瑞斯康達(dá)：40G以太網(wǎng)交換機(jī)

1 40G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

      在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中， 40G是個(gè)“另類”的以太網(wǎng)速率。從10M->100M->1000M（1G）->10G，以太網(wǎng)一直都是以10倍的速率來(lái)定義更高的接口速率，而40G的出現(xiàn)第一次打破了這個(gè)規(guī)律。是什么原因使得IEEE改變了以太網(wǎng)接口速率一直以來(lái)所遵循的規(guī)律？

      早在2006年下半年，IEEE就成立了HSSG（Higher Speed Study Group），目標(biāo)是要研究制定下一代高速以太網(wǎng)100G的標(biāo)準(zhǔn)。隨著工作組相關(guān)工作的深入開(kāi)展， 40G以太網(wǎng)被明確的提出，技術(shù)上的分歧也隨之凸顯，40G還是100G？下一代以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)之路從一開(kāi)始就面臨一個(gè)艱難的抉擇。

      將40G以太網(wǎng)作為下一代標(biāo)準(zhǔn)，其支持者有著非常充分的理由：40G端口的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟得多，在芯片成本、光模塊成本和端口部署等方面都有著非常現(xiàn)實(shí)的意義，可以很快實(shí)現(xiàn)規(guī)模性的商用。而100G的支持者更愿意面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)：雖然100G在諸多方面都存在技術(shù)和成本問(wèn)題，但基于10G*10=100G的考慮，不能因?yàn)榧夹g(shù)上的原因就放棄它。雙方的分歧與爭(zhēng)論一直持續(xù)著，并影響了最終發(fā)布的結(jié)果——40G和100G同時(shí)被定義下來(lái)。不過(guò)從市場(chǎng)定位來(lái)看，兩者各有所側(cè)重：40G以太網(wǎng)主要面向數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用；而100G以太網(wǎng)則更側(cè)重在網(wǎng)絡(luò)匯聚和骨干。

      IEEE的40G/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的同時(shí)，多個(gè)光通信標(biāo)準(zhǔn)組織也在積極制定相關(guān)規(guī)范，涵蓋40G/100G器件、光模塊、OTN開(kāi)銷處理、系統(tǒng)設(shè)備等領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)，IEEE主要制定客戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)接口和以太網(wǎng)相關(guān)映射標(biāo)準(zhǔn)，為40G/100G客戶側(cè)接口提供了規(guī)范；ITU-T主要制定運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，2010年該組織對(duì)G.709標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一次修訂，進(jìn)一步規(guī)范了OTN接口標(biāo)準(zhǔn)，把40G/100G以太網(wǎng)的承載和映射進(jìn)行了明確的定義；OIF則負(fù)責(zé)制定40G/100G波分側(cè)光模塊電氣機(jī)械接口、軟件管理接口、集成式發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組件、前向糾錯(cuò)技術(shù)的協(xié)議規(guī)范，有力地推動(dòng)了波分側(cè)接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。

      從2010年下半年開(kāi)始，芯片供應(yīng)商們明顯加快了在40G/100G以太網(wǎng)上的開(kāi)發(fā)節(jié)奏，我們有理由相信，40G/100G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，必將完全激活整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)熱情。在2011年以至未來(lái)，40G/100G必將成為技術(shù)熱點(diǎn)。

2 40G的需求高速增長(zhǎng)

      隨著IT行業(yè)的高速發(fā)展，云計(jì)算、虛擬化、高清視頻、電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)以及飛速發(fā)展高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等等各種新興業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，都給基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。

      從業(yè)務(wù)層面來(lái)看，三網(wǎng)融合給網(wǎng)線賦予了更為豐富的內(nèi)容：下載文件，電子購(gòu)物，在線觀看高清視頻，以及高清視頻通話等等。這也使得用戶的帶寬需求從64K迅速上升到10M、100M，甚至千兆。有數(shù)據(jù)表明，10G端口的增長(zhǎng)速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低速端口的增長(zhǎng)速度，在接入和客戶端設(shè)備上10G端口的應(yīng)用正越來(lái)越多。這勢(shì)必會(huì)引發(fā)網(wǎng)絡(luò)匯聚層和骨干層對(duì)40G、100G端口需求的迅速增長(zhǎng)。

