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1. Resumen del desarrollo de la norma 25G
La creciente demanda de diversas aplicaciones y servicios multimedia, así como la necesidad de ampliar el ancho de banda y aumentar la velocidad de transmisión de datos, se están convirtiendo en un reto para todos los centros de datos del mundo. Tecnologías emergentes como la computación en nube también han actuado como catalizador, impulsando al sector a desarrollar un nuevo enfoque para hacer frente a estas tendencias en rápida evolución.
La dependencia de las redes impregna todos los aspectos de nuestro mundo, y las necesidades de ancho de banda de los centros de datos crecen a un ritmo de dos dígitos, a lo que se suma la presión igualmente urgente por contener los costes. Las nuevas tecnologías exigen que los centros de datos sigan siendo lo bastante flexibles y escalables para adaptarse a las demandas cambiantes. El auge de los proveedores de servicios en la nube ha transformado el panorama de Ethernet para centros de datos, creando un mercado viable para la conectividad de alta velocidad y bajo coste.
Los principales proveedores de nube y telecomunicaciones exigen un rendimiento de red aún mayor para satisfacer las necesidades de sus centros de datos y servicios basados en la nube sin comprometer la relación calidad-precio. Para satisfacer los requisitos de rendimiento de la red, los principales fabricantes se han unido para definir e impulsar la tecnología 25 Gigabit Ethernet (25GbE).
Satisfacer la creciente demanda de servicios y aplicaciones multimedia de colaboración, responder a la rápida evolución de los patrones de tráfico y satisfacer mejor las necesidades de ancho de banda de los usuarios para las comunicaciones. Esta es una de las razones por las que se ha formado un consorcio industrial para implantar una nueva norma de conectividad Ethernet en los centros de datos. El objetivo del consorcio es permitir la transmisión de tramas Ethernet a 25 o 50Gb por segundo (Gbps) y promover la normalización y mejora de las interfaces de los productos aplicables. En julio de 2014, el IEEE decidió apoyar el desarrollo de este estándar de 25GbE para servidores y conmutación debido a la creciente demanda de un rendimiento de red mucho más rápido manteniendo la economía de Ethernet. Este estándar se denominó 25 Gigabit Ethernet o 25Base-T, desarrollado por el grupo de trabajo IEEE 802-3 P802.3by. Este estándar se derivó del 100GbE, ya que utiliza cuatro 25Gbps que se ejecutan en cuatro fibras en cada dirección. La norma IEEE 802.3by 25GbE está técnicamente completa y fue ratificada en junio de 2016.
2. La búsqueda de un mayor ancho de banda para los soportes y los módulos transceptores
Los requisitos del mercado de Ethernet cambian constantemente en función de las distintas aplicaciones y la necesidad asociada de más velocidad, mayor distancia y menor coste. También se necesitan diferentes velocidades para aplicaciones específicas, como puntos de acceso inalámbricos que utilizan 2,5GbE y 5GbE; servidores que requieren hasta 25GbE y, por último, redes centrales que operan hasta 400GbE.
Debido a este crecimiento exponencial de la demanda mundial de ancho de banda, las velocidades de Ethernet también evolucionan constantemente a gran velocidad para mantenerse por delante de estas demandas. Sin embargo, se está innovando en diversas áreas de aplicación a velocidades más bajas. La mayoría de los servidores actuales siguen utilizando GbE, y algunos usuarios no están interesados en velocidades superiores como Terabit Ethernet (TbE) y 400GbE en un futuro previsible.
Existen diversos esfuerzos para cumplir estos requisitos, pero un objetivo común socavará la diversidad, que es un requisito global para una norma impulsada por el mercado que fomente la innovación y permita la interoperabilidad entre distintos proveedores en todas las áreas de aplicación, algo que el creciente número de usuarios de Ethernet en todo el mundo está buscando hacer posible.
Ethernet siempre ha tratado de la conectividad y de hasta dónde puede llegar esta tecnología, pero la comunidad Ethernet es consciente de que la necesidad de velocidad es proporcional a la aplicación.
En los años que van de 1995 a 2010, el desarrollo de Ethernet fue algo más lento y la innovación fue sobre todo sencilla. Las velocidades de Ethernet aumentaron linealmente: aproximadamente un orden de magnitud cada pocos años, de 10 Mbit/s a Fast Ethernet de 100 Mbit/s y de 1G a 10G.
