Som sædvanligt udnyttede IEEE eksisterende standarder til at smede en vej til 400 Gbps. En nøglekarakteristik og begrænsning af de aktuelle datahastigheder har været den enkeltbanes serihastighed, der kan opnås med den aktuelle elektriske teknologi. Da den seneste 100 Gbps Ethernet-standard er baseret på fire parallelle baner på 25 Gbps, viste det sig at være et naturligt udgangspunkt for 400 Gbps-udviklingen. Imidlertid var det klart, at en metode til at øge bane-datahastighederne til 50 Gbps var nødvendig for 400 Gbps, og med allerede igangværende arbejde med at opnå 100 Gbps optiske baner, ville anvendelse af disse nye resultater være en stor fordel for 400 Gbps Ethernet.

Der var en række måder at opfylde 400 Gbps-målene, mens man stadig overvejer de forskellige afvejninger og krav i netværksindustrien. Da 400 Gbps-standarden begrænser det fysiske medie til kun multimode og en-mode optisk fiber, var det tydeligt, at antallet af fibre i et link ville være et nøgleproblem. Flere parallelle fibre vides at være en acceptabel løsning til korte afstandsforbindelser op til 500 m, men ikke for længere kabellængder (2 til 10 km), hvor omkostningerne bliver for høje. Imidlertid ville en datahastighed på 400 Gbps med 16 x 25 Gbps parallelle baner kræve 32 fibre pr. Link til transmission og modtagelse. Ved udvikling af et sæt specifikationer for 400 Gbps havde IEEE-taskforcen anvendt en række teknologier og metoder til at definere acceptable omkostningseffektive løsninger til både kortdistanceret multimodefiber og langdistancet enkeltmodusfiber ved hjælp af et forskellige antal fibre og linjepriser. Derudover blev et sæt på 200 Gbps standarder baseret på 400 Gbps standarder også specificeret som en praktisk migrationssti til 400 Gbps.

400 Gbps og 200 Gbps standarderne

Da en banegrad på 50 Gbps var det grundlæggende grundlag for at nå 400 Gbps, var den første store beslutning at ændre signalkodningsskemaet. Indtil nu har alle Ethernet-standarder brugt en enkel 2-niveau Non-Return-to-Zero-metode (NRZ) til kodning af en binær datastrøm til et transmitterbart elektrisk signal. For at opnå en højere bane-datahastighed var det nødvendigt at bruge et kodningssystem kendt som 4-niveau pulsamplitude-modulation (PAM4), som effektivt fordobler mængden af data, der transmitteres i den samme tidsperiode.

Hvis du tænker på binære data repræsenteret af et signal med to spændinger, den ene spænding for en "0" og den anden spænding for en "1", beskriver dette NRZ-kodningsmetoden. For PAM4-kodning har signalet fire spændingsniveauer, der koder to binære bit pr. Spændingsniveau. En metode, der kaldes “Grå kodning”, kombinerer de mest signifikante bit (MSB) og mindst signifikante bit (LSB) par i en datastrøm i et af de fire spændingsniveauer. Grå kodning hjælper med at reducere bitfejl i signalet forårsaget af spænding amplitude støj. Det er let at se, hvordan med to databits, der er kortlagt til et spændingsniveau, dobbelt så informationen kan overføres i samme tidsperiode.

IEEE afsluttede sin 802.3bs standard (IEEE Std 802.3bs-2017) for 200 Gbps og 400 Gbps Ethernet ved at implementere en kombination af PAM4-kodning og flere parallelle baner. Specifikationerne dækker multimode- og enkeltfunktionsoptiske fiberoptioner, der løber fra 70 m op til 10 km. Følgende tabel opsummerer Ethernet PHY-varianterne for 400 Gbps og 200 Gbps.

400GBASE-SR16-specifikationen understøtter 16 multimode-fibre ved 25 Gbps ved hjælp af NRZ-kodning, hvilket betyder, at den samlede transmissions- og modtagefibre i et link vil være 32. 400GBASE-DR4-indstillingen understøtter den kontroversielle 100 Gbps banehastighed over fire enkelt-mode-fibre , men kan kun nå 500 m. Duplex-fibervarianterne, 400GBASE-FR8 og 400GBASE-LR8, bruger begge bølgelængde-divisionsmultipleksering (WDM) til at transmittere otte baner over otte forskellige bølgelængder på en-mode fiber til når op til 10 km. 200 Gbps-specifikationerne følger dybest set de for 400 Gbps, men brug fire baner på 50 Gbps over en eller fire enfasede fibre.

Tilslutningsmoduler og kabler

For at distribuere udstyr, der understøtter den nye 400 Gbps Ethernet-standard, er det klart, at nye pluggbare moduler, stik og kabler er nødvendige. En 400GBASE-SR16-port kræver 32-fiber stik og kabler, og 400GBASE-DR4-varianten bruger en højere elektrisk signalfrekvens på 56 Gbps.

Det fælles 100 Gbps QSFP28-stik understøtter fire baner på 25 Gbps med en elektrisk signalhastighed på 28 Gbps. Det er otte fibre til transmission og modtagelse, som understøttes af 12-fiber MPO (multi-fiber push-on) stik og kabler, der i øjeblikket bruges til 100 Gbps. Det er tydeligt, at 12-fiber MPO-stik og kabler understøtter 400GBASE-DR4 og 200GBASE-DR4-varianterne i standarden 802.3bs. De andre varianter, der kun bruger to fibre i en forbindelse, kan bruge de fælles duplex-LC-stik og kabler. Det efterlader 32-fiber MPO som en ny udvikling specifikt til 400 Gbps Ethernet-standarden.

