Nowe prędkości sieci – aktualizacja standardu IEEE 802.3
Obecnie wielu klientów łączy się z siecią bezprzewodową, ale aby móc skorzystać z dobrodziejstw sieci bezprzewodowej nadal w większości przypadków musi gdzieś zakończyć się łącznością przewodową. W tym artykule opiszę ogólny rozwój standardu Ethernet zaczynając od jego początków a kończąc na jego przewidywanej przyszłości.
Jeżeli interesuje Cię ten temat w formie odcinka video – kliknij 🙂
Prędkości i obszary zastosowania – jak to się zaczęło
Powyższy wykres pokazuje ogólny rozwój prędkości sieci. Pomarańczowe kwadraty oznaczają potwierdzone nowe prędkości Ethernetu, niebieskie dotyczą sieci optycznych (światłowody), a znakiem x oznaczono prędkości łączności dedykowanej motoryzacji.
Ethernet obecnie ma również zastosowanie poza przedsiębiorstwem. Mamy takie czasy, że w wielu domach stoi serwer NAS. Aby móc korzystać efektywnie ze znajdujących się na nim zasobów nie wystarczy tylko łączność bezprzewodowa. Serwery NAS ze względu na swoje zastosowanie powinny być podłączone przewodowo, więc tutaj już mamy styczność ze standardem Ethernet. W wielu domach wiele urządzeń IoT łączy się z siecią bezprzewodowo. Często użytkownicy o tym nie myślą, ale ostatecznie może zapchać to łącze na Access Pointach lub routerach i bez regularnej aktualizacji standardu Ethernet będziemy mieli problem z korzystaniem z sieci LAN nie tylko przewodowo, ale i bezprzewodowo, a ostatecznie skończyłoby się to wolnym połączeniem z Internetem.
Motoryzacyjny Ethernet
Standard Ethernet w samochodach był stosowany początkowo w portach diagnostycznych i był aktywny tylko wtedy, gdy samochód był w trybie diagnostycznym. Ten konkretny rodzaj Ethernetu ma też zastosowanie w samolotach, pociągach i tramwajach. Tak więc, oprócz pojedynczego urządzenia równorzędnego, rodzina motoryzacyjnego Ethernetu obejmuje również Plastic Optical Fiber (POF – plastikowy światłowód). POF już obsługuje 1 Gbps, a projekt ma na celu rozszerzenie go do 250 Gbps.
Kolejną zmianą, która nastąpiła na przestrzeni lat, jest potrzeba zwiększenia docelowej przepustowości. 100 Mbps, 1 Gbps i 10 Gbps dotyczyły dwóch głównych obszarów zastosowań w tamtym czasie, którymi były kampusy korporacyjne i centra danych, stosujemy zasadę rdzenia, a rdzeń podwaja się co 18 miesięcy i starzeje się po dwóch latach. Tak więc różnią się one do tego stopnia, że jedna prędkość nie może już uwzględniać obu projektów, co ilustruje równoczesny rozwój standardów 40 Gbps i 100 Gbps.
Kolejną rzeczą, którą udało się dokonać jest dogonienie telekomów, jeśli chodzi o prędkość sieci. Gdy w przeszłości można było wykorzystać OC-192 do rozwoju 10 Gbps, teraz są opracowywane nowe szybkości Ethernetu z takimi samymi szybkościami jak w branży telekomunikacyjnej. Tak więc ostatecznym kluczem do wszystkiego jest różnorodność i obszary zastosowań, a rosnące zapotrzebowanie i przepustowość zaowocowały sześcioma nowymi prędkościami w ciągu ostatnich pięciu lat: 2.5 Gbps, 5 Gbps, 25 Gbps, 50 Gbps, 200 Gbps, 400 Gbps.
IEEE 802.3 Ethernet Warstwy fizyczne
Powyższy diagram przedstawia różne projekty związane z Ethernetem. Na osi X przedstawiony jest dystans na jaki zostały przekazane dane, a na osi Y prędkość w b/s jaką się udało osiągnąć. Projekty, w których udało się osiągnąć zamierzony cel zostały oznaczone pogrubionym kółkiem, a projekty przekreślone na czerwono zostały porzucone.
Tak więc, gdy przejdziemy od lewej do prawej, w oparciu o dystans, mamy dość krótki zasięg Backplane, obecnie tylko elektryczny i krótkiego zasięgu Twin-axial, pojedynczą i czteroparową skrętkę z zasięgiem od 10 do setek metrów w zależności od szybkość transmisji danych. Kolejnym jest plastikowy światłowód POF mający zastosowanie w motoryzacji. Następny jest światłowód wielomodowy (przenosi jednocześnie wiele modów światła na krótkie dystanse), a zaraz po nim światłowód jednomodowy. Kolejnym długodystansowcem jest światłowód jednomodowy BiDi. Zastosowanie tego rodzaju światłowodu umożliwia komunikację dwukierunkową bez większych zakłóceń, do tego celu są wymagane dwa włókna światłowodu jednomodowego po jednym w każdą stronę. Następnym rekordzistą dystansu jest Super PON. Super PON jest pewnego rodzaju światłowodem. Rekordzistą dystansu i prędkości są systemy DWDM. Dystans przekazywania danych w systemach DWDM to prawie 100 km.
