科普：什么是 400G 以太網(wǎng)

  ICC訊 隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的快速發(fā)展、社交媒體流量爆炸式增長、從傳統(tǒng)辦公到遠程辦公的轉(zhuǎn)變…… 所有這些變化都伴隨著快速增長的數(shù)據(jù)和帶寬密集型應(yīng)用程序的壓力，數(shù)據(jù)中心面臨容量升級。

  此外，有數(shù)據(jù)顯示，2021 年大約 94% 的工作負載和計算都由云數(shù)據(jù)中心處理，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心僅處理 6%。云數(shù)據(jù)中心的帶寬需求每 12 到 15 個月就要翻一番，甚至超過廣域互聯(lián)網(wǎng)的增長速度。所有這些驅(qū)動因素都在推動數(shù)據(jù)中心流量的不斷增長以及對高容量數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)解決方案的需求。

  目前，100G 是被廣泛采用的最快的以太網(wǎng)連接，并且還在穩(wěn)步增長，但是，隨著流量的持續(xù)增長，以及視頻等大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?A href="http://m.odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=400G&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">400G 以太網(wǎng)將成為數(shù)據(jù)中心的必然趨勢。

  什么是 400G 以太網(wǎng)?

  過去幾十年見證了以太網(wǎng)速度從 1G、10/25G 到 40/100G 的轉(zhuǎn)變，以太網(wǎng)行業(yè)不斷創(chuàng)新以實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)速度，如 400G 和 800G。

  400G 以太網(wǎng)或 400 Gigabit Ethernet (400GbE) 由 IEEE P802.3bs Task Force 于 2017 年開發(fā)，它使用與 100 Gigabit Ethernet 大致相似的技術(shù)。400GbE 技術(shù)需要每秒處理更多符號的能力和高級調(diào)制格式，以最佳的每比特成本提供每波長 400Gb / s 的傳輸容量，同時具有更小的外形尺寸、更少的故障點和接口以及更低的功率和發(fā)熱 —— 所有這些都是 100Gb / s 容量的 4 倍。

  400G 技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)及趨勢

  400G 技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)包括以下四個方面：

  挑戰(zhàn) 1：DCI 連接。數(shù)據(jù)顯示，從 2019 年到 2023 年，全球互連帶寬預(yù)計將以 45% 的 復(fù)合年增長率增長。諸如 CDN 的日益普及、云服務(wù)的迅速發(fā)展和云之間傳輸數(shù)據(jù)的需求以及需要跨數(shù)據(jù)中心復(fù)制的數(shù)據(jù)量增加等因素促進了 DCI 流量的高速增長。

  挑戰(zhàn) 2：未壓縮的 4K / 8K / 16K 視頻。新冠疫情加速了視頻作為通信方式的發(fā)展，目前超過 80% 的互聯(lián)網(wǎng)流量是視頻。這意味著網(wǎng)絡(luò)必須提供更高的帶寬來傳輸未壓縮的視頻。

  挑戰(zhàn) 3：HPC 集群。高性能計算 (HPC) 集群在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中大幅增長，并帶來了巨大的擴展挑戰(zhàn)。HPC 集群無疑會加強對 400G 數(shù)據(jù)中心交換能力的需求。

  挑戰(zhàn) 4：存儲和內(nèi)存。在存儲和內(nèi)存功能方面，400G 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對于簡化非易失性內(nèi)存快速 (NVMe) 功能在數(shù)據(jù)中心的采用至關(guān)重要，而內(nèi)存優(yōu)化延遲可能會阻礙 400G 部署。

  以下這些技術(shù)發(fā)展解決了上述挑戰(zhàn)：

  趨勢 1：QSFP-DD。QSFP-DD 技術(shù)正在解決快速增長的行業(yè)對改進高密度網(wǎng)絡(luò)解決方案的需求。QSFP-DD 代表了有史以來第一次，從銅纜到長距離光學(xué)器件，所有范圍都可以以相同的通用外形尺寸提供。QSFP-DD Multi-Source Agreement (MSA) 小組還發(fā)布了針對 QSFP-DD 外形尺寸的通用管理接口規(guī)范 (CMIS) 4.0 修訂版。

  CMIS 4.0 版本的開發(fā)是為了能夠跨產(chǎn)品和模塊使用通用代碼庫，并且還解決了以前版本的可插拔光學(xué)管理系統(tǒng)的缺點。CMIS 還有助于確保 QSFP-DD 模塊向后兼容所有基于 QSFP 的收發(fā)器，包括廣泛部署的 40G / 100G / 200G 產(chǎn)品。

