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瑞斯康达：40G以太网交换机

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1 40G以太网标准

在以太网标准中， 40G是个“另类”的以太网速率。从10M->100M->1000M（1G）->10G，以太网一直都是以10倍的速率来定义更高的接口速率，而40G的出现第一次打破了这个规律。是什么原因使得IEEE改变了以太网接口速率一直以来所遵循的规律？

早在2006年下半年，IEEE就成立了HSSG（Higher Speed Study Group），目标是要研究制定下一代高速以太网100G的标准。随着工作组相关工作的深入开展， 40G以太网被明确的提出，技术上的分歧也随之凸显，40G还是100G？下一代以太网的标准之路从一开始就面临一个艰难的抉择。

将40G以太网作为下一代标准，其支持者有着非常充分的理由：40G端口的相关技术和产业链相对成熟得多，在芯片成本、光模块成本和端口部署等方面都有着非常现实的意义，可以很快实现规模性的商用。而100G的支持者更愿意面临更大的技术挑战：虽然100G在诸多方面都存在技术和成本问题，但基于10G*10=100G的考虑，不能因为技术上的原因就放弃它。双方的分歧与争论一直持续着，并影响了最终发布的结果——40G和100G同时被定义下来。不过从市场定位来看，两者各有所侧重：40G以太网主要面向数据中心的应用；而100G以太网则更侧重在网络汇聚和骨干。

IEEE的40G/100G以太网标准发布的同时，多个光通信标准组织也在积极制定相关规范，涵盖40G/100G器件、光模块、OTN开销处理、系统设备等领域。具体来说，IEEE主要制定客户侧的网络接口和以太网相关映射标准，为40G/100G客户侧接口提供了规范；ITU-T主要制定运营商网络相关标准，2010年该组织对G.709标准进行了一次修订，进一步规范了OTN接口标准，把40G/100G以太网的承载和映射进行了明确的定义；OIF则负责制定40G/100G波分侧光模块电气机械接口、软件管理接口、集成式发射机和接收机组件、前向纠错技术的协议规范，有力地推动了波分侧接口设计标准化。

从2010年下半年开始，芯片供应商们明显加快了在40G/100G以太网上的开发节奏，我们有理由相信，40G/100G相关标准的正式发布，必将完全激活整个产业链的研发热情。在2011年以至未来，40G/100G必将成为技术热点。

2 40G的需求高速增长

随着IT行业的高速发展，云计算、虚拟化、高清视频、电子商务、社交网络以及飞速发展高速无线网络等等各种新兴业务的不断涌现，都给基础网络带来了巨大的机会和挑战。

从业务层面来看，三网融合给网线赋予了更为丰富的内容：下载文件，电子购物，在线观看高清视频，以及高清视频通话等等。这也使得用户的带宽需求从64K迅速上升到10M、100M，甚至千兆。有数据表明，10G端口的增长速度已远远高于低速端口的增长速度，在接入和客户端设备上10G端口的应用正越来越多。这势必会引发网络汇聚层和骨干层对40G、100G端口需求的迅速增长。

云计算的部署，更加速了业务对网络带宽的需求。海量的数据在不断的交互，网络正在成为人类的第二个生活空间，越来越多的事情正在或将要在网络上进行。更强大的数据中心、更高的网络带宽是实现这一切的物理基础。这场革命已逐渐渗透到数据中心内部。处理器技术的飞速发展和业务的无限丰富推动了虚拟化技术在数据中心广泛应用，千兆端口已不能满足服务器对接口的需求。随着数据中心网络建设的融和趋势，局域网、存储网络和高性能计算网络融正逐步统一到以太网接口上，如图1所示，这也大大增加了服务器对10G、40G以太网接口的需求。一旦10G、40G接口成为服务器的普及端口，数据中心内部40G、100G的互联交换机接口就变得十分必要和紧迫。不仅如此，超大型的数据中心往往有很大的地域跨度（考虑到数据中心机房对电力、空间等的特殊需求，往往会建立在一些比较偏远的地方），这些数据中心的互联以及同Internet的接入都需要更高速率的链路。

