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升级到100G——高端核心交换机平台购买指南

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在网络设备厂商开启向高端交换机靠拢的产品策略时,企业核心业务和应用对高带宽网络的需求也开始高涨,二者作用的结果,就是眼下在标准通过之前特殊时期内的100G市场需求。

作者:网界网 来源:网界网 2010年6月28日

关键字: 以太网 100G以太网 40G以太网 10万兆以太网

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在网络设备厂商开启向高端交换机靠拢的产品策略时,企业核心业务和应用对高带宽网络的需求也开始高涨,二者作用的结果,就是眼下在标准通过之前特殊时期内的100G市场需求。

为应对“每天超过10亿次以上的交易和PB级的数据量”,纽约证券交易所决定在2010年开始部署100Gbps的数据网络。与此同时,Verizon公司正在积极开展100G网络能力的测试工作,以期在2010年将美国主干网络线路都升级到100Gbps。不论是大型企业还是运营商,开始接触100G以太网的用户正逐渐增多。根据市场研究公司Infonetics Research公司发布的2009年10G/40G/100G市场规模和预测报告,2008年企业和服务供应商网络设备的10G和40G光载波和以太网端口年出货量增长了86%,为全球制造商提供了108亿美元的收入;全球10G、40G和100G网络设备端口销售收入将会在未来5年内强劲增长,企业和服务供应商预计在2008和2013年之间累计花费1050亿美元。

潜在用户群

数据中心•运营商•园区网

当IEEE 802.3高速研究小组(HSSG)在2006年将100G列为下个以太网标准时恐怕没有想到,在短短的两三年时间里,高端用户对100G的需求就已经到了“迫切”的程度,他们甚至已经等不及802.3ba标准在明年的最后获得了。

目前业界比较一致的观点是,未来用户对于100G高端交换机的需求将大量集中在数据中心应用领域,以解决大流量数据传输的问题。而在数据传输的高速率和大流量背景下,运营商与数据中心自然结成了互相依存的关系。实际上,随着互联网应用的发展,以及3G、Wi-Fi、WiMAX等无线宽带技术的兴盛,运营商也是较早预见到高带宽设备需求,并期盼有相应标准予以支撑的用户。同时,大型企业的园区网核心交换平台,也将成为100G交换机庞大的潜在市场。当然,如果再做一些延伸的话,还可以进一步涵盖到互联网核心节点、教育机构、搜索引擎、大型网站、高性能计算等领域,其中有不少用户都在积极测试和部署100G平台。

正如Force10公司营销副总裁Steve Garrison所说,“100G标准和技术的发展本身就来自于高端用户需求的推动,如果现在有100G成熟产品,他们马上就会去买。”比如Yahoo、YouTube、Sprint这些对网络带宽有着非常高要求的公司,以及美国、欧洲的几大互联网交换节点都期盼着早日部署100G网络设备。根据2008年11月的数据,位于阿姆斯特丹的互联网交换节点甚至达到了每天增加600G流量的水平。

IDC中国电信研究部分析师李博对此也表示认同:“最早应用100G的应该是运营商和大型IDC机房。用户关注更多的不是产品,而是100G能给他们带来的真正作用,对业务能有多大的改善。”根据IDC的预期,在运营商市场方面,由于今明两年将是国内3G网络建设的高峰期,相关建设将带动以太网交换机和路由器的市场增长。但企业市场中很多IT采购都放慢了脚步,从今年上半年对厂商和相关渠道的了解来看,情况仍然没有好转,预计2009年将呈现出一个比较平稳的态势,市场增长的速度会下降很多。

从去年开始,支持100G的交换机平台产品就开始频频亮相。首先是去年年初思科发布的Nexus 7000数据中心交换机;接下来Extreme在去年年底发布了BlackDiamond 20808城域以太网传输交换机;今年2月份,迈普推出MyPower S8900系列十万兆高端电信级以太网交换机;最近,H3C的数据中心级核心交换机S12500也在2009美国拉斯维加斯Interop展上亮相。一时间,面向100G升级的高端核心交换机充斥着市场(见表格),这些100G平台交换机又有何独特之处,用户应该如何选择呢?

