Ethernet בפס רחב – לאן אנחנו הולכים

מבוא

ככל שרוחבי הפס הנדרשים ברשתות תקשורת עולים, כך גם יוצאים תקנים חדשים שבאים לתמוך ברוחבי פס אלו, ובכל פעם שאנחנו בטוחים שהפעם אנחנו כבר על הסף שחוקי הפיסיקה מאפשרים, יוצאים תקנים וטכנולוגיות חדשות שמוכיחים לנו שתמיד אפשר לשפר. שאלה נוספת היא האם באמת יש צורך בטכנולוגיות אלו כיום, ואם לא אז מתי. במאמר זה אני רוצה לדבר על טכנולוגיות ה- Ethernet  החדשות, לרוחבי פס של 200Gbps ו- 400Gbps ובשאלות העולות לגבי הכדאיות של השימוש בטכנולוגיות אלו.

סקירה היסטורית קצרה

השימוש בפרוטוקול Ethernet החל כבר בתחילת שנות השבעים עם 10Mbps על כבל קואקס (RJ58), באמצע שנות התשעים נכנס Fast Ethernet, בתחילת שנות האלפיים הגיע ה- Gigabit Ethernet ומספר שנים אחריו גם ה- 10Gbps. מה שמעניין בשני האחרונים, שהתחילו להתפתח רכיבים לטווחים של עשרות ק"מ, במימוש מעל סיבי SM (Single Mode), כלומר בשנים אלו התחיל ה- Ethernet להיכנס לרשתות הציבוריות, כאשר בשנים האחרונות כבר נהפך לשחקן כמעט יחיד ב- Layers1/2  בשוק זה.

הדור הבא של Ethernet  החל למעשה בשנת 2012, עם יציאת ממשקים ל- 40Gbps  ו- 100Gbps, בממשקים של QSFP/QSFP+/QSFP28 (האות "Q" בשם בממשק מציינת ארבעה ערוצים (Quad channels) לממשק. ממשקי QSFP ו- QSFP+ מתאימים לפרוטוקולים שונים, כאשר QSFP+ הוא הממשק החדש יותר. המספר "28" ב- QSFP28 בא לציין רוחב פס של עד 28Gbps על כל ערוץ ולכן ממשק זה בשימוש ב- 100Gbps Ethernet). סריקה על מודולים וטווחים קיימים ניתן למצוא ב- Cisco, Juniper, Extreme Networks ויצרנים רבים אחרים. בהמשך, כנראה כשגילו ש- 40/100Gbps זה קצת מהר מדי ויקר מדי, יצאו גם ממשקים ל- 25Gbps  ו- 50Gbps שמיועדים לשרתים ואולי גם בעתיד לתחנות מהירות במיוחד, ולאחר מכן גם 2.5/5.0Gbps על נחושת בתקן IEEE-802.3bz שמיועד למחשבי קצה.

אז מה חדש?

מה שחדש זה הצרכים מהרשת. לפי תחזיות שונות הולך להיות מעניין. לפי סיסקו למשל (לקחתי כדוגמא, קיימים מספר רב של תחזיות דומות), בדו"ח מאוד מעניין שהתעדכן לפני מספר ימים (ב- 9/3/2020) Cisco Annual Internet Report (2018-2023), כמות הרכיבים ותנועה לכל אחד תגדל בכ- 50%, כאשר התנועה בין מכשירים (M2M) תהיה חצי מכמות התנועה ברשת, זאת כאשר התנועה הממוצעת לכל רכיב בחיבור בפס רחב תעלה מ- 45.9Mbps ל- 110.4Mbps, והתנועה הממוצעת למכשיר סלולארי תעלה מ- 13.2Mbps ל- 43.9Mbps ולמכשיר WiFi גם היא תעלה פי 3.כל זה, כאשר יש לנו מיליארדים רבים של מחשבים רגילים ומכשירים סלולאריים, והרבה יותר מזה מכונות שידברו אחת עם השנייה, דורשים רוחב פס, ואת הרוחב פס נצטרך בעיקר בשני מקומות: ב- Data Centers  שמאכסנים את מידע, וברשתות ה- Carriers שמובילות את המידע לשם. וכאשר Ethernet הוא הפרוטוקול המוביל ברמות 1 ו-2 (של OSI, זוכרים?…), אז רוחבי פס של מאות Gbps ויותר זה כבר הגיוני יותר.

לכן, אם אנחנו מדברים על כמה שנים קדימה, ואם נחלק את שוק ה- Ethernet לפלחי השוק העיקריים, אז נראה Ethernet  ב- 4 מגזרים:

