🥇100GbE: ¿un lujo o una necesidad urgente?

IEEE P802.3ba, el estándar para la transmisión de datos a través de canales Ethernet de 100 gigabits (100GbE), fue desarrollado entre 2007 y 2010 [3], pero se popularizó ampliamente solo en 2018 [5]. ¿Por qué exactamente en 2018 y no antes? ¿Y por qué de manera masiva? Hay al menos cinco razones para ello...

El desarrollo del IEEE P802.3ba, en primer lugar, se llevó a cabo para satisfacer las necesidades de los centros de datos y los puntos de intercambio de tráfico de Internet (entre operadores independientes); además de garantizar el funcionamiento ininterrumpido de servicios web intensivos en recursos, como portales con gran cantidad de contenido de video (por ejemplo, YouTube); y para realizar cálculos de alto rendimiento. [3] Los usuarios comunes de Internet también contribuyen a los cambios en los requerimientos de ancho de banda: muchos tienen cámaras digitales y quieren transferir el contenido grabado a través de Internet. Así, el volumen de contenido que circula por Internet sigue aumentando con el tiempo, tanto a nivel profesional como de consumo. En todos estos casos, al transferir datos de un dominio a otro, el ancho de banda total de los nodos de red clave ha superado desde hace tiempo las capacidades de los puertos 10GbE. [1] Esto es lo que ha llevado a la aparición del nuevo estándar: 100GbE.

Grandes centros de datos y proveedores de servicios en la nube ya están utilizando activamente 100GbE y planean, en un par de años, migrar gradualmente a 200GbE y 400GbE. Al mismo tiempo, ya están echando un vistazo a velocidades que superan el terabit. [6] Aunque hay grandes proveedores que solo adoptaron 100GbE el año pasado (por ejemplo, Microsoft Azure). Los centros de datos que realizan cálculos de alto rendimiento para servicios financieros, plataformas gubernamentales, plataformas de petróleo y gas, y servicios públicos también han comenzado su transición a 100GbE. [5]

En los centros de datos corporativos, la necesidad de ancho de banda es algo menor: apenas recientemente el 10GbE se ha vuelto una necesidad, en lugar de un lujo. Sin embargo, dado que la velocidad de consumo de tráfico sigue aumentando rápidamente, es dudoso que 10GbE sobreviva en los centros de datos corporativos por lo menos 10 o incluso 5 años. En cambio, veremos una rápida transición a 25GbE y un paso aún más rápido a 100GbE. [6] Porque, como señalan los analistas de Intel, la intensidad del tráfico dentro de los centros de datos aumenta un 25% cada año. [5]

Los analistas de Dell y Hewlett Packard señalan [4] que 2018 es el año del 100GbE para los centros de datos. Ya en agosto de 2018, las entregas de equipos 100GbE superaron por dos veces las del año 2017. Y el ritmo de las entregas sigue creciendo, ya que los centros de datos han comenzado a abandonar masivamente el 40GbE. Se espera que para 2022 se entreguen anualmente 19,4 millones de puertos 100GbE (en 2017, para comparación, esta cifra era de 4,6 millones). [4] En cuanto a los costos, en 2017 se gastaron $7 mil millones en puertos 100GbE y se pronostica que en 2020 se gastarán alrededor de $20 mil millones (ver figura 1). [1]

Figura 1. Estadísticas y pronósticos de demanda de equipos de red

¿Por qué ahora? 100GbE no es una tecnología tan nueva, entonces, ¿por qué ahora se desarrolla un gran interés en torno a ella?

1) Porque esta tecnología ha madurado y se ha vuelto más económica. Precisamente en 2018 superamos el umbral en el que el uso en centros de datos de plataformas con puertos de 100 gigabits se volvió más rentable que la "apilación" de varias plataformas de 10 gigabits. Ejemplo: Ciena 5170 (ver figura 2) – una plataforma compacta que proporciona una capacidad total de 800GbE (4x100GbE, 40x10GbE). Si para asegurar la capacidad necesaria se requieren varios puertos de 10 gigabits, los costos en hardware adicional, espacio adicional ocupado, consumo excesivo de energía, mantenimiento continuo, piezas de repuesto adicionales y sistemas de refrigeración adicionales, suman una cifra bastante considerable. [1] Por ejemplo, especialistas de Hewlett Packard, al analizar las posibles ventajas de la transición de 10GbE a 100GbE, llegaron a las siguientes cifras: mayor rendimiento (56%), costos totales menores (27%), menor consumo de energía (31%), simplificación de las conexiones de cables (38%). [5]

Figura 2. Ciena 5170: ejemplo de una plataforma con puertos de 100 gigabits

2) Juniper y Cisco finalmente han creado sus propios chips ASIC para switches de 100GbE. [5] Esto es una clara confirmación de que la tecnología 100GbE realmente ha madurado. La razón es que los chips ASIC solo son rentables de fabricar cuando, en primer lugar, la lógica implementada en ellos no requerirá cambios en un futuro previsible, y en segundo lugar, cuando se producen grandes cantidades de chips idénticos. Juniper y Cisco no habrían comenzado a fabricar estos ASIC sin estar seguros de la madurez de 100GbE.

