1 Лекція 12 Технологія 100 Gigabit 1.Перспективи розвитку Ethernet 2. Мережний інтерфейс 40GBase 3. Мережний інтерфейс 100GBase 4.Перспективи розвитку технології 100G Ethernet

2 Перспективи розвитку технології Ethernet Уже зараз можна назвати чимало додатків, у яких видна необхідність у передачі даних на 100 гігабітних швидкостях. Як приклади можна привести трафік в Internet магістралях, потребі операторів зв'язку та високопродуктивних обчислень у спеціалізованих центрах обробки даних. Із цією технологією зв'язана, зокрема, доставка відео YouTube, IPTV і HDTV. Розвиваються й технології доставки відео на запит. Наприклад, відеоресурс YouTube досить цікавий – щомісяця його трафік збільшується на 20%, і для підтримки такого росту доводиться постійно додавати нові 10 гігабітні канали.

3 Перспективи розвитку технології Ethernet Мировой рынок транспортных сетей на базе Ethernet в 2010 г. вырос на 38%, с 1,06 млрд долл (2009 г.) до 1,46 млрд долл. Квартальный прирост в 4 кв. составил 10% и почти не менялся за последние полтора года. Таковы результаты нового исследования рынка транспортного оборудования, проведенного аналитиками Heavy Reading. Другой вывод аналитиков: началось стабильное развитие технологии передачи со скоростью 100 Гбит/c (в дальнейшем 100G) по каналам Ethernet.

4 Перспективи розвитку технології Ethernet Результаты опроса представлены на рисунке Варианты ответов по оси Y: Impact beginning начало влияния в 2010 г. Impact влияние в гг. Minor Impact незначительное (слабое) влияние No Impact влияния нет Примерно 70% респондентов указали, что технология 100G окажет влияние на их бюджетные планы в последующие пять лет, а более 50% респондентов считают, что это влияние на бюджет начнет ощущаться уже в гг. 6.5% опрошенных ответили, что 100G не окажет влияния на их бюджеты.

5 Перспективи розвитку технології Ethernet Аналитики Heavy Reading также отмечают большие достижения в развитии и распространении транспортного оборудования 40G (несмотря на явное преобладание транспортных сетей на базе технологии 10G), которое пока остается единственным средством для создания истинно высокоскоростных сетей передачи данных. Это пока, поскольку каналы продаж оборудования еще не до конца отлажены. Но даже ярые апологеты 40G осознают, что технология 100G это «последнее слово» в области транспортных технологий. Сегодня, по оценкам Heavy Reading, в мире действуют 200 транспортных сетей на базе технологии 40G. В число основных производителей оборудования 40G входят Alcatel-Lucent, Ciena, Cisco, Ericsson, Fujitsu, Huawei, Nokia Siemens Network и ZTE, они же имеют твердые намерения и сверстанные планы развития оборудования на базе 100 G. До слияния Overture Networks и Hatteras Networks обе занимали ведущие места в рейтинге производителей мирового рынка Ethernet. Если не учитывать этого слияния, то рейтинг поставщиков в 2010 г. возглавляла Ciena, за ней вплотную следуют Cisco и Huawei.

6 Перспективи розвитку технології Ethernet Операторы рассматривают технологию 100G отнюдь не как нишевую, а как замену 10-гигабитного транспорта для общедоступных сетей. Они планируют также с ее помощью увеличить пропускную способность своих сетей и снизить цену за бит. Подавляющая часть респондентов считает, что пропускная способность должна вырасти в 10 раз, а стоимость бита снизиться в два раза. При этом 45% из 230 операторов ответили, что намерены приобрести такое решение к концу 2011 г., а треть из них намерены внедрить его в 2012 г. Развитие высокоскоростной транспортной сети на базе технологии DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing плотного спектрального уплотнения каналов) для городских сетей и дальней связи тоже рассматривается аналитиками «под зонтиком» 40G и 100G. Если уровень конца 2010 г. считать нулевым, то к 2015 г. доля сегмента коммутаторов со 100- гигабитными портами может достичь почти 30% рынка. Причем, по мнению аналитиков, в основном это оборудование будет использоваться для сетей дальней связи. В городской инфраструктуре будет, скорее, применяться технология 40G, ее доля рынка к 2015 г. может достичь 35%.

