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iThome整理,2019年6月

在資料中心的乙太網路架構中,100Gb已經是現在進行式,400Gb則是未來的方向,但問題在於,是哪一種100Gb與400Gb?

由於發展路線與技術架構的不同,無論100Gb還是200Gb、400Gb乙太網路,都存在著不同的型式。

100Gb乙太網路的4個世代

以100Gb乙太網路來說,便可分為3個世代。最早的100Gb乙太網路是10Gb的「10線化」(10Gb×10),包括100GBASE-CR10、-SR10等,支援雙軸電纜與光纖傳輸,以及從7公尺到40公里的連接距離,現在已經退出市場主流。

第2代的100Gb規格是以25Gb為基礎擴展而來,是25Gb的「4線化」版本(25Gb×4),包括100GBASE-CR4、-KR4、-SR4、-LR4、-PSM4等十多種版本,支援雙軸電纜、銅線背板與光纖傳輸,連接距離從1公尺到40公里,是目前主流規格。

第3代100Gb規格是50Gb的擴展,是50Gb的「雙線化」版本(802.3cd-2018),包括100GBASE-CR2、-KR2、-SR2等,支援雙軸電纜、銅線背板與光纖傳輸,以及1公尺到500公尺的傳輸距離,是目前主流規格之一。

第4代100Gb乙太網路則是單線100Gb的規格,包括IEEE去年發布的100GBASE-DR(光纖傳輸),以及802.3ck小組發展中用於電子介面、雙軸電纜與銅線背板的版本。

200Gb乙太網路的類型

200Gb乙太網路可分為3種版本。

第1種200Gb乙太網路是25Gb的「8線化」版本(25Gb×8),只提供晶片到晶片電路板走線連接(200GAUI-8),允許的傳輸距離為25公分。

第2種版本是50Gb的「4線化」版本(50Gb×4),包括200GBASE-CR4、-SR4、-DR4、-LR4等,支援晶片到晶片電路板走線、雙軸電纜、電路背板與光纖連接,最大傳輸距離從25公分到40公里,是200Gb乙太網路的主流規格。

第3種版本,是以100Gb為基礎「雙線化」而成(100Gb×2),預定支援晶片到晶片電路板走線、雙軸電纜、電路背板與光纖連接。

400Gb乙太網路的不同類型

類似200Gb乙太網路,400Gb乙太網路也分為3種版本。

第1種版本是25Gb的「16線化」版本(25Gb×16),包括400GAUI-16與400GBASE-SR16,提供晶片到晶片電路板走線與多模光纖連接,允許的傳輸距離為25公分到10公尺。

第2種版本是50Gb的「8線化」版本(50Gb×8),包括400GAUI-8與 400GBASE-SR8、-FR8、-LR8,支援晶片到晶片電路板走線與光纖連接,最大傳輸距離從25公分到40公里,是400Gb乙太網路主流規格。

第3種版本,是由100Gb「4線化」而成(100Gb×4),包括400GBASE-SR4.2、-DR4等,支援距離達500公尺的光纖傳輸。

少即是好——頻寬聚合技術的選擇

理論上,透過多線技術聚合多個傳輸通道,可以得到任何想要的高頻寬,但考量到收發器模組與線路的複雜性與成本,使用越多的傳輸通道聚合,技術便越複雜、成本也更高。

所以當初10Gb×10版本的100Gb便是因為過於複雜、昂貴,難以推廣,最後為25Gb×4版本的100Gb乙太網路取而代之。事實上,這只是十多年前的10Gb時代,單通道10Gb規格戰勝2.5Gb×4規格的重演。

類似的,換成100Gb乙太網路,單通道100Gb版本的100Gb(如100GBASE-DR),又比25Gb×4版本更為有利,依IEEE的說法,單通道100Gb的成本,要比25Gb×4要便宜了40%。

在400Gb乙太網路領域,雖然早期曾有25Gb×16的方案,但這顯然過於複雜,實際上並不實用。所以目前400Gb的主流是50Gb×8與100Gb×4兩種版本。

原則上,100Gb×4是達到400Gb規格的最理想選擇,不過,目前IEEE制訂的單通道100Gb乙太網路規格(100GBASE-DR),以及以此為基礎4線化而成的400Gb乙太網路規格(多模光纖的400GBASE-SR4.2與單模光纖的400GBASE-DR4),最大傳輸距離分別只有100公尺與500公尺(400GBASE-DR4),所以一些廠商正在100Gb Lambda多源協議(MSA)下,發展傳輸距離可達道2公里以上的新一代100Gb乙太網路(100G-FR、100G-LR),以及400Gb乙太網路規格(400G-FR4)。

另一個重點:光學收發模組的選擇

一直到25Gb與40Gb乙太網路領域,都還有低成本的銅線連接方式可用(即使用Cat8纜線的25GBASE-T與40GBASE-T),不過到了100Gb以上規格,銅纜的適用性越來越窄,基本上是以光纖傳輸為主,銅纜僅能用在機架內短距離連接的場合。

而隨著乙太網路的持續發展,如何在提高頻寬的同時,維持傳輸埠的部署密度與成本,也讓光學收發模組(transceiver)成為另一個發展重點。

光學收發模組考量的重點,包括尺寸、功耗、散熱與向下相容性。原則上,尺寸越小的光學收發模組,越有利於提高傳輸埠配置密度,因此,趨勢是以尺寸較小的光學收發模組,取代較大型的模組,如在10Gb乙太網路上,小尺寸的SFP+收發模組,最終便取代了早期使用的XFP、X2、XENPAK模組。

另一方面,隨著乙太網路傳輸速度大幅提升,光學收發器用於傳輸訊號的能量也隨之增加,連帶也產生越來越多的熱量,也讓冷卻與熱管理越形重要。SFP+、SFP28之類的單通道收發模組,通常不需要特別的冷卻機制,依靠為其他元件提供冷卻的氣流即可。不過對於4通道以上的光學收發模組,散熱便成為重要考量。

如400Gb乙太網路使用的QSFP-DD收發器模組,內含了8個通道,也就是有8束雷射在模組內發熱,也讓冷卻與熱量監控,成為400Gb交換器的重要設計重點。

而對於製造商與用戶來說,向下相容性是另一個重要考量因素,如QSFP-DD便是以相容於QSFP與QSFP28的優勢,在架構上更具靈活性,而成為主要的400Gb光學收發器規格。

主流的光學收發模組規格

如前所述,10Gb乙太網路早期曾先後有XENPAK、XPAK、X2、 XFP等多種主要光學收發模組規格,目前的主流是SFP+。

40Gb乙太網路目前最常見的收發模組則是QSFP+,即4通道版的SFP+,另一種CFP模組目前已經很少見。

至於25Gb乙太網路的光學收發模組是SFP28,50Gb乙太網路則採用SFP56,都是單通道收發模組。

到了100Gb等級以上領域,100Gb乙太網路主要的光學收發模組,是4通道的QSFP28,200Gb乙太網路是4通道的QSFP56。

而在400Gb乙太網路方面,最早使用的收發器規格是CFP 8,可支援25Gb×16或50Gb×8架構,後來則是QSFP與QSFP-DD兩種8通道規格收發模組互相競爭,技術特性各有優劣,密度都能達到1U/36埠,就目前看來,應該是以QSFP-DD為主流,已有的400Gb交換器產品大都採用QSFP-DD。

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