Новая экономика интерфейсов 100GbE

  Растущий спрос и отраслевые инновации способствуют развертыванию экономически эффективных подключений 100 Гбит/с в ЦОД

Введение

  В условиях продолжающегося роста быстродействия процессоров и количества ядер все более насущной становится потребность в ускоренном обмене данными между серверами. До недавнего времени сети стандарта 100 Gigabit Ethernet (100GbE) обслуживали преимущественно клиентские подключения к сетям поставщиков услуг, таких как научно-исследовательские центры и операторы связи. Сегодня стандарт 100GbE призван удовлетворить потребность в более быстрой и экономичной передаче данных, причем для более широкого спектра организаций, чем когда-либо раньше.

    Свой вклад в преобразование сетей ЦОД вносят несколько новых технологий.

• Новые микросхемы: разработка интегральных микросхем ASIC позволяет создавать коммутаторы 100GbE высокой плотности с фиксированными форм-факторами и доступной стоимостью. 
• Новые оптические модули: 
• Новые оптические модули 100GbE используют электрические интерфейсы 4 x 25G.
• Число каналов в многомодовых оптических модулях (MMF) сократилось с 10 (100GBASE-SR10) до 4 (100GBASE-SR4).Это позволяет использовать имеющиеся оптические подключения 40GbE для решения задачи по сохранению инвестиций в инфраструктуру.
• Новые одномодовые оптические модули (SMF) 100GbE, использующие электрические интерфейсы 4 x 25G, потребляют меньше электроэнергии в сравнении с решениями, развернутыми на текущий момент.
• Новые возможности: новые коммутаторы поддерживают пять различных высокоскоростных интерфейсов — 10GbE, 25GbE, 40GbE, 50GbE, 100GbE, — отвечая самым разным потребностям.

  В этой статье рассматривается каждая из перечисленных новых технологий и их совокупное влияние на сетевую индустрию

Движущие силы рынка решений 100GbE

Факторы, способствующие расширению экосистемы решений 100GbE: 

Новые потребности сетей

  Растущие объемы данных, разные виды трафика, широкое использование виртуализации и другие факторы в современном ЦОД привели к существенному увеличению горизонтального трафика. Все больше данных передаются внутри ЦОД между серверами. Повышается интенсивность использования каждого сервера, что также увеличивает трафик. Эта тенденция роста горизонтального трафика будет проявляться все отчетливее по мере роста рабочих нагрузок.

  На этапе принятия решения относительно внедрения технологии 100GbE возможны два сценария: «сверху вниз» или «снизу вверх».

    Сценарий «сверху вниз» характерен для компаний, где большие объемы трафика передаются в  корпоративные и частные ЦОД. При развертывании подключений 100GbE также требуются каналы более высокой пропускной способности, поскольку данные передаются в сетевую фабрику ЦОД или к стоечным коммутаторам. 

    Сценарий «снизу вверх» часто относится к крупным компаниям, которые интенсивно используют Интернет на базе концепции Web 2.0. Этим организациям требуются каналы с большой пропускной способностью от сервера к стоечному коммутатору и подключения 100GbE стоечного коммутатора к фабрике ЦОД. Отсюда следует, что все каналы от фабрики ЦОД к Internet-подключениям, также должны быть как минимум 100GbE.

Переход от десятиканальной технологии к четырехканальной

  Какое-то время использование технологии 100GbE было экономически целесообразным только для особых сценариев, таких как исследования в организациях, связанных с Internet2. Главным препятствием для более широкого внедрения была высокая стоимость волоконно-оптических модулей для 100GbE. Однако оптические интерфейсы постепенно становятся все доступнее. Организации, которые сегодня планируют внедрить технологию 40GbE, могут в ближайшее время перейти сразу на 100GbE с небольшой наценкой. Всего несколько месяцев тому назад разница в стоимости была намного больше (в 10 раз).