7 40GBase-T Один зі шляхів, що досить довго дискутувався й іноді використовується на практиці, рішення проблеми підвищення пропускної здатності – це агрегування (об'єднання) 10-гігабітних каналів. Дійсно два, чотири й навіть вісім каналів можуть бути об'єднані разом, не викликаючи труднощів з управлінням і усуненням несправностей. Однак самі кабелі збільшують вартість системи, є й певні вимоги до енергоспоживання й охолодження. Використання портів для агрегування каналів приводить в остаточному підсумку до зниження віддачі від вкладених коштів, тому що кожний такий порт не працює по його безпосередньому призначенню. Є ряд проблем з масштабуванням, і при агрегуванні каналів не так просто зробити попередній розрахунок вартості рішення.

8 П'ять критеріїв, що визначають доцільність створення 100 гігабітної мережної технології Значний ринковий потенціал; Сумісність; Технічна реалізованість; Економічна доцільність; Чітке позиціонування. У зв'язку із цим наприкінці 2006 року була сформована з фахівців IEEE група HSSG (High Speed Study Group, група по стандартизації високошвидкісної передачі даних) і дана офіційна підтримка нової технології.

9 Почему вначале оптика? Освоение нового диапазона скоростей традиционно начинается с внедрения линий оптической связи. Такой подход обусловлен следующими факторами: первостепенной потребностью внедрения линий оптической связи в магистральной части, где в полной мере проявляются основные преимущества волоконного световода как среды передачи; существенно меньшим затуханием волокна и постоянством этого параметра в широком частотном диапазоне, а также отсутствием сколько-нибудь заметного взаимного влияния между отдельными цепями передачи сигналов, что способствует упрощению схемотехнических решений; возможностью массового использования при построении телекоммуникационной части инфраструктуры ЦОД тех технических решений, которые ранее были хорошо отработаны при создании сетей связи общего пользования; более низким энергопотреблением оптических вариантов интерфейсов по сравнению с медножильными на линиях протяженностью свыше 30 м, а также лучшими массогабаритными показателями линейных кабелей.

10 Формально швидкість передачі даних 100Гбіт/с не є рекордом, тому що деякі телекомунікаційні компанії досягали й більших швидкостей. Однак робилося це або шляхом об'єднання декількох проводів у єдиний канал, або було досягнуто за допомогою алгоритмів стиску даних, або в лабораторних умовах передавалися невеликі пакети даних на дуже більших швидкостях, завдяки чому формальна швидкість передачі даних зростала. На цей раз мова йде про промислове впровадження технології. Разом з тим, розроблювачі відзначають, що в 100 гігабітного стандарту будуть ті ж обмеження, що й у його попередників сімейства Ethernet. Нагадаємо, що одним з головних недоліків технології Ethernet є неможливість передачі даних на більші відстані без використання підсилювачів сигналу. Начало разработки – 2006 год

11 Наприкінці 2006 року дослідники з університету Каліфорнії, які в співтоваристві з Infinera, Internet2 і Level3 Communications, організували передачу даних (а також публічний показ цієї події) на швидкості 100 Гбіт/с з застосуванням волоконній мережі між містами Х'юстон (Техас) і Тампа (Флорида). Крім того, дослідники Siemens здійснили успішне тестування передачі даних на велику відстань за допомогою електрики зі швидкістю 107 Гбіт/с. Примітно це тим, що настільки високий результат був отриманий уперше поза стінами лабораторії. Передача відбулася в США на відстань у сто миль. Випробування проводилося на одній з найбільших оптичних мереж, у якій до цього був досягнутий рекорд швидкості в 40 Гбіт/с. Нинішній рекордний результат став можливим завдяки недавно розробленій системі передачі й одержання інформації, що обробляє інформацію до й після перетворення в оптичний сигнал тільки за допомогою електрики.

