🥇100GbE: luxo ou uma necessidade essencial?

O IEEE P802.3ba, padrão para transmissão de dados em canais Ethernet de 100 gigabits (100GbE), foi desenvolvido entre 2007 e 2010, mas só se popularizou em 2018. Por que exatamente em 2018 e não antes? E por que em uma escala tão ampla? Existem, no mínimo, cinco razões...

O IEEE P802.3ba foi desenvolvido, principalmente, para atender às necessidades de Data Centers e pontos de troca de tráfego de internet (entre operadores independentes); além de garantir o funcionamento ininterrupto de serviços web que consomem muitos recursos, como portais com grande quantidade de conteúdo em vídeo (ex: YouTube); e para realizar computações de alto desempenho. Usuários comuns da internet também contribuem para a mudança nas demandas de largura de banda: muitos possuem câmeras digitais e querem transferir o conteúdo que filmaram pela internet. Assim, a quantidade de conteúdo circulando na internet ao longo do tempo cresce cada vez mais, tanto em nível profissional quanto consumidor. Em todos esses casos, ao transmitir dados de um domínio para outro, a largura de banda acumulada dos principais nós de rede já ultrapassa há muito as capacidades dos ports 10GbE. Isso justifica o surgimento do novo padrão: 100GbE.

Grandes Data Centers e provedores de serviços em nuvem já estão utilizando ativamente 100GbE, e planejam, em alguns anos, transitar gradualmente para 200GbE e 400GbE. Além disso, já estão de olho em velocidades que superam um terabit. Embora haja entre grandes provedores aqueles que só migraram para 100GbE no último ano (por exemplo, Microsoft Azure). Data Centers que realizam computações de alto desempenho para serviços financeiros, plataformas governamentais, plataformas de petróleo e gás e serviços públicos também começaram a migrar para 100GbE.

Nos Data Centers corporativos, a necessidade de largura de banda é um pouco menor: recentemente, 10GbE se tornou uma necessidade aqui, e não um luxo. No entanto, com o aumento acelerado do consumo de tráfego, é duvidoso que 10GbE permaneça nos Data Centers corporativos por pelo menos 10 ou até 5 anos. Em vez disso, veremos uma rápida transição para 25GbE e uma ainda mais rápida para 100GbE. Como observam os analistas da Intel, a intensidade do tráfego dentro dos Data Centers aumenta anualmente em 25%.

Analistas da Dell e Hewlett Packard observam [4] que 2018 é o ano do 100GbE para os data centers. Em agosto de 2018, as entregas de equipamentos 100GbE superaram em duas vezes as entregas de todo o ano de 2017. E as taxas de entrega continuam a crescer, à medida que os data centers começam a abandonar em massa o 40GbE. Espera-se que até 2022 sejam entregues anualmente 19,4 milhões de portas 100GbE (em 2017, para comparação, esse número era de 4,6 milhões). [4] Em termos de gastos, em 2017 foram gastos US$ 7 bilhões em portas 100GbE, enquanto que em 2020, segundo previsões, cerca de US$ 20 bilhões serão gastos (veja a figura 1). [1]

Figura 1. Estatísticas e previsões de demanda por equipamentos de rede

Por que agora? 100GbE não é uma tecnologia nova, então por que há tanto alvoroço em torno dela agora?

1) Porque essa tecnologia amadureceu e seu custo diminuiu. Foi em 2018 que ultrapassamos o ponto em que o uso de plataformas de data center com portas de 100 gigabits se tornou mais rentável do que a 'empilhamento' de várias plataformas de 10 gigabits. Exemplo: Ciena 5170 (veja a figura 2) – uma plataforma compacta que fornece capacidade total de 800GbE (4x100GbE, 40x10GbE). Se várias portas de 10 gigabits são necessárias para garantir a capacidade exigida, os custos com hardware adicional, espaço adicional ocupado, consumo excessivo de energia, manutenção contínua, peças de reposição adicionais e sistemas de refrigeração extras se acumulam em uma quantia considerável. [1] Por exemplo, especialistas da Hewlett Packard, ao analisarem os potenciais benefícios de migrar de 10GbE para 100GbE, chegaram aos seguintes números: aumento de desempenho (56%), custos totais menores (27%), menor consumo de energia (31%), simplificação das conexões de cabos (38%). [5]

Figura 2. Ciena 5170: exemplo de plataforma com portas de 100 gigabits

2) A Juniper e a Cisco finalmente criaram seus próprios chips ASIC para switches de 100GbE. [5] Isso é uma clara confirmação de que a tecnologia 100GbE realmente amadureceu. Os chips ASIC só são viáveis economicamente para serem produzidos quando, em primeiro lugar, a lógica implementada neles não requererá alterações num futuro próximo e, em segundo lugar, quando uma grande quantidade de chips idênticos é fabricada. A Juniper e a Cisco não estariam produzindo esses ASIC se não estivessem confiantes na maturidade do 100GbE.

3) Porque a Broadcom, Cavium e Mellanox Technologies começaram a fabricar processadores com suporte para 100GbE, e esses processadores já estão sendo utilizados em switches de fabricantes como Dell, Hewlett Packard, Huawei Technologies, Lenovo Group, entre outros. [5]

4) Porque os servidores instalados em racks estão cada vez mais equipados com os mais recentes adaptadores de rede da Intel (veja a figura 3), com duas portas de 25 gigabits, e às vezes até adaptadores de rede convergentes com duas portas de 40 gigabits (XXV710 e XL710). {Figura 3. Os mais recentes adaptadores de rede da Intel: XXV710 e XL710}

5) Porque o equipamento 100GbE é retrocompatível, o que simplifica a implantação: já é possível reutilizar os cabos já instalados (basta conectar um novo transceptor a eles).

Além disso, a disponibilidade do 100GbE nos prepara para novas tecnologias, como "NVMe over Fabrics" (por exemplo, Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD; veja a figura 4) [8, 10], "Storage Area Network" (SAN) / "Software Defined Storage" (veja a figura 5) [7], RDMA [11], que não poderiam realizar seu potencial plenamente sem o 100GbE.

Figura 4. Samsung Evo Pro 256 GB NVMe PCIe SSD

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

Finalmente, como exemplo exótico da aplicação prática da demanda por tecnologias de alta velocidade como 100GbE, podemos citar a nuvem científica da Universidade de Cambridge (veja a figura 6), que foi construída com base em 100GbE (switches Ethernet Spectrum SN2700) – para, entre outras coisas, garantir o funcionamento eficiente do armazenamento em disco distribuído NexentaEdge SDS, que pode facilmente sobrecarregar uma rede 10/40GbE. [2] Nuvens científicas de alto desempenho são implantadas para resolver as mais diversas tarefas científicas aplicadas [9, 12]. Por exemplo, os cientistas médicos utilizam essas nuvens para decifrar o genoma humano, e canais de 100GbE são usados para transferir informações entre grupos de pesquisa das universidades.

Figura 6. Fragmento da nuvem científica da Universidade de Cambridge

Bibliografia

John Hawkins. 100GbE: Mais Perto da Fronteira, Mais Perto da Realidade // 2017.
Amit Katz. Switches 100GbE – Você já fez as contas? // 2016.
Margaret Rouse. Ethernet de 100 Gigabits (100GbE).
David Graves. Dell EMC Aprofunda o Investimento em Ethernet de 100 Gigabits para o Data Center Moderno e Aberto // 2018.
Mary Branscombe. O Ano do 100GbE em Redes de Data Center // 2018.
Jarred Baker. Movendo-se Mais Rápido no Data Center Corporativo // 2017.
Tom Clark. Projetando Redes de Área de Armazenamento: Uma Referência Prática para Implementação de Fibre Channel e IP SANs. 2003. 572p.
James O’Reilly. Armazenamento em Rede: Ferramentas e Tecnologias para Armazenar os Dados da Sua Empresa // 2017. 280p.
James Sullivan. Competição de Cluster Estudantil 2017, Equipe da Universidade do Texas em Austin/Universidade Estadual do Texas: Reproduzindo a vetorização do potencial multi-corpo de Tersoff nas arquiteturas Intel Skylake e NVIDIA V100 // Computação Paralela. v.79, 2018. pp. 30-35.
Manolis Katevenis. A Próxima Geração de Sistemas de Classe Exascale: o Projeto ExaNeSt // Microprocessadores e Micro sistemas. v.61, 2018. pp. 58-71.
Hari Subramoni. RDMA sobre Ethernet: Um Estudo Preliminar // Atas do Workshop sobre Interconexões de Alto Desempenho para Computação Distribuída. 2009.
Chris Broekema. Transferências de Dados Eficientes em Energia na Astronomia de Radio com Software UDP RDMA // Sistemas de Computação de Nova Geração. v.79, 2018. pp. 215-224.