Wie üblich nutzte das IEEE die vorhandenen Standards, um einen Weg zu 400 Gbit / s zu finden. Ein Schlüsselmerkmal und eine Begrenzung der gegenwärtigen Datenraten war die einspurige serielle Rate, die mit der gegenwärtigen elektrischen Technologie erreichbar ist. Da der neueste 100-Gbit / s-Ethernet-Standard auf vier parallelen Lanes mit 25 Gbit / s basiert, erwies sich dies als ein natürlicher Ausgangspunkt für die Entwicklung von 400 Gbit / s. Für 400 Gbit / s war jedoch eindeutig eine Methode erforderlich, um die Geschwindigkeit der Lane-Daten auf 50 Gbit / s zu erhöhen. Da bereits an der Erreichung von 100 Gbit / s für optische Lanes gearbeitet wird, würde sich die Verwendung dieser neuen Errungenschaften als großer Vorteil für 400 Gbit / s-Ethernet erweisen.

Es gab eine Reihe von Möglichkeiten, um die 400-Gbit / s-Ziele zu erreichen, wobei die verschiedenen Kompromisse und Anforderungen der Netzwerkbranche berücksichtigt wurden. Mit dem 400-Gbit / s-Standard, der die physischen Medien auf Multimode- und Singlemode-Glasfasern beschränkt, wurde deutlich, dass die Anzahl der Fasern in einer Verbindung ein zentrales Thema sein würde. Es ist bekannt, dass mehrere parallele Fasern eine akzeptable Lösung für Verbindungen mit kurzer Reichweite bis zu 500 m sind, jedoch nicht für längere Kabellängen (2 bis 10 km), bei denen die Kosten zu hoch werden. Eine Datenrate von 400 Gbit / s bei 16 x 25 Gbit / s-Parallelspuren würde jedoch 32 Fasern pro Verbindung zum Senden und Empfangen erfordern. Bei der Entwicklung einer Reihe von Spezifikationen für 400 Gbit / s setzte die IEEE-Taskforce eine Reihe von Technologien und Methoden ein, um akzeptable kostengünstige Lösungen sowohl für Kurzstrecken-Multimode-Fasern als auch für Langstrecken-Single-Mode-Fasern unter Verwendung einer unterschiedlichen Anzahl von Fasern zu definieren und Leitungsraten. Darüber hinaus wurde eine Reihe von 200-Gbit / s-Standards basierend auf den 400-Gbit / s-Standards als praktischer Migrationspfad zu 400-Gbit / s festgelegt.

Die Standards 400 Gbit / s und 200 Gbit / s

Da eine Übertragungsrate von 50 Gbit / s die grundlegende Grundlage für das Erreichen von 400 Gbit / s ist, bestand die erste wichtige Entscheidung darin, das Signalcodierungsschema zu ändern. Bisher verwendeten alle Ethernet-Standards ein einfaches 2-Level-Non-Return-to-Zero-Verfahren (NRZ) zum Codieren eines binären Datenstroms in ein übertragbares elektrisches Signal. Um eine höhere Fahrspurdatenrate zu erreichen, musste ein als 4-Level-Pulsamplitudenmodulation (PAM4) bekanntes Codierungsschema verwendet werden, das die in derselben Zeit übertragene Datenmenge effektiv verdoppelt.

Wenn Sie an Binärdaten denken, die durch ein Signal mit zwei Spannungen dargestellt werden, eine Spannung für eine „0“ und eine andere Spannung für eine „1“, dann beschreibt dies die NRZ-Codierungsmethode. Bei der PAM4-Codierung weist das Signal vier Spannungspegel auf, die zwei Binärbits pro Spannungspegel codieren. Ein als "Gray-Codierung" bekanntes Verfahren kombiniert die Paare höchstwertiger Bits (MSB) und niedrigstwertiger Bits (LSB) in einem Datenstrom zu einem der vier Spannungspegel. Die Graukodierung hilft, die durch Spannungsamplitudenrauschen verursachten Bitfehler im Signal zu reduzieren. Es ist leicht zu erkennen, wie mit zwei Datenbits, die auf einen Spannungspegel abgebildet sind, die doppelte Information in der gleichen Zeit übertragen werden kann.

Das IEEE vervollständigte seinen 802.3bs-Standard (IEEE Std 802.3bs-2017) für 200-Gbit / s- und 400-Gbit / s-Ethernet durch die Implementierung einer Kombination aus PAM4-Codierung und mehreren parallelen Lanes. Die Spezifikationen decken Optionen für Multimode- und Singlemode-Glasfasern von 70 m bis 10 km ab. In der folgenden Tabelle sind die Ethernet-PHY-Varianten für 400 Gbit / s und 200 Gbit / s zusammengefasst.

