40G以太网的介绍、部署理由及市场潜力

    作者：思科系统公司 Gautam Chanda /康普公司 Frank Yang
摘要
    40G以太网正成为不可阻挡的商业趋势。虽然 10G以太网仍被广泛运用于数据中心，但CIO和IT经理们必须提前考虑未来需求（参见图 1）：高带宽应用，例如服务器虚拟化和云计算、数据中心光纤整合、以及最终用户对于更高性能计算的需求。对更快的数据传输速率的需求将不断增长并对网络生产效率和OPEX成本带来重要意义。 
 

                   图1：驱动高速以太网需求的当前趋势 
    2010 年 6 月， IEEE 适时行动，正式采纳了 IEEE 标准 802.3baTM，为40G以太网和100G以太网的发展铺平了道路。随着速度的提升，网络能够将新发现的10G以太网 资源移动到接入层，让更强大的40G以太网设备处理聚合层及核心层的流量。分析师的预测和原始设备制造商的全力开发说明，40G以太网必将成为 IT 环境不可或缺的一部分，剩下的只是时间和方式问题。 
本白皮书将分析40G以太网的未来发展以及它对网络架构的影响，并为 IT 经理解释迁移到新的标准需要哪些准备工作。 

简介：40G以太网的商业现状 
    自 1980 年 2 月IEEE 802标准委员会成立之时起，以太网在各个层面中的输送速度有了显著提升，间隔时间却大幅缩短。现在，距10G以太网标准的确立仅八年之后，IEEE 就已经采纳了802.3ba，为40G以太网 和 100G以太网 铺平了道路。 
 

                    图 2：代表前沿部署趋势；大面积市场部署通常晚几年 
    如图 2 所示，接入层内的 I/O 数据传输速率每 24 个月翻一倍，而核心层传输速率大约每 18 个月翻一倍。40G以太网背后的主要驱动力是新一代高速、高需求计算应用和技术，其中包括虚拟服务器和云计算的扩展部署。截至 2009 年末，将近有五分之一的新服务器中实现虚拟化1。同时，经济形势带来的财务压力也让网络不得不寻找整合资源的方法，以便降低 OPEX 和总体拥有成本。

                     图 3：40G以太网和100G以太网的多模和单模实施成本

    多模光缆40G以太网拥有四倍容量，且可经济地迁移至100G以太网（参见图 3），显然是数据网络发展的下一目标。考虑到迫切程度的增加以及价格的降低等因素，市场调研公司 Dell’Oro 集团的分析师认为，到 2013 年，40Gbps光缆市场的成交金额将达到 145 亿美元2。

    IT 经理是否应暂缓部署 40G以太网技术而等待100G以太网面市有一些争论，但鉴于 40G以太网的设计灵活性和相对100G以太网的成本优势，这一问题很快沉寂。目前，40G以太网可以有效地部署在数据中心网络的聚合链路内。到 2016 年，40G以太网还将普遍应用于接入链路，实现图 4 所示的服务器连接。作为40G以太网的补充， 100G以太网更适合电信服务提供商和数据中心核心链路。
 

                      图 4：40G以太网交换设备成为主流的预测时间表
    对于有意保持竞争力的 IT 经理和CIO来说，40G以太网是增加所需带宽的最佳选择，但如果规划不当，网络运营商在面临升级需求时可能措手不及。
 
    本文详细说明了全面评估、规划和指定40G以太网网络升级的过程。如图 4 所示，虽然距离40G以太网大面积普及尚需数年，但 IT 经理和CIO最好马上着手迁移规划。 

40G以太网：详细情况 
    40G以太网和100G以太网是由 IEEE 802.3ba 工作小组开发的以太网标准，支持每秒 40 和 100 Gb 的以太网帧传送，同时确立了通过主干网络、铜缆布线、多模光缆和单模光缆通信的物理层规范。40G以太网/100G以太网标准的正式开发始于 2008 年 1 月，2010 年 6月 正式获得批准。 
    40G以太网网络层的核心是一对经电缆（比如 OM4 或 OM3 光缆）连接的收发器。收发器继而插入网络服务器或各种组件，如网络接口卡和交换机等。 


                      图 5：针对第 1 代部署规划的收发器尺寸
    收发器：40G以太网收发器（图 5）是按照几个标准尺寸开发的。CFP（C 型可插入）收发器拥有12个10Gb/s 发射通道和12个10Gb/s 接收通道，只支持一个100G以太网 端口或最多三个40G以太网端口。其尺寸较大，适合单模光缆，也可轻松地匹配多模光缆或铜缆。CXP尺寸的收发器也在每个方向上提供12个通道，但比CFP小很多，适合多模光缆和铜缆。QSFP（四通道小型可插入）与CXP尺寸相当，提供4个发射通道和4个接收通道，支持目前的40G以太网多模光缆和铜缆应用，未来也可能支持单模应用。QSFP还可能在通道速率增至25Gb/s后投入100GE 应用。 
 
