🥇100GbE: luxus vagy elengedhetetlen szükséglet?

IEEE P802.3ba, a 100 gigabit Ethernet (100GbE) data transmission standard, was developed between 2007 and 2010 [3], but became widely adopted only in 2018 [5]. Why exactly in 2018 and not earlier? And why in massive quantities right away? There are at least five reasons for this…

The IEEE P802.3ba was primarily designed to meet the needs of data centers and internet traffic exchange points (between independent operators); it also aims to ensure the uninterrupted operation of resource-intensive web services, such as video-rich portals (e.g., YouTube); and to facilitate high-performance computing. [3] Ordinary Internet users also contribute to changing bandwidth requirements: many own digital cameras and want to share the content they capture online. Thus, the volume of content circulating on the Internet has been steadily increasing over time, both at professional and consumer levels. In all these cases, when transferring data from one domain to another, the cumulative bandwidth of key network nodes has long exceeded the capabilities of 10GbE ports. [1] This has led to the emergence of a new standard: 100GbE.

Large data centers and cloud service providers are already actively using 100GbE and plan to gradually transition to 200GbE and 400GbE in a couple of years. Companies are also eyeing speeds exceeding a terabit. [6] However, some major providers only switched to 100GbE last year (for example, Microsoft Azure). Data centers that perform 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 slightly lower: it was only recently that 10GbE became a necessity rather than a luxury. However, as traffic consumption accelerates, it is doubtful that 10GbE will last in corporate data centers for even 10 or 5 years. Instead, we will witness a rapid transition to 25GbE and an even faster one to 100GbE. [6] Because, as Intel analysts note, the intensity of traffic within data centers increases by 25% annually. [5]

A Dell és a Hewlett Packard elemzői megjegyzik [4], hogy 2018 az évi 100GbE az adatközpontok számára. 2018 augusztusában a 100GbE berendezések szállítmányai megduplázták a 2017-es évi szállítmányokat. A szállítási ütemek továbbra is növekednek, mivel az adatközpontok tömegesen kezdenek áttérni a 40GbE-ről. A várakozások szerint 2022-re évente 19,4 millió 100GbE-portot fognak szállítani (2017-ben, összehasonlításképpen, ez a szám 4,6 millió volt). [4] Ami a költségeket illeti, 2017-ben 7 milliárd dollárt költöttek a 100GbE-portokra, és 2020-ra várhatóan körülbelül 20 milliárd dollárt költenek (lásd az 1. ábrát). [1]

1. ábra. A hálózati berendezések iránti kereslet statisztikái és előrejelzései

Miért most? A 100GbE nem egy új technológia, akkor miért éppen most robban fel körülötte ekkora érdeklődés?

1) Mert ez a technológia éretté vált és olcsóbbá vált. 2018-ban átléptük azt a határt, amikor az adatközpontokban a 100 gigabites portok használata gazdaságosabbá vált, mint több 10 gigabites platform „halmozása”. Példa: Ciena 5170 (lásd a 2. ábrát) – egy kompakt platform, amely 800GbE (4x100GbE, 40x10GbE) összesített teljesítményt biztosít. Ha a szükséges teljesítmény biztosításához több 10 gigabites portra van szükség, akkor a további hardver, a plusz helyigény, a túlzott áramfogyasztás, a folyamatos karbantartás, a plusz alkatrészek és a további hűtőrendszerek költségei jelentős összeget adnak ki. [1] Például a Hewlett Packard szakemberei, elemezve a 10GbE-ről a 100GbE-ra való áttérés potenciális előnyeit, a következő számsorokra jutottak: a teljesítmény 56%-kal nő, a teljes költségek 27%-kal csökkennek, az áramfogyasztás 31%-kal csökken, a kábelkapcsolatok egyszerűsödnek 38%-kal. [5]

2. ábra. Ciena 5170: példa a 100 gigabites portokkal rendelkező platformra

2) A Juniper és a Cisco végre saját ASIC lapkáikat alkották meg a 100GbE switchekhez. [5] Ez egyértelmű bizonyítéka annak, hogy a 100GbE technológia valóban érett. Az a helyzet, hogy az ASIC chipek költséghatékonyan gyárthatók csak akkor, ha egyrészt a rajtuk megvalósított logika a közeljövőben nem igényel változtatásokat, másrészt, ha nagy mennyiségű azonos chippet gyártanak. A Juniper és a Cisco nem kezdene el ilyen ASIC-eket gyártani, ha nem lennének biztosak a 100GbE érettségében.