12 Дотепер оптичний сигнал спочатку послаблявся для одержання більше низького за рівнем. А потім конвертувався в електричний. Такий підхід дозволяв одержати високу швидкість передачі й знизити втрати, але при цьому зростала ціна передачі даних. Фірма Siemens продемонструвала передачу за допомогою тільки електричних процесів в оптичних мережах, коли сигнал з фотодіода приймається й обробляється безпосередньо чипом. У майбутньому системи, подібні розробленої Siemens, повинні викликати інтерес у зв'язку з розвитком стандарту 100 Gigabit Ethernet.

13 Компанія Bell Labs оголосила, що здійснила першу передачу даних по 10 оптоволоконним каналах, що мали швидкості 107 Гбіт/с, на відстань 2000 км. Такі швидкості передачі даних удалося досягти, завдяки використанню диференціальної квадратурної фазової маніпуляції (DQPSK – Differential Quadrature Phase Shift Keying), високошвидкісної електроніки й оптоелектроніки. До теперішнього часу робоча група IEEE по стандартизації високошвидкісної передачі даних у мережах Ethernet (IEEE HSSG) проголосувала за прийняття швидкості 100 Гбіт/с як наступний етап розвитку Ethernet. Крім того, HSSG дійшла згоди про те, що необхідною умовою майбутнього стандарту є передача даних як мінімум на 100 м при використанні мультимодового оптоволокна й на 10 км – при використанні однамодового. 25 марта 2010 группа P802.3bg принимает стандарт на 40 гбит/с одномодовое PMD-волокно; 17 июня 2010 принятие стандарта IEEE 802.3ba.

14 При разработке 100Гбит систем индустрии предстояло преодолеть следующие технологические проблемы: разработать схемы модуляции и кодирования сигнала, позволяющие передавать 100Гбит потоки на достаточную дальность в оптическом С-диапазоне ( нм) разработать новые оптические источники и приемники вкупе с оборудованием оптической коррекции (усилители, компенсаторы дисперсии, селективные фильтры и так далее) разработать электронные линейные карты, Ethernet MAC чипы и сетевые процессоры для потоковой обработки пакетных данных на скорости 100 Гбит в секунду 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 100Гбит систем в течение года и регулярно испытывали системы разной степени готовности, широкое внедрение 100-гигабитного Ethernet началось лишь в 2011 году.

15 Поскольку передача оптического сигнала в условиях нелинейной среды (оптическое волокно) является принципиально аналоговой проблемой, прогресс в этой области замедляется, причём значительно в большей степени, чем снижающийся прогресс в литографии цифровых электронных схем (описываемый эмпирическим законом Мура). Как результат, несмотря на то, что 10Гбит оптические интерфейсы и транспортные системы существовали с середины 1990-х годов, первые успешные попытки передачи 100Гбит потоков в оптических сетях произошли более чем через 12 лет. Кроме того, первые магистральные 100Гбит системы были подвержены ряду серьезных ограничений, в том числе высокой стоимости за счет использования уникальных лазерных систем, а также значительным энерго-габаритным требованиям, что исключало выпуск трансиверов в компактных форматах (таких как SFP+) раннее разработанных для 1Гбит, 2.5Гбит и 10Гбит сигналов.оптическое волокноэмпирическим законом Мура SFP+ Тем не менее, по состоянию на август 2011 как минимум пять компаний поставляли покупателям системы оптического транспорта совместимые с канальной скоростью ODU4 ( Гбит/сек) в том числе, Ciena (решение бывшей Nortel Networks), MRV, Alcatel-Lucent, ADVA Optical Networking. Последней к списку присоединилась компания Huawei, объявившая о начале поставок корейской компании KPN в июне 2011 года. Ожидается, что до конца 2011 года такие системы будут доступны от всех ведущих производителей оптического оборудования. Совершенствование оптических транспортных систем для передачи 100Гбит Ethernet будет неизбежно происходить в сторону уменьшения их стоимости, при этом могут использоваться следующие перспективные технологии:Nortel NetworksAlcatel-LucentADVA Optical NetworkingHuawei совместная передача сигнала двумя 50Гбит лазерами меньшей стоимости в одной выделенной полосе спектра, широкое использование цифровой обработки сигнала (DSP) для коррекции нелинейностей,DSP уменьшение числа оптоэлектронных (OEO) преобразований в транспортной системе за счет поддержки внешних источников сигнала (foreign lambdas) и так далее.

