Спецификации физической среды 40 и 100 Gigabit Ethernet (40 и 100 Гбит/с)
Технологии 40 и 100 Gigabit Ethernet на настоящий момент являются самыми высокоскоростными технологиями компьютерных сетей. Окончательные версии спецификаций этих технологий были утверждены к 2012 году и стали частью стандарта IEEE 802.3-2012.
40 Gigabit Ethernet – общий термин, описывающий спецификации Ethernet для передачи данных на скорости до 40 Гбит/с.
100 Gigabit Ethernet – общий термин, описывающий спецификации Ethernet для передачи данных на скорости до 100 Гбит/с.
В технологиях 40 и 100 Gigabit Ethernet остались прежними формат кадра, а также его минимальный и максимальный размер. Также как и технология 10GE, эти технологии на МАС-подуровне поддерживают работу только в полнодуплексном режиме. Максимальная длина сегмента составляет 40 000 м при использовании одномодового волоконно-оптического кабеля.
Одним из основных применений технологии 40 Гбит/с является организация ядра высокоскоростных сетей центров обработки данных, которым требуется большая полоса пропускания, а также создание магистральных каналов. Технологию 100 Гбит/с можно использовать в ядре сетей операторов связи или сетей Metro Ethernet.
В семейство 40GBASE-R в настоящий момент входит пять спецификаций:
● 40GBASE-KR4: предназначен для объединительных плат (Backplane) модульных коммутаторов/маршрутизаторов. Выполняется четырехпотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 10,3125 Гбод. Максимальное расстояние передачи по медному кабелю - 1 м. Поддерживается автосогласование.
● 40GBASE-CR4: используется твинаксиальный кабель; максимальная длина сегмента – 7 м. Выполняется четырехпотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 10,3125 Гбод. Поддерживается автосогласование.
● 40GBASE-SR4: используются четыре волокна многомодового волоконно-оптического кабеля 50/125 мкм класса ОМ3 или ОМ4; длина волны 850 нм. Выполняется четырехпотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 10,3125 Гбод. Длина сегмента – до 100 м при использовании кабеля класса ОМ3 и до 150 м при использовании кабеля класса ОМ4.
● 40GBASE-FR: используется одномодовый волоконно-оптический кабель; передача ведется на длине волны 1550 нм, прием может выполняться на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. Выполняется однопотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость 41,25 Гбод. Максимальная длина сегмента – 2 000 м.
● 40GBASE-LR4: используется одномодовый волоконно-оптический кабель. Выполняется четырехпотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 10,3125 Гбод. Для передачи и приема используются 4 длины волны: 1271 нм,1291 нм, 1311 нм, 1331 нм. Каждая длина волны передает один из четырех потоков данных. Потоки объединяются мультиплексором WDM на передающей стороне перед подачей в волоконно-оптический кабель и демультиплексируются на приемной стороне. Максимальная длина сегмента – 10 000 м.
В семейство 100GBASE-R в настоящий момент входит четыре спецификации:
● 100GBASE-CR10: используется твинаксиальный кабель; максимальныя длина сегмента – 7 м. Выполняется десятипотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 10,3125 Гбод. Поддерживается автосогласование.
● 100GBASE-SR10: используются десять волокон многомодового волоконно-оптического кабеля 50/125 мкм класса ОМ3 или ОМ4; длина волны 850 нм. Выполняется десятипотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 10,3125 Гбод. Длина сегмента – до 100 м при использовании кабеля класса ОМ3 и до 150 м при использовании кабеля класса ОМ4.
● 100GBASE-LR4: используется одномодовый волоконно-оптический кабель. Выполняется четырехпотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 25,7812 Гбод. Для передачи потоков используется технология WDM. Передача и прием ведутся на длинах волн 1295,56 нм, 1300,05 нм, 1304,58 нм, 1309,14 нм. Максимальная длина сегмента – 10 000 м.