Die 400GBASE-SR16-Spezifikation unterstützt 16 Multimode-Fasern mit 25 Gbit / s unter Verwendung der NRZ-Codierung. Dies bedeutet, dass die Gesamtzahl der Sende- und Empfangsfasern in einer Verbindung 32 beträgt , kann aber nur 500 m erreichen. Bei den Duplex-Glasfaservarianten 400GBASE-FR8 und 400GBASE-LR8 wird Wellenlängen-Multiplexing (WDM) verwendet, um acht Fahrspuren über acht verschiedene Wellenlängen auf einer Einmodenfaser mit einer Reichweite von bis zu 10 km zu übertragen. Die 200-Gbit / s-Spezifikationen entsprechen im Wesentlichen denen für 400-Gbit / s, verwenden jedoch vier Lanes mit 50 Gbit / s über eine oder vier Single-Mode-Fasern.

Steckbare Module und Kabel

Für die Bereitstellung von Geräten, die den neuen 400-Gbit / s-Ethernet-Standard unterstützen, sind eindeutig neue steckbare Module, Steckverbinder und Kabel erforderlich. Für einen 400GBASE-SR16-Anschluss sind 32-faserige Anschlüsse und Kabel erforderlich, und für die 400GBASE-DR4-Variante wird eine höhere elektrische Signalrate von 56 Gbit / s verwendet.

Der übliche 100-Gbit / s-QSFP28-Anschluss unterstützt vier Lanes mit 25 Gbit / s und einer elektrischen Signalrate von 28 Gbit / s. Das sind acht Glasfasern zum Senden und Empfangen, die von 12-Glasfaser-MPO-Anschlüssen (Multi-Fiber Push-On) und -Kabeln unterstützt werden, die derzeit für 100 Gbit / s verwendet werden. Es ist klar, dass die 12-Faser-MPO-Anschlüsse und -Kabel die Varianten 400GBASE-DR4 und 200GBASE-DR4 im 802.3bs-Standard unterstützen würden. Bei den anderen Varianten, bei denen nur zwei Fasern in einer Verbindung verwendet werden, können die üblichen Duplex-LC-Steckverbinder und -Kabel verwendet werden. Damit ist das 32-Glasfaser-MPO eine Neuentwicklung speziell für den 400-Gbit / s-Ethernet-Standard.

Der 12-Faser-MPO-Stecker ordnet die Fasern in einer Reihe zwischen zwei Ausrichtungsstiften an. Für das 32-Faser-MPO gibt es zwei Reihen mit 16 Fasern, wodurch der neue Steckverbinder nicht mit dem 12-Faser-MPO kompatibel ist. Der 32-Faser-MPO-Anschluss ist daher anders codiert als der 12-Faser-MPO, um zu vermeiden, dass Transceiver und Kabel falsch angeschlossen werden.

Mit der Entwicklung schnellerer Signale, mehr Lanes und mehr Fasern sind neue Transceiver-Formfaktoren für 400-Gbit / s-Ethernet erforderlich. Es gibt immer wieder Herausforderungen und Kompromisse, die berücksichtigt werden müssen, wenn versucht wird, mehr Komponenten zu verwenden, die mehr Leistung in kleine Module umwandeln. Wie bei früheren Ethernet-Standards wurde für 400-Gbit / s-Ethernet eine Reihe von optischen Transceiver-Formfaktoren entwickelt:

• CFP8 - Großer Formfaktor. Niedrige Portdichte. Gutes Wärmemanagement.

• OSFP - Entwickelt für optimale Signal- und Wärmeleistung. Nicht kompatibler Formfaktor.

• QSFP-DD - Das QSFP mit doppelter Dichte. Abwärtskompatibel mit 100 Gbit / s und 40 Gbit / s Ethernet. Hohe Portdichte.

• COBO - Integriertes Optikmodul, bei dem es sich nicht um einen steckbaren Transceiver handelt. Höchste Portdichte.

Aufgrund der steigenden Anforderungen von Cloud-Rechenzentren hat die Entwicklung der Ethernet-Standards schnell eine unglaubliche Datenrate von 400 Gbit / s erreicht. Der 400-Gbit / s-Ethernet-Standard, der neue Codierungsschemata und höhere Signalisierungsraten verwendet, stellt einen erheblichen Bruch zu früheren Standards dar und ist ein Weg für künftig noch schnellere Geschwindigkeiten. Die neuen Standards für 400 Gbit / s und 200 Gbit / s umfassen Multimode- und Singlemode-Glasfaseroptionen für Entfernungen von 70 m bis zu 10 km. Die Standards decken verschiedene kostengünstige Kurzstrecken- und Langstreckenanwendungen ab und wurden durch eine Reihe neuer Transceiver-Formfaktoren, Kabel und Steckverbinder unterstützt.