  1. רשתות Enterprise:  למחשבי קצה גם היום יש מעל ומעבר למה שצריך. כאשר יש לנו 1Gbps למחשב, כאשר רוב האפליקציות מנצלות Gbps לכל היותר כמה עשרות Mbps, כבר היום יש מספיק. מדברים על מעבר ל- 25Gbps  למחשבי קצה, אולי. לגבי שרתים, ימשיכו עם כרטיסי 10Gbpps כמו היום, וייתכן גידול לכרטיסים של 25/50Gbps שנועדו למטרה זו. במתגים (CORE ו- DC בארגונים), נראה שעוד כמה שנים טובות נסתפק ב- 40/100Gbps, כאשר נתון המחיר הינו משמעותי – מצד אחד המחירים שיורדים כל הזמן, ומצד שני לא בטוח שצריך רוחבי פס כאלה.
  2. ברשתות Carriers: כאן ללא ספק תהיה דרישה ל- 400Gbps ויותר, כולל רשתות אופטיות (OTN וכד'), לספק את הדרישה להעברת רוחבי פס גבוהים.
  3. ברשתות Data Centers  ציבוריות: גם כאן דרישה גבוהה לרוחב פס, עם עוד נתון מעניין – ארכיטקטורות רשת ייחודיות, פרוטוקולים וטכנולוגיות חדשות שיבואו מענקי הענן – Google  שהקימה רשת SDN כבר ב- 2012, מייקרוסופט עם מערכת הפעה פתוחה למתגים (SONiC) שכבר נתמכת על ידי היצרנים בפלטפורמות מסוימות ועוד. הרבה מאוד רוחב פס והרבה קוד פתוח. הולך להיות מעניין.
  4. ב- IoT:  כאן הדרישה היא בעיקר ל- Latency נמוך, ומבחינת רוחבי פס יהיו כאן Kbps-Mbps’s עם כמות גדולה מאוד של רכיבים.

אילוסטרציה יפה לכך ניתן לראות בתמונה הבאה (מתוך Cisco Live 2018):

בתמונה מאוד מעניינת מתוך ה- Ethernet Alliance אנחנו רואים את הרשתות השונות, ומה יהיה בכל אחת:

בתמונה הבאה, מתוך ה- Ethernet Alliance (פורום יצרנים), אנחנו רואים את הכיוון – מ- 200/400Gbps מהשנה האחרונה (2019-20), ועם תכנון ל- 1.6Tbps, 6.4Tbps  ויותר לשנים הבאות.

ועכשיו לטכנולוגיה

Ethernet ברוחבי פס של 200/400Gbps  מתבססים על תקן IEEE 802.3bs-2017 מדצמבר 2017. גם כאן, כשאנחנו באים לעלות ברוחבי הפס אנחנו נכנסים למגבלות שונות, בעיקר מגבלות של חוקי הפיסיקה. ולכן ישנן מספר דרכים שאפשר לעשות זאת, שתלויות בהתפתחות הטכנולוגיה, יכולות העיבוד והרכיבים האלקטרוניים (הזכרתי את זה גם במאמרים על רשתות סלולאריות). האפשרויות הן:

  1. להעלות את קצב השעון למקסימום האפשרי, כלומר לשדר בקצב גבוה יותר.
  2. להשתמש בשיטות אפנון חזקות יותר, כלומר כמות גדולה יותר של bits לכל יחידת זמן  (למשל QAM מסדר יותר גבוה)
  3. להשתמש במספר סיבים לכל ממשק
  4. להשתמש במספר אורכי גל לכל ממשק

וככה זה בדיוק עובד כאן, כאשר עד היום תוקננו מספר אפשרויות, כפי שרואים בטבלאות הבאות:

עבור 200Gbps:

עבור 400Gbps

הסבר קצר על המונחים

  • Medium – מדובר כמובן על סוג התווך – סיב מסוג Single Mode (SM) או Multi Mode (MM), WDM שהוא ריבוב אורכי גל (Wavelength Division Multiplexing) ובצידו מצוין באיזה טווח אורכי גל מבוצע הריבוב.
  • Media Count – מספר המדיות הפיסיות. במדיה פיסית אנחנו מתייחסים לסיב או לאורך גל נפרדים.
  • Lane – מספר "מסלולים". כאשר מבוצע ריבוב ממספר אותות לאות יחיד על אותו תווך פיסי מתייחסים לכל אחד מהאותות הנפרדים כ- Lane.
  • Gigabaud per lane – קצב השידור ב- bits/sec על כל אחד מה- Lanes
  • Reach – מרחק ועל איזה סוג כבל.

דוגמא

ב- 400BASE-SR4.2 יש 4 גידים של סיב מסוג MM, כאשר על כל אחד מהם מבוצע ריבוב של שני אותות של 26.5625Gbps. האפיון הוא בשיטת PAM4 (ארבע סיגנלים בכל יחידת זמן, בשומה ל- QAM4), כאשר משתמשים ב- 4 זוגות אופטיים של כבלים מסוג MM, ולפי סוג הכבל ניתן גם טווח העבודה במטרים.

ממשקים פיסיים

עבור מימוש טכנולוגיות 200/400Gbps דרושים מחברים עם סיבים רבים. כך למשל עבור מימוש של 400GBASE-SR16 דרושים 32 סיבים, ועבור 400GBASE-SR4 דרושים 8 סיבים. המחברים שפותחו לקישורם אלו נקראים MPO (Multi-fibre Push On) ודוגמא אנחנו רואים בתמונה הבאה:

מימוש הטכנולוגיה:

מספר יצרנים כבר יצאו עם תמיכה ב- 200/400Gbps, בינהם Cisco עם סדרה 8000, Juniper עם סדרה QFX5200, Arista עם סדרה 7060 ואחרים. ההמלצה מהיצרנים הינה להשתמש ב- 400Gbps בחיבורים בין Spine ל- Leaf, וכן בחיבורים בין DCs  מבוזרים.

סיכום:

לסיכום, פרוטוקולי Ethernet לא הגיעו לסוף דרכם, הם רק התחילו להתפתח. ועוד לא דיברו על Carrier Ethernet ו- Data Center Ethernet שבהם מדובר על טכנולוגיות בפני עצמן. בפרקים הבאים ניכנס יותר לנושאי תכנון ומימוש, ונראה יותר לעומק מה עושים עם כל זה.