🥇100GbE: luksus või vältimatu vajadus?

IEEE P802.3ba, standard for data transmission over 100-gigabit Ethernet channels (100GbE), was developed between 2007 and 2010 [3], but only gained widespread adoption in 2018 [5]. Why specifically in 2018, and not earlier? And why was it adopted en masse? There are at least five reasons for this...

The IEEE P802.3ba was primarily developed to meet the needs of data centers and internet traffic exchange points (between independent operators); as well as to ensure the smooth operation of resource-intensive web services, such as video-heavy portals (e.g., YouTube); and to facilitate high-performance computing. [3] Average internet users also contribute to changing bandwidth requirements: many have digital cameras, and people want to share the content they capture online. Thus, the volume of content circulating on the internet continues to grow over time. This applies at both professional and consumer levels. In all these cases, when transmitting data from one domain to another, the aggregate bandwidth of key network nodes has long exceeded the capabilities of 10GbE ports. [1] This is why the new standard, 100GbE, has emerged.

Large data centers and cloud service providers are already actively adopting 100GbE and plan to gradually transition to 200GbE and 400GbE in a couple of years. They are already looking at speeds exceeding one terabit. [6] Although there are some large providers that only transitioned to 100GbE last year (for example, Microsoft Azure). Data centers conducting high-performance computing for financial services, government platforms, oil and gas platforms, and utilities have also begun transitioning to 100GbE. [5]

In corporate data centers, the demand for bandwidth is somewhat lower: only recently has 10GbE become a necessity rather than a luxury. However, as traffic consumption rates continue to rise rapidly, it is doubtful that 10GbE will last in corporate data centers for even 10 or 5 years. Instead, we will see a quick transition to 25GbE and an even faster transition to 100GbE. [6] As Intel analysts note, traffic intensity within data centers increases by 25% annually. [5]

Dell ja Hewlett Packardi analüütikud märgivad [4], et 2018. aasta on 100GbE aastaks andmekeskustes. Juba 2018. aasta augustis ületas 100GbE seadmete tarnimine kaks korda 2017. aasta tarnet kogust. Tarnimise tempod jätkavad tõusu, kuna andmekeskused hakkavad massiliselt loobuma 40GbE-st. Oodatakse, et 2022. aastaks tarnitakse igal aastal 19,4 miljonit 100GbE-porti (2017. aastal, võrreldes, oli see number 4,6 miljonit). [4] Mis puutub kuludesse, siis 2017. aastal kulus 100GbE-portidele 7 miljardit dollarit ning 2020. aastal prognoositakse kuludeks umbes 20 miljardit dollarit (vt joonist 1). [1]

Joonis 1. Statistika ja prognoosid võrguvarustuse nõudluse kohta

Miks just nüüd? 100GbE ei ole just uus tehnoloogia, miks just nüüd toimub tema ümber selline elevus?

1) Sest see tehnoloogia on küpsenud ja odavnenud. Just 2018. aastal ületasime selle piiri, kus 100-gigabiti portidega platvormide kasutamine andmekeskustes osutus odavamaks kui mitme 10-gigabiti platvormi „virnastamine“. Näide: Ciena 5170 (vt joonist 2) – kompaktne platvorm, mis tagab kogumahu 800GbE (4x100GbE, 40x10GbE). Kui vajaliku läbilaske saavutamiseks on vajalik mitu 10-gigabiti porti, siis lisatootmise kulud, lisaruumi vajadus, suurenenud elektritarve, jooksvaid hoolduskulud, varuosade ostmine ja lisajahutussüsteemide kulud – summa on üsna märkimisväärne. [1] Näiteks on Hewlett Packardi spetsialistid analüüsinud 10GbE-lt 100GbE-le ülemineku võimalikke eeliseid ja jõudnud järgmiste numbrite juurde: suurem jõudlus (56% rohkem), väiksemad kogukulud (27% vähem), madalam elektritarve (31% vähem), lihtsamad kaabeldusühendused (38% vähem). [5]

Joonis 2. Ciena 5170: 100-gigabiti portidega platvormi näide

2) Juniper ja Cisco on lõpuks loonud oma ASIC-kiibid 100GbE lülititele. [5] See on veenev tõend selle kohta, et 100GbE tehnoloogia on tõeliselt küps. Asi on selles, et ASIC-kiipide tootmine on kasumlik ainult siis, kui, esiteks, nendele rakendatud loogika ei vajada lähiajal muudatusi ja teiseks, kui valmistatakse suur arv identseid kiipe. Juniper ja Cisco ei hakkaks neid ASIC-e tootma, kui nad ei oleks kindlad 100GbE küpsuses.

