В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

400-гигабитный Ethernet и дальнейшие перспективы

Николай Слепов
К.т.н., с.н.с. РАН

Основной инновацией Группы высокоскоростных технологий Ethernet (HSSG, США), предложенной при создании 100GE, была идея использования параллельных потоков данных, или lanes, для распределения общего 100-гигабитного потока по 10 или 4 таким потокам емкостью 10 или 25 Гбит/с каждый. Для поддержания этой идеи были предложены новые схемы подуровня физического кодирования PCS и подуровня подсоединения к физической среде передачи РМА [1]. PCS позволил построить гибкую архитектуру формирования агрегатных потоков 40/100GE, а РМА - гибкую функциональность схемы мультиплексирования/демультиплексирования потоков данных с помощью технологии WDM. Проследить это удобнее по опубликованной в [2] полной версии статьи о 100GE.

Эта идея позволила одним увидеть возможности быстрого использования 100GE для разгрузки трафика перегруженных корпоративных сетей, другим - возможность формирования 400GE - новой генерации сетей Ethernet.

Если говорить о преемственности версий данной технологии, то, как видно из таблицы, половина параметров полудуплексного (первые три версии) Ethernet неприменимо к трем последним версиям, учитывая, что Ethernet уже с версии lOGE стал по-настоящему дуплексной технологией.

Разработка новой версии Ethernet

В расчете на использование схемы мультиплексирования с потоками данных 25 Гбит/с, Форум оптического Интернета (OIF) разработал два электрических интерфейса: CEI-25G-LR - для приложений с передачей потоков 25 Гбит/с (по крайней мере в объединительной панели коммутаторов или сетях типа LR при использовании ММ ОВ) и CEI-28G-SR - для приложений с передачей потоков 28 Гбит/с на короткие дистанции (в системах типа SR).

Успехи в развитии электроники, как отмечалось выше, ускорили разработку новой версии Ethernet. Однако специалисты IEEE и OIF пришли к выводу [3], что, несмотря на факт удвоения трафика каждые 18 месяцев (в основном благодаря экспоненциальному росту IP-трафика: IPTV и VoIP) и желательность разработки технологии терабитного Ethernet (TE=1000GE) к 2015 г., нужно, прервав традиции десятикратного увеличения скорости передачи при переходе от одной генерации Ethernet к другой, ограничить следующую скорость передачи Ethernet уровнем 400 Гбит/с. Это диктовалось, с одной стороны, ограничениями по быстродействию И С, используемых для реализации электрических интерфейсов, а с другой - приемлемо низким числом оптических несущих (16+16), требуемых для реализации агрегатного потока 400 Гбит/с, который можно было бы формировать путем мультиплексирования 16 потоков данных (lanes) емкостью 25 Гбит/с, передаваемых транспондером WDM в каждую сторону (что эквивалентно системе WDM с 32 несущими), как это показано на рис. 1 [3].

Эта техника реализации напоминает многопотоковую схему, используемую для передачи трафика 100Base-LR4 в технологии 100GE [1-3]. Единственным отличием является использование полупроводникового оптического усилителя (SOA) в приемном тракте, учитывая, что в этом диапазоне усиления/выравнивания оптических несущих усилители типа EDFA не работают. Ориентируясь на стандарт [4], 400GE мог бы быть реализован по 16-поточной схеме с DWDM-мультиплексированием 16 несущих, выбранных (как и в случае реализации lOOGBase-LR4) по стандартной сетке ITU-T G.694.1 с шагом 800 ГГц (3,2 нм) и с передачей в дуплексном режиме по двум ОВ [3].

Однако здесь есть ряд нюансов. Даже при схеме с двумя ОВ для реализации агрегатного потока 400 Гбит/с нужно использовать 16 несущих в одном направлении (по одному ОВ), а сетка G.694.1 с шагом 800 ГГц дает только 11 (при использовании DWDM). Следовательно, этот вариант нереализуем. Другой вариант: использовать сетку G.694.2 технологии CWDM [5] (как и в случае реализации 40GBase-LR4 [1, 2]). Тогда можно разместить 16 несущих в полосе, покрываемой 2-4 окнами прозрачности с шагом между несущими 20 нм, что приведет к необходимости обеспечить полосу пропускания амплитудно-волновой характеристики (АВХ) SOA шириной 300 нм. Третий вариант, по которому, собственно, и пошли инженеры при первой реализации оборудования 100GBase-LR4 [2], - использовать произвольную фиксированную сетку несущих с шагом 5 нм (по частоте это соответствует шагу порядка 1000 ГГц). В этом случае требуемая ширина полосы АВХ составит около 75 нм, а ряд несущих может быть выбран симметричным относительно центра второго окна прозрачности 1310 нм: 1270, 1275... 1340, 1345 нм, чтобы не попасть в область повышенного затухания в районе водяного пика характеристики затухания ОВ (1383 нм).

При любом способе реализации вариант 400GE выглядит значительно более экономичным (а при некоторых способах и единственно возможным), чем вариант многопотоковой реализации 1000GE с тем же шагом несущих и параметрами передачи потоков данных (25 Гбит/с), учитывая, что последний вариант при двух ОВ (приема и передачи) требует по 40 несущих в каждом. Кроме того, он не может быть реализован с помощью технологии CWDM, то есть единственным пригодным для него может быть только третий вариант (например, в полосе АВХ 1400-1600 нм).