100G如何实现

背板•端口•交换矩阵

说到100G,大家首先想到的一定是高速率网络传输能力,以及在单一的802.3ba标准上对40G和100G两种不同速率的支持。具体到100G交换机产品,大家往往更加关心标准化规范、40G/100G端口支持能力、兼容性、能耗比、价格比等方面的问题。那么,与以往的千兆/万兆系列交换机设备相比,业界对于100G高端交换机平台在技术和功能上的独特之处又是如何认识的呢?

H3C网络产品部总工程师赵晓轩认为,100G的独特之处首先在于“以太网的带宽需求和芯片技术发展不匹配”——以太网的带宽需求每18个月翻10倍,而芯片的处理能力每18个月才翻1倍,需要在100G背板设计技术上的突破,以及对多核多线程“均流处理”的充分利用。其次,要最大化地满足应用需求,确保报文可靠传送且不丢包,还需要上层协议最大化地减少报文重传,以及最大化地利用端口带宽。此外,对高密万兆承载、40G/100G以太网端口支持、虚拟化、系统容量的无缝扩展等方面也要特别考虑。

对此,100G交换机应采用多级多平面的交换体系架构,通过多个交换平面来实现单机系统的大容量,使得报文在物理上均分在每个平面并行转发,从而杜绝传统报文在单平面的转发拥塞。“这样就真正做到了100G的背板设计,而不是10个万兆捆绑的设计。”赵晓轩表示,“由于传统的高端交换机基于万兆背板,还存在背板转发不均流的现象,使得100G端口无法跑到线速的问题。”此外,每个端口具备多级QoS队列和200ms的包缓存能力,可最大化地解决网络的端口拥塞和效率问题。通过H3C创新的IRF技术,还使得多台设备虚拟化成一台设备,既简化了管理,又使得系统容量可以随着设备的增加不断叠加。

瞻博网络公司系统工程师卓林则重点提到10G的迅猛发展:“由于存在高密度的10G接入需求,汇聚的流量和业务也越来越多,因此100G交换机必须具备大容量、高稳定性和虚拟化等特点。此外,端口容量的增加对交换机整机容量和性能提出更高的要求,这就需要采用更先进的高集成技术来实现100G。而由于市场上的普通商用芯片无法满足100G的需求,也迫使100G设备厂商采用自主研发的芯片为基础,去定制能处理高速接口的芯片。”此外,业务需求实的多元化,还要求核心网络设备支持虚拟路由器等技术。虚拟化另一个发展趋势是多台设备组成虚拟机柜,也可以提高网络容量和性能,从而降低故障率。

Force10公司副总裁、首席科学家Joel Goergen列举了实现100G的几个关键因素:首先是电到光的链路转换设备的选择,需要在原来适用于千兆和万兆链路的2.5G转换设备上有一个10倍的提升。其次是包处理和包检索水平,这也是高速交换机和路由器的核心技术之一。而要实现如此快速的包处理和包检索,必须自己研发一个高端芯片来实现,目前市场上没有其他任何现成的技术可用。接下来是背板和光接口技术,要在高速率情况下保证信号的准确和完整性。背板的信号性能(包括信号准确性、误码率、信噪比等)也非常关键,当传输速率很快的时候,设备的时钟速率和传输流量都非常大,所有流量都要通过背板的链路连接到每个槽位,进而到交换矩阵。交换矩阵是交换平台的核心部分,所有流量都要通过它,且速率比原来要求高很多,需要给未来的发展留下冗余空间。比如在多机箱级联的情况下,背板要有足够的容量,将这个机箱的容量无阻塞地传到另一个机箱去。最后一个关键因素是供电、制冷和电磁辐射的屏蔽。时钟速率越快,功耗就越高,对制冷的要求也就越高,同时频率越高,电磁辐射屏蔽的实现也越来越难。Goergen表示,“这些100G的关键技术涉及到产业链上的很多厂商,不光是系统厂商,还有配件厂商和基础技术研究厂商,配合在一起逐一解决这些技术点,才能做出一个100G来。”

