За последние пару лет всемирная сеть претерпела существенные изменения, в том числе, и в самой концепции, чему немало поспособствовал взрывной рост трафика, вызванный пандемией коронавируса. Компания Cisco не без оснований считает, что это лишь начало и интернету требуется новая инфраструктура, способная справиться с возрастающей нагрузкой. Для этого она представила свои новые решения.

Статистика, собранная Cisco, впечатляет: до 2019 года количество цифровых служб и продуктов, предлагаемых различными компаниями, росло верно, но медленно, но начиная с 2019 года «цифровизация» приобрела взрывной характер. Если верить оценкам компании, новые темпы роста эквивалентны семилетнему промежутку «по старым меркам».

Несмотря на это, половина населения планеты всё ещё остаётся без доступа в интернет, а существенная часть использует каналы с пропускной способностью до 30 Мбит/с. Лишь 12% всех подключений отвечает современным требованиям и может обеспечить полноценные удалённые рабочие места, включая дистанционную медицину и обучение. С учётом прогнозов на 2023 год (порядка 30 млрд. устройств онлайн) неудивительно, что всемирной сети требуются новые решения, как на уровне отдельных чипов и технологий, так и целых стратегий и архитектур.

У Cisco есть ответ на вызовы времени. Изначально продвижение интернета в места, ещё не охваченные подключением, замедляется сложной структурой самой сети, включающей в себя три уровня и многочисленные устройства, такие, как конвертеры оптических форматов и транспондеры. Компания проработала возможность упрощения построения сети на всех уровнях.

Ещё в 2019 году Cisco анонсировала новую архитектуру Silicon One, но на тот момент она была представлена лишь одним чипом маршрутизации. За прошедшие 15 месяцев платформа разрослась до полноценного семейства из 10 устройств, покрывающих диапазон пропускных способностей от 3,2 до 25,6 Тбит/с, и не только для маршрутизации, но и для коммутации.

Возглавляет серию 7-нм чип Silicon One G100, полностью программируемый сетевой процессор с производительностью 25,6 Тбит/с. Он позволяет строить одноюнитовые коммутаторы с 32 портами 800G и содержит в своём составе программируемый сопроцессор телеметрии, способный отслеживать множество параметров трафика с разрешением порядка наносекунд. Производительность новинки позволяет полностью задействовать интерфейс 1,6 Тбит/с для одного потока данных.

Серия чипов Silicon One Q200L включает в себя модели Q200L (12,8 Тбит/с), Q211L (8 Тбит/с), Q201L (6,4 Тбит/с) и Q202L (3,2 Тбит/с), это платформа для построения коммутаторов уровня Leaf и Top of Rack. Чипы Q200 без литеры L в названии аналогичны моделям Q200L, но имеют большую ёмкость таблиц и буферов пакетов — они предназначены для задач маршрутизации.

На базе новых чипов Silicon One уже представлены новые маршрутизаторы Cisco 8000, работающие под управлением IOS XR7. Кроме того, последние решения Cisco стали более открытыми и поддерживают, в частности, SONiC. Всё это поможет компании успешнее конкурировать с Intel, Broadcom, Juniper, Arista, а также с новичком Xsight Labs, который тоже предлагает коммутатор X1 на 25,6 Тбит/с и 32 порта 800G.

На уровне сетевой архитектуры Cisco предлагает существенно упростить саму основу интернета, сделав его продвижение «на местах» более быстрым и менее дорогим процессом. Это будет достигаться путём конвергенции транспортных уровень в единый, а на физическом уровне — отказом от деления оптики на «короткую» (SR) и длинную (LR). Конвергентная сетевая платформа NCS 5500 в таком варианте использует только трансиверы LR, что исключает из системы трансиверы и кабели SR, а также транспондеры NCS2000.

Надёжность сетей Cisco нового поколения обеспечивается за счёт продвинутой технологии мониторинга и визуализации ThousandEyes. Что касается доступности новых решений, то все чипы серии Q200 доступны уже сейчас, а более продвинутый G100 в настоящее время тестируется избранными партнёрами Cisco, массовые поставки начнутся позже.

В настоящее время для крупных телеком-провайдеров и провайдеров облачных услуг 200GbE-подключения — пройденный этап. Активно осваивается скорость 400 Гбит/с, а в планах уже фигурируют цифры 800 Гбит/с и даже 1,6 Тбит/с. Однако если переход от 200G к 400G дался достаточно просто, то при освоении ещё более высоких скоростей ожидается серьёзный набор трудностей, которые ещё только предстоит преодолеть.

Нужда в более скоростных магистралях в ЦОД порождается массой причин, и прежде всего, это рост гиперскейлеров вроде Google, Amazon или Facebook. Свой вклад вносит постоянно растущее число распределённых облачных систем, систем ИИ, машинной аналитики, периферийных вычислений и систем видеоконференций. К 2022 году ожидается, что каждый месяц объём мирового IP-трафика достигнет 396 экзабайт — для сравнения, в 2017 году этот показатель был равен 177 экзабайт.