IEEE 802.3 Ethernet liczba linii vs szybkość
Powyższy schemat pokazuje zależność między liczbą linii a osiągniętą prędkością. Gdy próbowano osiągnąć prędkość 10 Gbps (czarny kwadrat) początkowo zostały użyte 4 linie po 2,5 Gbps każda, a po wielu próbach udało się osiągnąć 10 Gbps na jednej linii (szeregowo). Przy projekcie 100GBASE (niebieski kwadrat) linia 10 Gbps stała się podstawą i zaczęto eksperymentować ze stopniowym zmniejszaniem liczby linii, ale zachowując jednocześnie założoną w projekcie prędkość.
To daje dwie zalety. Po pierwsze, nowe prędkości Ethernet są oparte na dostępnej szybkości łącza szeregowego. Po drugie, wraz ze wzrostem prędkości linii zmniejsza się koszt stworzenia łącza o wymaganej przepustowości.
IEEE 802.3 Centra danych
Powyższy schemat pokazuje, jak wyglądał rozwój Ethernetu w obszarze centrów danych.
IEEE P802.3ck 100 Gb/s, 200 Gb/s i 400 Gb/s Electrical Interfaces
Projekt IEEE P802.3ck zakłada osiągnięcie prędkości 100 Gbps, 200 Gbps i 400 Gbps. W przypadku tego projektu podstawą jest 100 Gbps na pojedynczej linii.
IEEE P802.3ct 100 Gb/s przez systemy DWDM
IEEE P802.3cw 400 Gb/s przez systemy DWDM
Kolejne dwa projekty to IEEE P802.3ct osiągający prędkość 100 Gbps i IEEE P802.3cw osiągający prędkość 400 Gbps. Oba projekty dotyczą wykorzystania systemów DWDM. Projekty zakładają transmisję danych na odległość co najmniej 80 km.
100 Gb/s i 400 Gb/s przez systemy DWDM
Powyższy schemat pokazuje zasadę działania systemów DWDM. Systemy DWDM działają na zasadzie podziału światła w wiązce światłowodowej na różne długości fali. Dzięki takiemu podziałowi można przesłać więcej informacji w krótszym czasie.
IEEE P802.3ct 100 Gb/s przez systemy DWDM
Powyższy schemat przedstawia obecne połączenie między centralą, węzłem światłowodowym, siecią dystrybucyjną i abonentami.
Powyższy schemat przedstawia zmiany jakie według projektu IEEE P802.3ct należałoby dokonać, aby osiągnąć w sieci docelowe 100 Gbps. To, co według projektu należałoby zrobić, to zastąpić węzeł światłowodowy węzłem agregującym z prawidłową dystrybucją do abonentów podzielonych na mniejsze węzły lub wykorzystać EPON. Dzięki temu wprowadzą światłowód głębiej do sieci i zapewnią większą przepustowość na użytkownika, zmniejszając liczbę użytkowników korzystających z tej samej przepustowości.
IEEE P802.3cw 400 Gb/s przez systemy DWDM
Powyższy schemat pokazuje jak wygląda wdrożenie DWDM z prędkością 400 Gbps. Powyższe rozwiązanie jest kosztowne, bo wymaga zastosowania dodatkowych transponderów DWDM, po jednym na switch brzegowy.
Powyższy schemat pokazuje cel projektu IEEE 802.3cw. Projekt ma na celu osiągnięcie prędkości 400 Gbps wykorzystując tylko jeden transponder DWDM. Pozwoli to zaoszczędzić na sprzęcie osiągając ten sam efekt.
Ethernet jednomodowy – Podsumowanie (1 Gb/s i więcej)
Powyższa tabelka podsumowuje co udało się osiągnąć w każdym z projektów. Na czarno są wypisane projekty, które są standardem IEEE 802.3, niebieskie są w fazie projektu, a czerwone nie weszły do standardu IEEE 802.3.
Przewidywana prędkość sieci Ethernet
Powyższy wykres pokazuje jak rozwija się Ethernet obecnie i jaka jest prognoza rozwoju na przyszłość. Na wykresie pojawiło się więcej obszarów zastosowania niż na początku artykułu, bo i zapotrzebowanie na szybką sieć w innych obszarach wzrosło.
IEEE 802.3 Grupa badawcza sieci Ethernet ponad 400 Gb/s
W listopadzie 2020 roku została utworzona grupa badawcza do prędkości przekraczających 400 Gbps. Bazując na poprzednich wykresach podstawą w tym przypadku będzie prędkość 400 Gbps. Zakłada się, że grupa ma opracować prędkości 800 Gbps i 1,6 Tbps.