博科公司在收购Foundry后也加入到100G交换机俱乐部当中,该公司高级技术顾问谷增云将100G高端交换机平台分为两个阶段:第一阶段是单板至少支持10个线速10G,要实现高于10G的带宽就需要进行N×10G的捆绑;第二阶段就是单板支持一个或多个100G。“要达到这个目标,首先要提高设备的交换容量,包括整机的交换容量和单板的交换容量。”谷增云介绍说,“以往主流的千兆/万兆系列交换机,整机的交换容量在720Gbps~1.4Tbps之间,单板最大交换容量为40Gbps,因此要单板支持无阻塞的100G以太网接口,就需要整机的交换容量至少扩大2.5倍,单槽位的交换容量相应也要提高2.5倍以上。如此高的传输速率,就需要对光接口、物理层和MAC层、包处理器以及流量管理和调度部分、交换机的背板、交换矩阵进行重新设计。”

具体来说,对于100G的光接口部分,需要考虑色散补偿和极化色散。在物理层和MAC层部分,可以考虑保持802.3的帧格式以及对最大最小包长的定义,另外还要能够对单一的100G信号进行处理以及进行CRC校验。包处理以及流量管理和调度部分,则需要考虑对内存的访问带宽、速度、耗电量以及多个循环的包处理能力,这就需要提高内存的访问频率以及增加芯片的数量。对于交换机的背板,博科采用高速的serdes背板信号技术以及第四代clos交换矩阵技术满足100G以太网的要求。而各个关键部分都需要更为先进的半导体技术,一个100G接口需要150Mpps的包处理能力,如此快的处理速度对芯片的耗电量和成本都是一个很大的挑战,要克服上述两个问题使用65nm工艺相对较困难,而45nm工艺水平在2010年左右达到成熟,提高更高的芯片之间的传输速率和内存的访问带宽以及降低耗电量。

用户选择之道

线速•容量•板卡

正是基于这些实现100G的关键因素和相关技术,即便最终的802.3ba标准尚未出台,网络设备厂商们也可以推出“准100G”产品满足部分高端用户的需求。那么,在等待标准通过的特殊时期内,对于计划采用100G技术的用户来说,也需要注意抓住关键要素慎重选择。

“在选择100G网络平台产品时,主要考虑2006年以后设计的新一代高端产品,任何2006年以前发布的产品都不是100G平台。”谷增云给出了一个具体的时间段,“在当前阶段,100G接口的标准也还没有最后确定,光接口、半导体工艺水平都没有就绪,所谓的100G平台都是交换矩阵、背板带宽这些交换机的基本单元支持100G,而没有真正成熟的100G接口。当前整个单板是否真正支持10个线速的10Gbps或者100个线速的1Gbps,是验证是否真正100G平台的唯一方法。”

卓林也认为,目前的交换机只能说是具备了支持100G的条件,并没有实际的100G端口。“用户需要搞清楚,目前购买或者要购买的核心交换机是不是100G ready。”卓林解释道,“所谓ready就是在真正的100G端口板卡出来之后,用户不用更换任何交换机硬件,就可以安装和使用100G端口板卡。目前市场上有很多号称支持100G的核心交换机,在实际使用100G端口时可能还需要更换交换矩阵等部件。”

另外,卓林还特别提到新增的100G高速接口需要消耗的资源问题,包括电源功耗、照明和空间等诸多因素。用户需要综合考虑在同等容量和性能的前提下,部署100G核心交换机消耗的资源量有多少,以及未来运行和维护的成本等。