  隨著 400G 采用的增長，QSFP-DD 為數(shù)據(jù)中心市場提供了最緊湊的 400G 模塊，以及最高的端口帶寬密度。通過全行業(yè)的嚴格測試，QSFP-DD 功能已被驗證為最適合 400G 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的高密度、高速可插拔模塊。

  趨勢 2：基于收斂以太網(wǎng) (RoCE) 的遠程直接內(nèi)存訪問 (RDMA)。400G 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是加速數(shù)據(jù)中心采用 RoCE 技術(shù)的關(guān)鍵。RDMA 支持零復(fù)制網(wǎng)絡(luò)，通過使網(wǎng)絡(luò)適配器能夠直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用程序內(nèi)存或從應(yīng)用程序內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，無需在應(yīng)用程序內(nèi)存和操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之間復(fù)制數(shù)據(jù)。RoCEv2 協(xié)議還支持跨 L3 邊界的 RDMA。

  由于 RoCE 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機通過直接啟用顯式擁塞通知 (ECN) 提供線速性，從而獲得性能提升。此外，RCoE 有助于確保低延遲、智能擁塞管理和 QoS 靈活性。

  趨勢 3：智能網(wǎng)卡 (SmartNIC)。智能網(wǎng)卡的出現(xiàn)在使 400G 能夠滿足數(shù)據(jù)中心新的大量帶寬需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前最新的智能網(wǎng)卡提供兩個 25G / 50G / 100G 端口或一個 200G / 400G 端口以及具有 50G PAM4 SerDes 功能和 PCIe 4.0 主機連接的以太網(wǎng)連接。智能網(wǎng)卡的可用性是提高網(wǎng)絡(luò)可編程性和加速應(yīng)用程序卸載不可或缺的一部分，這對于提高數(shù)據(jù)中心效率至關(guān)重要。

  趨勢 4：采用 400G ZR / ZR+ 的 DCI 連接。400G ZR 是一種標準，旨在使用 DWDM(密集波分復(fù)用)和高階調(diào)制在 DCI 鏈路上傳輸多個 400G 有效載荷。400G ZR+ 可實現(xiàn)超過 80 公里的部署，非常適合城域區(qū)域應(yīng)用，例如 5G 回程流量、5G 固定無線接入 (FWA)。

  本質(zhì)上，400G ZR 的開發(fā)是為了確保同時實現(xiàn)高帶寬和高密度 DCI。通過光互連論壇 (OIF) 的批準，400G ZR 對于推進互操作性和降低 400G 以前的 DCI 的成本和復(fù)雜性至關(guān)重要。預(yù)計 QSFP-DD 外形尺寸的 400G ZR 將支持在城域應(yīng)用中更多采用路由光網(wǎng)絡(luò)，包括 DCI 和分布式接入架構(gòu) (DAA)。

  哪些垂直行業(yè)正在推動 400G 的發(fā)展?

  以下關(guān)鍵垂直行業(yè)在推動 400G 需求方面發(fā)揮著重要作用：

  1、通信服務(wù)提供商(CSP)。通信服務(wù)提供商在推動 400G 的采用方面處于領(lǐng)先地位。從戰(zhàn)略上講，通信服務(wù)提供商致力于為消費者和企業(yè)客戶部署 5G，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求。此外還必須 RAN / 小型蜂窩部署的密度，以滿足其 5G 業(yè)務(wù)目標。通信服務(wù)提供商正在加速 100G / 400G 架構(gòu)的采用，5G 構(gòu)建需要將云資源移動到更靠近用戶以及應(yīng)用程序和設(shè)備的位置。因此，邊緣計算資源必須在整個網(wǎng)絡(luò)中支持更多的設(shè)備，每平方公里多達 100,000 臺活躍設(shè)備。相比之下，4G / LTE 在一平方公里內(nèi)最多只能支持 2000 臺活躍設(shè)備。通過 400G 帶寬，5G 能夠擴展其主流采用所需的設(shè)備和應(yīng)用程序。

  2、超大規(guī)模云提供商。來自云提供商數(shù)據(jù)中心帶寬需求的大幅增加是采用 400G 的關(guān)鍵推動因素。Hyperscalers 正在向 50/100G 網(wǎng)卡過渡，擴展網(wǎng)絡(luò)可編程性，實現(xiàn)對提高整體數(shù)據(jù)中心效率至關(guān)重要的應(yīng)用程序卸載，包括降低功耗。由于數(shù)據(jù)中心占全球電力消耗的 1% 到 3%，超大規(guī)模企業(yè)正在大力投資改善電力使用效率(Power UsageEffectiveness)。