Por ejemplo, la primera versión de Ethernet 100G 100GBASE-SR10 se introdujo en torno a 2010. Estas son algunas de las tendencias de este desarrollo:
25GBASE-SR: Cuando se desarrolló 100GBASE-SR4 en 2015, se consideró imperativo desarrollar la velocidad intermedia 25GBASE-SR para cumplir estándares como IEEE 802.3 en 2016. Este transceptor utiliza el popular factor de forma SFP+ con interfaz de conector LC-Dúplex, pero a una velocidad de 25G. Conocidos ahora comúnmente como transceptores SFP28, comparten cuatro puertos de servidor 25G en un puerto de conmutador 100G.
50GBASE-SR: Diseñado para combinar cuatro puertos de servidor de 50G con un puerto de conmutación de 200G. Disponible en el mercado desde 2018. El transceptor tiene el factor de forma SFP+ con interfaz de conector LC-Dúplex, pero en este caso funciona a velocidad 50G y se denomina SFP56.
100GBASE-SR2: el objetivo de este proyecto de normalización es agrupar dos puertos de servidor de 50G en un puerto de conmutador de 100G. Esta versión Ethernet estará disponible junto con la 50GBASE-SR. El transceptor tiene el factor de forma QSFP con interfaz de conector dúplex LC.
200GBASE-SR4: Entrará en el mercado junto con 50GBASE-SR4 y 100GBASE-SR2. Se espera que la configuración sea compatible con la serie anterior de dispositivos Ethernet SR4.
Basándose en la hoja de ruta de Ethernet Alliance publicada en 2015, que describe la evolución de Ethernet para satisfacer la demanda cada vez mayor de mayor ancho de banda en los centros de datos, muestra que la velocidad Ethernet en el extremo inferior del mercado está experimentando niveles de actividad sin precedentes, lo que también apunta hacia la velocidad Ethernet del futuro.
Tras la ratificación de IEEE 802.3por 25GbE en junio de 2016, ahora podemos ver cómo una nueva velocidad Ethernet se convierte en estándar común. 25GbE sustituirá a 10GbE por su rentabilidad y eficiencia energética para diversas aplicaciones, como la conmutación ToR para proveedores de nube. Esta nueva tendencia también soportará la demanda del enorme volumen de datos, así como la velocidad necesaria para el Internet de las cosas. Además, este desarrollo se centra principalmente en el mercado de SFP28 y QFSP28 basados en fibra con fines de conexiones troncales o de larga distancia.
3. Las ventajas de una solución de transceptores QSFP28
El transceptor QSFP28 está proyectado por la Ethernet Alliance como interfaz del futuro. Este transceptor permite utilizar el ancho de banda de la red de forma rentable y ahorrando recursos. Está diseñado para velocidades de 100GbE utilizando la especificación de cableado 4x25GbE, de ahí la "Q" que significa quad (cuádruple). El factor de forma QSFP28 mantiene la densidad habitual de 48 puertos en un conmutador 1U, lo que resulta muy beneficioso para los sistemas existentes sin tener que migrar la red a un nuevo estándar. Además, QSFP28 aumenta la densidad pero minimiza el consumo de energía. QSFP se está convirtiendo poco a poco en el factor de forma universal por varias razones.
En primer lugar, aumenta la densidad del panel frontal manteniendo el factor de forma y el número máximo de puertos, pero aumentando la velocidad de paso de 10 Gbps a 25 Gbps. En segundo lugar, admite tanto cables como transceptores. Con QSFP28, un conmutador de una unidad de rack puede alojar hasta 36 puertos QSFP. Por último, QFSP28 puede utilizar tanto VCSEL para distancias cortas como fotónica de silicio para distancias más largas, para dar soporte al centro de datos a una distancia de más de 2 kilómetros.
Con todas estas ventajas en un único factor de forma, las próximas versiones de conmutadores, routers y adaptadores de gran ancho de banda contarán con puertos QSFP28 para garantizar conexiones de 100 GbE al centro de datos.
4. 25GbE SFP28, el nuevo estándar actual de transceptores
25GbE es ya un nuevo estándar de conectividad Ethernet que beneficiará a los centros de datos en la nube y empresariales. Gracias al consorcio formado en junio de 2014, se ha creado un Grupo de Trabajo de Ethernet para promover la tecnología 25GbE y desarrollar sucesivamente el estándar: IEEE P802.3by. Además, el grupo de trabajo IEEE P802.3bq 40GBASE-T ha establecido objetivos para mejorar también la compatibilidad de BASE-T con 25GbE.