Фотоника и электроника могут существовать даже в пределах одного кремния

Однако существующие медные и даже оптические технологии имеют свои пределы, продиктованные как возможностями скоростной обработки сигналов, так и самой природой физических процессов. В частности, серьёзно растёт энергопотребление таких сетевых систем.

По мнению Cisco, нарастить пропускную способность можно хоть в 80 раз, но для этого потребуется и в 22 раза больше энергии, а каждый ватт, потраченный в ЦОД на сети, означает ватт, который не был потрачен на дополнительную вычислительную мощность в серверах. С этим мнением согласна Microsoft Azure: если продолжить использовать технологии сегодняшнего уровня, ограничителем быстро станут именно энергозатраты.

Коммутатор Xsight Labs с поддержкой 800GbE

Над решением задачи перехода от 400 Гбит/с к более высоким скоростям, в частности, работают такие организации, как исследовательская группа «IEEE 802.3 Beyond 400 Gbps», сформированная в конце прошлого года. Также есть проект Форума Оптических Сетей (OIF) под названием «800G Coherent project». Его целью является разработка спецификаций для совместимых сетей класса 800G, способных работать на достаточно больших расстояниях, например, в пределах университетского кампуса или крупных комплексов ЦОД.

Для оценки требований к технологиям нового скоростного уровня на этой неделе был созван форум Ethernet Alliance’s Technology Exploration Forum. В нём принимают участие специалисты из крупных компаний, таких как Microsoft, Facebook и Google, а также представители крупных разработчиков сетевого оборудования — Juniper и Cisco. Большие надежды возлагаются на интеграцию традиционных кремниевых и оптических технологий.

Над созданием новых высокоскоростных чипов, совмещающих в едином корпусе электронику и фотонику (co-packaged optics, CPO) работают сейчас Ayar Labs, Broadcom, Cisco, Intel и ряд других компаний-разработчиков. Пока это новое, малоосвоенное поле, но именно на нём ожидается столь необходимый для внедрения сетей класса 800G+ прорыв в области энергопотребления.

Фотоника в исполнении Intel

Но экосистема CPO должна быть стандартизирована, дабы не породить «зоопарка» несовместимых или плохо совместимых решений. Над спецификациями CPO сейчас работают Facebook и Microsoft, а форум OIF в это же время занят разработкой единого фреймворка для этой же технологии. Работы предстоит ещё много, но в случае успеха внедрение CPO позволит отказаться от медных соединений в пределах стойки с серверным оборудованием, которые уже не отвечают требованиям «800G and beyond».

От скорейшего внедрения новых сетевых технологий выиграют и клиенты провайдеров: если сейчас для большинства корпоративных заказчиков представляют интерес каналы со скоростью 10 или 25 Гбит/с, то широкое внедрение ИИ-систем и систем видеонаблюдения высокого разрешения потребует новых скоростей, в районе 100-400 Гбит/с. К этому времени должна сложиться устойчивая сетевая инфраструктура, способная «накормить» жадные до трафика системы нового поколения.

Компания Xsight Labs сообщила о начале поставок образцов нового управляемего коммутатора X1, предназначенного для центров обработки данных. Он обеспечивает высочайшую скорость обмена информацией при очень низком потреблении энергии. Речь идёт о поддержке скоростей в 25,6 и 12,8 Тбит/сек. При этом система потребляет при типовой нагрузке менее 300 и 200 Вт соответственно.

Конструктивно же коммутатор можно смонтировать в стандартную серверную стойку. Компания позиционирует решение в качестве решения для центров обработки данных следующего поколения. Коммутатор удовлетворяет требованиям к пропускной способности ИИ-систем, машинного обучения и там далее.

Новинка основана на 7-нм чипе X1. Он реализует, как утверждается, новую революционную архитектуру и обеспечивает новые уровни мощности и эффективности. Этот чип характеризуется самым низким энергопотреблением в отрасли. X1 поддерживает новую экосистему оптики 800G, обеспечивая двукратное улучшение плотности портов по сравнению с оптикой 400G.

Архитектура коммутации X1, оптимизированная для приложений, обеспечивает минимальное энергопотребление и минимальную задержку для конкретных сценариев развертывания, таких как высокопроизводительные вычисления (HPC), ИИ, машинное обучение и центры обработки данных. X1 поддерживает телеметрию Dataplane Telemetry, которая обеспечивает лучшую в своем классе возможность мониторинга сети для устранения неполадок и анализа ситуации в реальном времени.

