Zoals gewoonlijk maakte de IEEE gebruik van bestaande standaarden om een pad te smeden naar 400 Gbps. Een belangrijk kenmerk en beperking van de huidige gegevenssnelheden is de seriële snelheid met één rij die met de huidige elektrische technologie kan worden bereikt. Met de nieuwste 100 Gbps Ethernet-standaard gebaseerd op vier parallelle banen van 25 Gbps, bleek dit een natuurlijk startpunt voor de ontwikkeling van 400 Gbps. Voor 400 Gbps was echter duidelijk een methode nodig om de gegevenssnelheid van de rijstrook te verhogen tot 50 Gbps, en met het werk dat al aan de gang is om 100 Gbps optische rijstroken te bereiken, zou het gebruik van deze nieuwe prestaties een groot voordeel zijn voor 400 Gbps Ethernet.

Er waren een aantal manieren om aan de 400 Gbps-doelstellingen te voldoen en toch rekening te houden met de verschillende afwegingen en vereisten van de netwerkindustrie. Met de 400 Gbps-standaard die de fysieke media beperkt tot alleen multimode en single-mode optische vezel, was het duidelijk dat het aantal vezels in een link een belangrijk probleem zou zijn. Het is bekend dat meerdere parallelle vezels een acceptabele oplossing zijn voor verbindingen over korte afstanden tot 500 m, maar niet voor langere kabellengtes (2 tot 10 km) waar de kosten buitensporig worden. Voor een gegevenssnelheid van 400 Gbps met 16 x 25 Gbps parallelle banen zijn echter 32 vezels per link vereist voor verzenden en ontvangen. Bij het ontwikkelen van een set specificaties voor 400 Gbps had de IEEE-taskforce een aantal technologieën en methoden gebruikt om aanvaardbare kosteneffectieve oplossingen te definiëren voor zowel korteafstands multimode vezel als langeafstands single-mode vezel met behulp van een verschillend aantal vezels en lijntarieven. Bovendien werd een set van 200 Gbps-standaarden op basis van de 400 Gbps-standaarden ook gespecificeerd als een praktisch migratiepad naar 400 Gbps.

De standaarden 400 Gbps en 200 Gbps

Met een rijstrooksnelheid van 50 Gbps als basis voor het bereiken van 400 Gbps, was de eerste belangrijke beslissing om het signaalcoderingsschema te wijzigen. Tot nu toe hebben alle Ethernet-standaarden een eenvoudige NRZ-methode (Non-Return-to-Zero) op twee niveaus gebruikt voor het coderen van een binaire gegevensstroom in een overdraagbaar elektrisch signaal. Om een hogere gegevenssnelheid van de rijstrook te bereiken, moest een coderingsschema worden gebruikt dat bekend staat als 4-level Pulse Amplitude Modulation (PAM4), dat de hoeveelheid gegevens die in dezelfde tijd wordt verzonden effectief verdubbelt.

Als u denkt aan binaire gegevens die worden weergegeven door een signaal met twee spanningen, een spanning voor een "0" en de andere spanning voor een "1", dan beschrijft dit de NRZ-coderingsmethode. Voor PAM4-codering heeft het signaal vier spanningsniveaus, die twee binaire bits per spanningsniveau coderen. Een methode die bekend staat als "Gray coding" combineert de meest significante bit (MSB) en minst significante bit (LSB) paren in een datastroom in een van de vier spanningsniveaus. Grijze codering helpt bij het verminderen van de bitfouten in het signaal veroorzaakt door spanningsamplitude-ruis. Het is gemakkelijk om te zien hoe met twee databits toegewezen aan één spanningsniveau, het dubbele van de informatie in dezelfde hoeveelheid tijd kan worden verzonden.

De IEEE voltooide zijn 802.3bs-standaard (IEEE Std 802.3bs-2017) voor 200 Gbps en 400 Gbps Ethernet door een combinatie van PAM4-codering en meerdere parallelle banen te implementeren. De specificaties hebben betrekking op multimode en single mode optische vezelopties met een lengte van 70 m tot 10 km. De volgende tabel geeft een overzicht van de Ethernet PHY-varianten voor 400 Gbps en 200 Gbps.

