Einführung des 400G-Ethernet-Standards 2022
Was ist Ethernet-Standard
Der Prototyp der Ethernet-Topologie wurde 1973 von Xerox vorgeschlagen und im Labor mit einer Geschwindigkeit von nur 2,94 Mbit/s realisiert. 1980 veröffentlichten Xerox, DEC und Intel gemeinsam die erste Version des 10-Mbit/s-Ethernet-Standards DIX V1, das berühmte Blue Book. 1982 wurde DIX V2 offiziell angekündigt. Auf dieser Grundlage führte das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) den Ethernet-Standard IEEE802.3 ein und markierte damit die Standardisierung von Ethernet. Neben der Unterstützung einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s im Basisband und einer Knotenübertragungsdistanz von 500 m verwendet der Standard die Zugriffskontrollmethode Carrier Sense Multiple Access (CSMA/CD) mit Kollisionserkennung, um geordnete und effiziente Übertragungsdienste für mehrere Knoten sicherzustellen.
Entwicklung des Ethernet-Standards
Um den extrem hohen Bedarf an Prozessoren und I/O-Bandbreite von neuen Anwendungen wie Hyperscale-Rechenzentren, Cloud-Anbietern, künstlicher Intelligenz, Hochleistungsrechnen usw. zu decken, hat IEEE im Dezember 2017 offiziell den Standard 802.3bs veröffentlicht, der die Schnittstellentypen 200GBASE-R und 400GBASE-R mit einer maximalen Rate von 400 Gb/s unterstützt, das Vierfache des Standards von 2010. Darüber hinaus hat IEEE 2018 den Standard 802.3cd [8] auf der Grundlage von 40GBASE-R veröffentlicht, also den Schnittstellentyp 50GBASE-R, der dabei hilft, 400GbE-Einkanal-Hochgeschwindigkeit und niedrige Portdichte zu erreichen. Gleichzeitig fördert die Einkanal-Hochgeschwindigkeit auch die Anwendung und technische Weiterentwicklung von 200GbE/400GbE.
Derzeit ist der 400GbE-Standard IEEE802.3bs zum gängigen Kommunikationsprotokollstandard geworden. Der Standard übernimmt das CSMA/CD-Zugriffsschema und die Übertragungseigenschaften der physikalischen Schicht des 100G-Standards IEEE 802.3ba. Zu seinen Hauptmerkmalen gehören: Unterstützung nur des Vollduplexmodus, Beibehaltung des 802.3 Ethernet MAC-Rahmenformats und Beibehaltung der maximalen und minimalen Rahmenlängen im 802.3-Standard, Verwendung der 64B/66B-Kodierung im 100G-Standard und Erreichen von Bitfehlerraten von 10-15 und darunter, Unterstützung der Ethernet-Übertragung zwischen optischen Transportnetzwerken und Energy Efficient Ethernet (EEE).
Namenskonvention für die physische Schicht
802.3bs ist eine Weiterentwicklung des 100G-Ethernet-Standards IEEE 802.3ba, und die Benennungskonventionen für die physische Schicht sind im Wesentlichen dieselben. Abbildung 1 zeigt die Benennungsmethode der Spezifikation der physischen Schicht von 400G Ethernet, wie in der Abbildung dargestellt, wobei 400G die Übertragungsrate darstellt, BASE die Basisbandübertragung darstellt, „a“, „b“ und „c“ das physische Medium und die Übertragungsdistanz, die Codierungsmethode der physischen Schicht und die Wellenlängen-(Kanal-)Multiplexnummer darstellen. Wenn „a“ K, C, S, L und E ist, stellt es physische Medien wie PCB-Backplane, zweiachsiges Kupferkabel, Glasfaser für kurze Distanzen, Glasfaser für lange Distanzen und Glasfaser für sehr lange Distanzen dar. Wenn „b“ R und P ist, bedeutet dies, dass die von der physischen Schicht von Ethernet verwendete Codierungsmethode 64B/66B und PAM4-Quellcodierung ist. Die Zahl, die „c“ entspricht, stellt die Multiplexing-Nummer dar, beispielsweise: 1 steht für eine einzelne Wellenlänge oder seriell, was im Allgemeinen weggelassen wird; n steht für das Multiplexing-Schema von n Wellenlängen (oder Kanälen).