                       图 6：10G以太网和 40/100G以太网的布线选择
    电缆和连接件：如图 6 所示，光缆和铜缆均可用于40G以太网布线。可支持的信道长度取决于电缆和收发器类型。关于连接件，802.3ba 标准中唯一明确指出的变化是在多模收发器上使用MPO型连接器，以便支持多芯并行光纤信道。 
    对于在 40G 或100G下运行的数据中心环境，通常推荐OM3和OM4多模光缆布线，两者的距离支持比铜缆解决方案更广泛的部署配置，且成本低于单模光缆解决方案。 

    图 7：多模光缆10/40/100G以太网的以太网信道配线布局 IEEE 802.3 以太网信道布局
并行光纤的使用 
    以太网标准传统上依靠双工光纤布线，每个信道有一条光纤负责发射，另一条负责接收。但 802.3ab 标准要求每个信道有多个流量通道。因此，40/100G以太网标准使用了图 7 中所示的并行光纤。40G以太网规范提倡 12 芯光缆布线解决方案，每个信道拥有4条专用发射光纤和4条专用接收光纤。中间四条光纤保持闲置。100G以太网解决方案规定使用 24 条光纤，分为两个 12 芯阵列，一个阵列专用于发射，另一阵列专用于接收。每个阵列中，中间10条光纤用于传输流量，而两端2条光纤闲置。
    上图说明了100G以太网的几种不同接口，其中首选方案是单个 24 芯 MPO 连接件，或者也可用两个 12 芯连接件构成信道，连接件垂直或并排配置。 
40G以太网在网络中的部署 
    新的40G以太网技术首先可能部署在数据中心内，如图 8 所示。这有助于打破接入交换机与配线交换机连接层面上的瓶颈。 
    Dell‘Oro 集团以太网交换机和企业电话市场调查部门主管 Alan Weckel 表示：“随着企业开始在布线机柜内部署客户端交换机10G以太网上行链路，以及 10G以太网直接服务器连接，这些链路的聚合将形成网络瓶颈，直到更高速度普及后才能打破。” 

           图 8：整个数据中心网络中的 40/100G以太网部署 
 
   Weckel 解释道：“例如，目前企业必须部署复杂的胖树或生成树架构来聚合10G以太网，聚合器和被聚合端使用相同速度。我们相信，40G以太网和100G以太网对满足数据中心不断增加的带宽需求至关重要。” 
    40G以太网最有吸引力的一大特点是应用的广泛性和设计的灵活性。考虑到生产效率的提升和 OPEX 的降低，正确迁移到 40G以太网将带来可观的成本效益。 

    在迁移到40G以太网时，一些网络可以继续使用目前的10G以太网交换机底盘，仅需升级线路卡和收发器。部署 CFP 尺寸收发器后，可以灵活地从40G以太网迁移至100G以太网。 
    布线方面，OM3 或 OM4 光缆最适合40G以太网或100G以太网数据中心环境，两者主要差异在于最大跨距。在 10G以太网网络中，OM3 光缆的最大跨度可达 300米，而 OM4 支持更长的信道。在 40G以太网或100G以太网环境中，按 IEEE802 标准，OM3 的最长跨度可达 100 米，OM4 则为 150 米。对于接近 150米 的应用，电缆应通过低损耗连接件端接。 
    从 10G以太网升级至 40G以太网还有许多替代途径。要为您的网络做出最佳选择，需要考虑下列关键问题： 
    确认部署40G以太网物理层比聚合10G以太网信道更有效时，哪些因素起决定作用？ 
    哪些硬件或布线，如有的话，需要更换或重新配置？ 
    各种40G以太网传输替代方案有何功能？ 
马上行动，打造面向未来的网络
    迁移规划的推迟，可能让您在评估和选择最佳迁移途径的过程中出现纰漏。尽管从 10G以太网升级至40G以太网的过程应该相对顺利，但当今的网络管理员必须进行长远的考虑。这意味着，不仅要让原有系统完美转换到 40G以太网环境，也要预见到转换过程是否影响100G以太网及更高技术的最终迁移。只有及时和全面地考虑这些问题并制定实施计划，IT人员才能打造面向未来的网络。 
    请记住，预先计划过程不表示立即购买。802.3ba 规范已经就位，网络规划可以放心进行，不用担心 IT 环境发生剧变。 

关于以太网联盟
    以太网联盟是由以太网最终用户、系统和组件供应商、行业专家、大学及政府专业人士组成的团体，致力于以太网的不断成功和发展。以太网联盟通过各种支持活动推动以太网标准的建立，范围涵盖以太网新技术的培育及互通性的演示、认证和教育。 
参考文献 
1 “全球服务器虚拟化季度追踪报告”，国际数据公司，2010 年 4 月 
2 《信息周刊》2009 年 1 月 29 日刊，W. David Gardner 报道 
3 Ethernet Alliance® 就 40G和100G以太网标准喜获批准向 IEEE 表示祝贺；公布演示和互通性计划，2010 年 6 月 21 日