● 100GBASE- ER4: используется одномодовый волоконно-оптический кабель.Выполняется четырехпотоковая передача и кодирование 64В/66В. Сигнальная скорость каждого потока 25,7812 Гбод. Для передачи потоков используется технология WDM. Передача и прием ведутся на длинах волн 1295,56 нм, 1300,05 нм,1304,58 нм, 1309,14 нм. Максимальная длина сегмента – 40 000 м.
Энергоэффективный Ethernet
В 2010 г. институт IEEE принял стандарт на энергоэффективный Ethernet IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet (EEE), который являлся набором усовершенствований для МАС-подуровня и физических спецификаций на основе витой пары 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 10GBASE-T, а также спецификаций для объединительных плат (Backplane) 1000BASE-KX, 10GBASE-KX4 и 10GBASE-KR. В настоящее время стандарт IEEE 802.3az является частью стандарта IEEE 802.3-2012 (Clause 78).
Технология ЕЕЕ автоматически уменьшает потребление энергии в то время, когда по каналам связи не ведется передача данных. Также в ней предусмотрена возможность обмена информацией о поддержке ЕЕЕ между партнерами по связи во время процедуры автосогласования. Если один из партнеров не поддерживает ЕЕЕ, то перехода в режим низкого энергопотребления не будет.
Для сбережения энергии EEE использует сигнальный протокол, который позволяет передатчику сообщать о том, что существует пауза в передаче данных и канал не используется. Сигнальный протокол также служит для извещения о том, что в канале надо начать передачу после предопределенного периода «спящего режима».
Когда передатчик ожидает паузу в потоке данных, он передает партнеру по связи сигнал Low Power Idle (LPI), сообщая, что канал переходит в «спящий режим». Когда приемник получает этот сигнал, он отключает некоторый функционал для уменьшения энергопотребления. Через период времени, равный времени сна (Ts), передатчик может остановить передачу сигналов, таким образом канал перейдет в состояние покоя (Tq). Периодически передатчик отправляет сигналы обновления, которые служат для извещения партнера по связи, что канал существует, и обрыва связи не произошло. Сигналы обновления отправляются до тех пор, пока передатчик не решит выйти из режима низкого энергопотребления. Время нахождения канала в «спящем режиме» не регулируется. Оно может быть различным. Когда передатчик решает начать передачу, он отправляет обычный сигнал Idle. После истечения времени, определяющего период выхода из «спящего режима» (Tw), канал становится активным, и по нему могут передаваться данные.
Рис. 5.32 Принцип работы передатчика с поддержкой ЕЕЕ
Временные параметры Ts, Tq, Tr и Tw отличаются у разных спецификаций физического уровня. Минимальные и максимальные значения Ts, Tq, Tr определены в стандарте. Время Tw обычно равно времени, требуемому для передачи кадра максимальной длины через данную среду передачи. В некоторых случаях оборудованию может потребоваться более длительный период выхода из «спящего режима», чем среднее время Tw. Например, это относится к компьютеру, система которого находилась в «спящем режиме» и была «разбужена» сетевой активностью. ЕЕЕ поддерживает дополнительную функцию, которая позволяет партнерам по связи согласовывать время, определяющее период выхода из «спящего режима» с помощью протокола LLDP (Link Layer Discovery Protocol, описан в стандарте IEEE 802.1AB-2009). Протокол LLDP широко поддерживается сетевым оборудованием, поэтому у взаимодействующих устройств не должно возникать больших затруднений при согласовании времени Tw.
Оборудование D-Link поддерживает технологию ЕЕЕ. Например, при использовании коммутаторов D-Link с поддержкой ЕЕЕ на границе сети или при создании в сети, построенной на таких коммутаторах, резервных маршрутов для повышения отказоустойчивости, можно добиться уменьшения потребления электроэнергии.
