作者：思科系統(tǒng)公司 Gautam Chanda /康普公司 Frank Yang
摘要
    40G以太網(wǎng)正成為不可阻擋的商業(yè)趨勢(shì)。雖然 10G以太網(wǎng)仍被廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)中心，但CIO和IT經(jīng)理們必須提前考慮未來(lái)需求（參見(jiàn)圖 1）：高帶寬應(yīng)用，例如服務(wù)器虛擬化和云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心光纖整合、以及最終用戶(hù)對(duì)于更高性能計(jì)算的需求。對(duì)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率的需求將不斷增長(zhǎng)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)效率和OPEX成本帶來(lái)重要意義。 
 

                   圖1：驅(qū)動(dòng)高速以太網(wǎng)需求的當(dāng)前趨勢(shì) 
    2010 年 6 月， IEEE 適時(shí)行動(dòng)，正式采納了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.3baTM，為40G以太網(wǎng)和100G以太網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路。隨著速度的提升，網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑿掳l(fā)現(xiàn)的10G以太網(wǎng) 資源移動(dòng)到接入層，讓更強(qiáng)大的40G以太網(wǎng)設(shè)備處理聚合層及核心層的流量。分析師的預(yù)測(cè)和原始設(shè)備制造商的全力開(kāi)發(fā)說(shuō)明，40G以太網(wǎng)必將成為 IT 環(huán)境不可或缺的一部分，剩下的只是時(shí)間和方式問(wèn)題。 
本白皮書(shū)將分析40G以太網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展以及它對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響，并為 IT 經(jīng)理解釋遷移到新的標(biāo)準(zhǔn)需要哪些準(zhǔn)備工作。 

簡(jiǎn)介：40G以太網(wǎng)的商業(yè)現(xiàn)狀 
    自 1980 年 2 月IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成立之時(shí)起，以太網(wǎng)在各個(gè)層面中的輸送速度有了顯著提升，間隔時(shí)間卻大幅縮短。現(xiàn)在，距10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的確立僅八年之后，IEEE 就已經(jīng)采納了802.3ba，為40G以太網(wǎng) 和 100G以太網(wǎng) 鋪平了道路。 
 

                    圖 2：代表前沿部署趨勢(shì)；大面積市場(chǎng)部署通常晚幾年 
    如圖 2 所示，接入層內(nèi)的 I/O 數(shù)據(jù)傳輸速率每 24 個(gè)月翻一倍，而核心層傳輸速率大約每 18 個(gè)月翻一倍。40G以太網(wǎng)背后的主要驅(qū)動(dòng)力是新一代高速、高需求計(jì)算應(yīng)用和技術(shù)，其中包括虛擬服務(wù)器和云計(jì)算的擴(kuò)展部署。截至 2009 年末，將近有五分之一的新服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)虛擬化1。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)帶來(lái)的財(cái)務(wù)壓力也讓網(wǎng)絡(luò)不得不尋找整合資源的方法，以便降低 OPEX 和總體擁有成本。

                     圖 3：40G以太網(wǎng)和100G以太網(wǎng)的多模和單模實(shí)施成本

    多模光纜40G以太網(wǎng)擁有四倍容量，且可經(jīng)濟(jì)地遷移至100G以太網(wǎng)（參見(jiàn)圖 3），顯然是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的下一目標(biāo)�？紤]到迫切程度的增加以及價(jià)格的降低等因素，市場(chǎng)調(diào)研公司 Dell’Oro 集團(tuán)的分析師認(rèn)為，到 2013 年，40Gbps光纜市場(chǎng)的成交金額將達(dá)到 145 億美元2。

    IT 經(jīng)理是否應(yīng)暫緩部署 40G以太網(wǎng)技術(shù)而等待100G以太網(wǎng)面市有一些爭(zhēng)論，但鑒于 40G以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)靈活性和相對(duì)100G以太網(wǎng)的成本優(yōu)勢(shì)，這一問(wèn)題很快沉寂。目前，40G以太網(wǎng)可以有效地部署在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的聚合鏈路內(nèi)。到 2016 年，40G以太網(wǎng)還將普遍應(yīng)用于接入鏈路，實(shí)現(xiàn)圖 4 所示的服務(wù)器連接。作為40G以太網(wǎng)的補(bǔ)充， 100G以太網(wǎng)更適合電信服務(wù)提供商和數(shù)據(jù)中心核心鏈路。
 

                      圖 4：40G以太網(wǎng)交換設(shè)備成為主流的預(yù)測(cè)時(shí)間表
    對(duì)于有意保持競(jìng)爭(zhēng)力的 IT 經(jīng)理和CIO來(lái)說(shuō)，40G以太網(wǎng)是增加所需帶寬的最佳選擇，但如果規(guī)劃不當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在面臨升級(jí)需求時(shí)可能措手不及。
 
