科普：什么是 400G 以太網(wǎng)

  ICC訊 隨著(zhù) 5G、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的快速發(fā)展、社交媒體流量爆炸式增長(cháng)、從傳統辦公到遠程辦公的轉變…… 所有這些變化都伴隨著(zhù)快速增長(cháng)的數據和帶寬密集型應用程序的壓力，數據中心面臨容量升級。

  此外，有數據顯示，2021 年大約 94% 的工作負載和計算都由云數據中心處理，而傳統數據中心僅處理 6%。云數據中心的帶寬需求每 12 到 15 個(gè)月就要翻一番，甚至超過(guò)廣域互聯(lián)網(wǎng)的增長(cháng)速度。所有這些驅動(dòng)因素都在推動(dòng)數據中心流量的不斷增長(cháng)以及對高容量數據中心網(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，并且還在穩步增長(cháng)，但是，隨著(zhù)流量的持續增長(cháng)，以及視頻等大容量數據傳輸的需求，400G 以太網(wǎng)將成為數據中心的必然趨勢。

  什么是 400G 以太網(wǎng)?

  過(guò)去幾十年見(jiàn)證了以太網(wǎng)速度從 1G、10/25G 到 40/100G 的轉變，以太網(wǎng)行業(yè)不斷創(chuàng )新以實(shí)現更高的網(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(kāi)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制格式，以最佳的每比特成本提供每波長(cháng) 400Gb / s 的傳輸容量，同時(shí)具有更小的外形尺寸、更少的故障點(diǎn)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)展的挑戰及趨勢

  400G 技術(shù)發(fā)展的挑戰包括以下四個(gè)方面：

  挑戰 1：DCI 連接。數據顯示，從 2019 年到 2023 年，全球互連帶寬預計將以 45% 的 復合年增長(cháng)率增長(cháng)。諸如 CDN 的日益普及、云服務(wù)的迅速發(fā)展和云之間傳輸數據的需求以及需要跨數據中心復制的數據量增加等因素促進(jìn)了 DCI 流量的高速增長(cháng)。

  挑戰 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(guò) 80% 的互聯(lián)網(wǎng)流量是視頻。這意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )必須提供更高的帶寬來(lái)傳輸未壓縮的視頻。

  挑戰 3：HPC 集群。高性能計算 (HPC) 集群在數據中心環(huán)境中大幅增長(cháng)，并帶來(lái)了巨大的擴展挑戰。HPC 集群無(wú)疑會(huì )加強對 400G 數據中心交換能力的需求。

  挑戰 4：存儲和內存。在存儲和內存功能方面，400G 數據網(wǎng)絡(luò )對于簡(jiǎn)化非易失性?xún)却婵焖?(NVMe) 功能在數據中心的采用至關(guān)重要，而內存優(yōu)化延遲可能會(huì )阻礙 400G 部署。

  以下這些技術(shù)發(fā)展解決了上述挑戰：

  趨勢 1：QSFP-DD。QSFP-DD 技術(shù)正在解決快速增長(cháng)的行業(yè)對改進(jìn)高密度網(wǎng)絡(luò )解決方案的需求。QSFP-DD 代表了有史以來(lái)第一次，從銅纜到長(cháng)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范 (CMIS) 4.0 修訂版。

  CMIS 4.0 版本的開(kāi)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)管理系統的缺點(diǎn)。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(zhù) 400G 采用的增長(cháng)，QSFP-DD 為數據中心市場(chǎng)提供了最緊湊的 400G 模塊，以及最高的端口帶寬密度。通過(guò)全行業(yè)的嚴格測試，QSFP-DD 功能已被驗證為最適合 400G 數據中心網(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) 的遠程直接內存訪(fǎng)問(wèn) (RDMA)。400G 數據網(wǎng)絡(luò )是加速數據中心采用 RoCE 技術(shù)的關(guān)鍵。RDMA 支持零復制網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)使網(wǎng)絡(luò )適配器能夠直接將數據傳輸到應用程序內存或從應用程序內存傳輸數據，無(wú)需在應用程序內存和操作系統的數據緩沖區之間復制數據。RoCEv2 協(xié)議還支持跨 L3 邊界的 RDMA。

  由于 RoCE 結構，數據中心網(wǎng)絡(luò )交換機通過(guò)直接啟用顯式擁塞通知 (ECN) 提供線(xiàn)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)卡的出現在使 400G 能夠滿(mǎn)足數據中心新的大量帶寬需求方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。目前最新的智能網(wǎng)卡提供兩個(gè) 25G / 50G / 100G 端口或一個(gè) 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 )可編程性和加速應用程序卸載不可或缺的一部分，這對于提高數據中心效率至關(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(密集波分復用)和高階調制在 DCI 鏈路上傳輸多個(gè) 400G 有效載荷。400G ZR+ 可實(shí)現超過(guò) 80 公里的部署，非常適合城域區域應用，例如 5G 回程流量、5G 固定無(wú)線(xiàn)接入 (FWA)。

  本質(zhì)上，400G ZR 的開(kāi)發(fā)是為了確保同時(shí)實(shí)現高帶寬和高密度 DCI。通過(guò)光互連論壇 (OIF) 的批準，400G ZR 對于推進(jìn)互操作性和降低 400G 以前的 DCI 的成本和復雜性至關(guān)重要。預計 QSFP-DD 外形尺寸的 400G ZR 將支持在城域應用中更多采用路由光網(wǎng)絡(luò )，包括 DCI 和分布式接入架構 (DAA)。

  哪些垂直行業(yè)正在推動(dòng) 400G 的發(fā)展?

