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400 Gbps以太网的新世界

介绍

本技术摘要研究了用于400 Gbps和200 Gbps以太网的新IEEE Std 802.3bs-2017标准。新标准延续了以太网的快速发展,以适应云数据中心不断增长的带宽需求。目前的400 Gbps规范仅涵盖光纤介质,并且已经推动了光学通道速度和链路中并行光纤数量的限制。与大多数新的以太网标准一样,已经开发了许多新的收发器外形,连接器和电缆,以适应新的400 Gbps标准。以太网创新的这个新时代无疑会引发新的发展,并将持续一段时间。

以太网标准的演变

以太网发展的惊人速度现已飙升至400 Gbps。从1997年的1 Gbps以太网到2004年的10 Gbps,2010年的100 Gbps,以及2014年的4通道(4×25 Gbps)100 Gbps,下一步需要一段时间才能达到400 Gbps。 IEEE于2017年12月6日正式批准了其802.3bs标准,用于200 Gbps和400 Gbps。在云数据中心不断增加的互联网流量需求的推动下,总是需要更多带宽,因此可以预期800 Gbps或1600 Gbps以太网不会太远。



像往常一样,IEEE利用现有标准打造通向400 Gbps的通道。当前数据速率的关键特性和限制是使用当前电气技术可实现的单通道串行速率。最新的100 Gbps以太网标准基于四个25 Gbps的并行通道,这被证明是400 Gbps开发的自然起点。然而,400 Gbps显然需要一种将通道数据速率提高到50 Gbps的方法,并且已经开始实现100 Gbps光通道的工作,使用这些新成就将证明400 Gbps以太网的巨大优势。

有许多方法可以满足400 Gbps的目标,同时还在考虑网络行业的各种权衡和要求。由于400 Gbps标准将物理介质限制为仅限多模和单模光纤,因此很明显链路中的光纤数量是关键问题。已知多个并行光纤对于长达500米的短距离链路是可接受的解决方案,但对于成本过高的较长电缆长度(2到10千米)则不行。但是,对于16 x 25 Gbps并行通道,数据速率为400 Gbps,每个链路需要32个光通道进行发送和接收。在制定一套400 Gbps的规范时,IEEE工作组采用了多种技术和方法,为使用各种光纤的短程多模光纤和远程单模光纤定义了可接受的成本效益解决方案和线路费率。此外,基于400 Gbps标准的一组200 Gbps标准也被指定为400 Gbps的实际迁移路径。

400 Gbps和200 Gbps标准

50 Gbps通道速率是达到400 Gbps的基础,第一个主要决定是改变信号编码方案。到目前为止,所有以太网标准都使用简单的2级非归零码(NRZ)方法将二进制数据流编码为可传输的电信号。为了获得更高的通道数据速率,需要使用称为4级脉冲幅度调制(PAM4)的编码方案,这有效地使在相同时间量内传输的数据量加倍。

如果你将由具有两个电压的信号表示的二进制数据,一个电压为“0”而另一个电压为“1”,则这描述了NRZ编码方法。对于PAM4编码,信号具有四个电压电平,每个电压电平编码两个二进制位。称为“格雷编码”的方法将数据流中的最高有效位(MSB)和最低有效位(LSB)对组合成四个电压电平之一。格雷编码有助于减少由电压幅度噪声引起的信号中的误码。很容易看出两个数据位如何映射到一个电压电平,两倍的信息可以在相同的时间内传输。



IEEE通过实施PAM4编码和多个并行通道的组合,完成了针对200 Gbps和400 Gbps以太网的802.3bs标准(IEEE Std 802.3bs-2017)。规格涵盖从70米到10千米的多模和单模光纤选项。下表总结了其它的400 Gbps和200 Gbps的以太网PHY标准。
 
名称 介质 Tx 光纤 通道 范围 编码
400GBASE-SR16 MMF 16 16 x 25 Gbps 70 m (OM3)100 m (OM4) NRZ
400GBASE-DR4 SMF 4 4 x 100 Gbps 500 m PAM4
400GBASE-FR8 SMF 1 8 x 50 Gbps (WDM) 2 km PAM4
400GBASE-LR8 SMF 1 8 x 50 Gbps (WDM) 10 km PAM4
200GBASE-DR4 SMF 4 4 x 50 Gbps 500 m PAM4
200GBASE-FR4 SMF 1 4 x 50 Gbps (WDM) 2 km PAM4
200GBASE-LR4 SMF 1 4 x 50 Gbps (WDM) 10 km PAM4

400GBASE-SR16规范使用NRZ编码支持16个25 Gbps的多模光纤,这意味着链路中的总发送和接收光通道将为32。 400GBASE-DR4选项支持四条单模光纤上有争议的100 Gbps通道速率,但只能达到500米。双工光纤400GBASE-FR8和400GBASE-LR8均使用波分复用(WDM)在单模光纤上传输8个不同波长的8个通道,最远可达10 km。 200 Gbps规范基本上遵循400 Gbps的规范,但在一个或四个单模光纤上使用四个50 Gbps的通道。

可插拔模块和电缆

要部署支持新的400 Gbps以太网标准的设备,显然需要新的可插拔模块,连接器和电缆。 400GBASE-SR16端口需要32芯光纤连接器和电缆,而400GBASE-DR4标准使用更高的56 Gbps电信号速率。

通用的100 Gbps QSFP28连接器支持4个25 Gbps通道,电信号速率为28 Gbps。八根光纤用于发送和接收的,当前12芯MPO连接器和用于100 Gbps的电缆能满足。显然,12芯MPO连接器和电缆将支持802.3bs标准中的400GBASE-DR4和200GBASE-DR4标准。在链路中仅使用两根光纤的其他标准可以使用通用的双工LC连接器和电缆。这使得32芯MPO成为专门针对400 Gbps以太网新开发的标准。



12光纤MPO连接器将光纤排列在两个定位销之间的单排中。对于32光纤MPO,有两排16根光纤,这使得新连接器与12芯MPO不兼容。因此,32芯MPO连接器的键控方式与12光纤MPO不同,以避免收发器和电缆连接不正确。

随着更快的信号传输,更多通道和更多光纤的发展,400 Gbps以太网需要新的收发器外形。在尝试将更多功耗分散到小模块中时,需要考虑一些挑战和权衡因素。与以前的以太网标准一样,400 Gbps以太网出现了许多光收发器外形:
 
  • CFP8  - 大外形。低端口密度。良好的热管理。
  • OSFP  - 专为实现最佳信号和热性能而设计。不兼容其它标准的外形。
  • QSFP-DD  - “双密度”QSFP。向后兼容100 GbpS和40 Gbps以太网。高端口密度。
  • COBO  - 板载光学模块,不是可插拔的收发器。最高端口密度。


 

结论

在云数据中心日益增长的需求的推动下,以太网标准的发展迅速达到了令人难以置信的400 Gbps数据速率。 400 Gbps以太网标准采用新的编码方案和更高的信号传输速率,标志着与过去标准的重大突破,并为未来更快的速度铺平了道路。新的400 Gbps和200 Gbps标准包括从70 m到10 km的多模和单模光纤选项。这些标准涵盖了各种具有成本效益的短程和远程应用,并得到了许多新的收发器外形,电缆和连接器的支持。

随着新的400 Gbps设备的推出,您可以在全球数据中心,运营商接入和服务提供商网络中快速部署。随着网络流量同比持续增长,急需的额外带宽将提升。但是,以太网的发展并不止于此。新的以太网工作组已经在努力争取更高的速度和更经济,更紧凑的外形,以满足未来的行业需求。