El futuro de las redes IEEE 802.3 40/100/400G

 

Los proyectos de data centers cambiaron en los últimos 10 años, evolucionando desde “salas de transmisión” a “salas de almacenamiento y procesamiento de datos”, con un papel cada vez más importante de las tecnologías de la información en todos los segmen-tos de negocios.

 

Los proyectos de data centers cambiaron en los últimos 10 años, evolucionando desde “salas de transmisión” a “salas de almacenamiento y procesamiento de datos”, con un papel cada vez más importante de las tecnologías de la información en todos los segmen-tos de negocios.

 

Las conexiones ya no son “end-to-end” (de extremo a extremo) entre las computado-ras individuales; ahora forman redes de comunicaciones dinámicas y flexibles a los cam-bios y preparadas para futuras actualizaciones.

 

Los proyectos desarrollados por diferentes especialistas basados en sus experiencias se volvieron parte de las “mejores prácticas” generalmente aceptadas que en poco tiempo fueron estandarizadas y utilizadas en todo el mundo. De esa forma, algunas normas que incluyen guías y recomendaciones fueron muy bien aceptadas, como las normas ISO/IEC 24764 (2012) y TIA 942 (aprobada el 2005 y actualizada el 2012), que en su última versión incorpora los conceptos de redes de switching de tipo “fabric architectu-re”. 

 

En todo proyecto siempre es importante definir el “horizonte de planificación”: cuán-to tiempo se necesita para estimar los costos de la inversión inicial y las operaciones, y para comparar las mejores alternativas. En el caso de los proyectos de data centers, te-nemos que incluir los componentes electrónicos de transmisión de redes y la infraestruc-tura de cableado estructurado capaz de soportarla. Una mayor vida útil de los compo-nentes ayudará a obtener un menor costo total de titularidad (TCO).

 

Al conocer los proyectos actuales que están empezando a ser desarrollados por el gru-po IEEE, podemos especificar hoy una infraestructura capaz de soportar los equipos ac-tuales y futuros, reduciendo así el riesgo a cambiar el cableado estructurado en los pró-ximos años. 

 

Se puede reemplazar un software o switch en pocas horas o minutos. Sin embargo, el proceso de instalación de un nuevo sistema de cableado exige, muchas veces, obras civi-les y reubicación del personal en el lugar de trabajo. Normalmente estas obras tardan va-rios días en finalizarse.

 

Tecnología disponible hoy 

 

Para las redes LAN tenemos disponibles diversas alternativas de alta velocidad para transmisión vía Ethernet, según se demuestra en la Tabla I. 

 

Las transmisiones en paralelo utilizadas con fibra multimodo funcionan con interfaces tipo MPO – multi push on fiber connector, que tiene 12 fibras ópticas. Para la opción 40GBase-SR4, por ejemplo, se utilizan cuatro fibras que transmiten y cuatro que reciben, con láser de 10 Gbit/s en cada una. Para la opción 100GBase-SR10 se utilizan 10 fibras en cada dirección, con un total de 20 fibras.

 

Las transmisiones del tipo WDM – wavelength division multiplexing (multiplexación por división de longitud de onda) en fibra monomodo transmiten en longitudes de onda diferentes en una misma fibra, cada una de ellas con cuatro canales de l0 Gbit/s para 40GBase-LR4 o de 25 Gbit/s para 100GBase-LR4, y utilizan dos fibras en total.

 

Motivos del IEEE para soportar futuras velocidades de transmisión

 

Considerando que típicamente las conexiones de Ethernet adentro de los data centers se hacen entre “switch a servidor” y “switch a switch”, el grupo IEEE analizó el compor-tamiento del mercado de los servidores y switches en los últimos años y además las ten-dencias adoptadas y el respectivo crecimiento de la tasa de transmisión. Por ejemplo, hasta el 2012, la tasa de implementación de los puertos SFP+ (asociados a proyectos ToR – top of rack – en la parte superior del rack) era 4 veces mayor que la tasa de puer-tos RJ-45 para 10 Gbit/s. Sin embargo, la tendencia es variar en los próximos 2 años, con una expectativa de mayor cantidad de puertos 10GBase-T a partir del año 2015, compa-rado con SFP+.

 

Ese cambio se debe al aumento de la disponibilidad de equipos 10GBase-T en el mer-cado, con las siguientes características:

 

• Placas dúplex 10GBase-T RJ-45 para servidores.

• Placas madre para servidores con puertos 10GBase-T incorporados (LOM – LAN on motherboard). 

• Switches ToR con puertos 10GBase-T.

• Placas para switches chassis (EoR /centralizado) 10GBase-T. 

• Convergencia de Almacenamiento sobre Ethernet en 10GBase-T (iSCSI, FCoE).

 

Pero las soluciones de costo reducido tipo Base-T con puertos RJ-45 solo permiten transmitir hasta 10 Gbit/s. Los clientes tienen que elegir soluciones de fibra óptica para soportar mayores velocidades, que típicamente se encuentran en las conexiones “switch a switch”. 