16 Пути решения проблем 1. На короткие расстояния (серверные, дата-центры, файлообменники и т.д.) – вернулись на объединение 10 Гбит/с каналов, так называемая ленточная оптика; 2. На большие расстояния – использование стандарта 100 Гбит/с.

17 Архитектура 802.3ba.

18 Архитектура 802.3ba Стандарт основан на IEEE 802.3: не меняется ни формат фрейма, ни его размеры, ни полнодуплексный принцип работы. LLC (Logical Link Control) и MAC (Media Access Control) уровни, соответствующие Layer 2 модели OSI, остаются без принципиальных изменений. MAC подключается к среде передачи (media) через PHY уровень (соответствует Layer 1 OSI). В свою очередь, PHY уровень включает подуровни PCS (Physical Coding Sublayer), PMA (Physical Medium Attachment), PMD (Physical Media Dependent), а также, опционально, FEC (Forward Error Correction). RS (Reconciliation Sublayer) подуровень согласования, который передает последовательность бит от MAC-уровня в MII (Media Independent Interface).

19 Характеристика 802.3ba Интерфейсов MII в стандарте описано два: XLGMII для 40Гбит/с (римские XL=40) и CGMII для 100Гбит/с (римское С=100). Они базируются на прежнем XGMII (10Гбит/с) и являются логическими, внутрисхемными интерфейсами, обеспечивающими 64-битные (8 полос по 8 бит) каналы приема/передачи данных к PHY (физическому уровню). Также MII обеспечивает тактовую частоту 625 МГц для 40 Гбит/с и ГГц для 100 Гбит/с и на прием, и на передачу. MII - IntelMedia Independent Interface - Интерфейс, независящий от физической среды

20 PCS отвечает за кодирование и скремблирование битового потока при передаче и обратные действия при приеме. Используется та же схема кодирования, что и в 10G 64B/66B (66 бит линейного кода на 64 бита данных). Для реализации высоких скоростей была разработана специальная MLD методика (Multilane Distribution), суть которой заключается в round-robin (циклическом) чередовании 66-битных блоков данных по нескольким полосам. Преимуществом этой методики является её полная реализуемость на CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor КМОП- полупроводник (типа метал-оксид)), что позволит в итоге максимально снять нагрузку по обработке битового потока с электроники, встроенной в оптический интерфейс, а это упростит его функциональность (читай повысит надежность) и заметно снизит стоимость. MLD- MultiLane Distribution - Многопотоковая передача (по оптоволокну)

21 Периодическая вставка маркеров в поток битов позволяет на принимающей стороне компенсировать возможные сдвиги битовых групп и полностью восстановить начальный агрегатный сигнал. PMA обеспечивает преобразование кодовых групп в последовательный сигнал (serialize) и обратный процесс (deserialize). Конкретная реализация PMA зависит от подуровня PMD, т.е., по сути, от типа среды и передатчика. Ну и, наконец, PMD отвечает за передачу последовательности битов в физическую среду через MDI (Media Dependent Interface). Оптика предполагает использование волнового уплотнения на 40G CDWM (Coarse Wave Division Multiplexing), на 100G DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) технологии.