  以下關(guān)鍵垂直行業(yè)在推動(dòng) 400G 需求方面發(fā)揮著(zhù)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(dòng) 400G 的采用方面處于領(lǐng)先地位。從戰略上講，通信服務(wù)提供商致力于為消費者和企業(yè)客戶(hù)部署 5G，從而提高整個(gè)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(mǎn)足其 5G 業(yè)務(wù)目標。通信服務(wù)提供商正在加速 100G / 400G 架構的采用，5G 構建需要將云資源移動(dòng)到更靠近用戶(hù)以及應用程序和設備的位置。因此，邊緣計算資源必須在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中支持更多的設備，每平方公里多達 100,000 臺活躍設備。相比之下，4G / LTE 在一平方公里內最多只能支持 2000 臺活躍設備。通過(guò) 400G 帶寬，5G 能夠擴展其主流采用所需的設備和應用程序。

  2、超大規模云提供商。來(lái)自云提供商數據中心帶寬需求的大幅增加是采用 400G 的關(guān)鍵推動(dòng)因素。Hyperscalers 正在向 50/100G 網(wǎng)卡過(guò)渡，擴展網(wǎng)絡(luò )可編程性，實(shí)現對提高整體數據中心效率至關(guān)重要的應用程序卸載，包括降低功耗。由于數據中心占全球電力消耗的 1% 到 3%，超大規模企業(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(lái)三年或更長(cháng)時(shí)間內網(wǎng)絡(luò )戰略的一部分。這一戰略的主要驅動(dòng)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(zhuān)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(lái)滿(mǎn)足視頻專(zhuān)業(yè)標準。自 2020 年以來(lái)，視頻流量激增，視頻流服務(wù)比最高增長(cháng)超過(guò) 70%。視頻應用容量需求和帶寬的爆炸式增長(cháng)超過(guò)了當前的傳輸能力，400G 在滿(mǎn)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(chǎng)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(mǎn)足所有網(wǎng)絡(luò )架構的需求，將經(jīng)濟高效地為具有大型網(wǎng)絡(luò )規模的客戶(hù)提供高密度的 100G / 400G 支持，整個(gè)系統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(guò)透明方式將現有數據中心交換矩陣從 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(mǎn)足虛擬數據中心和自動(dòng)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 數據中心基礎設施軟件組成，能夠大幅加速大規模云原生應用。

  Spectrum-4 號稱(chēng)是全球首個(gè) 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，能夠為規模大數據中心基礎設施提供超高的網(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(gè) 400GbE 端口或 64 個(gè) 800GbE 端口。Spectrum-4 還優(yōu)化了 RoCE 網(wǎng)絡(luò )架構，并提供自適應路由(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 園區核心交換機 H3C S10500X-G，S10500X-G 依托數據中心級網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及全新設計理念，打破園區交換機性能極限。S10500X-G 采用新華三自主研發(fā)的云原生網(wǎng)絡(luò )操作系統 Comware，具備先天的云化、容器化、微服務(wù)化的內核能力，可支撐業(yè)務(wù)百秒通流與故障業(yè)務(wù)快速恢復，并通過(guò) RDMA、RoCE 及 AI ECN 技術(shù)的應用，實(shí)現了數據的高吞吐、低時(shí)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(cháng)度可達 256 bits，從根源上保護二層協(xié)議免受攻擊，降低數據泄漏和遭受惡意網(wǎng)絡(luò )攻擊的風(fēng)險。

  400G 時(shí)代正在來(lái)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(chǎng)商而言，機遇與挑戰并存。如今，各大供應商陸續推出 400G 產(chǎn)品，想從激烈的 400G 市場(chǎng)競爭中獲勝并不容易。不過(guò)對于用戶(hù)而言，隨著(zhù) 400G 產(chǎn)品的標準化、規?；傲慨a(chǎn)的實(shí)現，400G 搭建成本將逐步降低，用戶(hù)的選擇也會(huì )更多。另外，伴隨 25G 和 100G 部署成本的大幅下降，無(wú)論是對 400G 有迫切需求的用戶(hù)，還是對處于觀(guān)望中的用戶(hù)，無(wú)疑都是有利的。