Las conexiones “switch a switch” también crecieron en cuanto a tasa de transmisión, con el objeto de evitar los riesgos de la “oversubscription” de todos los enlaces de servi-dores a 10 Gbit/s. Trabajan en una topología fabric architecture para hacer el tráfico aún más eficiente.

 

Así que el grupo IEEE comenzó a considerar que necesitaba:

• Switch-servidores: una solución de bajo costo de acceso en cobre RJ-45 para 40 Gbit/s y largos mayores a 7 m.

• Switch a switch: hacer evolucionar los componentes electrónicos de 40/100 Gbit/s en fibra óptica, reducir costos y mejorar la eficiencia. Considerar velocidades mayores a 100 Gbit/s en las redes LAN.

 

Proyectos de futuras tecnologías 

 

El objetivo es aprovechar las oportunidades que la tecnología ofrece para llevar al mercado una reducción en cuanto a tamaños, costos y consumo de energía de los com-ponentes electrónicos de Ethernet de alta velocidad.

 

40 Gbit/s en cable de par tranzado de cobre

 

Actualmente las tecnologías disponibles para 40 Gbit/s están limitadas en distancias (utilizando SFP+ hasta 7 metros) o en costos (utilizan una electrónica óptica con cables multimodo hasta 150 metros). En una investigación realizada por TIA – Telecommunica-tion Industry Association – en el año 2011, el 90% de los enlaces entre switch y servidor tienen longitudes menores a los 50 metros y el 80%, menores a 30 metros. Son típica-mente instalados en topologías ToR – top of rack o EoR/MoR – end of row/middle of row, pero también centralizados, en el caso de los data centers pequeños.

 

Por este motivo, el grupo IEEE creó en el año 2012 el grupo de trabajo 802.3 bq 40GBase-T, con los siguientes objetivos:

• Soportar las redes locales (LANs) utilizando enlaces punto a punto sobre cableado es-tructurado, topologías, incluyendo segmentos de enlace conectados directamente.

• Soportar auto-negociación.

• Definir un segmento de enlace basado en medios de cobre especificados por las nor-mas ISO/IEC JTC1/SC25/WG3 y TIA TR42.7 con las siguientes características: cablea-do balanceado de par trenzado de cobre, cuatro pares; hasta dos conectores; con una longitud mínima de 30 metros.

 

Actualmente, TIA y ISO/IEC están desarrollando la próxima generación de cableado estructurado, Categoría 8, capaz de soportar conexiones 40GBase-T de hasta 30 metros.

 

40/100 Gbit/s en fibra multimodo

El grupo responsable de los proyectos de IEEE 802.3bm también considera las próxi-mas generaciones de componentes electrónicos.

Del lado de los 40 Gbit/s, los transceptores ópticos de 40GBase-SR4 tuvieron en los últimos años algunos avances, como pueden ser las capacidades “extended reach” y “QSFP”: 

• Los transceptores de tipo “extended reach” permiten extender las distancias de trans-misión desde 100/150 metros (fibras OM3/OM4) hasta 300/450 metros (fibras OM3/OM4); es decir, tres veces el largo de los enlaces.

• Los transceptores de tipo QSFP permiten utilizar un puerto MPO 40GBase-SR4 que enlaza cuatro puertos independientes LC 10GBase-SR.

 

Con esas dos tecnologías ya podemos aprovechar más las infraestructuras MPO OM3/OM4 utilizadas para 10 Gbit/s y seguir utilizando las mismas para 40 Gbit/s.

 

Del lado de los 100 Gbit/s, los fabricantes planean reducir los costos de los compo-nentes electrónicos y tener nuevas alternativas de interfaces. Algunos de los objetivos aprobados son la transmisión en paralelo en fibras multimodo de hasta 100 metros y has-ta 500 metros en fibras monomodo. Para eso, se consideran diferentes alternativas, como por ejemplo utilizar láser de 25 Gbit/s en lugar de 10 Gbit/s en fibras multimodo, que requiere ocho fibras ópticas contra las 20 fibras actuales. O incorporar el concepto de “transmisiones en paralelo” para fibra monomodo, donde hoy tenemos únicamente transmisiones seriales.

 

40/100 Gbit/s en fibras ópticas monomodo

Del lado de los 100 Gbit/s en fibra monomodo también hay esfuerzos en el sentido de reducir los costos de los componentes electrónicos y tener nuevas alternativas de interfa-ces. Algunos de los objetivos aprobados son la transmisión de hasta 500 metros. Para cubrir estas necesidades se está considerando el concepto de “transmisiones en paralelo” con interfaces de ocho fibras.

 

Del lado de los transceptores CFP (monomodo), también están en desarrollo la se-gunda (CFP2) y tercera generación (CFP4), lo que permite reducir el tamaño y el con-sumo de energía.

 

400 Gbit/s en fibras monomodo y multimodo

El IEEE posee un grupo de estudio para analizar el proyecto de Ethernet 400G. Ya se adoptaron algunos objetivos se adoptaron, pero todavía no se aprobaron.