3) Mert a Broadcom, a Cavium és a Mellanox Technologies elkezdték 100GbE támogatással rendelkező processzorok gyártását, és ezek a processzorok már olyan gyártók switch-eiben találhatók, mint a Dell, a Hewlett Packard, a Huawei Technologies, a Lenovo Group és mások. [5]

4) Mert a rackekben elhelyezett szerverek egyre gyakrabban az Intel legújabb hálózati adaptereivel vannak felszerelve (lásd 3. ábra), amelyek két 25 gigabites porttal rendelkeznek, és néha akár két 40 gigabites porttal rendelkező konvergens hálózati adapterek is (XXV710 és XL710). {Ábra 3. Az Intel legújabb hálózati adapterei: XXV710 és XL710}

5) Mert a 100GbE berendezések támogatják a visszafelé kompatibilitást, ami megkönnyíti a telepítést: a már telepített kábeleket új vevő-adóegységekhez lehet csatlakoztatni.

Továbbá, a 100GbE elérhetősége felkészít minket az olyan új technológiákra, mint az "NVMe over Fabrics" (például Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD; lásd 4. ábra) [8, 10], "Storage Area Network" (SAN) / "Software Defined Storage" (lásd 5. ábra) [7], RDMA [11], amelyek a 100GbE hiányában nem tudták teljes mértékben kibontakoztatni potenciáljukat.

Ábra 4. Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD

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

Végül, mint egy egzotikus példa a 100GbE és a kapcsolódó nagysebességű technológiák gyakorlati alkalmazására, említhetjük a Cambridge-i Egyetem tudományos felhőjét (lásd a 6. ábrát), amely 100GbE (Spectrum SN2700 Ethernet kapcsolók) alapjaira épül, hogy egyebek mellett hatékonyan támogassa a NexentaEdge SDS elosztott tároló rendszer működését, amely könnyedén képes túlterhelni a 10/40GbE hálózatot. [2] Az ilyen magas teljesítményű tudományos felhők különféle alkalmazási tudományos problémák megoldására jönnek létre [9, 12]. Például az orvosi kutatók ilyen felhőket használnak az emberi genom dekódolására, és a 100GbE csatornákat alkalmazzák az információk továbbítására az egyetemi kutatócsoportok között.

6. ábra. A Cambridge-i Egyetem tudományos felhőjének részlete

Bibliográfia

John Hawkins. 100GbE: Közelebb a széles határhoz, közelebb a valósághoz // 2017.
Amit Katz. 100GbE kapcsolók – Elvégezted a számítást? // 2016.
Margaret Rouse. 100 Gigabit Ethernet (100GbE).
David Graves. Dell EMC megerősíti a 100 Gigabit Ethernet iránti elköteleződését a nyitott, modern adatközpontok számára // 2018.
Mary Branscombe. A 100GbE éve az adatközponti hálózatokban // 2018.
Jarred Baker. Gyorsabban a vállalati adatközpontban // 2017.
Tom Clark. Tárolóhálózatok tervezése: Gyakorlati útmutató a Fibre Channel és IP SAN-ok megvalósításához. 2003. 572 oldal.
James O’Reilly. Hálózati tárolás: Eszközök és technológiák a vállalat adatainak tárolásához // 2017. 280 oldal.
James Sullivan. Diák klaszter verseny 2017, Texas-i Egyetem / Texas Állami Egyetem csapata: A Tersoff többtest környezeti potenciál vektorizációjának reprodukálása az Intel Skylake és az NVIDIA V100 architektúrákon // Párhuzamos Számítástechnika. 79. kötet, 2018. 30-35. oldal.
Manolis Katevenis. A következő generációs exaszcalás rendszerek: az ExaNeSt projekt // Mikroprocesszorok és Mikro-rendszerek. 61. kötet, 2018. 58-71. oldal.
Hari Subramoni. RDMA Etherneten: Előzetes tanulmány // A Megosztott Számítástechnika Magas Teljesítményű Összeköttetései Workshop jegyzőkönyvei. 2009.
Chris Broekema. Energiahatékony adatátvitel rádiócsillagászati szoftveres UDP RDMA segítségével // Jövő Generációs Számítógépes Rendszerek. 79. kötet, 2018. 215-224. oldal.