Hay varios factores de mercado que explican la aparición del estándar 25GbE. La razón principal es que ofrece una velocidad de conexión de servidores superior a 10GbE, optimizada en cuanto a costes, rendimiento y eficacia. También maximiza la eficiencia de las conexiones de servidor para acceder a los conmutadores de los centros de datos. Por último, éstos utilizan cuatro carriles de 25 Gbps (IEEE 802.3bj) que funcionan con cuatro pares de fibra o cobre y transmiten individualmente a 25 Gbps. Esto equivale a un backplane de 100 GbE por factor de forma. Cada carril requiere un chipset serializador / deserializador (SerDes). Este concepto de par trenzado tiene su origen en el desarrollo de la norma 40GbE.
La siguiente tabla muestra un resumen de las futuras interfaces básicas del estándar IEEE que especifican 25GbE.
Interfaces estándar IEEE 802.3 que especifican 25GbE
| Capa física | Nombre | Corrección de errores |
|
MMF Optics |
25GBASE-SR |
RS-FEC |
|
Direct Attach Copper |
25GBASE-CR |
BASE-R FEC or RS-FEC |
|
Direct Attach Copper |
25GBASE-CR-S |
BASE-R FEC or disabled |
|
Electrical Backplane |
25GBASE-KR |
BASE-R FEC or RS-FEC |
|
Electrical Backplane |
25GBASE-KR-S |
BASE-R FEC or disabled |
|
Twisted Pair |
25GBASE-T |
N/A |
25GbE ofrece varias ventajas fundamentales. Permite escalar de forma rentable el ancho de banda de la red para dar soporte a la próxima generación de soluciones de servidor y almacenamiento que existen en entornos de centros de datos basados en la nube y en la web. A continuación se enumeran las principales ventajas.
1. Reducción de los costes de inversión
- Menores costes en comparación con 40GbE
- Menos conmutadores ToR y cables
2. Máximo rendimiento de entrada/salida del conmutador y capacidad de tejido
- Cuatro veces la densidad de puertos de conmutación de 40GbE (una vía frente a cuatro vías)
- Mayor rendimiento que el anterior 10GbE
- Una sola vía por puerto físico maximiza el número de servidores conectados o enlaces ascendentes por conmutador.
3. Adaptación rápida mediante el uso del estándar actual IEEE 100GbE
4. Reducción del OPEX
- Menos potencia, menos refrigeración y menos espacio necesario
Algunos miembros del Consorcio 25 Gigabit Ethernet, que son proveedores líderes de soluciones de conmutación Ethernet, ofrecen ya plataformas de conmutación Ethernet compatibles con 25GbE. La mayoría de las soluciones de conmutación Ethernet, incluidas las de 10GbE, 25GbE a 100GbE, admiten múltiples velocidades Ethernet, lo que significa que los consumidores tienen absoluta libertad de elección en cuanto a conectividad de red. Algunos de los conocidos proveedores que venden plataformas de conmutación 10/25/40/50/100GbE multivelocidad que pueden aprovechar estos nuevos estándares son Cisco, Arista, Broadcom y Mellanox.
Además, cada vez se venden más tarjetas de interfaz de red (NIC) para la norma 25GbE. Como consecuencia, los cables también están adoptando este nuevo estándar. Es importante que los canales de 25GbE y 50GbE cumplan todas las "características de canal" descritas en los estándares IEEE en 802.3bj, sección "Capa secundaria dependiente del medio físico (PMD) y medio de banda base, tipo 100BASE-CR4", sección 92.9. Esto está en consonancia con el Consorcio Ethernet 25Gb. Varias combinaciones de convertidor y cable pueden cumplir estos requisitos.
Tanto los PMD de 25 GbE como los de 50 GbE son rentables, además de disponer de cable de cobre de doble eje El funcionamiento a 25 Gbps, sin embargo, sólo requiere pares de cables de doble eje, mientras que los de 50 Gbps sólo requieren pares de cables de cuatro ejes.
Los conmutadores ToR suelen conectarse a los servidores mediante una conexión basada en cables de cobre de dos núcleos y a través de las conexiones intra-rack entre conmutadores y/o routers.