 

Entre las propuestas para las redes LAN en data centers está la continuidad del uso de las transmisiones en paralelo para fibras monomodo y multimodo, basándose en láser de 25G. O también utilizar el concepto de CWDM para reducir la cantidad de fibras insta-ladas. La reducción de fibras también se puede lograr con láser de 50 Gbit/s. 

 

Por ejemplo, una consideración para fibras multimodo es utilizar 32 fibras (16 Tx, 16 Rx), cada cual con capacidad de 25 Gbit/s. Otra alternativa es multiplexar cuatro canales de 25 Gbit/s dentro de cada fibra, y reducir a ocho fibras en total (4 Tx, 4 Rx).

 

Para la fibra monomodo también se podrían hacer las transmisiones en paralelo en conjunto con CWDM, aprovechando el láser existente de 25G. Es decir, se utilizarían ocho fibras (4 Tx, 4 Rx), cada una con cuatro canales de 25 Gbit/s. Ese concepto ahora se conoce como PSM – Parallel Single Mode.

 

En el caso de que se pueda llevar la velocidad de transmisión hasta 50 Gbit/s, el con-cepto PSM podría permitir el uso de 16 fibras, pero sin CWDM, con ocho fibras Tx + ocho fibras Rx de 50 Gbit/s cada una.

 

Consideraciones en los proyectos de infraestructura

 

Respecto del cobre, los grupos de trabajo de estandarización de TIA (estadunidense) y ISO/IEC (internacional) están desarrollando la próxima generación de cableado estruc-turado, la Categoría 8, para soportar 40GBase-T hasta 30 metros, con dos conexiones en el canal de transmisión. Del lado estadunidense, se trabaja con un ancho de banda de 2000 MHz y conectores RJ-45. Del lado internacional, el ancho de banda es de 1600 MHz (2000 MHz para estudio futuro), con dos opciones de componentes: clase I, con interfaces RJ-45 y F/UTP; y clase II, con tres interfaces RJ-45 y S/FTP.

 

Hoy las alternativas existentes en el mercado (Categorías 6 A/7/7 A) garantizan la transmisión hasta 10GBase-T, en 100 metros, con cuatro conexiones.

 

En cuanto a las fibras ópticas, para las transmisiones en paralelo es importante enten-der el concepto de “polaridad”; es decir, como la información pasa del Tx al Rx, de una punta a otra. Para eso el estándar internacional ISO/IEC reconoce un único método: el uso de “acopladores alineados”.

 

TIA reconoce tres métodos; dos utilizan acopladores no alineados (métodos A y C) y uno utiliza acopladores alineados (método B), equivalente al método reconocido por el estándar global.

 

Las transmisiones en paralelo utilizan típicamente los cables llamados troncales (trunk cable), que son cables con conectores MPO en las puntas, conectorizados directamente en fábrica. Esos conectores MPO pueden tener “pins” (conectores macho) o no tenerlos (conectores hembra), conectores alineados en las puntas (método B), invertidos (método A) o con cruce de fibras (método C).

 

Todas esas diferencias hacen que los métodos no sean compatibles entre sí. Por eso es muy importante entender las diferencias y elegir el más adecuado para el proyecto. 

Podemos resumir las características de los métodos en la Tabla II. 

 

Conclusiones

 

Para los proyectos de infraestructura de redes siempre es importante definir un hori-zonte de planificación, para reducir los costos totales del proyecto de tendido de redes y tener la posibilidad de migrar a mayores velocidades de transmisión sin la necesidad de cambiar la capa física.

 

Las tecnologías existentes en cobre RJ-45 permiten transmitir hasta 10GBase-T en 100 metros, y se pueden utilizar en topologías tipo ToR, EoR/MoR o centralizadas. El futuro de las redes de acceso para las conexiones “switch-servidor” estará en 40GBase-T hasta 30 metros, utilizando infraestructura de Categoría 8.

 

En cuanto a los proyectos de fibra óptica para Ethernet 40/100/400 Gbit/s, las trans-misiones en paralelo seguirán evolucionando y soportando futuras generaciones de fibras monomodo y multimodo. En esas redes, la decisión del método de polaridad es crítica para garantizar la gestión más simple y de menor costo.

 

Los implementadores tendrán de elegir el medio físico (cobre RJ-45, fibra multimodo, fibra monomodo, método de polaridad) que presente las mayores ventajas y el menor costo total de titularidad (inicial, operativo, cambio de tecnología, vida útil) para cada topología y requisito específico de red.

 

Al conocer los proyectos actuales que empiezan a desarrollar el grupo IEEE, hoy po-demos comenzar a especificar una infraestructura capaz de soportar no solo los equipos actuales, sino también los futuros, reduciendo la necesidad de cambiar el cableado es-tructurado de aquí a algunos años.

 

Se puede reemplazar un software o switch en pocas horas o minutos. Sin embargo, el proceso de instalación de un nuevo sistema de cableado exige, muchas veces, obras civi-les, reubicación del personal en el lugar de trabajo y normalmente esas obras demoran varios días en ser finalizadas.