3) Sest Broadcom, Cavium ja Mellanox Technologies on hakanud tootma 100GbE toetavaid protsessoreid ning neid protsessoreid kasutatakse juba lülitites selliste tootjate nagu Dell, Hewlett Packard, Huawei Technologies, Lenovo Group jne. [5]

4) Sest serverid, mis on paigutatud serveririiulitesse, on üha sagedamini varustatud uusimate Intel’i võrgukaardiga (vt joonis 3), kus on kaks 25-gigabittist porti ja mõnikord isegi konvergentsed võrgukaardid, kus on kaks 40-gigabittist porti (XXV710 ja XL710). {Joonis 3. Uusimad Intel’i võrgukaardid: XXV710 ja XL710}

5) Sest 100GbE seadmed on tagurpidi ühilduvad, mis lihtsustab juurutamist: saab uuesti kasutada juba paigaldatud kaableid (piisab, kui ühendada uus vastuvõtja-ülekandeseade).

Lisaks valmistab 100GbE kättesaadavus meid ette uute tehnoloogiate, nagu "NVMe over Fabrics" (nt Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD; vt joonis 4) [8, 10], "Storage Area Network" (SAN) / "Software Defined Storage" (vt joonis 5) [7], RDMA [11], etneed ei saanud ilma 100GbE oma potentsiaali täielikult realiseerida.

Joonis 4. Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD

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

Lõpuks, eksootilise näitena 100GbE ja sellega seotud kiirusetehnoloogiate rakendamise praktilisest väärtusest võib tuua Cambridge'i ülikooli teaduspilve (vt joonis 6), mis on loodud 100GbE (Spectrum SN2700 Ethernet lülitid) baasil, et tagada tõhus töö jaotatud failihoidla NexentaEdge SDS, mis suudab hõlpsasti ületada 10/40GbE võrku. [2] Selliseid kõrgsooritusvõimetega teaduspilvi kasutatakse mitmesuguste rakenduslike teaduslike probleemide lahendamiseks [9, 12]. Näiteks kasutavad meditsiiniteadlased selliseid pilvi inimese genoomi dekodeerimiseks ja 100GbE kanaleid kasutavad ülikoolide teadusgrupid info edastamiseks.

Joonis 6. Cambridge'i ülikooli teaduspilve fragment

Bibliograafia

John Hawkins. 100GbE: Lähemal servale, lähemal reaalsusele // 2017.
Amit Katz. 100GbE lülitid – Kas olete matemaatika teinud? // 2016.
Margaret Rouse. 100 Gigabit Ethernet (100GbE).
David Graves. Dell EMC panustab 100 Gigabit Ethernetisse avatud, kaasaegses andmekeskuses // 2018.
Mary Branscombe. 100GbE aasta andmekeskuste võrkudes // 2018.
Jarred Baker. Kiirem liikumine ettevõtte andmekeskuses // 2017.
Tom Clark. Salvestusala võrkude projekteerimine: praktiline juhend kiudkanali ja IP SANide rakendamiseks. 2003. 572lk.
James O’Reilly. Võrgusalvestus: tööriistad ja tehnoloogiad teie ettevõtte andmete salvestamiseks // 2017. 280lk.
James Sullivan. Üliõpilaste klastrivõistlus 2017, Texas A&amplitude;M ülikooli/Texase osariigi ülikooli meeskond: Tersoffi mitme keha potentsiaali vektoriseerimise kordamine Intel Skylake ja NVIDIA V100 arhitektuuridel // Paralleelsed arvutid. v.79, 2018. lk. 30-35.
Manolis Katevenis. Järgmine eksaskaalaklassi süsteemide põlvkond: ExaNeSt projekt // Mikroprotsessorid ja mikrokompuutrid. v.61, 2018. lk. 58-71.
Hari Subramoni. RDMA Etherneti kaudu: esmase uuringu // Ürituste koosoleku ettekanded kõrge jõudlusega ühendustele jaotatud arvutamisel. 2009.
Chris Broekema. Energiatõhusad andmeedastused raadiosüsteemides tarkvara UDP RDMA abil // Tuleviku põlvkonna arvutisüsteemid. v.79, 2018. lk. 215-224.