3.10. Высокоскоростные технологии 40 и 100 Gigabit Ethernet (802.3ba-2010)

40-гигабитный Ethernet (40GE) и 100-гигабитный Ethernet (100GE) – технологии Ethernet, разработанные группой IEEE P802.3ba Ethernet Task Force в 2007-2010 г.г. Эти стандарты являются следующим этапом развития группы стандартов Ethernet, имевших до 2010 г. наибольшую скорость в 10 Гбит/с. В новом стандарте – IEEE 802.3ba-2010 – обеспечивается скорость передачи данных в 40 Гбит/c и 100 Гбит/c при совместном использовании нескольких линий связи (lane) 10 Гбит/с или 25 Гбит/с. Стандарт 802.3ba описывает единую архитектуру, способную поддерживать 40 GE и 100 GE, определяет технические особенности высокоскоростной передачи информации, а также требования к физическому уровню сети: межплатным соединениям в активном оборудования, медножильным и волоконно-оптическим кабельным линиям [03]. Стандарт 802.3ba поддерживает только дуплексный режим работы [01].

Физический уровень. В стандартах 40/100GE содержится описание нескольких различных стандартов физического уровня (PHY). Сетевые устройства могут использовать различные типы PHY путём использования сменных PHY-модулей. Модули, использующие оптическое волокно, стандартизированы в 802.3ba и в различных соглашениях между различными производителями (Multi-Source Agreements, MSA). Один из стандартизованных модулей, поддерживающий и 40GE и 100GE, – это C Form-factor Pluggable (CFP) MSA, который может использоваться для расстояний 100 м и более. Модули QSFP и CXP обеспечивают работу на меньших дистанциях.

При разработке PHY-части стандарта ставились цели:

• сохранение формата кадров Ethernet стандарта 802.3, использующих формат 802.3 MAC;

• сохранение минимальных и максимальных размеров кадра (FrameSize), совпадающих с текущей редакцией стандарта 802.3;

• обеспечение в точке сопряжения MAC/PLS уровня ошибок (Bit error ratio) не выше (не более 1 ошибки в среднем на каждые бит);

• обеспечение соответствующей поддержки оптических транспортных сетей (Optical Transport Network, OTN);

• скорость передачи данных на уровне MAC в 40 и 100 Гбит/с;

• разработка вариантов уровня PHY для работы через одномодовое оптическое волокно (SMF), многомодовое оптическое волокно OM3 (MMF), кабели с медными проводниками и через объединительные платы (backplane) [01].

Стандартизованы следующие варианты PHY [01]:

PHY (минимальная длина)	40GbE	100 GbE
1 м по объединительной плате	40GBASE-KR4
10 м по медному кабелю	40GBASE-CR4	100GBASE-CR10
100 м по OM3 MMF	40GBASE-SR4	100GBASE-SR10
125 м по OM4 MMF	40GBASE-SR4	100GBASE-SR10
10 км по SMF	40GBASE-LR4	100GBASE-LR4
40 км по SMF		100GBASE-ER4

Задача передачи 40 и 100 Гбит/с сигнала по оптическому кабелю OM3 на 100 м (40GBASE-SR4 и 100GBASE-SR10) была решена с использованием волн около 850 нм, сходной с таковой в стандарте 10GBASE-SR.

Передача сигнала со скоростью 40 Гбит/с по печатным платам на расстояния до 10 м (40GBASE-KR4) реализуется использованием 4 линий стандарта 10GBase-KR.

Работа на расстояниях 10 км и 40 км реализуется с использованием 4 разных длин волн (около 1310 нм) и использует оптические элементы со скоростью передачи данных 25 Гбит/с (для 100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4) и 10 Гбит/с (для 40GBASE-LR4).

Готовые продукты для уровня PHY сгруппированы по реализуемым вариантам PHY [01].

Поддержка в коммерческих продуктах. В отличие от ситуации конца 1990-х г.г., когда отсутствие скоростных интерфейсов магистральных маршрутизаторов сдерживало развитие всей сети Интернет, увеличение транспортных скоростей с 10 до 100 Гбит/с в 2010-х г.г. в основном мотивировалось экономическими соображениями (сокращение числа требуемых волн в магистральных оптических сетях, снижение стоимости интерконнектов в больших центрах обработки данных и точках обмена трафиком, а также снижение потерь емкости за счет разбалансировки трафика в параллельных группах каналов 10 Гбит/с). При этом многие магистральные операторы связи стремились перейти непосредственно от использования SONET/SDH 10 Гбит/с, минуя промежуточную фазу в 40 Гбит/с, сразу к интерфейсам 100GE и выиграть в стоимости за счет ожидаемого быстрого снижения стоимости последних.

Немаловажную роль в ожидаемом снижении цен сыграл отказ от разработки отдельных канальных схем для SONET/SDH и Ethernet. Де-факто, 100GE отныне становился единственным фреймовым форматом на вершине оптической иерархии скоростей (ODU4), что гарантирует параллельное снижение цен при росте производства интерфейсов 100 Гбит/с, как для магистральных, так и для локальных сетей. Следующим уровнем иерархии должен стать формат ODU5, эксклюзивно планируемый к применению в сетях Ethernet 400 Гбит/с.

При разработке 100-гигабитных систем индустрии предстояло преодолеть следующие технологические проблемы:

• разработать схемы модуляции и кодирования сигнала, позволяющие передавать потоки 100 Гбит/с на достаточную дальность в оптическом С-диапазоне (1530-1565 нм);

• разработать новые оптические источники и приемники вместе с оборудованием оптической коррекции (усилители, компенсаторы дисперсии, селективные фильтры и т.д.);

• разработать электронные линейные карты, Ethernet MAC чипы и сетевые процессоры для потоковой обработки пакетных данных на скорости 100 Гбит/с [01].

В целом, решение этих проблем потребовало значительных инвестиций в интеллектуальную собственность, что способствовало затягиванию выхода конечных продуктов на рынок. Несмотря на то, что большинство производителей оптического и электронного оборудования заявили о поддержке 100-гигабитных систем в течение 2009-2010 г.г. и регулярно испытывали системы разной степени готовности, широкое внедрение 100GE началось лишь в 2011 г.

Совершенствование оптических транспортных систем для передачи 100GE будет неизбежно происходить в сторону уменьшения их стоимости, при этом могут использоваться следующие перспективные технологии: совместная передача сигнала двумя лазерами 50 Гбит/с меньшей стоимости в одной выделенной полосе спектра, широкое использование DSP для коррекции нелинейностей, уменьшение числа оптоэлектронных (OEO) преобразований в транспортной системе за счет поддержки внешних источников сигнала (foreign lambdas) и другие [01].