Además, los cables conectados a velocidades superiores y "en abanico" (a múltiples enlaces de velocidad inferior) pueden conectarse a velocidades de 10/25/40/50Gbps, lo que ahora es posible utilizando fibras multimodo o monomodo, cables de cobre y una gama adaptada a las necesidades específicas de la aplicación.
|
Tipo de tecnología |
Media |
Normas |
Potencia |
Alcance |
|
100GBASE-SR4 |
Multi-mode |
100GbE/25GbE |
3.5 w |
100 meters |
|
100GBASE-LR4 |
Single-mode |
100GbE |
4.5w |
2km or 10km |
|
PSM4 |
Parallel Single-mode |
100GbE/25GbE |
3.5w |
500 meters |
|
CWDM4 |
CWDM single-mode |
100GbE |
3.5w |
2 meters to 2km |
|
100GBASE-CR4 |
Passive Copper |
100GbE/25GbE |
3.5w |
5 meters |
Descripción técnica del SFP28 de 25 GbE
RELOJ
Dentro de las tarjetas o conmutadores de red Ethernet, un componente serie llamado SerDes conecta todos los componentes de alta velocidad que utilizan datos para transmitir y serializar. A continuación, un deserializador en el extremo receptor reconstruye el flujo de bits serie en datos para el receptor final. Con el paso de los años, la tecnología SerDes ha evolucionado hasta alcanzar la velocidad más reciente de 25Ghz.
Los mecanismos formados por conmutadores 10GbE ejecutan SerDes a 12,5Ghz con una frecuencia de reloj de 10,3125GHz. Sin embargo, las actuales NIC y conmutadores de 40GbE utilizan cuatro conexiones SerDes paralelas con una frecuencia de reloj de 10,3125GHz cada una. Por el contrario, los componentes que integran las NIC y los conmutadores de 25GbE utilizan un SerDes de una sola vía con una frecuencia de reloj de 25,78125GHz. A continuación se muestra una tabla con las velocidades de reloj, los carriles y la potencia 25GbE SFP28.
| Ethernet | Frecuencia de reloj | Pistas | Velocidad de datos |
|
1 GbE |
1.25 GHz |
1 |
1 Gbps |
|
10 GbE |
10.31 GHz |
1 |
10 Gbps |
|
25 GbE |
25.78 GHz |
1 |
25 Gbps |
|
40 GbE |
10.31 GHz |
4 |
40 Gbps |
|
100 GbE |
25.78 GHz |
4 |
100 Gbps |
Número de conexiones de transmisión con SerDes
Los puertos Ethernet reales de un conmutador Ethernet 10GbE/40GbE común son conexiones SerDes procedentes de los pines del chip de conmutación que se conectan directamente a las cajas ópticas SFP+ y QSFP o a otros chips Ethernet o de fábrica (para servidores blade). La comunicación se realiza a través de un SFP+/QSFP en la parte frontal del conmutador y el chip de conmutación se ejecuta en una de estas conexiones SerDes. Así, el término "lanes" se refiere al número de conexiones SerDes necesarias para ejecutar un puerto de conmutación.
Actualmente, los conmutadores utilizan componentes alimentados todos ellos por SerDes con una frecuencia de reloj de unos 10Ghz, lo que proporciona una velocidad de transferencia de 10Gb entre todos los componentes y permite la codificación de sobrecarga. La tecnología SerDes ha mejorado en los últimos años hasta alcanzar los 15Ghz, ha demostrado ser económicamente viable y todos los diversos problemas de integridad de la señal relacionados físicamente han encontrado soluciones fiables.
Cuatro conexiones SerDes paralelas entre el chip Ethernet y el módulo QSFP enchufable forman la estructura de composición de la llamada interfaz 40GbE. Sigue siendo imprescindible disponer de cuatro flujos paralelos de 10Gb para extender QSFP a fibra y transportarlos al QSFP receptor (es decir, óptica paralela). Las interfaces QSFP de corto alcance utilizan cuatro pares de fibra para la transmisión. Las interfaces QSFP de largo alcance utilizan una técnica interna de multiplexación por división de onda gruesa (CWDM) para transportar los cuatro flujos de 10 Gb a través de un único par de fibras. El requisito de cuatro carriles reduce significativamente la densidad de puertos por chip de conmutación y aumenta los costes de cableado y óptica.
El estándar 25GbE aprovecha la disponibilidad de una SerDes de 25Ghz y sólo requiere una única vía SerDes, al tiempo que ofrece un rendimiento 2,5 veces superior al de las soluciones 40GbE y un importante ahorro de CAPEX en comparación con las soluciones 40GbE.
Además, las soluciones de chasis de servidor blade existentes tienen límites de sólo dos carriles SerDes para sus puertos de red LAN en placa base (LOM), por lo que no pueden implementar una interfaz de 40 Gbps de cuatro carriles.