    Фактор стоимости меняется  потому, что с появлением новых отраслевых стандартов меняется и сама оптоволоконная технология. До недавнего времени реализации 100GbE использовали 10 каналов по 10,3125 Гбит/с. Трансивер форм-фактора QSFP28 использует 4 канала по 25,78125 Гбит/с, обеспечивая совокупную пропускную способность 100GbE. Эти каналы также могут работать как 4 независимых порта с поддержкой 25GbE (для модулей с медными кабелями и оптических модулей MMF или, возможно, в будущем для оптических модулей SMF).

Новая экономика подключений

  Хотя некоторые десятиканальные трансиверы по-прежнему продаются в умеренных масштабах, будущее за четырехканальными вариантами, такими как QSFP28, поскольку они позволяют экономить сразу по нескольким направлениям.

• Благодаря недавним инновациям стоимость трансиверов с четырьмя каналами по 25 Гбит/с ниже по сравнению с десятью каналами по 10 Гбит/с, так как изготовить трансивер проще и дешевле.
• Мощность, требуемая для работы такого трансивера, намного меньше, чем для типового десятиканального трансивера.
• Оптоволоконные кабели дешевле, если речь идет об оптических модулях SR4 (100 м) или PSM4 (500 м), поскольку в этом случае требуются четыре волоконные пары, а не 10, как для технологии 10 x 10 Гбит/с.
• QSFP28 поддерживает медные кабели прямого подключения (DAC) и активные оптические кабели (AOC), еще больше сокращая затраты на развертывание 100GbE, тогда как традиционные варианты требуют использовать оптоволокно на всех дистанциях.

  В форм-факторе QSFP28 можно использовать четыре канала по отдельности или комбинировать их, что позволит осуществлять одно или сразу несколько сетевых подключений 10, 25, 40 или 50GbE. Раньше основное внимание в переговорах с клиентами Dell уделялось технологиям 10, 40 и 100GbE, а теперь рассматриваются также варианты 25 и 50GbE. 

 Многие организации начинают осознавать необходимость использования интерфейсов 25GbE для подключений серверов к коммутаторам. Предполагается, что таким клиентам подойдут новые многоскоростные коммутаторы, поскольку по стоимости решения 25GbE ближе к интерфейсам 10GbE, чем к 40GbE. Заплатив лишь немногим больше, организации могут выбрать технологию 25GbE вместо 10GbE для подключений серверов. 

  Интерфейсы 50GbE будут финансово привлекательными прежде всего для компаний, где много высокопроизводительных серверов в ЦОД. Новые решения 50GbE можно реализовать при помощи многоскоростных коммутаторов 100GbE и следующего поколения сетевых плат на стоечных серверах. Не все организации сразу перейдут на технологии 25/50GbE: кто-то по-прежнему будет использовать подключения 10 и 40GbE до тех пор, пока не сочтет себя достаточно готовым к новым подключениям либо пока сетевые платы 25/50GbE не станут широкодоступными.

Расстояния передачи при использовании QSFP28

  Организации, переходящие на новые волоконно-оптические подключения на базе QSFP28, увидят, что эти технологии предоставляют столь же (если не более) исчерпывающий набор расстояний передачи, что и современные решения 40GbE. Хотя отдельные вендоры оптических трансиверов способны предложить все скорости и типы подключений, большинство предлагает конкретно тот или иной вариант, но в конечном счете клиентам будет доступен полный спектр решений. Эти предложения будут удовлетворять стандартам с различным расстоянием для многомодового и одномодового оптоволокна. Для подключений 10, 40 или 100 Гбит/с малой протяженности современные оптические модули обычно обеспечивают передачу данных на расстояние от 100 до 300 м. Решения QSFP28 с расстоянием передачи 100 м будут первыми на рынке при использовании многомодового оптоволокна со скоростью 100 Гбит/с. QSFP28 обеспечивает большее расстояние передачи по одномодовому оптоволокну для расстояний 500 м, 2 и10 км. Использование кабелей прямого подключения (DAC) в QSFP28 может обеспечить экономию на малых расстояниях за счет более низкой стоимости кабеля DAC по сравнению с совокупной стоимостью оптических модулей и оптоволокна. Современные медные кабели обеспечивают дальность до 7 м при скорости передачи 10 или 40 Гбит/с и до 5 м при скорости 100 Гбит/с. Для большинства подключений внутри стойки и между соседними стойками обычно достаточно пяти метров. 