3) Porque Broadcom, Cavium y Mellanox Technologies han empezado a producir procesadores con soporte para 100GbE, y estos procesadores ya se están utilizando en switches de fabricantes como Dell, Hewlett Packard, Huawei Technologies, Lenovo Group, entre otros. [5]

4) Porque los servidores montados en racks están cada vez más equipados con las últimas tarjetas de red de Intel (ver figura 3), con dos puertos de 25 gigabits, y a veces incluso con tarjetas de red convergentes con dos puertos de 40 gigabits (XXV710 y XL710). {Figura 3. Últimas tarjetas de red de Intel: XXV710 y XL710}

5) Porque el equipo de 100GbE es retrocompatible, lo que facilita la implementación: se pueden reutilizar los cables ya instalados (es suficiente con conectar un nuevo transceptor).

Además, la disponibilidad de 100GbE nos prepara para nuevas tecnologías, como "NVMe over Fabrics" (por ejemplo, Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD; ver figura 4) [8, 10], "Storage Area Network" (SAN) / "Software Defined Storage" (ver figura 5) [7], RDMA [11], que no podrían realizar todo su potencial sin 100GbE.

Figura 4. Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD

Figura 5. "Storage Area Network" (SAN) / "Software Defined Storage"

Finalmente, como un ejemplo exótico de la demanda práctica de la implementación de tecnologías de alta velocidad como el 100GbE, se puede mencionar la nube científica de la Universidad de Cambridge (ver figura 6), que está basada en 100GbE (conmutadores Ethernet Spectrum SN2700), con el fin de garantizar, entre otras cosas, el funcionamiento eficiente del almacenamiento distribuido NexentaEdge SDS, que fácilmente puede sobrecargar la red de 10/40GbE. [2] Estas nubes científicas de alto rendimiento se desplegan para resolver una gran variedad de problemas científicos aplicados [9, 12]. Por ejemplo, los científicos médicos utilizan estas nubes para descifrar el genoma humano, y los canales de 100GbE se utilizan para transferir información entre grupos de investigación de universidades.

Figura 6. Fragmento de la nube científica de la Universidad de Cambridge

Bibliografía

John Hawkins. 100GbE: Más cerca del borde, más cerca de la realidad // 2017.
Amit Katz. Conmutadores 100GbE: ¿Has hecho los cálculos? // 2016.
Margaret Rouse. Ethernet de 100 Gigabits (100GbE).
David Graves. Dell EMC refuerza el 100 Gigabit Ethernet para el centro de datos moderno y abierto // 2018.
Mary Branscombe. El año del 100GbE en redes de centros de datos // 2018.
Jarred Baker. Moviendo más rápido en el centro de datos empresarial // 2017.
Tom Clark. Diseñando redes de almacenamiento: una referencia práctica para implementar Fibre Channel y SAN IP. 2003. 572p.
James O’Reilly. Almacenamiento en red: herramientas y tecnologías para almacenar los datos de tu empresa // 2017. 280p.
James Sullivan. Competencia de clústeres estudiantiles 2017, equipo de la Universidad de Texas en Austin/Universidad Estatal de Texas: Reproducción de la vectorización del potencial multi-cuerpo de Tersoff en las arquitecturas Intel Skylake y NVIDIA V100 // Computación paralela. v.79, 2018. pp. 30-35.
Manolis Katevenis. La próxima generación de sistemas de clase Exascale: el proyecto ExaNeSt // Microprocesadores y micro sistemas. v.61, 2018. pp. 58-71.
Hari Subramoni. RDMA sobre Ethernet: un estudio preliminar // Actas del Taller sobre Interconexiones de Alto Rendimiento para Computación Distribuida. 2009.
Chris Broekema. Transferencias de datos energéticamente eficientes en astronomía de radio con RDMA UDP por software // Sistemas informáticos de futura generación. v.79, 2018. pp. 215-224.