      云計(jì)算的部署，更加速了業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。海量的數(shù)據(jù)在不斷的交互，網(wǎng)絡(luò)正在成為人類的第二個(gè)生活空間，越來(lái)越多的事情正在或?qū)⒁�在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心、更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬是實(shí)現(xiàn)這一切的物理基礎(chǔ)。這場(chǎng)革命已逐漸滲透到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部。處理器技術(shù)的飛速發(fā)展和業(yè)務(wù)的無(wú)限豐富推動(dòng)了虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心廣泛應(yīng)用，千兆端口已不能滿足服務(wù)器對(duì)接口的需求。隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的融和趨勢(shì)，局域網(wǎng)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)融正逐步統(tǒng)一到以太網(wǎng)接口上，如圖1所示，這也大大增加了服務(wù)器對(duì)10G、40G以太網(wǎng)接口的需求。一旦10G、40G接口成為服務(wù)器的普及端口，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部40G、100G的互聯(lián)交換機(jī)接口就變得十分必要和緊迫。不僅如此，超大型的數(shù)據(jù)中心往往有很大的地域跨度（考慮到數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)電力、空間等的特殊需求，往往會(huì)建立在一些比較偏遠(yuǎn)的地方），這些數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)以及同Internet的接入都需要更高速率的鏈路。

圖1 數(shù)據(jù)中心的融合網(wǎng)絡(luò)

      從網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)的扁平化和融合也都大大促進(jìn)了40、100G高速接口的發(fā)展，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)的扁平化對(duì)高端/核心路由器提出了更高端口密度和更高速率上行接口的要求，如每槽位需要32個(gè)10GE接口。在如此高密度、大容量的接入帶寬下面，上行接口的帶寬就有了更高的需求。比較常見(jiàn)的部署就是用多個(gè)10G端口進(jìn)行聚合和捆綁，來(lái)實(shí)現(xiàn)更高性能的上行接口。可見(jiàn)，40G、100G的接口需求不僅現(xiàn)實(shí)的，而且是迫切的。

      核心路由器在40G、100G接口上的技術(shù)突破，尤其是100G接口的出現(xiàn)，也極大的推動(dòng)了傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。IEEE、ITU-T和OIF聯(lián)手定義了40G、100G接口如何利用DWDM實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距傳輸，并提出下一代傳輸網(wǎng)絡(luò)OTN。在OTN的架構(gòu)下面，40G、100G乃至未來(lái)的400G、1T等高速接口都有了更廣闊的發(fā)展空間。從目前業(yè)界的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，雖然從用戶側(cè)（Client）到線路側(cè)（Line）的映射（Mapping）標(biāo)準(zhǔn)中有多種封裝的定義，但在100G接口的實(shí)際實(shí)現(xiàn)上，100G以太網(wǎng)幾乎成為業(yè)界唯一的實(shí)現(xiàn)。從這個(gè)意義上講，以太網(wǎng)已經(jīng)完全突破了“自我”，不再局限在“局域網(wǎng)和城域網(wǎng)”，而是真真切切“跑”到了骨干網(wǎng)上，成為“運(yùn)營(yíng)商以太網(wǎng)”。

圖2 承載網(wǎng)扁平化

      說(shuō)到OTN，就不得不說(shuō)網(wǎng)絡(luò)的融合。這是一次“跨界”的融合，即數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（IP網(wǎng)絡(luò)）和傳輸網(wǎng)絡(luò)（OTN）的融合。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信（IP）網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)（SDH/SONET/DWDM）在管理和運(yùn)營(yíng)上相互獨(dú)立，路由器“看不見(jiàn)”傳輸設(shè)備，只是把傳輸當(dāng)成“一根很長(zhǎng)很長(zhǎng)，信號(hào)質(zhì)量很好的電纜”。傳輸資源的分配和鏈路的建立都是完全通過(guò)“人”這個(gè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，業(yè)務(wù)的開(kāi)通要經(jīng)過(guò)申請(qǐng)、審批、配置執(zhí)行和調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)，開(kāi)通的周期長(zhǎng)，業(yè)務(wù)變更復(fù)雜。而在下一代傳輸網(wǎng)的架構(gòu)中，IP和OTN網(wǎng)絡(luò)將最大限度的融合，通過(guò)對(duì)GMPLS的全面支持，實(shí)現(xiàn)控制平面的對(duì)接和互通，交換機(jī)、路由器以及傳輸設(shè)備都成為網(wǎng)絡(luò)上對(duì)等的節(jié)點(diǎn)。業(yè)務(wù)是端到端、按需的、動(dòng)態(tài)的建立和拆除，極大的簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的管理，并最大限度的實(shí)現(xiàn)鏈路帶寬和資源的高效率適用。當(dāng)然，要達(dá)到這樣的目標(biāo)在技術(shù)上還有很長(zhǎng)的路要走，但融合的趨勢(shì)和意愿已經(jīng)迫在眉睫，其帶來(lái)的一個(gè)必然結(jié)果就是路由器全面提供對(duì)能支持OTN（DWDM彩光）的接口，這也成為40G/100G接口出現(xiàn)動(dòng)力之一。