De 400GBASE-SR16-specificatie ondersteunt 16 multimode-vezels met 25 Gbps met NRZ-codering, wat betekent dat de totale zend- en ontvangstvezels in een link 32 zullen zijn. De 400GBASE-DR4-optie ondersteunt de controversiële 100 Gbps rijstrooksnelheid over vier single-mode vezels , maar kan slechts 500 m bereiken. De duplex-vezelvarianten, 400GBASE-FR8 en 400GBASE-LR8, maken allebei gebruik van golflengteverdeling multiplexing (WDM) om acht banen over acht verschillende golflengten op single-mode vezel over een bereik van maximaal 10 km te verzenden. De 200 Gbps-specificaties volgen in principe die voor 400 Gbps, maar gebruiken vier rijstroken van 50 Gbps over één of vier single-mode-vezels.

Inplugbare modules en kabels

Om apparatuur te implementeren die de nieuwe 400 Gbps Ethernet-standaard ondersteunt, zijn duidelijk nieuwe insteekbare modules, connectoren en kabels vereist. Een 400GBASE-SR16-poort vereist 32-glasvezelconnectoren en kabels, en de 400GBASE-DR4-variant gebruikt een hogere elektrische signaleringssnelheid van 56 Gbps.

De gemeenschappelijke 100 Gbps QSFP28-connector ondersteunt vier rijstroken van 25 Gbps met een elektrische signaleringssnelheid van 28 Gbps. Dat zijn acht vezels voor verzenden en ontvangen, die worden ondersteund door 12-vezel MPO (multi-fiber push-on) connectoren en kabels die momenteel worden gebruikt voor 100 Gbps. Het is duidelijk dat de 12-vezel MPO-connectoren en kabels de 400GBASE-DR4- en 200GBASE-DR4-varianten in de 802.3bs-standaard zouden ondersteunen. De andere varianten die slechts twee vezels in een link gebruiken, kunnen de gebruikelijke duplex-LC-connectoren en kabels gebruiken. Dat laat de 32-vezel MPO achter als een nieuwe ontwikkeling specifiek voor de 400 Gbps Ethernet-standaard.

De 12-vezel MPO-connector rangschikt de vezels in een enkele rij tussen twee uitlijnpennen. Voor de 32-vezel MPO zijn er twee rijen van 16 vezels, waardoor de nieuwe connector niet compatibel is met de 12-vezel MPO. De 32-vezel MPO-connector is daarom anders gecodeerd dan de 12-vezel MPO om te voorkomen dat transceivers en kabels verkeerd worden aangesloten.

Met de ontwikkeling van snellere signalering, meer rijstroken en meer vezels zijn nieuwe transceiver-vormfactoren vereist voor 400 Gbps Ethernet. Er zijn altijd uitdagingen en afwegingen om te overwegen bij het proberen om meer componenten die meer vermogen verdelen in kleine modules te stoppen. Net als bij eerdere Ethernet-standaarden zijn er voor 400 Gbps Ethernet een aantal optische transceiver-vormfactoren ontstaan:

• CFP8 - Grote vormfactor. Lage poortdichtheid. Goed thermisch beheer.

• OSFP - Ontworpen voor optimale signaal- en thermische prestaties. Niet-compatibele vormfactor.

• QSFP-DD - De QSFP met dubbele dichtheid. Achterwaarts compatibel met 100 GbpS en 40 Gbps Ethernet. Hoge poortdichtheid.

• COBO - On-board optica module, die geen inplugbare transceiver is. Hoogste poortdichtheid.

Gedreven door de toenemende eisen van cloud-datacenters, heeft de evolutie van Ethernet-standaarden snel een ongelooflijke gegevenssnelheid van 400 Gbps bereikt. Met behulp van nieuwe coderingsschema's en hogere signaleringssnelheden, markeert de 400 Gbps Ethernet-standaard een belangrijke breuk met eerdere normen en zet het een pad naar nog hogere snelheden in de toekomst. De nieuwe 400 Gbps en 200 Gbps standaarden omvatten multimode en single-mode glasvezelopties met een lengte van 70 m tot 10 km. De normen hebben betrekking op verschillende kosteneffectieve toepassingen op korte en lange afstand en zijn ondersteund door een aantal nieuwe vorm-factoren, kabels en connectoren van de zendontvanger.