Código de corrección de errores IEEE para 25 Gigabit Ethernet
A partir de 10GbE y 10Gb Fibre Channel Inter-Switch Links (ISLs), se utiliza el esquema de codificación "64b/66b" para mejorar la eficiencia de la transmisión de datos.
La codificación 64b/66b supone una sobrecarga del 3% (66-64) /66 sobre la velocidad binaria bruta. Para que merezca la pena, también se ha introducido la FEC de la Sección 74 (Fire Code), que proporciona protección adicional contra errores.
La especificación 25GbE admite tanto la Sección 74 FEC como la Sección 91. La función de autonegociación puede determinar si en el enlace se utiliza la Sección 74 FEC, la Sección 91 FEC o ninguna FEC.
AUTONEGOCIACIÓN
Las características específicas de la autonegociación no están totalmente definidas ni realizadas. No obstante, las soluciones de 25GbE y 50GbE son compatibles con los productos de 10GbE, 40GbE, 100GbE y 400GbE, ya que utilizan el mismo formato de trama IEEE 802.3. Sin embargo, la capacidad del puerto del conmutador para seleccionar automáticamente una velocidad diferente aún está en fase de desarrollo. Sin embargo, la capacidad del puerto del conmutador para seleccionar automáticamente una velocidad diferente aún está en fase de desarrollo.
Diferentes factores de forma para 100G y 25G
Como se muestra a continuación, la interfaz física de 25 GbE ofrece compatibilidad con varios factores de forma:
| Factor de forma | Conexiones y velocidad |
|
QSFP28 |
4 x 25Gbps |
|
SFP28 |
1 x 25 Gbps |
Actualmente, algunos conmutadores disponibles no admiten conexiones directas de 25 GbE a través de un cable SFP28 Direct Attach Copper (DAC). Una solución alternativa es utilizar un cable multiconector que permita conectar 4 puertos de 25 GbE a un puerto de conmutador QFSFP28 de 100 GbE. Sin embargo, la longitud de los cables Direct Attach Copper (DAC) está limitada a cinco metros para 25GbE. No obstante, para conseguir longitudes mayores, también se pueden utilizar soluciones AOC (Active Optic Cable).
Interfaces PCI Express (PCIe)
La interfaz PCIe 3.0 está presente en todas las plataformas de servidor. Por razones de coste, en las implementaciones de servidores en la nube y basados en web se prefiere la conectividad Ethernet de un solo puerto. Estos servidores de volumen suelen tener ranuras PCIe 3.0 x4.
La siguiente tabla muestra por qué 25GbE es un paso más fácil para actualizar las conexiones de 10GbE, ya que comprende la mitad de los carriles PCIe y se ajusta al modelo existente en comparación con los carriles 40GbE, lo que resulta en una mejor utilización del ancho de banda PCIe y un menor consumo de energía.
| Ethernet | Puerto único | Doble puerto |
|
10GbE |
2 |
4 |
|
25GbE |
4 |
8 |
|
40GbE |
8 |
16 |
|
100GbE |
16 |
32 |
Conclusión: 25GbE sustituye a 40GbE
En el consorcio celebrado en julio de 2014, se decidió por unanimidad apoyar el desarrollo de un nuevo estándar para servidores y conmutación. Crearon la 25Gbps Ethernet Task y desarrollaron el estándar de 25Gbps. Este estándar avanza rápidamente debido al gran aprovechamiento del estándar existente para 100GbE como estándar base. Los nuevos estándares de 25GbE maximizan la eficiencia de los servidores al acceder a las interconexiones de conmutadores y ofrecen la oportunidad de obtener ventajas óptimas en cuanto a coste/rendimiento. Ofrecen un rendimiento hasta 2,5 veces superior al de las conexiones 10GbE existentes, al tiempo que maximizan el ancho de banda/pin del controlador Ethernet y la capacidad del tejido de conmutación. Se puede ahorrar más del 50% de los costes de interconexión de rack por unidad de ancho de banda, lo que mejora significativamente los resultados finales. Además, se aumenta el tamaño de la red, lo que permite alcanzar una mayor densidad de servidores dentro de un rack que la que es posible actualmente con conexiones ToR de 40 GbE. En poco tiempo, el despliegue de soluciones de 25GbE conseguirá lo que nunca podrán lograr las soluciones basadas en el estándar más complejo de 40GbE.