22 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 и 40 км реализуется с использованием 4х разных длин волн (около 1310 нм) и используют оптические элементы со скоростью передачи данных 25 Гбит/с (для 100GBASE-LR4 и 100GBASE-ER4) и 10 Гбит/с (для 40GBASE-LR4)

23 Регулируемый приемопередатчик C-диапазона (4,2 – 4,5 ГГц) Ciena CN 4200 RS работает на принципе модуляции RZ-DQPSK с двойной поляризацией, что позволяет использовать его на каналах 10G и 40G существующих систем DWDM (т.е. использующих уплотнение с разделением по плотности длины волны), а также расширять пропускную способность оптоволоконных линий до 8 Тбит/с с использованием нынешних систем DWDM Ciena. Технология, примененная в аппаратной части приемопередатчика, обеспечивает гибкую архитектуру, позволяющую подстраиваться под скорость передачи любого стандартного клиентского оборудования 10G благодаря базовым XFP-модулям. Программное обеспечение, в свою очередь, способно легко адаптироваться к новым стандартам передачи данных.

24 По мере того, как ширина оптического импульса уменьшается, его относительное расширение, вносимое обеими дисперсиями, хроматической и поляризационно- модовой, проявляется сильнее. Особенно когда передача ведется на длинные расстояния. Сигнал «размывается» и извлечь из него «0» или «1» не представляется возможным. С ростом битовой скорости допустимые значения к хроматической дисперсии снижаются квадратично, а к поляризационно-модовой линейно. Для примера, переход с 10G на 40G при сохранении кодирования NRZ делает допуски более жесткими - требования к соотношению сигнал/шум (OSNR) возрастают на 6 дБ, к хроматической дисперсии в 16 раз, а поляризационно-модовой в четыре. В общем, уже при разработке систем передачи на 40 Гбит/c стало ясно, что от традиционного подхода увеличить скорость передачи, сократив тактовый интервал, за пределами 10 Гбит/c придется отказаться.

25 Пойти другим путем и увеличить емкость системы, добавив новые каналы тоже не так просто. Если снизить шаг расстояния между ними, то тогда для DWDM, как системы волнового уплотнения, необходимый защитный интервал между соседними каналами должен быть не меньше, чем двойная верхняя частота модуляции канала. Что собственно, аналогично частотному уплотнению радиоканалов. К примеру, согласно РД при передаче потоков STM-64 ширина спектра на уровне -20 дБ при расстояниях между каналами в 50 ГГц составляет не более 30 ГГц, а отклонение центральной частоты допускается в пределах ±5 ГГц. Иначе нарушаются защитные интервалы между каналами. Увеличить диапазон спектра и добавить новые каналы также не всегда, а лучше сказать, редко когда возможно. Полоса спектра в DWDM часто ограничена как минимум типом применяемого усиления.

26 В оптической связи, стремясь увеличить отдачу от сетей, вводили усиление романовского рассеивания, регулировали дисперсионные искажения, внедряли предварительную коррекцию ошибок (FEC), применяли улучшенные методы кодирования (RZ, CRZ, CSRZ) для модуляции по интенсивности, - все это вносило свои корректировки в решение проблемы, но не решало ее в целом. Кардинально перестраивать кабельную инфраструктуру, чтобы всего лишь в несколько раз кратно увеличить емкость сети, удовольствия мало. Надо было найти другое решение, которое позволило бы как увеличить пропускную способность сети, так и сохранить ранее сделанные в нее инвестиции, в том числе и в существующую в DWDM сетку оптических каналов с шагом в 50 ГГЦ.

27 Optical Transport Historical Perspective, DWDM Technology Evolution

28 Пути решения проблем: 1. Использование фазовой модуляции и корреляционной обработки (ФМ-2, ФМ- 4, ФМ-8 и т.д.), которая широко используется в радиодиапазоне; 2. Учет поляризационных различий передаваемых сигналов. Простые решения, как на передаче, так и приеме, поскольку несущее колебание известно и достаточно стабильно.