Sobald neue 400-Gbit / s-Geräte verfügbar sind, können Sie davon ausgehen, dass sie in Rechenzentrums-, Netzbetreiberzugangs- und Dienstanbieternetzwerken weltweit schnell bereitgestellt werden. Die dringend benötigte zusätzliche Bandbreite sorgt für einen Anstieg des Netzwerkverkehrs im Jahresvergleich. Die Ethernet-Entwicklung wird hier jedoch nicht aufhören. Neue Ethernet-Arbeitsgruppen streben bereits nach höheren Geschwindigkeiten und sparsameren, kompakten Formfaktoren, die mit den zukünftigen Industrieanforderungen Schritt halten.

Von 400 Gbit / s bis 800 Gbit / s

Einem kürzlich veröffentlichten Bericht der Dell'Oro Group zufolge werden 400 Gbit / s bis 2020 voraussichtlich 20 Prozent des Umsatzes mit Rechenzentren-Switching ausmachen. Laut der Forschungsgruppe sind höhere Geschwindigkeiten - 100 Gbit / s, 200 Gbit / s, 400 Gbit / s und 800 Gbit / s - zu erwarten Alle Prognosen gehen von einem deutlichen Wachstum in den nächsten fünf Jahren aus. Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Cloud-Rechenzentren beim bevorstehenden Geschwindigkeitssprung für Netzwerke (von 100 Gbit / s auf 400 Gbit / s) eine Schlüsselrolle spielen werden.

Ein von der 650-Gruppe veröffentlichter Marktbericht bestätigt, dass in den nächsten fünf Jahren 200 Gbit / s, 400 Gbit / s und 800 Gbit / s ausgeliefert werden. Letzteres wird voraussichtlich Anfang des nächsten Jahrzehnts anlaufen.

„Die erste Welle von 200 Gbit / s und 400 Gbit / s wird Anfang 2018 auf den Markt kommen, da der Ethernet-Switch-Markt die Anzahl der Port-Geschwindigkeiten nur drei Jahre seit den letzten großen technologischen Fortschritten erweitert“, sagt Alan Weckel, Gründer und Technologieanalyst bei 650 Group. „Sowohl 200 Gbit / s als auch 400 Gbit / s ergeben sich aus der im Jahr 2017 angekündigten 50 Gbit / s-SerDes-Technologie. Das rasante Innovationstempo wird nicht nur von beeindruckenden technologischen Verbesserungen, sondern auch von Software Defined Networks (SDN) angeführt, die es der Cloud ermöglichen, die Technologie besser zu nutzen zur Verfügung stehende Rechen- und Netzwerkressourcen. “

Testen von 400 Gbit / s mit 1,6 Tbit / s

Laut Ronen Isaac von Military Embedded Systems testet und ratifiziert die Branche derzeit Technologien, die Geschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit / s und mehr ermöglichen.

„Zwischen 2018 und 2020 werden 50 Gbit / s und 200 Gbit / s getestet und übernommen. Tausende von 25-GbE-Servern und letztendlich 50-GbE-Servern in Rechenzentren im Hyper-Scale-Bereich, z. B. Cloud-Service-Anbieter, werden 400-GbE für Metropolitan Area Networks (MAN) und Wide Area Networks (WANs) benötigen “, sagt er. "In nicht allzu ferner Zukunft werden Tests mit 200 Gbit / s, 8000 Gbit / s und erstaunlich hohen Datenraten von 1 Tbit / s und 1,6 Tbit / s beginnen. Die Standards werden voraussichtlich bis 2020 getestet und ratifiziert."

Fazit

Ethernet entwickelt sich schnell von 40 Gbit / s auf 100 Gbit / s auf 400 Gbit / s und beflügelt damit eine Reihe neuer SerDes-Initiativen und -Entwicklungen. Tatsächlich waren 25-Gbit / s-SerDes der Schlüssel für 100-Gbit / s-Ethernet. Die Branche sollte zunächst 50-Gbit / s-SerDes für 400-Gbit / s-Ethernet nutzen, bevor sie auf die 100-Gbit / s-SerDes-Technologie übergeht.

Gleichzeitig wird die SerDes-Technologie von NRZ auf PAM4 umgestellt und von 25 Gbit / s auf 50 Gbit / s beschleunigt. Dies hat zu einer Reihe von Änderungen in der Architektur geführt, einschließlich des Austauschs von herkömmlichem Analog durch ADC + DSP, um die Leistungsziele zu erreichen und eine ähnliche Leistung / Flächen-Hüllkurve beizubehalten.