Поддерживается широкий спектр конфигураций коммутатора:

• Для 25,6 Тбит/с: 256 x 100G, 128 x 200G, 64 x 400G, 32 x 800G.
• Для 12,8 Тбит/с: 256 x 50G, 128 x 100G, 64 x 200G, 32 x 400G, 16 x 800G.

Семейство продуктов X1 включает ряд инструментов для облегчения развертывания и оптимизации потребностей заказчика, в том числе:

• X-PND Engine: обеспечивает высокий уровень гибкости при распределении ресурсов во время работы
• X-IQ Engine: интеллектуальная организация очередей Xsight обеспечивает меньшее время завершения потока (FCT) и повышает общую производительность приложения.
• X-MON: диспетчер мониторинга, анализа и прогнозирования обслуживания Xsight, работающий на базе Universal Chip Telemetry (UCT). Он позволяет центрам обработки данных отслеживать состояние и производительность систем, оптимизировать производительность, продлевать срок службы системы и снижать накладные расходы.

Xsight Labs весной этого года получила инвестиции от Intel Capital. Она ориентирована на создание чипсетов, которые повышают масштабируемость, производительность и эффективность работы вычислительных систем.

В июне Infinera совместно с Windstream установили соединение со скоростью 800 Гбит/с по действующему оптоволоконному каналу. Линия соединила Сан-Диего и Феникс, а общая протяженность оптоволоконной сети составила более 780 км. Широкое внедрение технологии 800G может значительно снизить стоимость эксплуатации магистральных сетей.

На данный момент самым распространенным стандартом является 100G, тестирование проведенное Infinera и Windstream не является первой демонстрацией 800G, однако это тестирование было проведено на реальной живой сети, где условия далеки от идеальных, которые создают для лабораторных тестов. Участок оптоволоконной сети Сан-Диего — Феникс является типичным для США, поэтому именно его и выбрали для проверки технологии 800G, ведь реальных клиентов мало интересуют демонстрации на выставках и тестовых стендах, им гораздо интереснее, как это все работает на практике.

В реальных магистральных сетях используются усилители и повторители, которые могут влиять на прохождение сигнала, поэтому была важна демонстрация скорости 800G именно на «живой» сети, которая уже используется для передачи данных.

Infinera использует технологию разделения оптического сигнала на 8 потоков (один луч делится на несколько, что позволяет эффективно бороться с затуханием на больших расстояниях). Эта технология, впервые разработанная Nokia, позволяет «подгонять» отдельные оптические сигналы для достижения лучшей производительности.

Тест прошел успешно, что же дальше? Теперь компаниям Infinera и Windstream Beam необходимо выпустить готовый продукт, а это не так просто, как может показаться на первый взгляд, ведь для этого потребуется перенастройка производственных линий и системы контроля продукции. Однако Infinera с оптимизмом смотрит в будущее и планирует выпустить оборудование для 800G уже к концу 2020 года.

Скорости передачи информации постоянно растут и стандарт 100G, который еще недавно казался чем-то невообразимым, уже недостаточно быстр для современных потребностей сетей 5G и облачных сервисов. Наступает эпоха 400G и близится 800G, однако производители уже начинают испытывать проблемы с физическими ограничениями оптики и материалов, ведь законы физики никто не отменял.

Недавно Nokia приобрела компанию Elenion, которая занималась разработкой оптических модулей CSTAR. Таким образом Nokia смогла ускорить свои разработки и выпустить новое решение Nokia WaveFabric Elements, основанное на чипах DSP и оптических технологиях 400G. Продукты на базе новых решений станут доступны в четвёртом квартале этого года. 

Семейство Photonic Service Engine V (PSE-V) представлено двумя решениями:

• PSE-Vc с пониженным энергопотреблением предназначен для систем 400ZR/ZR+ в форм-факторе QSFP-DD и более производительном многофункциональном варианте 400G в форм-факторе CFP2-DCO. На его основе изготавливаются оптические приемо-передатчики среднего и дальнего радиуса действия.
• PSE-Vs — для высокопроизводительных модулей с поддержкой скоростей от 400G до 800G (64QAM).

Nokia не единственная компания, которая разрабатывает оптические решения 5 поколения, о своих разработках также заявили Ciena, Infinera, Huawei, Acacia/Cisco и ZTE, однако по информации от Nokia, чипы PSE-V будут на 15% компактнее и потреблять на 20% меньше энергии, чем решения конкурентов.

С учетом постоянно растущего объема информации, новые решения Nokia будут востребованы в ЦОД облачных провайдеров и сотовых операторов, предлагающих сети стандарта 5G, который уже завоевал популярность не только среди частных абонентов, но и среди промышленных предприятий для построения IoT и систем видеонаблюдения.

Технологии автономных автомобилей, автоматизация железнодорожных перевозок, телеметрия и видео-аналитика тоже не могут развиваться без высокоскоростных сетей 5G, поэтому спрос на данное решение Nokia прогнозирует огромный, остается только подождать полномасштабного внедрения этой технологии. 