  3、大型企業(yè)。大型企業(yè)正在加速采用 400G 技術(shù)，這是其未來三年或更長時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略的一部分。這一戰(zhàn)略的主要驅(qū)動力是 AI / ML 計算集群的廣泛采用，這些集群需要 50/100G I / O 和 400G 擴展。這些功能對于企業(yè)至關(guān)重要。

  4、專業(yè)媒體網(wǎng)絡(luò)。未壓縮的 4K / 8K / 16K 視頻需要更多帶寬和更少的延遲來滿足視頻專業(yè)標準。自 2020 年以來，視頻流量激增，視頻流服務(wù)比最高增長超過 70%。視頻應(yīng)用容量需求和帶寬的爆炸式增長超過了當前的傳輸能力，400G 在滿足視頻網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的擴展和 QoE 需求方面變得至關(guān)重要。

  400G 廠商

  思科

  思科 Nexus 9000 系列產(chǎn)品支持提供全面的 400G 解決方案。思科已宣布其 Nexus 系列相關(guān)的 400G 產(chǎn)品將滿足所有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，將經(jīng)濟高效地為具有大型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的客戶提供高密度的 100G / 400G 支持，整個系統(tǒng)將具有更高的靈活性。

  Nexus 9300 和 9500 是 Nexus 9000 系列支持 400G 的新一代非模塊化產(chǎn)品。該系列基于思科 Cloud Scale 技術(shù)，引入完全向后兼容的 400G 光纖接口-四通道小型封裝熱插拔-雙密度 (QSFP-DD) 端口，可以通過透明方式將現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心交換矩陣從 40Gbps 和 100Gbps 速度遷移到 400Gbps。憑借高度靈活的第二層和第三層可擴展性，以及可以滿足虛擬數(shù)據(jù)中心和自動化云環(huán)境不斷變化需求的高性能。

  英偉達

  ICC訊 2022 年 4 月，英偉達發(fā)布了新一代以太網(wǎng)平臺 英偉達 Spectrum-4。該平臺由英偉達 Spectrum-4 交換機系列、ConnectX-7 智能網(wǎng)卡、英偉達 BlueField-3 DPU 和 DOCA 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施軟件組成，能夠大幅加速大規(guī)模云原生應(yīng)用。

  Spectrum-4 號稱是全球首個 400Gbps 端到端網(wǎng)絡(luò)平臺，其單芯片交換吞吐量達到了 51.2Tbps，比上一代產(chǎn)品高出 4 倍，能夠為規(guī)模大數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施提供超高的網(wǎng)絡(luò)性能和強大的安全性。由 Spectrum-4 加持的 SN5000 交換機，最高可以支持 128 個 400GbE 端口或 64 個 800GbE 端口。Spectrum-4 還優(yōu)化了 RoCE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并提供自適應(yīng)路由(Adaptive Routing)和增強擁塞控制。加密帶寬達到了 12.8Tbps，可以支持硬件級 MACsec 和 VXLANsec。

  新華三

  2022 年 4 月，新華三發(fā)布了 400G 園區(qū)核心交換機 H3C S10500X-G，S10500X-G 依托數(shù)據(jù)中心級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及全新設(shè)計理念，打破園區(qū)交換機性能極限。S10500X-G 采用新華三自主研發(fā)的云原生網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) Comware，具備先天的云化、容器化、微服務(wù)化的內(nèi)核能力，可支撐業(yè)務(wù)百秒通流與故障業(yè)務(wù)快速恢復(fù)，并通過 RDMA、RoCE 及 AI ECN 技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高吞吐、低時延。在安全方面，S10500X-G 交換機支持全端口硬件級加密技術(shù) MACSec(Media Access Control Security，MAC 安全)，密鑰長度可達 256 bits，從根源上保護二層協(xié)議免受攻擊，降低數(shù)據(jù)泄漏和遭受惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險。

  400G 時代正在來臨，你準備好了么?

  毋庸置疑，400G 以太網(wǎng)的發(fā)展已成為必然。

  對于廠商而言，機遇與挑戰(zhàn)并存。如今，各大供應(yīng)商陸續(xù)推出 400G 產(chǎn)品，想從激烈的 400G 市場競爭中獲勝并不容易。不過對于用戶而言，隨著 400G 產(chǎn)品的標準化、規(guī)模化及量產(chǎn)的實現(xiàn)，400G 搭建成本將逐步降低，用戶的選擇也會更多。另外，伴隨 25G 和 100G 部署成本的大幅下降，無論是對 400G 有迫切需求的用戶，還是對處于觀望中的用戶，無疑都是有利的。