12-fiber MPO-stikket anbringer fibrene i en enkelt række mellem to justeringsstifter. Til 32-fiber MPO er der to rækker med 16 fibre, hvilket gør det nye stik uforeneligt med 12-fiber MPO. 32-fiber MPO-stikket er derfor tastet forskelligt fra 12-fiber MPO for at undgå, at transceivere og kabler forbindes forkert.

Med udviklingen af hurtigere signalering, flere baner og flere fibre er der behov for nye transceiverformfaktorer til 400 Gbps Ethernet. Der er altid udfordringer og kompromis at overveje, når man prøver at lægge flere komponenter, der spreder mere magt i små moduler. Som med tidligere Ethernet-standarder er der fremkommet et antal optiske transceiverformfaktorer for 400 Gbps Ethernet:

• CFP8 - Stor formfaktor. Lav porttæthed. God termisk styring.

• OSFP - Designet til optimal signal og termisk ydelse. Ikke-kompatibel formfaktor.

• QSFP-DD - QSFP “dobbelt densitet”. Bagudkompatibel med 100 GbpS og 40 Gbps Ethernet. Høj porttæthed.

• COBO - Optikmodul ombord, som ikke er en pluggbar transceiver. Højeste porttæthed.

Drevet af de stigende krav fra cloud-datacentre har udviklingen af Ethernet-standarder hurtigt nået en utrolig datahastighed på 400 Gbps. Ved hjælp af nye kodningsskemaer og højere signalrater markerer Ethernet-standarden på 400 Gbps et betydeligt brud fra tidligere standarder og sætter en vej mod endnu hurtigere hastigheder i fremtiden. De nye standarder på 400 Gbps og 200 Gbps inkluderer multimode og single-mode optiske fiberoptioner, der løber fra 70 m op til 10 km. Standarderne dækker forskellige omkostningseffektive applikationer til kort rækkevidde og lang rækkevidde og er blevet understøttet af en række nye transceiverformfaktorer, kabler og stik.

Når nyt 400 Gbps-udstyr bliver tilgængeligt, kan du forvente at se det hurtigt implementeret i datacenter, operatøradgang og netværk af tjenesteudbydere over hele verden. Den meget tiltrængte ekstra båndbredde giver et løft, når netværkstrafikken fortsætter med at stige år til år. Ethernet-udvikling stopper dog ikke der. Nye Ethernet-arbejdsgrupper stræber allerede efter højere hastigheder og mere økonomiske, kompakte formfaktorer, der vil holde trit med de fremtidige industrikrav.

Fra 400 Gbps til 800 Gbps

En for nylig offentliggjort rapport fra Dell'Oro Group oplyser, at 400 Gbps forventes at udgøre 20 procent af datacentrets omskiftningsindtægter i 2020. Ifølge forskningsgruppen er højere hastigheder - 100 Gbps, 200 Gbps, 400 Gbps og 800 Gbps - alle forventes at skabe betydelig vækst i de næste fem år. Måske ikke overraskende forventes skydatacentre at spille en nøglerolle i det kommende speed jump for netværk (fra 100 Gbps til 400 Gbps).

I mellemtiden bekræfter en markedsrapport frigivet af 650-gruppen, at 200 Gbps, 400 Gbps og 800 Gbps alle vil blive sendt i løbet af de næste fem år - hvor sidstnævnte forventes at rampe i begyndelsen af næste årti.

"Den første bølge på 200 Gbps og 400 Gbps vil ramme markedet i begyndelsen af 2018, da Ethernet-switchmarkedet udvider antallet af havnehastigheder bare tre år siden det sidste store sæt teknologiske fremskridt," siger Alan Weckel, grundlægger og teknologianalytiker hos 650 gruppe. ”Både 200 Gbps og 400 Gbps vil komme ud af 50 Gbps SerDes-teknologi, der blev annonceret i 2017. Den hurtige innovationstempo ledes ikke kun af imponerende teknologiforbedringer, men af Software Defined Networks (SDN), der gør det muligt for skyen bedre at udnytte beregne og netværksressourcer til deres rådighed. ”

Testning af 400 Gbps, øje med 1,6 Tbps

Ifølge Ronen Isaac fra Military Embedded Systems tester og ratificerer industrien i øjeblikket teknologier, der bringer hastigheder op til 400 Gbps og derover.

”Mellem 2018 og 2020 testes og vedtages 50 Gbps og 200 Gbps. Tusinder af 25 GbE-servere og til sidst 50 GbE-servere i hyperskala datacentre, såsom cloud-tjenesteudbydere, vil føre behovet for 400 GbE til hovedstadsnetværkene (MAN) og brednetværksnetværk (WAN'er), ”siger han. "I en ikke alt for fjern fremtid vil testning begynde på 200 Gbps, 8000 Gbps og overraskende datahastigheder på 1 Tbps og 1,6 Tbps med forventet test og ratificering af standarderne inden år 2020."

Konklusion

Ethernet bevæger sig hurtigt fra 40 Gbps til 100 Gbps til 400 Gbps, hvorved der spredes en række nye SerDes-initiativer og -udviklinger. Faktisk tjente 25 Gbps SerDes som den vigtigste aktiveringsenhed for 100 Gbps Ethernet, hvor branchen oprindeligt forventede at udnytte 50 Gbps SerDes til 400 Gbps Ethernet, før de gik videre til 100 Gbps SerDes teknologi.

Samtidig skifter SerDes-teknologi fra NRZ til PAM4, da den accelererer fra 25 Gbps til 50 Gbps. Dette har anmodet om en række arkitektoniske ændringer, herunder udskiftning af traditionel analog med ADC + DSP for at hjælpe med at opfylde præstationsmål og vedligeholde en lignende magt / område-kuvert.