Влияние нового поколения ASIC

  Сегодня получить коммутатор 100GbE организации могут двумя способами. Первый — купить его у компании, разработавшей собственные интегральные микросхемы ASIC, но этот путь затратен. Второй вариант — приобрести коммутатор у поставщика, использующего коммерчески доступные микросхемы. Обычно это обходится дешевле, но подключение 100 Гбит/с все-таки требует высоких затрат, поскольку количество портов 100 Гбит/с на одну микросхему ASIC ограниченно, из-за этого требуется несколько микросхем в коммутаторе. Новое поколение коммутаторов 100GbE будет работать на базе стандартных микросхем ASIC высокой плотности, каждая из которых поддерживает до 32 портов 100GbE. Это огромный шаг вперед.

    Используя одну микросхему ASIC высокой плотности вместо нескольких микросхем меньшей плотности, можно существенно снизить стоимость коммутатора и энергопотребление. Кроме того, новые микросхемы ASIC высокой плотности поддерживают несколько скоростей 10/25/40/50 и 100GbE, предоставляя кабели разветвители на 4 порта 10GbE или 25GbE для каждого модуля QSFP28. Коммутатор с одной микросхемой также существенно снижает задержку, помогая повысить производительность рабочих нагрузок. До недавнего времени типичная задержка для 32-портового коммутатора 40GbE составляла около 550 нс. Новый стандарт — 32 порта 100GbE с более низкой задержкой и привлекательной ценой. 

Active_Fabric для ЦОД с технологией  Dell Virtual Link Trunking
100GbE – подключение между уровнями доступа и агрегации

      Используя новые, коммерчески доступные микросхемы, множество вендоров будут предлагать платформы с поддержкой 100GbE. Следовательно, чтобы сохранить конкурентоспособность, вендорам нужно будет сделать ставку на способность предоставить инновационное программное обеспечение, не полагаясь исключительно на своих разработчиков ASIC. См. врезку, где описаны инновационные решения Dell для открытых сетей с использованием сторонних сетевых операционных систем. 

Коммутатор Dell Networking Z9100-ON для ЦОД

Коммутатор 10/25/40/50/100GbE следующего поколения с фиксированным форм-фактором

• Многоскоростная коммутация с использованием 32 портов 100GbE (QSFP28), 32 портов 40GbE, 128 портов 10GbE, 128 портов 25GbE или 64 порта 50GbE
• Два дополнительных порта 1/10GbE SFP+

• Облачные сервисы, высокопроизводительные вычисления (HPC) и технологии Web 2.0, для которых требуется множество вариантов скорости коммутации в средах высокой плотности
• Анализ больших данных с требованиями высокой производительности и сверхнизкой задержки

• Широкий спектр скоростей коммутации от 10 до 100GbE обеспечивает организациям высокую функциональность на протяжении всего срока амортизации капиталовложений • Поддержка среды Open Networking Install Environment (ONIE)
• Универсальность, производительность и поддержка сторонних операционных систем

Поддержка открытых сетей

  Открытые сети меняют парадигму сети, обеспечивая те же преимущества экономии, что и в серверной индустрии, за счет перехода от монолитных закрытых сред к открытым стандартам. По данным Gartner, открытые сети способны уменьшить капитальные расходы на 65%1. Они также обеспечивают снижение эксплуатационных затрат за счет более адаптивного управления с использованием сторонних инструментов оркестрации. 

  Dell подтверждает свою приверженность к открытым платформам многочисленными инновациями. 

• Коммутаторы для открытых сетей с поддержкой среды Open Network Install Environment (ONIE)
• Лучшие в своем классе коммутаторы с интерфейсами от 1GbE до 100GbE для открытых сетей, которые позволяют организациям использовать сетевые операционные системы от разных вендоров
• Сторонние сетевые операционные системы для коммутаторов Dell, предназначенные для конкретных сред, такие как Cumulus Networks, Big Switch Networks, IP Infusion и Pluribus

  Dell продолжает поддерживать концепцию открытых сетей в своих коммутаторах с портами QSFP28. 