Некогда, не столь давно по меркам индустрии, альянс разработчиков технологий, базирующихся на Ethernet, носил гордое и прогрессивное имя 25 Gigabit Ethernet Consortium. Но во времена активного освоения 200 и 400 Гбит/с и обсуждения следующих, ещё более скоростных стандартов, такое имя уже не подходит, поэтому было объявлено о смене названия.   

Кроме того, переименование ознаменовалось официальной публикацией спецификаций стандарта Ethernet 800G, хотя версия 1.0  была готова ещё в начале марта.

Изначально группа 25G Ethernet Consortium была основана Arista, Broadcom, Google, Mellanox Technologies и Microsoft в июле 2014 года. Целью ставилась разработка и внедрение скоростных стандартов Ethernet 25 и 50 Гбит/с. Предварительные спецификации были опубликованы уже в сентябре следующего, 2015 года. В заслугу консорциума также можно поставить широкое внедрение трансиверов формата SFP28/QSFP28 и SFP56.

Высокоуровневая блок-схема нового стандарта

Но в 2020 году, когда сетевой трафик растёт с каждой неделей из-за карантинных мер по борьбе с COVID-19, старое название всё больше и больше перестаёт отражать суть консорциума. Поэтому 7 апреля было объявлено о том, что теперь организация будет называться Ethernet Technology Consortium. Новое имя хоть и менее информативно, но зато не ограничено скоростными рамками.

Новый стандарт использует кодирование 64/66b

Столь высокая скорость на самом нижнем аппаратном уровне достигнута за счёт использования восьми линий со скоростью 106 Гбит/с. Посредством пары блоков PCS Clause 119 (400G) подключается единственный MAC, способный обеспечить 800 Гбит/с. Единой спецификации на уровень PMD 800G пока нет, разработчики говорят о том, что на нём могут быть использованы существующие модули класса 400G, например, 400GBASE-DR4. Также возможно использование 16 линий со скоростью 53,125 Гбит/с вместо восьми более скоростных.

Стандартный трансивер 400GBASE-DR4

Когда новый стандарт 800GbE увидит свет в кремнии, металле и оптоволокне, пока не указано. Кто-то из крупных участников консорциума может воплотить спецификации в виде конкретного продукта, если найдётся богатый клиент, особенно нуждающийся в подобных скоростях. Вполне вероятно, что на этот раз такой клиент появится раньше и реализация произойдёт быстрее обычного за счёт увеличения нагрузки на сети, вызванной эпидемией коронавируса.

Компания Xilinx, один из ведущих разработчиков программируемых логических схем (ПЛИС), анонсировала третье поколение адаптивных сетевых процессоров Versal — Versal Premium. Новинка является наиболее производительной в серии и предназначена для использования в высокоскоростных сетях нового поколения.

Компания называет Versal «адаптивной платформой для ускорения вычислений» (adaptive compute acceleration, ACAP).

И действительно, архитектура Versal достаточно уникальна. По своей структуре она гетерогенна и включает в себя самые различные блоки — так, Versal Premium имеет в своём составе два ядра ARM Cortex-A72, два ядра ARM Cortex-R5F для приложений реального времени, набор движков DSP, набор криптографических движков, способных работать со скоростями до 400 Гбит/с, интерфейсы Ethernet со скоростями от 100 до 600 Гбит/с, контроллеры периферийных шин, а также набор программируемой логики, являющийся сердцем чипа.

Новый чип разработан с применением 7-нм технологического процесса TSMC и, по словам Xilinx, втрое превосходит другие ПЛИС, когда речь идёт о пропускной способности сетевых подсистем. Versal Premium должен стать новым словом в разработке однокристальных сетевых процессоров классов 400G и 800G. Полностью технические характеристики приведены на сайте компании-разработчика. Отметим только, что в старшем варианте Versal Premium будет иметь более 14 тысяч DSP-движков, 7352 ячейки системной логики и свыше 3,3 миллионов LUTs.

В сравнении с предыдущими чипами Versal, версия Premium получила трансиверы PAM4 со скоростью 112 Гбит/с, поддержку сетевого проткола Interlaken, высокоскоростные криптографические движки и реализацию PCI Express 5.0. В комплекте с платформами разработки Vitis и Vivado Design Suite это наиболее мощное на сегодня решение для разработчиков аппаратного и программного сетевого обеспечения нового поколения.

Плата VMK180 из комплекта разработчика Versal Prime Series

Пока речь идёт лишь об анонсе новой платформы. Поставки образцов Versal Premium избранным клиентам Xilinx начнутся в первой половине следующего года. Но документация уже доступна и разработчики могут приступить к прототипированию новых устройств, используя комплект Versal Prime Evaluation Kit.