Сменные интерфейсные модули
В зависимости от выполняемых задач сетевые устройства могут быть оборудованы различным количеством и типом портов. Наиболее распространенными интерфейсами являются фиксированные интерфейсы с разъемом RJ-45 на основе витой пары, поддерживающие технологию Fast или Gigabit Ethernet, автосогласование скоростей, полудуплексного или полнодуплексного режима работы и автоматического определения полярности витой пары MDI/MDI-X. Эти интерфейсы, как правило, служат для подключения оборудования в локальных сетях. Магистральные сети обычно представляют собой волоконно-оптическую инфраструктуру.
Для обеспечения большей гибкости в выборе типа подключения к волоконно-оптической сети многие коммутаторы, маршрутизаторы и медиаконвертеры оборудованы специальными слотами, в которые можно устанавливать компактные сменные интерфейсные модули. Сменные интерфейсные модули поддерживают режим «горячей замены», т.е. их можно устанавливать в устройство и извлекать из него без отключения питания. Модули обеспечивают прием и передачу сигналов при работе в сетях передачи данных, речи и видео, а также в сетях хранения данных. По сравнению с традиционными фиксированными портами они позволяют реализовывать сетевые решения с более гибкой конфигурацией, т.к. дают возможность подбирать оптимальные оптические интерфейсы (100BASE-FX, 1000BASE-SX, 1000BASE-BX10, 10GBASE-LR и т.д.) для каждого сетевого соединения, и при этом экономить затраты.
Существует несколько видов сменных интерфейсных модулей:
● GBIC (Gigabit Interface Converter);
● SFP (Small Form Factor Pluggable);
● SFP+ (Enhanced Small Form Factor Pluggable);
● XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable);
● QSFP (Quad Small Form Factor Pluggable).
Рис. 5.33Сменные интерфейсные модули
Самой первой спецификацией на компактные сменные интерфейсные модули была спецификация SFF-8053 комитета SFF, описывающая конвертеры гигабитного интерфейса (Gigabit Interface Converter, GBIC). Модули GBIC поддерживают стандарты Gigabit Ethernet или Fibre Channel для передачи данных, голоса и видео по медным или оптическим кабелям, но преимущественно представляют собой оптические трансиверы для приема или передачи сигнала по многомодовому или одномодовому волокну. Компания D-Link выпускает большой перечень модулей GBIC с поддержкой технологии Gigabit Ethernet с оптическими и медными интерфейсами.
Рис. 5.34Модуль GBIC DGS-703 с 1 портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля
Спустя несколько лет после появления спецификации GBIC разработчики предложили усовершенствованную, компактную модификацию сменного интерфейса (Small Form Factor Pluggable, SFP). Модули SFP в два раза меньше своих предшественников по габаритным размерам. Посадочный размер SFP (форм-фактор) определяется величиной медного разъема RJ-45. Интерфейсы SFP поддерживают практически любые существующие протоколы: Ethernet (на 10, 100, 1000 Мбит/с), SONET/SDH (OC3/ 12/48 и STM 1/4/16), Fibre Channel (1 и 2 Гбит/с). Модули SFP работают на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм.
Компания D-Link выпускает модули SFP, поддерживающие стандарты Fast и Gigabit Ethernet и предназначенные для работы с разнообразным оптическим кабелем — одномодовым двухволоконным, одномодовым одноволоконным для систем с технологией WDM (Wavelength Division Multiplexing) и многомодовым. Модули снабжены дуплексными или симплексными разъемами типа LC для подключения оптического кабеля. В зависимости от используемой длины волны и типа оптического кабеля, модули обеспечивают разную дальность передачи – от 550 м до 80 км. Благодаря этому можно выбрать необходимый модуль SFP для конкретного соединения.
Рис. 5.35 Модуль SFP DEM-310GT с 1 портом 1000Base-LX для одномодового оптического кабеля
Рис. 5.36 Модули SFP DEM-331R и DEM-331T с 1 портом 1000BASE -BX10 с поддержкой технологии WDM
Модули SFP могут поддерживать важные функции цифровой диагностики (описанные в спецификации SFF-8472), позволяющие в реальном времени осуществлять мониторинг таких параметров как мощность передатчика, чувствительность приемника, напряжение питания и температура каждого оптического компонента. Информация о поддержке этой функции обычно указывается в спецификации на устройство.
