Usprawnienie Ethernetu do 100 Gb/s
- Adam Urbanek,
- 09.02.2009
Ethernetowa infrastruktura komunikacyjna sieci LAN przeszła burzliwy rozwój zarówno w zakresie modernizacji technologii i architektury, jak i fizycznej warstwy okablowania sieciowego, podążając w kierunku aplikacji 10GbE. Narastające wymagania użytkowników sprawiły, że sieci LAN o przepływności 10 Mb/s poszły w zapomnienie, a standardowe rozwiązania 100 Mb/s stopniowo ustępują aplikacjom 1 Gb/s (1GbE). Coraz częściej budynkowe instalacje ethernetowe sięgają szybkości 10 Gb/s.
Ethernetowa infrastruktura komunikacyjna sieci LAN przeszła burzliwy rozwój zarówno w zakresie modernizacji technologii i architektury, jak i fizycznej warstwy okablowania sieciowego, podążając w kierunku aplikacji 10GbE. Narastające wymagania użytkowników sprawiły, że sieci LAN o przepływności 10 Mb/s poszły w zapomnienie, a standardowe rozwiązania 100 Mb/s stopniowo ustępują aplikacjom 1 Gb/s (1GbE). Coraz częściej budynkowe instalacje ethernetowe sięgają szybkości 10 Gb/s.
Kalendarium powstawania standardu Ethernet 100 Gb/s
Ethernetowa infrastruktura komunikacyjna sieci LAN przeszła burzliwy rozwój zarówno w zakresie modernizacji technologii i architektury, jak i fizycznej warstwy okablowania sieciowego, podążając w kierunku aplikacji 10GbE. Wykładniczy wzrost szybkości i mocy obliczeniowej (wg prawa Moora) desktopowych komputerów PC przyłączanych w ostatnich latach do sieci internetu nie pozostawia tutaj żadnych wątpliwości. Mniej oczywista jest zależność, jak ten wzrost mocy przekłada się na potrzebę instalowania większych przepływności w łączących je sieciach komputerowych.
W projektowaniu sieci przyjmuje się, że każda jednostka o mocy obliczeniowej 1 GIPS (Giga Instructions Per Second - miliard instrukcji na sekundę) komputera może generować w okablowaniu sieci LAN ruch pakietowy o wielkości ok. 1 Gb/s. Taka też przepływność jest potrzebna w modułach wejścia-wyjścia komputera, łączących urządzenie z siecią lokalną. Ta potencjalna możliwość przetwarzania za pośrednictwem komputerów i sieci nie jest jeszcze w pełni wykorzystana, gdyż oprogramowanie biznesowe zwykle jeszcze nie stawia tak wygórowanych wymagań.
Trendy w okablowaniu miedzianym
Podniesienie wydajności systemów okablowania strukturalnego powyżej 1 Gb/s stało się konieczne dla multimedialnych aplikacji, które wymagają szerszego pasma przenoszenia. Zatwierdzony we wrześniu 2002 r. standard okablowania kat. 6 (klasa E) zapewnia swą sprawność do częstotliwości 250 MHz, co standardowo daje przepływność nieco powyżej 1 Gb/s w zasięgu do 100 m. Nie jest to jednak wystarczająca szybkość dla coraz częściej używanych aplikacji strumieniowych, które potrzebują okablowania nowej kategorii 7 (klasa F), działającego do częstotliwości 1200 MHz, i zapewniają przepływność powyżej 10 Gb/s.
Narastające potrzeby oraz powszechność wdrażania multimedialnych aplikacji, a także wzrost wymagań stawianych w centrach danych spowodowały, że nawet stosowana dotąd infrastruktura kablowa oparta na Ethernecie 10 Gb/s już okazała się w wielu sytuacjach niewystarczająca. Podjęte przez IEEE prace nad o rząd wyższą wersją standardu sieci Ethernet 100 Gb/s mają zakończyć się dopiero w 2010 r., a do tego czasu ethernetowe rozwiązania w szkielecie będą działać najwyżej z przepływnością 10 Gb/s.
W oczekiwaniu na 100 Gb/s
Doświadczalna instalacja 100 Gb/s
Według IEEE rozwiązania zgodne ze standardem 100GbE będą umożliwiały transmisję danych na odległość do 10 km światłowodem jednomodowym SM (Single Mode) oraz 100 m - przez wielomodowe włókna światłowodowe OM3 MM (Multi Mode). Zgodnie z przyjętym terminarzem pierwsza propozycja nowego standardu została przedstawiona w 2007 r., a finalne zatwierdzenie specyfikacji ma nastąpić na przełomie lat 2009/2010.
Uzyskanie takiej szybkości stało się możliwe przez zintegrowanie dwóch najnowszych osiągnięć technologicznych:
a) .sygnalizacji duobinarnej z wykorzystaniem trzech poziomów sygnału elektrycznego (dodatni, ujemny i zero) potrzebnych do odwzorowania sygnału binarnego transmisji cyfrowej. Dzięki temu uzyskano mniejsze wymagania odnośnie do szerokości pasma niż w tradycyjnym transporcie metodą NRZ, i umożliwiło to przekaz informacji o szybkości 107 Gb/s z zastosowaniem dostępnego komercyjnie modulatora optycznego 40 Gb/s.
b). jednoukładowego korektora (equalizer) pełniącego funkcję zintegrowanego korektora optycznego, który pozwala kompensować straty sygnału w ograniczonej szerokości pasma. Zaprezentowany przez Bell Labs korektor jest w stanie kompensować niemal całą interferencję międzysymbolową, wynikającą z ograniczeń pasma modulatora nadajnika optycznego NRZ 107 Gb/s.