图1 数据中心的融合网络

从网络的架构来看，网络的扁平化和融合也都大大促进了40、100G高速接口的发展，如图2所示。网络的扁平化对高端/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个10GE接口。在如此高密度、大容量的接入带宽下面，上行接口的带宽就有了更高的需求。比较常见的部署就是用多个10G端口进行聚合和捆绑，来实现更高性能的上行接口。可见，40G、100G的接口需求不仅现实的，而且是迫切的。

核心路由器在40G、100G接口上的技术突破，尤其是100G接口的出现，也极大的推动了传输网络的发展。IEEE、ITU-T和OIF联手定义了40G、100G接口如何利用DWDM实现长距传输，并提出下一代传输网络OTN。在OTN的架构下面，40G、100G乃至未来的400G、1T等高速接口都有了更广阔的发展空间。从目前业界的技术发展来看，虽然从用户侧（Client）到线路侧（Line）的映射（Mapping）标准中有多种封装的定义，但在100G接口的实际实现上，100G以太网几乎成为业界唯一的实现。从这个意义上讲，以太网已经完全突破了“自我”，不再局限在“局域网和城域网”，而是真真切切“跑”到了骨干网上，成为“运营商以太网”。

图2 承载网扁平化

说到OTN，就不得不说网络的融合。这是一次“跨界”的融合，即数据通信网络（IP网络）和传输网络（OTN）的融合。传统的数据通信（IP）网络和传输网（SDH/SONET/DWDM）在管理和运营上相互独立，路由器“看不见”传输设备，只是把传输当成“一根很长很长，信号质量很好的电缆”。传输资源的分配和链路的建立都是完全通过“人”这个接口来实现的，业务的开通要经过申请、审批、配置执行和调试等多个环节，开通的周期长，业务变更复杂。而在下一代传输网的架构中，IP和OTN网络将最大限度的融合，通过对GMPLS的全面支持，实现控制平面的对接和互通，交换机、路由器以及传输设备都成为网络上对等的节点。业务是端到端、按需的、动态的建立和拆除，极大的简化了网络的管理，并最大限度的实现链路带宽和资源的高效率适用。当然，要达到这样的目标在技术上还有很长的路要走，但融合的趋势和意愿已经迫在眉睫，其带来的一个必然结果就是路由器全面提供对能支持OTN（DWDM彩光）的接口，这也成为40G/100G接口出现动力之一。

再者，从降低网络的投资成本和运营成本的角度来看，也对40G/100G端口有着明确的需求。如前文所述，为实现更高性能的上行接口，通常会在数据中心的核心交换机上用多个10G端口进行聚合和捆绑当然40G POS可以解决单端口40G的骨干互联问题，但是仍然无法达到100G）。虽然物理带宽上实现了更高速物理接口的目的，但是链路聚合却存在着以下问题：

 数据流在多个物理端口之间要进行链路选择（多采用HASH算法），这就会导致各个链路负载不均衡，从而降低聚合链路的有效带宽。并且，不同的流量模型可能会将此现象加剧和恶化，大大降低链路的可用带宽。

 由于接口数量多，导致接口上连接的光纤数量大大增加，不仅仅给机房部署、设备维护带来更大麻烦，更为重要的是，会对链路保护和倒换造成极大的困难，甚至无法实现。对于可靠性要求极高的应用来说，这是一个致命的缺陷。

 会给用户在网络基础建设方面带来更多的投入，包括占用路由器、交换机上更多端口（或槽位），需要购买更多的光模块、光纤，租用更多的低速端口链路等等。

当然，在40G/100G应用之初，这些高速接口本身还是“天价”，甚至远大于多个低速接口的捆绑。但是随着产业链的成熟和应用数量的增加，总体成本一定会快速下降到合理的范畴之内。到那个时候，单端口40G/100G在投资和运营成本上的优势一定会更加明显的体现出来。

3 40G以太网在数据中心的部署

新的40G以太网技术首先可能部署在数据中心内，如图3所示。这有助于打破接入交换机与配线交换机连接层面上的瓶颈。随着企业开始在布线机柜内部署客户端交换机10G以太网上行链路，以及10G以太网直接服务器连接，这些链路的聚合将形成网络瓶颈，直到更高速度普及后才能打破。

图3：整个数据中心网络中的40/100G以太网部署

40G以太网最有吸引力的一大特点是应用的广泛性和设计的灵活性。考虑到生产效率的提升和OPEX的降低，正确迁移到40G以太网将带来可观的成本效益。在迁移到40G以太网时，一些网络可以继续使用目前的10G以太网交换机底盘，仅需升级线路卡和收发器。部署CFP尺寸收发器后，可以灵活地从40G以太网迁移至100G以太网。

4 40G光接口

40G以太网收发器是按照几个标准尺寸开发的。CFP（C型可插入）收发器拥有12个10Gb/s发射通道和12个10Gb/s接收通道，只支持一个100G以太网端口或最多三个40G以太网端口。其尺寸较大，适合单模光缆，也可轻松地匹配多模光缆或铜缆。CXP尺寸的收发器也在每个方向上提供12个通道，但比CFP小很多，适合多模光缆和铜缆。QSFP（四通道小型可插入）与CXP尺寸相当，提供4个发射通道和4个接收通道，支持目前的40G以太网多模、单模光缆和铜缆应用。QSFP+还可能在通道速率增至25Gb/s后投入100GE应用。

其中，QSFP+光传输收发器模块由于功耗低、尺寸小，更能够广泛应用于云计算、数据中心、企业网、局域网（LAN）和存储局域网（SAN）等应用领域，该新模块适用于长、短距离传输。其主要特性如下：

 体积小：采用半导体封装技术，内置4个激光器、探测器，可以支持客户高密度单板的需求

 热插拔：需要增加带宽时网络运营商可以在不中断网络服务的情况下增加新的QSFP+ 模块。

 低功耗：功耗低于3.5瓦，而旧式CFP模块功耗为8瓦。

 长距离：高达10公里的企业网、LAN、SAN和电信网络的客户端光纤传输距离。

目前，常见的QSFP+光传输收发器模块主要有三种：

1) 40GBASE-CR4

短距离铜缆方案，最大长度大约7米左右。

图4：40GBASE-CR4

2) 40GBASE-SR4

用于短距离多模光纤，长度至少在100米以上。光纤接口为MPO/MTP，光纤类型为多模万兆OM3/OM4。

图5：40GBASE-SR4相关

3) 40GBASE-LR4

使用单模光纤，距离超过10公里。光模块产生四种不同波长的光，以10G速度调制信号，再将其组合成一条光纤供客户端网络传输。该模块也可以接收四光通道并重建40G信号，提供最长传输距离10公里的40G全收发器能力。

图6：40GBASE-LR4相关

5 瑞斯康达40G万兆交换机

ISCOM3948XF-4Q交换机是瑞斯康达自主开发的数据中心级高密40G万兆以太网交换机产品，是业内最高性能的交换机之一，同时提供最多2 4 / 4 8 个全线速万兆接口以及4个40G上联口，使万兆服务器高度接入和园区网高密度万兆汇聚成为可能。

ISCOM3948XF-4Q交换机采用业界先进的硬件设计，支持丰富的业务特性、完善的安全控制策略、丰富的QoS等特性以满足数据中心扩展性、可靠性、可管理性、安全性等诸多挑战。同时模块化的双电源、双风扇（前后/后前风道）设计大幅提升设备的可靠性。ISCOM3948XF-4Q交换机定位于下一代数据中心及云计算网络中的高密万兆接入，也可用于企业网、城域网的核心或汇聚。