      再者，從降低網(wǎng)絡(luò)的投資成本和運(yùn)營(yíng)成本的角度來(lái)看，也對(duì)40G/100G端口有著明確的需求。如前文所述，為實(shí)現(xiàn)更高性能的上行接口，通常會(huì)在數(shù)據(jù)中心的核心交換機(jī)上用多個(gè)10G端口進(jìn)行聚合和捆綁當(dāng)然40G POS可以解決單端口40G的骨干互聯(lián)問(wèn)題，但是仍然無(wú)法達(dá)到100G）。雖然物理帶寬上實(shí)現(xiàn)了更高速物理接口的目的，但是鏈路聚合卻存在著以下問(wèn)題：

 數(shù)據(jù)流在多個(gè)物理端口之間要進(jìn)行鏈路選擇（多采用HASH算法），這就會(huì)導(dǎo)致各個(gè)鏈路負(fù)載不均衡，從而降低聚合鏈路的有效帶寬。并且，不同的流量模型可能會(huì)將此現(xiàn)象加劇和惡化，大大降低鏈路的可用帶寬。

 由于接口數(shù)量多，導(dǎo)致接口上連接的光纖數(shù)量大大增加，不僅僅給機(jī)房部署、設(shè)備維護(hù)帶來(lái)更大麻煩，更為重要的是，會(huì)對(duì)鏈路保護(hù)和倒換造成極大的困難，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于可靠性要求極高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)致命的缺陷。

 會(huì)給用戶在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)方面帶來(lái)更多的投入，包括占用路由器、交換機(jī)上更多端口（或槽位），需要購(gòu)買更多的光模塊、光纖，租用更多的低速端口鏈路等等。

      當(dāng)然，在40G/100G應(yīng)用之初，這些高速接口本身還是“天價(jià)”，甚至遠(yuǎn)大于多個(gè)低速接口的捆綁。但是隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和應(yīng)用數(shù)量的增加，總體成本一定會(huì)快速下降到合理的范疇之內(nèi)。到那個(gè)時(shí)候，單端口40G/100G在投資和運(yùn)營(yíng)成本上的優(yōu)勢(shì)一定會(huì)更加明顯的體現(xiàn)出來(lái)。

3 40G以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)中心的部署

      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3所示。這有助于打破接入交換機(jī)與配線交換機(jī)連接層面上的瓶頸。隨著企業(yè)開(kāi)始在布線機(jī)柜內(nèi)部署客戶端交換機(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3：整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的40/100G以太網(wǎng)部署

      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，僅需升級(jí)線路卡和收發(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)。

4 40G光接口

      40G以太網(wǎng)收發(fā)器是按照幾個(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、單模光纜和銅纜應(yīng)用。QSFP+還可能在通道速率增至25Gb/s后投入100GE應(yīng)用。

      其中，QSFP+光傳輸收發(fā)器模塊由于功耗低、尺寸小，更能夠廣泛應(yīng)用于云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)、局域網(wǎng)（LAN）和存儲(chǔ)局域網(wǎng)（SAN）等應(yīng)用領(lǐng)域，該新模塊適用于長(zhǎng)、短距離傳輸。其主要特性如下：

 體積小：采用半導(dǎo)體封裝技術(shù)，內(nèi)置4個(gè)激光器、探測(cè)器，可以支持客戶高密度單板的需求

 熱插拔：需要增加帶寬時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以在不中斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的情況下增加新的QSFP+ 模塊。