    本文詳細(xì)說(shuō)明了全面評(píng)估、規(guī)劃和指定40G以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的過(guò)程。如圖 4 所示，雖然距離40G以太網(wǎng)大面積普及尚需數(shù)年，但 IT 經(jīng)理和CIO最好馬上著手遷移規(guī)劃。 

40G以太網(wǎng)：詳細(xì)情況 
    40G以太網(wǎng)和100G以太網(wǎng)是由 IEEE 802.3ba 工作小組開(kāi)發(fā)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持每秒 40 和 100 Gb 的以太網(wǎng)幀傳送，同時(shí)確立了通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)、銅纜布線(xiàn)、多模光纜和單模光纜通信的物理層規(guī)范。40G以太網(wǎng)/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的正式開(kāi)發(fā)始于 2008 年 1 月，2010 年 6月 正式獲得批準(zhǔn)。 
    40G以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的核心是一對(duì)經(jīng)電纜（比如 OM4 或 OM3 光纜）連接的收發(fā)器。收發(fā)器繼而插入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或各種組件，如網(wǎng)絡(luò)接口卡和交換機(jī)等。 


                      圖 5：針對(duì)第 1 代部署規(guī)劃的收發(fā)器尺寸
    收發(fā)器：40G以太網(wǎng)收發(fā)器（圖 5）是按照幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸開(kāi)發(fā)的。CFP（C 型可插入）收發(fā)器擁有12個(gè)10Gb/s 發(fā)射通道和12個(gè)10Gb/s 接收通道，只支持一個(gè)100G以太網(wǎng) 端口或最多三個(gè)40G以太網(wǎng)端口。其尺寸較大，適合單模光纜，也可輕松地匹配多模光纜或銅纜。CXP尺寸的收發(fā)器也在每個(gè)方向上提供12個(gè)通道，但比CFP小很多，適合多模光纜和銅纜。QSFP（四通道小型可插入）與CXP尺寸相當(dāng)，提供4個(gè)發(fā)射通道和4個(gè)接收通道，支持目前的40G以太網(wǎng)多模光纜和銅纜應(yīng)用，未來(lái)也可能支持單模應(yīng)用。QSFP還可能在通道速率增至25Gb/s后投入100GE 應(yīng)用。 
 
                       圖 6：10G以太網(wǎng)和 40/100G以太網(wǎng)的布線(xiàn)選擇
    電纜和連接件：如圖 6 所示，光纜和銅纜均可用于40G以太網(wǎng)布線(xiàn)�？芍С值男诺篱L(zhǎng)度取決于電纜和收發(fā)器類(lèi)型。關(guān)于連接件，802.3ba 標(biāo)準(zhǔn)中唯一明確指出的變化是在多模收發(fā)器上使用MPO型連接器，以便支持多芯并行光纖信道。 
    對(duì)于在 40G 或100G下運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心環(huán)境，通常推薦OM3和OM4多模光纜布線(xiàn)，兩者的距離支持比銅纜解決方案更廣泛的部署配置，且成本低于單模光纜解決方案。 

    圖 7：多模光纜10/40/100G以太網(wǎng)的以太網(wǎng)信道配線(xiàn)布局 IEEE 802.3 以太網(wǎng)信道布局
并行光纖的使用 
    以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)上依靠雙工光纖布線(xiàn)，每個(gè)信道有一條光纖負(fù)責(zé)發(fā)射，另一條負(fù)責(zé)接收。但 802.3ab 標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè)信道有多個(gè)流量通道。因此，40/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用了圖 7 中所示的并行光纖。40G以太網(wǎng)規(guī)范提倡 12 芯光纜布線(xiàn)解決方案，每個(gè)信道擁有4條專(zhuān)用發(fā)射光纖和4條專(zhuān)用接收光纖。中間四條光纖保持閑置。100G以太網(wǎng)解決方案規(guī)定使用 24 條光纖，分為兩個(gè) 12 芯陣列，一個(gè)陣列專(zhuān)用于發(fā)射，另一陣列專(zhuān)用于接收。每個(gè)陣列中，中間10條光纖用于傳輸流量，而兩端2條光纖閑置。
    上圖說(shuō)明了100G以太網(wǎng)的幾種不同接口，其中首選方案是單個(gè) 24 芯 MPO 連接件，或者也可用兩個(gè) 12 芯連接件構(gòu)成信道，連接件垂直或并排配置。 
40G以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)中的部署 
    新的40G以太網(wǎng)技術(shù)首先可能部署在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，如圖 8 所示。這有助于打破接入交換機(jī)與配線(xiàn)交換機(jī)連接層面上的瓶頸。 
    Dell‘Oro 集團(tuán)以太網(wǎng)交換機(jī)和企業(yè)電話(huà)市場(chǎng)調(diào)查部門(mén)主管 Alan Weckel 表示：“隨著企業(yè)開(kāi)始在布線(xiàn)機(jī)柜內(nèi)部署客戶(hù)端交換機(jī)10G以太網(wǎng)上行鏈路，以及 10G以太網(wǎng)直接服務(wù)器連接，這些鏈路的聚合將形成網(wǎng)絡(luò)瓶頸，直到更高速度普及后才能打破�！� 