100GbE-Spezifikation der physikalischen Schicht
Tabelle 2-2 listet die gängigen Spezifikationen der physikalischen Schicht im 100GbE-Standard auf [4-5]. Beispielsweise bedeutet 100GBASE-CR10 die Verwendung von 10 Paaren koaxialer Kupferkabel, die eine Informationsübertragung von 100 Gb/s über kurze Distanzen unterstützen; 100GBASE-SR4 verwendet eine Sternstruktur, unterstützt Multimode-Glasfasern (850 nm), ist über 100 m lang und verfügt über 4 Paare von Sende- und Empfangs-Glasfasern. Die Geschwindigkeit jedes Übertragungspfads beträgt 25 Gb/s, wodurch Punkt-zu-Punkt-Kommunikation realisiert wird. 100GBASE-LR4 verwendet dichte Wellenlängenmultiplextechnik (DWDM), um eine Reichweite von mindestens 10 km auf Singlemode-Glasfasern bei 1310 nm Wellenlänge zu erreichen. Andererseits kombiniert 100GBASE-ER4 DWDM-Technologie und Singlemode-Glasfaserübertragung, und Singlemode-Glasfasern übertragen mehr als 4 ultralange Wellenlängen (1550 nm) in jede Richtung. Mit der Halbleiter-Optikverstärkertechnologie (SOA) kann eine Informationsübertragung von mindestens 40 km realisiert werden. Sowohl 100GBASE-KR4 als auch 100GBASE-KP4 verwenden die Schnittstellenspezifikation 4×25 Gb/s, unterstützen Backplane-Übertragung und die Backplane-Kanaldämpfung beträgt 35 dB bzw. 33 dB bei 12,9 GHz bzw. 7 GHz. Wie aus Tabelle 2-2 ersichtlich ist, sind mit Ausnahme von 100GBASE-KP4 alle im 100G-Standard verwendeten Übertragungssignale NRZ-Signale.
400GbE-Spezifikation der physikalischen Schicht
Die Spezifikation der 400GbE-Bitübertragungsschicht ähnelt der Spezifikation der 100GbE-Bitübertragungsschicht. Tabelle 2-3 zeigt die Merkmale der fünf Bitübertragungsschichtspezifikationen im 400GbE-Standard. Unter ihnen verwendet 400GBASE-SR16 immer noch NRZ-Signale, unterstützt 16 Paare paralleler Multimode-Glasfaserübertragungsports und die Rate auf jedem Übertragungspfad beträgt 26,5625 Gb/s, um Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über 100 m zu erreichen. 400GBASE-DR4 unterstützt PAM4-modulierte Signale, verwendet 4 Wellenlängen paralleler Singlemode-Fasern in der Signalübertragungsrichtung, die Übertragungsdistanz der Faser beträgt mindestens 500 m und die Rate erreicht 106,25 G/s. 400GBASE-FR8 unterstützt auch PAM4-Signale und verwendet 8 Wellenlängen der WDM-Technologie. Diese physikalische Schicht überträgt Differenzsignale mit der vierfachen optischen Wellenlänge auf jedem Paar von Singlemode-Fasern mit einer Rate von 53,125 Gb/s und einer Übertragungsdistanz von mindestens 2 km. Ähnlich wie FR8 verwenden 400GBASE-LR8 und 400GBASE-ER8 beide 8-Wege-WDM, unterstützen PAM4-Signale und die Übertragungsdistanz kann auf 10 km bzw. 40 km erweitert werden.