 低功耗：功耗低于3.5瓦，而舊式CFP模塊功耗為8瓦。

 長(zhǎng)距離：高達(dá)10公里的企業(yè)網(wǎng)、LAN、SAN和電信網(wǎng)絡(luò)的客戶端光纖傳輸距離。

      目前，常見(jiàn)的QSFP+光傳輸收發(fā)器模塊主要有三種：

1) 40GBASE-CR4

短距離銅纜方案，最大長(zhǎng)度大約7米左右。

圖4：40GBASE-CR4

2) 40GBASE-SR4

      用于短距離多模光纖，長(zhǎng)度至少在100米以上。光纖接口為MPO/MTP，光纖類型為多模萬(wàn)兆OM3/OM4。

圖5：40GBASE-SR4相關(guān)

3) 40GBASE-LR4

      使用單模光纖，距離超過(guò)10公里。光模塊產(chǎn)生四種不同波長(zhǎng)的光，以10G速度調(diào)制信號(hào)，再將其組合成一條光纖供客戶端網(wǎng)絡(luò)傳輸。該模塊也可以接收四光通道并重建40G信號(hào)，提供最長(zhǎng)傳輸距離10公里的40G全收發(fā)器能力。

圖6：40GBASE-LR4相關(guān)

5 瑞斯康達(dá)40G萬(wàn)兆交換機(jī)

      ISCOM3948XF-4Q交換機(jī)是瑞斯康達(dá)自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)中心級(jí)高密40G萬(wàn)兆以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品，是業(yè)內(nèi)最高性能的交換機(jī)之一，同時(shí)提供最多2 4 / 4 8 個(gè)全線速萬(wàn)兆接口以及4個(gè)40G上聯(lián)口，使萬(wàn)兆服務(wù)器高度接入和園區(qū)網(wǎng)高密度萬(wàn)兆匯聚成為可能。

      ISCOM3948XF-4Q交換機(jī)采用業(yè)界先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)，支持豐富的業(yè)務(wù)特性、完善的安全控制策略、豐富的QoS等特性以滿足數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展性、可靠性、可管理性、安全性等諸多挑戰(zhàn)。同時(shí)模塊化的雙電源、雙風(fēng)扇（前后/后前風(fēng)道）設(shè)計(jì)大幅提升設(shè)備的可靠性。ISCOM3948XF-4Q交換機(jī)定位于下一代數(shù)據(jù)中心及云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的高密萬(wàn)兆接入，也可用于企業(yè)網(wǎng)、城域網(wǎng)的核心或匯聚。

圖7：ISCOM3948XF-4Q

5.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

 性能卓越

 1.28T交換容量

 全線速交換包轉(zhuǎn)發(fā)率達(dá)到952.32Mpps

 萬(wàn)兆光纖支持最大80公里的遠(yuǎn)距離傳輸，可直接連入城域骨干網(wǎng)

 安全可靠

 限制端口最大連接主機(jī)數(shù)量

 支持IEEE802.1x，提供基于端口的用戶認(rèn)證

 以太網(wǎng)接口進(jìn)行多路綁定，增加帶寬和系統(tǒng)冗余

 強(qiáng)大的ACL，支持L2-L4層數(shù)據(jù)過(guò)濾

 支持QinQ、靈活QinQ功能

 使用維護(hù)方便

 采用集群技術(shù)，利用統(tǒng)一的IP地址進(jìn)行集中管理，節(jié)省地址資源

 可以通過(guò)控制口、Web、SNMP等多種方式管理

 可以通過(guò)TFTP進(jìn)行軟件升級(jí)和BootRom升級(jí)

 支持DHCP服務(wù)器和中繼功能，動(dòng)態(tài)分配IP地址

 支持SFP標(biāo)準(zhǔn)化接口，有效保護(hù)用戶投資

 提供冗余電源及冗余風(fēng)扇，增加系統(tǒng)可靠性

 強(qiáng)大的流量和廣播管理

 自動(dòng)檢測(cè)并抑制廣播風(fēng)暴，支持IGMP報(bào)文的偵測(cè)，有效限制廣播報(bào)文的泛濫

 支持全雙工模式和半雙工模式的流量控制

 支持以太網(wǎng)接口以8K為步長(zhǎng)的速率限制

 支持IP組播和QoS

5.2 技術(shù)參數(shù)