Другим важным моментом является сетевой вариант реализации передачи агрегатного потока 400 G-Ethernet по транспортной сети. С одной стороны, ясно, что эта сеть должна быть оптической (фотонной) транспортной сетью (OTN) на базе WDM. С другой - соответствующий агрегатный поток должен быть упакован (инкапсулирован) в поле полезной нагрузки оптического транспортного блока (OTU), формируемого в соответствии со структурой OTUk сети OTN, описанной в рек. ITU-T G.709 [6] или ее дополнениях.

Что касается передачи агрегатного потока 400 G-Ethernet, то она может быть осуществлена по сети LAN-OTN в рамках реализации взаимодействия типа "клиент - сервер" между локальной сетью (LAN) Ethernet и глобальной сетью OTN, как это показано на рис. 2.

Что же касается инкапсуляции в поле полезной нагрузки (PL) блока OTUk, то здесь временная проблема в том, что такой блок в структуре OTN пока (то есть даже в расширенной под 100GE ред. 4.0 рек. G.709 [6]) не был предусмотрен. Можно только предполагать, что расширенная структура OTN будет еще раз расширена (специалисты считают, что новая версия Ethernet (400GE) появится в 2015— 2017 гг.) и включит как минимум еще один оптический транспортный блок (типа OTU4e) дополнительно к тем, что были использованы ранее [6, 7], как это показано на рис. 3.

Исходным для него, очевидно, будет модуль 400GE емкостью 412,5 Гбит/с (16 х 25,78425), который, будучи отображен через оптические блоки ODU4e, должен привести к формированию транспортного блока OTU4e емкостью 447,24 Гбит/с (или, точнее, 447,239894 - оценка автора). Этот блок фактически и должен передаваться по сети WDM.

Нынешние реалии

На уровне существующих сегодня реалий есть только один способ передать поток 400GE, используя стандартные структуры технологии OTN, - это представить его в виде 4 потоков данных (lanes) no 100G каждый, то есть в виде 4 х (4 х 25,78425 Гбит/с). Разбить поток 400GE на четыре 100G-потока тоже не просто, учитывая, что для его передачи через иерархию ODU4/OTU4 технологии OTN скорость 111,81 Гбит/с для OTU4 (см. рис. 3) была выбрана так, чтобы обеспечить в полезной нагрузке формирование 80 трибных слотов (TS) для поддержки до 80 оптических блоков ODU0 (или до 40 блоков ODU1, или до 10 блоков ODU2e) сети OTN [6]. В результате эта скорость с учетом помехоустойчивого кодирования (FEC) кодом Рида - Соломона (RS 255,227) должна была составлять: (255/227) х40х 2,488320 = 111,809974 Гбит/с. Это соответствовало формату OTU в виде 16-килобитного фрейма фиксированной длины, представленного на рис. 4.

Фрейм имеет размер 4 х 4080 бит и представляет матрицу, в которой столбцы 1-16 используются как заголовок фрейма (ОН); столбцы 17-3816 составляют полезную нагрузку (PL); столбцы 3817-3824 - фиксированный стаффинг, а столбцы 3825-4080 - код RS упреждающей коррекции транспортного блока OTU (FEC).

Литература

1. Слепов Н.Н. 100-гигабитный Ethernet//ТСС. — 2011. — № 6. - С. 28-29 (Ч. 1); 2012. - № 1. - С. 32-36 (Ч. 2)
2. Слепов Н.Н. Стандарт 40/100-гигабитного Ethernet // Зестник связи. - 2012. - № 4. - С. 27-37
3. D'Ambrosia J. 100 Gigabit Ethernet and Beyond // IEEE Communications Magazine. - 2010, - Mar. - P. 6, 8, 10; 12, 13.
4. IEEE 802.3ba-2010. IEEE Standard for Information Technology - Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD): Access Method and Physical Layer Specifications. Amendment 4: Media Access Control Parameters, Physical Layers and Management Darameters for 40 Gb/s and 100 Gb/s Operatior JJune 2010).
5. Слепов Н.Н. Технология разреженных систем WDM ;CWDM). Особенности и применение // ТСС. - 2007. - №1.-0 48-54.
6. ITU-T G.709. Interfaces for the optical transport network (2.12, 10.12).
7. Roese J., Tomizava M., Ishida 0. Optical Transport Network Evolving with 100 Gigabit Ethernet // IEEE Communications Magazine. - 2010. - № 3. - Vol. 50. - P. 28-34

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2013
Посещений: 9400

Статьи по теме

• Особенности сетей нового поколения (NGN). Часть 3
• Особенности сетей нового поколения (NGN). Часть 1. Next Generation Network (NGN) peculiarities. Part 1
• CSTB'2014 – конвергенция телевидения и мультимедийных технологий 28–30 января 2014 года, МВЦ "Крокус Экспо", павильон 1
• Критерии выбора IP УПАТС. IP industrial PBX Qualification Criteria
• Главная задача банка – стать персональным финансовым советником

Автор Николай Слепов Независимый эксперт Всего статей:  23

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций