🥇100GbE: лукс или неотложна необходимост?

IEEE P802.3ba, стандарт за предаване на данни по 100-гигабитни канали Ethernet (100GbE), се разработва в периода от 2007 до 2010 година [3], но получава широко разпространение едва през 2018 [5]. Защо точно през 2018, а не по-рано? И защо веднага в масов мащаб? Има поне пет причини за това...

IEEE P802.3ba се разработва основно, за да задоволи нуждите на ЦОД и на точките за обмен на интернет трафик (между независими оператори); също така за да осигури безпроблемната работа на ресурсоемките уеб услуги, като портали с голям обем видео съдържание (например, YouTube); и за извършване на високопроизводителни изчисления. [3] Редовните потребители на интернет също допринасят за изменението на изискванията към пропускателната способност: много хора разполагат с цифрови камери и искат да предават заснетото съдържание през интернет. Времето води до увеличаване на обема на съдържанието, циркулиращо в интернет, както на професионално, така и на потребителско ниво. Във всички тези случаи, при предаване на данни от един домейн в друг, общата пропускателна способност на ключовите мрежови възли отдавна надвишава възможностите на портовете 10GbE. [1] Това е причината за появата на новия стандарт: 100GbE.

Големи ЦОД и доставчици на облачни услуги вече активно прилагат 100GbE и планират постепенно да преминат на 200GbE и 400GbE в следващите години. В същото време обаче вече се търсят скорости, надхвърлящи терабит. [6] Има сред големите доставчици и такива, които преминават на 100GbE едва миналата година (например, Microsoft Azure). ЦОД, извършващи високопроизводителни изчисления за финансови услуги, държавни платформи, нефтогазови платформи и комунални услуги, също са започнали да преминават на 100GbE. [5]

В корпоративните центрове за данни нуждата от пропускна способност е малко по-ниска: едва наскоро 10GbE стана не просто необходимост, а и осезаема нужда. Въпреки това, с бързото нарастване на трафика, е съмнително, че 10GbE ще остане в корпоративните ЦОД поне 10 или дори 5 години. Вместо това ще видим бърз преход към 25GbE и още по-бързо към 100GbE. [6] Защото, както отбелязват анализаторите на Intel, интензивността на трафика вътре в ЦОД ежегодно се увеличава с 25%. [5]

Анализаторите на Dell и Hewlett Packard констатират [4], че 2018-а година е годината на 100GbE за ЦОД. Още през август 2018 година доставките на 100GbE оборудване два пъти надвишиха доставките за цялата 2017 година. И темповете на доставките продължават да растат, тъй като ЦОД започват масово да се отказват от 40GbE. Очаква се до 2022 година ежегодно да бъдат доставяни 19,4 милиона 100GbE порта (през 2017 година, за сравнение, тази цифра беше 4,6 милиона). [4] Що се отнася до разходите, през 2017 година за 100GbE портове бяха похарчени 7 милиарда долара, а през 2020 година, по прогнози, ще бъдат похарчени около 20 милиарда долара (вж. рис. 1). [1]

Рисунка 1. Статистика и прогнози за търсенето на мрежово оборудване

Защо точно сега? 100GbE не е съвсем нова технология, така че защо точно сега около нея се събира такъв интерес?

1) Защото тази технология е узряла и е станала по-евтина. Точно през 2018 година преминахме прага, когато използването на платформи с 100-гигабитови портове стана по-рентабилно от „стекването“ на няколко 10-гигабитови платформи. Пример: Ciena 5170 (вж. рис. 2) – компактна платформа, осигуряваща обща пропускна способност от 800GbE (4x100GbE, 40x10GbE). Ако за осигуряване на необходимата пропускна способност са необходими няколко 10-гигабитови порта, разходите за допълнително оборудване, заемащо пространство, излишната консумация на електрическа енергия, текущото обслужване, допълнителните резервни части и допълнителните охладителни системи, – се натрупват в значителна сума. [1] Например, специалистите от Hewlett Packard, анализирайки потенциалните предимства от прехода от 10GbE към 100GbE, достигнаха до следните цифри: по-висока производителност (с 56%), по-ниски общи разходи (с 27%), по-малка консумация на електрическа енергия (с 31%), опростяване на кабелните връзки (с 38%). [5]

Рисунок 2. Ciena 5170: пример платформа с 100-гигабитни портове

2) Juniper и Cisco най-накрая създадоха свои собствени ASIC чипове за комутатори 100GbE. [5] Това е красноречиво потвърждение на факта, че технологията 100GbE наистина е узряла. Фактът е, че ASIC чиповете могат да бъдат произведени рентабилно само когато, първо, реализираната логика на тях не изисква промени в обозримото бъдеще и, второ, когато се произвеждат голямо количество идентични чипове. Juniper и Cisco няма да произвеждат тези ASIC, ако не бяха уверени в зрелостта на 100GbE.

3) Защото Broadcom, Cavium и Mellanox Technologies започнаха да произвеждат процесори с поддръжка на 100GbE, и тези процесори вече се използват в комутатори на производители като Dell, Hewlett Packard, Huawei Technologies, Lenovo Group и др. [5]

4) Защото сървърите, монтирани в сървърни рафтове, все по-често се оборудват с най-новите мрежови адаптери Intel (вижте рис. 3), с два 25-гигабитни порта, а понякога дори и конвергентни мрежови адаптери с два 40-гигабитни порта (XXV710 и XL710). {Рисунок 3. Най-новите мрежови адаптери на Intel: XXV710 и XL710}

5) Защото оборудването 100GbE е обратно съвместимо, което опростява внедряването: можете да повторно използвате вече прокарани кабели (достатъчно е да свържете нов предавател).

Освен това, наличието на 100GbE ни подготвя за нови технологии, като „NVMe over Fabrics“ (например, Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD; вижте рис. 4) [8, 10], „Storage Area Network“ (SAN) / „Software Defined Storage“ (вижте рис. 5) [7], RDMA [11], които без 100GbE не биха могли напълно да реализират своя потенциал.

Рисунок 4. Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD

Рисунок 5. „Storage Area Network“ (SAN) / „Software Defined Storage“

Накрая, като екзотичен пример за практическа приложение на 100GbE и свързаните с него високоскоростни технологии, можем да посочим научното облако на Кеймбриджкия университет (вж. рис. 6), което е построено на основата на 100GbE (Spectrum SN2700 Ethernet комутатори), с цел да осигури ефективна работа на разпределеното дисково хранилище NexentaEdge SDS, което лесно може да претовари мрежата 10/40GbE. [2] Подобни високопроизводителни научни облаци се развиват за решаване на най-разнообразни приложни научни задачи [9, 12]. Например, медицинските учени използват такива облаци за декодиране на човешкия геном, а каналите 100GbE се използват за предаване на информация между изследователските екипи на университетите.

Рисунок 6. Фрагмент от научното облако на Кеймбриджкия университет

Библиография

Джон Хокинс. 100GbE: По-близо до ръба, по-близо до реалността // 2017.
Амит Кац. 100GbE Комутатори – Направихте ли си сметките? // 2016.
Маргарет Роус. 100 Gigabit Ethernet (100GbE).
Дейвид Грейвс. Dell EMC удвоява вложенията в 100 Gigabit Ethernet за открития, модерен център за данни // 2018.
Мери Бранскомб. Годината на 100GbE в мрежите на центровете за данни // 2018.
Джаред Бейкър. Движение с по-високи скорости в корпоративния център за данни // 2017.
Том Кларк. Проектиране на мрежови хранилища: Практическо ръководство за внедряване на Fibre Channel и IP SAN. 2003. 572 стр.
Джеймс О’Райли. Мрежово хранилище: Инструменти и технологии за съхранение на данните на Вашата компания // 2017. 280 стр.
Джеймс Съливан. Студентски кластерен конкурс 2017, отбор Университет на Тексас в Остин/Тексаски щат: Възпроизвеждане на векторизация на многотелевия потенциал на Търсоф на архитектурите Intel Skylake и NVIDIA V100 // Паралелно компютриране. т.79, 2018. стр. 30-35.
Манолис Катеенис. Поколението на системи Exascale-клас: проектът ExaNeSt // Микропроцесори и микро-системи. т.61, 2018. стр. 58-71.
Хари Субрамони. RDMA през Ethernet: Предварително изследване // Протоколи на семинар за виско производителни свързвания за разпределени компютри. 2009.
Крис Брукема. Енергийно ефективни трансфери на данни в радиоастрономията с софтуер UDP RDMA // Генерации на компютърни системи. т.79, 2018. стр. 215-224.