Каждый модуль SFP выпускается с собственной электронной меткой, где содержатся сведения об идентификационном номере устройства и спецификации внешнего порта. Информация о внешнем порте может включать данные о длине волны, характеристиках волокна, скорости передачи данных, поддерживаемых протоколах, а также о длине канала. Идентификация SFP полезна при инвентаризации: с ее помощью отслеживается установка и замена компонентов и определяется местонахождение того или иного модуля.
Следующей ступенью эволюции сменных интерфейсов стала разработка оптических трансиверов XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable) для длин волн 850, 1310 и 1550 нм. Они поддерживают 10GE, 10 Gigabit SONET/SDH, Fibre Channel и еще некоторые высокоскоростные протоколы. XFP имеют несколько большие размеры, чем трансиверы SFP. Модули могут поддерживать систему цифровой диагностики для мониторинга состояния оптических линий.
В настоящее время компания D-Link выпускает трансиверы XFP 10GE, предназначенные для работы с одномодовым и многомодовым оптическим кабелем разной дальности передачи и для систем с технологией CWDM.
Рис. 5.37 Модуль XFP DEM-423XT с 1 портом 10 GE (10GBASE-ER) для одномодового оптического кабеля
Новым поколением оптических сменных интерфейсных модулей с поддержкой скоростей 10 Гбит/с стали трансиверы SFP+. Требования к модулям SFP+, которые являются расширенной версией SFP, определены в спецификации SFF-8431. Несмотря на то, что модули SFP+ имеют ряд усовершенствований по сравнению с классическими модулями SFP, в коммутаторах D-Link слоты SFP+ поддерживают установку модулей SFP.
По сравнению с трансиверами XFP, модули SFP+ обладают меньшими габаритными размерами и тепловыделением, что позволяет повысить плотность размещения портов 10 Гбит/с на корпусе телекоммуникационных устройств.
Модули SFP+, также как и модули SFP могут поддерживать систему цифровой диагностики в соответствии со спецификацией SFF-8472.
Компания D-Link производит широкий спектр трансиверов SFP+ с поддержкой и без поддержки функции цифровой диагностики. Различают модули, предназначенные для работы как с одномодовым или многомодовым оптическим кабелем на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм, с поддержкой технологий WDM, CWDM.
Рис. 5.38 Модуль SFP + DEM-432XT-DD с 1 портом 10 GE (10GBASE-LR) для одномодового оптического кабеля и поддержкой функции цифровой диагностики
Сменные интерфейсные модули QSFP/QSFP+ (Quad (4-channel) Small Form Factor Pluggable) представляют собой компактные оптические трансиверы с высокой плотностью компоновки, которые поддерживают четыре передающих и приемных канала. Первоначальная версия трансиверов поддерживала для каждого канала скорости 2,5 Гбит/с и 5 Гбит/с и называлась «QSFP». Последняя версия трансиверов называется «QSFP+». Скорость каждого канала в QSFP+ составляет 10 Гбит/с (в соответствии со спецификациями SFF-8635, SFF-8636) и 28 Гбит/с (в соответствии со спецификацией SFF-8665). Спецификация QSFP+ поддерживает стандарты 40 Gigabit Ethernet, Fibre Channel, InfiniBand и SONET/SDH. Модули QSFP+ могут поддерживать функции цифровой диагностики, которые позволяют отслеживать качество канала связи.
Один модуль QSFP+ способен заменить четыре стандартных модуля SFP+, а занимает на корпусе оборудования примерно столько же места, сколько занимает модуль XFP. Благодаря этому модули QSFP+ позволяют увеличить плотность портов на оборудовании в 3-4 раза по сравнению с модулями SFP+.
Рис. 5.39 Подключение модуля QSFP + к разъему на коммутаторе
Рис. 5.40 Кабель DEM-CB300QXS с модулями QSFP+