🥇100GbE: lusso o necessità impellente?

IEEE P802.3ba, lo standard per la trasmissione di dati su canali Ethernet a 100 gigabit (100GbE), è stato sviluppato nel periodo dal 2007 al 2010 [3], ma ha trovato una vasta diffusione solo nel 2018 [5]. Perché proprio nel 2018 e non prima? E perché in un modo così massiccio? Ci sono almeno cinque motivi...

L'IEEE P802.3ba è stato sviluppato principalmente per soddisfare le esigenze dei data center e dei punti di scambio del traffico Internet (tra operatori indipendenti); nonché per garantire il funzionamento continuo di servizi web intensivi in termini di risorse, come i portali con molti contenuti video (ad esempio, YouTube); e per l'esecuzione di calcoli ad alte prestazioni. [3] Anche gli utenti comuni di Internet contribuiscono a cambiare le esigenze in termini di capacità: molti possiedono fotocamere digitali e vogliono trasmettere i contenuti che hanno ripreso attraverso Internet. Pertanto, il volume di contenuti che circolano su Internet sta aumentando nel tempo. Sia a livello professionale che consumer. In tutti questi casi, nella trasmissione di dati da un dominio all'altro, la capacità complessiva dei principali nodi di rete supera da tempo le capacità delle porte 10GbE. [1] Questo ha portato all'emergere del nuovo standard: 100GbE.

I grandi data center e i fornitori di servizi cloud stanno già utilizzando attivamente il 100GbE e prevedono di passare gradualmente al 200GbE e 400GbE nei prossimi anni. Nel frattempo, alcuni grandi fornitori hanno iniziato a passare al 100GbE solo lo scorso anno (ad esempio, Microsoft Azure). I data center che eseguono calcoli ad alte prestazioni per servizi finanziari, piattaforme governative, piattaforme petrolifere e servizi pubblici hanno anche iniziato a passare al 100GbE. [5]

Nei datacenter aziendali, la domanda di capacità di traffico è relativamente più bassa: solo di recente il 10GbE è diventato una necessità pressante piuttosto che un lusso. Tuttavia, poiché i tassi di consumo del traffico stanno crescendo rapidamente, è dubbio che il 10GbE possa rimanere nei datacenter aziendali per almeno 10 o anche 5 anni. Al contrario, assisteremo a una rapida transizione verso il 25GbE e un'evoluzione ancora più veloce verso il 100GbE. [6] Perché, come osservano gli analisti di Intel, l'intensità del traffico all'interno dei datacenter aumenta annualmente del 25%. [5]

Gli analisti di Dell e Hewlett Packard affermano [4] che il 2018 è l'anno del 100GbE per i datacenter. Già nell'agosto 2018, le spedizioni di apparecchiature 100GbE hanno superato di due volte le spedizioni dell'intero 2017. E i tassi di spedizione continuano a crescere mentre i datacenter iniziano a distaccarsi in massa dal 40GbE. Si prevede che entro il 2022 saranno spediti annualmente 19,4 milioni di porte 100GbE (nel 2017, per confronto, questo numero era di 4,6 milioni). [4] Per quanto riguarda i costi, nel 2017 sono stati spesi 7 miliardi di dollari per porte 100GbE, mentre nel 2020, secondo le previsioni, si spenderanno circa 20 miliardi di dollari (vedi figura 1). [1]

Figura 1. Statistiche e previsioni sulla domanda di apparecchiature di rete

Perché adesso? Il 100GbE non è una tecnologia così nuova, quindi perché si sta sviluppando un tale entusiasmo intorno ad essa proprio adesso?

1) Perché questa tecnologia è matura e più economica. Proprio nel 2018 abbiamo superato il punto in cui l'uso nei datacenter di piattaforme con porte da 100 gigabit è diventato più conveniente rispetto a "stackare" più piattaforme da 10 gigabit. Ad esempio: Ciena 5170 (vedi figura 2) è una piattaforma compatta che offre una capacità complessiva di 800GbE (4x100GbE, 40x10GbE). Se per garantire la capacità necessaria sono richieste più porte da 10 gigabit, i costi per hardware aggiuntivo, spazio aggiuntivo occupato, consumo elettrico eccessivo, manutenzione corrente, pezzi di ricambio aggiuntivi e sistemi di raffreddamento aggiuntivi si sommano a una cifra piuttosto consistente. [1] Ad esempio, gli specialisti di Hewlett Packard, analizzando i potenziali vantaggi della transizione dal 10GbE al 100GbE, hanno fornito i seguenti dati: prestazioni superiori (del 56%), costi totali inferiori (del 27%), minore consumo di energia (del 31%), semplificazione delle connessioni cablate (del 38%). [5]

Figura 2. Ciena 5170: esempio di piattaforma con porte da 100 gigabit

2) Juniper e Cisco hanno finalmente creato i propri chip ASIC per switch 100GbE. [5] Questo è una chiara conferma che la tecnologia 100GbE è realmente maturata. Infatti, i chip ASIC possono essere prodotti in modo conveniente solo quando, da un lato, la logica resa possibile non richiederà modifiche, nel prossimo futuro, e dall'altro, quando viene realizzata una grande quantità di chip identici. Juniper e Cisco non avrebbero prodotto questi ASIC se non fossero stati sicuri della maturità del 100GbE.

3) Perché Broadcom, Cavium e Mellanox Technologies hanno cominciato a produrre processori con supporto per 100GbE, e questi processori sono già utilizzati in switch di produttori come Dell, Hewlett Packard, Huawei Technologies, Lenovo Group e altri. [5]

4) Perché i server montati in rack sono sempre più equipaggiati con le più recenti schede di rete Intel (vedi figura 3), con due porte da 25 gigabit, e talvolta anche con schede di rete convergenti con due porte da 40 gigabit (XXV710 e XL710). {Figura 3. Le più recenti schede di rete Intel: XXV710 e XL710}

5) Perché l'hardware 100GbE è retrocompatibile, il che semplifica il dispiego: è possibile riutilizzare i cavi già installati (basta collegare un nuovo trasmettitore-ricevitore).

Inoltre, la disponibilità di 100GbE ci prepara a nuove tecnologie come "NVMe over Fabrics" (ad esempio, Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD; vedi figura 4) [8, 10], "Storage Area Network" (SAN) / "Software Defined Storage" (vedi figura 5) [7], RDMA [11], che senza 100GbE non potrebbero esprimere completamente il loro potenziale.

Figura 4. Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD

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

Infine, come esempio esotico della richiesta pratica di applicazione delle tecnologie 100GbE e ad alta velocità correlate, possiamo citare il cloud scientifico dell'Università di Cambridge (vedi fig. 6), che è costruito su base 100GbE (Switch Ethernet Spectrum SN2700), per garantire, tra le altre cose, un funzionamento efficace dello storage distribuito NexentaEdge SDS, che può facilmente sovraccaricare una rete 10/40GbE. [2] Questi cloud scientifici ad alte prestazioni vengono implementati per affrontare una vasta gamma di problemi scientifici applicati [9, 12]. Ad esempio, i ricercatori medici utilizzano tali cloud per decifrare il genoma umano, mentre le connessioni 100GbE vengono utilizzate per trasmettere informazioni tra i gruppi di ricerca delle università.

Figura 6. Parte del cloud scientifico dell'Università di Cambridge

Bibliografia

John Hawkins. 100GbE: Più Vicini al Confine, Più Vicini alla Realtà // 2017.
Amit Katz. Switch 100GbE: Hai Fatto i Conti? // 2016.
Margaret Rouse. Ethernet a 100 Gigabit (100GbE).
David Graves. Dell EMC Doppia Scommessa su Ethernet a 100 Gigabit per il Data Center Moderno e Aperto // 2018.
Mary Branscombe. L'Anno del 100GbE nelle Reti dei Data Center // 2018.
Jarred Baker. Muoversi Più Velocemente nel Data Center Aziendale // 2017.
Tom Clark. Progettare Reti di Archiviazione: Un Riferimento Pratico per l'Implementazione di Fibre Channel e IP SAN. 2003. 572p.
James O’Reilly. Archiviazione in Rete: Strumenti e Tecnologie per Conservare i Dati della tua Azienda // 2017. 280p.
James Sullivan. Competizione di Cluster Studenti 2017, Team Università del Texas a Austin/Università Statale del Texas: Riproduzione della vettorizzazione del potenziale multi-corpo di Tersoff sulle architetture Intel Skylake e NVIDIA V100 // Calcolo Parallelo. v.79, 2018. pp. 30-35.
Manolis Katevenis. La Prossima Generazione di Sistemi di Classe Exascale: il Progetto ExaNeSt // Microprocessori e Microcosistemi. v.61, 2018. pp. 58-71.
Hari Subramoni. RDMA su Ethernet: Uno Studio Preliminare // Atti del Workshop su Interconessioni ad Alte Prestazioni per il Calcolo Distribuito. 2009.
Chris Broekema. Trasferimenti di Dati Energeticamente Efficaci in Radioastromia con UDP RDMA Software // Future Generation Computer Systems. v.79, 2018. pp. 215-224.