Naarmate nieuwe 400 Gbps-apparatuur beschikbaar komt, kunt u verwachten dat deze snel wordt geïmplementeerd in datacenter-, carrier-toegangs- en serviceprovidernetwerken wereldwijd. De broodnodige extra bandbreedte zal een boost geven naarmate het netwerkverkeer jaar na jaar blijft toenemen. Daar houdt de ontwikkeling van Ethernet echter niet op. Nieuwe Ethernet-werkgroepen streven al naar hogere snelheden en meer economische, compacte vormfactoren die gelijke tred houden met toekomstige industriële eisen.

Van 400 Gbps tot 800 Gbps

Een recent gepubliceerd rapport van de Dell'Oro Group stelt dat 400 Gbps naar verwachting 20 procent van de omzet van datacenters in 2020 zal omvatten. Volgens de onderzoeksgroep zijn hogere snelheden - 100 Gbps, 200 Gbps, 400 Gbps en 800 Gbps - alle voorspellingen zullen de komende vijf jaar voor een significante groei zorgen. Misschien niet verrassend, wordt verwacht dat cloud-datacenters een sleutelrol zullen spelen in de aanstaande snelheidssprong voor netwerken (van 100 Gbps naar 400 Gbps).

Ondertussen bevestigt een door de 650-groep uitgebracht marktrapport dat 200 Gbps, 400 Gbps en 800 Gbps allemaal in de komende vijf jaar zullen worden verzonden - de laatste zal naar verwachting begin volgend decennium stijgen.

"De eerste golf van 200 Gbps en 400 Gbps zal begin 2018 op de markt komen, omdat de Ethernet-switchmarkt het aantal poortsnelheden slechts drie jaar sinds de laatste grote reeks technologische vooruitgang uitbreidt," zegt Alan Weckel, oprichter en technologieanalist bij 650 groep. “Zowel 200 Gbps als 400 Gbps zullen voortkomen uit 50 Gbps SerDes-technologie aangekondigd in 2017. Het snelle tempo van innovatie wordt niet alleen geleid door indrukwekkende technologische verbeteringen, maar ook door Software Defined Networks (SDN) waardoor de cloud de reken- en netwerkbronnen tot hun beschikking. ”

Het testen van 400 Gbps, eyeing 1.6 Tbps

Volgens Ronen Isaac van Military Embedded Systems test en ratificeert de industrie momenteel technologieën die snelheden tot 400 Gbps en meer zullen opleveren.

“Tussen 2018 en 2020 worden 50 Gbps en 200 Gbps getest en aangenomen. Duizenden 25 GbE-servers en uiteindelijk 50 GbE-servers in hyper-schaal datacenters, zoals cloudserviceproviders, zullen de behoefte aan 400 GbE naar de grootstedelijke netwerken (MAN) en wide area networks (WAN's) sturen, "zegt hij. "In de niet al te verre toekomst zal het testen beginnen op 200 Gbps, 8000 Gbps en verbluffend hoge datasnelheden van 1 Tbps en 1,6 Tbps met verwachte testen en ratificatie van de normen tegen het jaar 2020."

Conclusie

Ethernet evolueert snel van 40 Gbps naar 100 Gbps naar 400 Gbps, waardoor een aantal nieuwe SerDes-initiatieven en -ontwikkelingen worden gestimuleerd. Inderdaad, 25 Gbps SerDes diende als de belangrijkste factor voor 100 Gbps Ethernet, waarbij de industrie naar verwachting aanvankelijk 50 Gbps SerDes voor 400 Gbps Ethernet zou gebruiken voordat het overgaat op 100 Gbps SerDes-technologie.

Tegelijkertijd verschuift de SerDes-technologie van NRZ naar PAM4 terwijl deze versnelt van 25 Gbps naar 50 Gbps. Dit heeft geleid tot een aantal architecturale veranderingen, waaronder de vervanging van de traditionele analoog door ADC + DSP om te helpen prestatiedoelen te bereiken en een vergelijkbare vermogen / gebied-enveloppe te behouden.