29 Реализация ФМ – проста

30 В общем, на пути к 100G возникла потребность в эволюционном шаге. И он был сделан в сочетании с когерентным детектированием. Для определения фазы принимаемого сигнала его смешивают с когерентным и стабильным сигналом - эталоном. В результате совмещения обеих сигналов возникают всплески, которые указывают на интенсивность и фазу сигнала. Вкупе с цифровой обработкой и более сложной модуляцией, когерентное детектирование позволило сделать прорыв в повышении пропускной способности сетей. Вместо включения и выключения лазера, теперь на каждой длине волны для передачи сигналов модулируется фаза и поляризация света, а цифровая обработка сигнала компенсирует большую часть искажений. При когерентном сложении амплитуда полезного сигнала возрастает соразмерно числу накоплений, так как сигналы совпадают по фазе. Шумы же, по случайности своей природы, складываются энергетически, то есть их амплитуда нарастает в зависимости от числа накоплений в степени 0,5. Данный эффект получил в свое время большое распространение в радиолокации, чтобы при уменьшении мощности излучения сохранить дальность обнаружения цели.

31

32 В 100-гигабитных системах DWDM с когерентным детектированием на сегодня реализована квадратичная фазовая манипуляция (quadruple phase shifted keying, QPSK) c двойной поляризацией (dual polarization, DP). При двойной поляризации передается сразу два сигнала на одной частоте, но они поляризованы под углом 90 градусов, в вертикальной и горизонтальной проекции, поэтому друг другу не мешают. В модуляции QPSK за один тактовый интервал передается сразу два символа, то есть два бита, так как используется четыре значения фазы (00, 11, 01, 10). Сочетание двойной поляризации, где один частотный канал несет в два раза больше данных, с модуляцией QPSK, где за один тактовый интервал передается в два раза больше битов, кардинально увеличивает спектральную эффективность до 2 бит/c/Гц. Впрочем, DP-QPSK (иначе PM-QPSK, polarization-multiplexed) при когерентном детектировании и 100 Гбит/c – это только первый шаг к новым вершинам емкости сетей. Ведь манипуляцию QPSK можно представить как частный случай одного из вариантов в созвездии M-QAM (quadrature amplitude modulation, квадратурная амплитудная манипуляция), где передаваемые символы определяются амплитудой синуса и косинуса колебания. Для QPSK вместо М в QAM будет соответствовать значение 4, за которым затем следуют (минуя 8) привычные для связи цифры 16, 32, 64, 128, 256 …. Здесь каждый следующий уровень значения повышает спектральную эффективность алгоритма. Так что куда стремиться, как минимум на первое время есть, ибо сети связи на пределе 100G вряд ли остановятся.

33

34

35

36 Правда, сегодня когерентный 100G в сетях связи зачастую пока не оправдано дорог. Для примера, тот же Ростелеком несмотря на то, что недавно объявил совместно с Huawei об успешном испытании когерентного 100G на участке магистральной сети «Москва-Самара», для модернизации транзита Европа – Азия, до недавнего времени все еще решал, пойти ли ему новой тропой 1х100G, или привычной, где 100G получаются сложением 10x10G. Или та же Tata Communications для модернизации своего атлантического маршрута Лондон - Нью-Йорк выбрала решение на 40G. Однако время, безусловно, работает на когерентный 100G, - решения на его основе по мере падения стоимости будут появляться в сетях операторов дальней связи все чаще и чаще. Уже сегодня решения когерентного 100G развернуто в сети ESNet и Interne2 на маршруте от восточного побережья Северной Америки до западного. Или в сети Hibernia Atlantic на трансатлантическом направлении от Голифакса, Новая Шотландия в Канаде, до Саутпорта, Англия.

37 Ethernet - ЧТО ДАЛЬШЕ? А медь суровые кабели: наличие в одной конструкции кабеля 36 и более пар с характеристикой проводника от 32 AWG до 24 AWG, которые используются одновременно для передачи данных. Отдельные витые пары имеют сопротивление от 85 Ом до 100 Ом и по ним пытаются передавать данные на частоте до 16 ГГц и выше. Оптика – 400Гбит/с