Mimo dobrze rokujących wyników eksperymentów, wiele kwestii związanych z przepływnością 100 Gb/s nadal pozostaje na etapie badań podstawowych. Należą do nich przede wszystkim: normalizacja skutecznego kodowania sygnałów optycznych o wysokiej kompresji, miniaturyzacja zespołów translacji optoelektrycznej, zmniejszenie mocy pobieranej przez układy translacji, ograniczenie emisji cieplnej światłowodowych układów nadawczo-odbiorczych oraz przystosowanie wielokanałowej technologii optycznej DWDM i CWDM do rozwiązań ethernetowych o szybkości 100 Gb/s.
Kable miedziane
Zapotrzebowanie na przepływność linii abonenckiej
Pierwsze komercyjne rozwiązania zgodne z Ethernet 100 Gb/s mają pojawić się na rynku nie wcześniej niż w 2010 r., a więc jednocześnie z przewidywanym zakończeniem prac normalizacyjnych nad tym standardem. Przed projektantami stoją liczne wyzwania, m.in. związane z ograniczaniem poboru energii i obniżaniem ciepła emitowanego przez układy scalone obsługujące Ethernet. Wszystko wskazuje, że będą to połączenia 100 Gb/s oparte na światłowodach, jako że w najbliższym czasie nie widać takich możliwości na okablowaniu miedzianym.
Obecnie większość dostawców skłania się do instalacji sprawdzonego w praktyce okablowania miedzianego kat. 6 (1 Gb/s), a jedynie ok. 16% ma zamiar instalować nowe okablowanie miedziane wg kat. 6a (10 Gb/s). Niezależnie od tych danych umacnia się trend wdrażania rozwiązań całkowicie optycznych klasy FTTx, pozwalających spokojnie oczekiwać na nadchodzący wzrost zapotrzebowania na aplikacje szerokopasmowe.
Przyspieszenie światłowodowe
Etapy rozwoju standardu Ethernet
Pierwsze kodery optyczne zdolne szyfrować informację przesyłaną włóknem z szybkością 100 Gb/s pojawiły się w 2008 r.
Dotychczas bezpieczny transport w tak szybkich sieciach wymagał podziału strumienia na kilka mniejszych (np. na 10 kanałów, każdy po 10 Gb/s), w których instalowano elektroniczne szyfratory sygnału w każdym kanale oddzielnie. Ten optyczny koder systemu PLS (Photonic Layer Security), działający w technologii OCDM (Optical Code-Division Multiplexed), zmienia częstotliwość impulsów światła wprowadzanych do światłowodu, dzięki czemu intruz próbujący ingerować w transmisję nie będzie w stanie poprawnie odczytać transmitowanych danych. Po dotarciu do uprawnionej stacji docelowej - zlokalizowanej po drugiej stronie światłowodu - impulsy świetlne ponownie trafiają do kodera optycznego, który przywraca sygnał do źródłowej postaci 100 Gb/s. Podczas połączeń testowych na dystansie 400 km wydajność tego systemu wynosiła jeszcze 40 Gb/s.
Wymagające aplikacje
W wyniku coraz powszechniejszego korzystania z aplikacji multimedialnych (2,5 - 20 Mb/s), w metropoliach przepływność 10 Gb/s w sieciach szkieletowych staje się niewystarczająca. Konieczność zwiększania szybkości powyżej 10 Gb/s w szkielecie sieci operatora wymusza także potrzeba personalizacji klientów, którzy już dzisiaj sami chcą decydować o tym, co, kiedy i gdzie chcieliby otrzymywać przez sieć szerokopasmową.
Wzrost szybkości w okablowaniu
Do konsumowania pasma LAN przyczyniają się głównie duże ośrodki data center, agregujące wiele zewnętrznych strumieni o nominalnej przepustowości 10 Gb/s. Każdy pionowy raport klienta (czyli sięganie przez użytkownika do zbiorów w systemie) już potrzebuje szybkości dosyłowej 30 - 40 Mb/s, a przejście na nowsze i dopiero wdrażane systemy Vista lub instalacja kolejnej wersji stacji roboczej, jedynie pogarszają warunki transportowe w sieci (im nowszy system, tym więcej transmituje danych). Zwłaszcza że w stacjach roboczych pojawiają się pierwsze porty o przepływności 10 Gb/s, a ich instalowanie na szerszą skalę dopiero się zaczyna.
Pojawiają się nowe dziedziny nauki i badania, w których trzeba operować terabajtami danych (TB), natychmiast potrzebnych do dalszego przetwarzania w lokalizacjach odległych. Takie krytyczne sytuacje mają miejsce np. podczas klinicznych badań medycznych, związanych z testowaniem i identyfikacją genomu człowieka - gdzie transmisje sięgają szybkości dochodzącej do 100 Gb/s. Także w popularnej dzisiaj szybkiej diagnostyce tomografem MRI (Magnetic Resonance Imaging), który potrafi wygenerować do 500 MB (bajtów) danych w ciągu każdej godziny funkcjonowania urządzenia.