           圖 8：整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的 40/100G以太網(wǎng)部署 
 
   Weckel 解釋道：“例如，目前企業(yè)必須部署復(fù)雜的胖樹(shù)或生成樹(shù)架構(gòu)來(lái)聚合10G以太網(wǎng)，聚合器和被聚合端使用相同速度。我們相信，40G以太網(wǎng)和100G以太網(wǎng)對(duì)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心不斷增加的帶寬需求至關(guān)重要�！� 
    40G以太網(wǎng)最有吸引力的一大特點(diǎn)是應(yīng)用的廣泛性和設(shè)計(jì)的靈活性�？紤]到生產(chǎn)效率的提升和 OPEX 的降低，正確遷移到 40G以太網(wǎng)將帶來(lái)可觀的成本效益。 

    在遷移到40G以太網(wǎng)時(shí)，一些網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)使用目前的10G以太網(wǎng)交換機(jī)底盤(pán)，僅需升級(jí)線(xiàn)路卡和收發(fā)器。部署 CFP 尺寸收發(fā)器后，可以靈活地從40G以太網(wǎng)遷移至100G以太網(wǎng)。 
    布線(xiàn)方面，OM3 或 OM4 光纜最適合40G以太網(wǎng)或100G以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境，兩者主要差異在于最大跨距。在 10G以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，OM3 光纜的最大跨度可達(dá) 300米，而 OM4 支持更長(zhǎng)的信道。在 40G以太網(wǎng)或100G以太網(wǎng)環(huán)境中，按 IEEE802 標(biāo)準(zhǔn)，OM3 的最長(zhǎng)跨度可達(dá) 100 米，OM4 則為 150 米。對(duì)于接近 150米 的應(yīng)用，電纜應(yīng)通過(guò)低損耗連接件端接。 
    從 10G以太網(wǎng)升級(jí)至 40G以太網(wǎng)還有許多替代途徑。要為您的網(wǎng)絡(luò)做出最佳選擇，需要考慮下列關(guān)鍵問(wèn)題： 
    確認(rèn)部署40G以太網(wǎng)物理層比聚合10G以太網(wǎng)信道更有效時(shí)，哪些因素起決定作用？ 
    哪些硬件或布線(xiàn)，如有的話(huà)，需要更換或重新配置？ 
    各種40G以太網(wǎng)傳輸替代方案有何功能？ 
馬上行動(dòng)，打造面向未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)
    遷移規(guī)劃的推遲，可能讓您在評(píng)估和選擇最佳遷移途徑的過(guò)程中出現(xiàn)紕漏。盡管從 10G以太網(wǎng)升級(jí)至40G以太網(wǎng)的過(guò)程應(yīng)該相對(duì)順利，但當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)管理員必須進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮。這意味著，不僅要讓原有系統(tǒng)完美轉(zhuǎn)換到 40G以太網(wǎng)環(huán)境，也要預(yù)見(jiàn)到轉(zhuǎn)換過(guò)程是否影響100G以太網(wǎng)及更高技術(shù)的最終遷移。只有及時(shí)和全面地考慮這些問(wèn)題并制定實(shí)施計(jì)劃，IT人員才能打造面向未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)。 
    請(qǐng)記住，預(yù)先計(jì)劃過(guò)程不表示立即購(gòu)買(mǎi)。802.3ba 規(guī)范已經(jīng)就位，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃可以放心進(jìn)行，不用擔(dān)心 IT 環(huán)境發(fā)生劇變。 

關(guān)于以太網(wǎng)聯(lián)盟
    以太網(wǎng)聯(lián)盟是由以太網(wǎng)最終用戶(hù)、系統(tǒng)和組件供應(yīng)商、行業(yè)專(zhuān)家、大學(xué)及政府專(zhuān)業(yè)人士組成的團(tuán)體，致力于以太網(wǎng)的不斷成功和發(fā)展。以太網(wǎng)聯(lián)盟通過(guò)各種支持活動(dòng)推動(dòng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的建立，范圍涵蓋以太網(wǎng)新技術(shù)的培育及互通性的演示、認(rèn)證和教育。 
參考文獻(xiàn) 
1 “全球服務(wù)器虛擬化季度追蹤報(bào)告”，國(guó)際數(shù)據(jù)公司，2010 年 4 月 
2 《信息周刊》2009 年 1 月 29 日刊，W. David Gardner 報(bào)道 
3 Ethernet Alliance® 就 40G和100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)喜獲批準(zhǔn)向 IEEE 表示祝賀；公布演示和互通性計(jì)劃，2010 年 6 月 21 日