Универсальность за счет многоскоростных портов

  Многоскоростные порты — это не новая технология в отрасли, но благодаря новым оптическим модулям число различных скоростей, поддерживаемых одним портом, резко увеличилось. При помощи кабеля разветвителя порт 100GbE на базе QSFP28 обеспечивает разделение канала на четыре подключения 25GbE или четыре подключения 10GbE, а также с поддержкой 40 и 50GbE.

    Раньше использовать на одном и том же порту пять разных интерфейсов высокой емкости было невозможно. Теперь же многообразие скоростей способно обеспечить одно и то же коммутационное решение, а следовательно, организации могут реализовать разнообразные сценарии без лишних затрат.

Сценарии использования различных скоростей коммутации

  В типичном сценарии организация может развернуть каналы нисходящей связи с серверами 10 или 25GbE и использовать интерфейсы 40/100GbE для каналов восходящей связи (см. рисунок).

    Если компания планирует заменить и расширить существующую сетевую фабрику, она может использовать новый коммутатор на базе QSFP28, чтобы легко и экономически эффективно обеспечить подключение к портам 40GbE на уровне стоечных коммутаторов, поскольку подключения 40GbE основаны на четырехканальной технологии. Если в будущем организация решит модернизировать свои стоечные коммутаторы и повысить пропускную способность восходящих соединений с коммутаторами агрегации с 40 до 100GbE, она сможет просто заменить трансивер на коммутаторе QSFP28, который уже развернут в фабрике. Другой вариант — подключение каналов нисходящей связи 10 или 25GbE от уровня агрегации напрямую к серверам с возможностью модернизации в будущем.

    Распространенным сценарием также будет использование интерфейсов 40/100GbE для каналов восходящей связи. Клиент может развернуть 32-портовый коммутатор 100GbE с новыми оптическими модулями, заплатив немного больше нынешней стоимости 40GbE. Когда организация будет готова к модернизации, в ее  распоряжении уже будет коммутатор, способный работать на скорости 100 Гбит/с.

Взгляд в будущее: переход от крупных пользователей к малым предприятиям

  Изначально новые многоскоростные коммутаторы должны быть привлекательным решением для операторов связи, поставщиков облачных услуг, крупных предприятий и исследовательских центрах.

    Сможет ли новый класс коммутаторов 100 Гбит/с в будущем снизить затраты в расчете на гигабит передаваемых данных и выйти на массовый рынок? Воплотить это в реальность могут несколько факторов, включая следующие.

• Универсальность скоростей портов, которая позволяет растущим организациям с небольшой сетевой фабрикой использовать сегодня подключения 10 или 40GbE, а впоследствии при необходимости провести экономичную модернизацию.
• Более низкая цена коммутаторов за счет существенного снижения совокупной стоимости владения для портов 100GbE на новых многоскоростных коммутаторах. 
• Возможность для организаций использовать существующие оптоволоконные каналы, просто заменив оптические трансиверы, и получить за свои деньги намного большую пропускную способность, чем ожидалось.
• Простота эксплуатации новой технологии, позволяющая ИТ-персоналу использовать накопленный опыт.
• Модель лицензирования Dell, обеспечивающая клиентам доступ ко всем скоростям, которые поддерживает их оборудование, без дополнительных лицензий. 

Заключение

  Новые коммутаторы с поддержкой интерфейса 100GbE на базе четырехканальной технологии передачи сигналов — это большой прорыв в производительности и экономике сетей. Будучи членом руководящего комитета консорциума 25 Gigabit Ethernet Consortium и лидером в рабочей группе IEEE 802.3 Ethernet, корпорация Dell продолжает содействовать разработке стандартов для новых многоскоростных коммутаторов и стремится предоставить преимущества новой технологии своим клиентам. Dell представила первый в отрасли многоскоростной коммутатор 100GbE в фиксированном форм-факторе 1U для уровней агрегации и доступа.