprawą krytyczną. Większość obecnych routerów i przełączników, za wyjątkiem części modeli z górnej półki, nie jest do tego przygotowanych. Przy wymianie interfejsów wymagana będzie również wymiana zasilaczy i wiatraków chłodzących.
Jak będzie wyglądała najbliższa przyszłość?
Rozwój urządzeń sieciowych w najbliższym czasie będzie się różnił w zależności od sposobu i miejsca ich wykorzystania. Inaczej będą się rozwijały przełączniki w sieciach kampusowych, metropolitalnych i centrach przetwarzania danych, gdzie zasięg transmisji jest ograniczony i praktycznie nie przekroczy 40 km, a inaczej routery w sieciach szkieletowych i agregacyjnych z uwagi na duży zasięg transmisji (od 100 km do 1500 km).
W sieciach LAN/MAN i centra danych pierwsze urządzenia z portami ethernetowymi 40 GE pojawią się stosunkowo szybko. Wielu producentów nie będzie czekać na finalizację standardu 802.3ba, czyli do połowy 2010 roku. Będzie to dotyczyć przede wszystkim punktów wymiany ruchu internetowego. Jednak dopiero po 2010 roku nastąpi szybki rozwój technologii 40 GE i 100 GE. Nowe przełączniki znajdą zastosowanie w dużych sieciach korporacyjnych, do obsługi serwerów i krytycznych aplikacji w centrach obliczeniowych i centrach danych.
Zupełnie inaczej rzecz się będzie miała w sieciach szkieletowych u operatorów telekomunikacyjnych. Tam prawdopodobnie standard 40 GE w ogóle nie znajdzie zastosowania. Już dzisiaj są tam stosowane porty „kolorowe” o przepustowości 40 Gbit/s wykonane w technologii IPoDWDM. Integracja warstwy IP z siecią DWDM upraszcza architekturę i eliminuje niepotrzebne warstwy sieci. Obniża to koszt inwestycji i utrzymania systemu. Zatwierdzenie standardu 40 GE nie wniesie nic nowego i nie widać żadnego czynnika, który zachęciłby operatorów do jego stosowania.
Dopiero pojawienie się interfejsów 100GE wprowadzi wyraźną zmianę jakościową. Standard 100 GE LANPHY czerpie bardzo dużo doświadczeń z prac nad technologią 40 GE. Spodziewana jest pełna unifikacja sposobu ramkowania pakietów IP w warstwie optycznej oraz sposobu kodowania sygnału elektrycznego i modulacji sygnału w warstwie optycznej. Bez wątpienia interfejsy 100 GE będą również wykonane w technologii IPoDWDM. Umożliwią, zatem transmisję danych na odległość do 1500 km po tych samych światłowodach i w ramach istniejącej infrastruktury DWDM. Na to trzeba będzie poczekać jeszcze co najmniej dwa lata.
Autorem tekstu jest Tomasz Kozar, inżynier systemowy w firmie Cisco.