赵晓轩则给出了用户在选择产品时要特别注意的几个具体要素:首先是看是否支持线速的40G/100G端口,这关系到最终标准推出后能否实现40G/100G跨板转发不丢包的承诺。其次,是看该设备是否可以动态扩展容量,不仅仅是板卡的扩容而且包括机柜的扩容;另外还要注意是否有精细化的QoS控制和调度,以及200ms缓存,进而最大化利用端口带宽,提升网络效率。基于100G技术的数据中心级交换机要融合高端路由器思想,将相关技术移植到交换机上。

Goergen的回答颇为实际,他认为帮助用户区分真正支持100G的产品牵扯到太多技术细节层面,需要用户在设计一个网络的时候与设备厂商进行深入沟通,从各个层面不同维度了解技术本身,认真寻找实现100G的核心技术要素是如何实现的,看背板传输速率如何解决,包处理速度怎样,包处理芯片的内存怎样,供电和制冷问题等,要看到清晰的解决方案,至少是对几个核心要素有清晰的计划,由此才能知道购买该设备的风险是怎样的。

支持100G平台的高端交换机产品参数列表

厂商 博科(Foundry 思科 Extreme Force10 H3C 瞻博 迈普 锐捷
产品型号 BigIron RX-32 Nexus 7000(18插槽) BlackDiamond 20808 ExaScale E-Series S12518 EX8200 MyPower S8900 RG-S8610
背板/交换容量(bps) 可用交换容量3.2T;总交换容量5.12T 15T交换架构速度 2T交换容量 3.5 T交换容量 6.66T/13.32T 6.2T背板带宽 6.4T背板带宽、3.2T交换容量 3.2T背板,1.6T交换容量
包转发速率(pps) 2.28B 960 M - 高于2B 2.16B/5.4B 960M 3.81B 1190M
I/O模块插槽数(个) 32 16 8 14 18 8 16 2个管理槽,8个业务槽
最大10G端口数(个) 128 512 每机箱64个,每机架192个 140(线速) 576 每机箱64个,每机架192个 512 64(2010年拓展到256)
每槽位带宽(bps) - 230 G 120G 单工流量250G,双工流量125G - 160G(EX8200-8XS) 400G 200G
特别技术 弹性设计,利用端口安全功能封锁非法用户和流量 将IP、存储和IPC(进程间通信))网络整合到单一以太网交换矩阵 专为城域以太网传输网络设计,层次化 QoS 引擎 虚拟机架式架构设计,专利背板与ASIC技术 交换引擎和交换矩阵分离,CLOS多级多平面交换架构,第二代智能弹性架构 独创的EX-PFE ASIC 芯片,安全的模块化架构 基于ATCA(高级电信计算架构)设计,IPv6/MPLS全线速转发,支持电信级以太环网技术 十万兆、多业务、虚拟化、全面安全

实际部署要义

改造•选择•陷阱

做出正确的设备选择并不意味着网络建设的的成功,对于100Gbps的高速率传输环境来说,用户在实际部署时要做的工作还有不少。正如李博所说,“100G的真正应用不光需要相关设备的生产,还要定义网络基础设施传输的要求,很多方面都要做出相应的改造。”

谷增云认为,由于当前的100G产品大多采用10G捆绑技术,因此在部署时要考虑平滑的过渡方式,捆绑技术的支持能力至少应在16个10G链路,并且拥有基于数据流的负载均衡能力和灵活性。另外,由于100G平台大多都部署在网络的核心,相关产品的可靠性设计、在线软件升级能力(ISSU)、无中断路有能力(ISSU)、MPLS、xslow等技术的支持也至关重要。

“100G网络的部署不是简单的替换。”卓林认为,“伴随着网络结构的优化和体系的调整,部署100G网络是一个逐步升级的过程。”例如在园区网络中,首先需要完成千兆到桌面,更好地满足终端的接入需求,然后再进行网络结构的优化,比如三层到桌面,缩小2层广播域的范围,消除生成树对网络可靠性的影响等。而层次扁平化,简化整体的网络结构,则有利于提高网络的转发性能和便于维护。

Goergen则认为用户所关心的地方和1G升级到10G网络相类似,只是具体的选择不同而已。比如采用什么样的线缆,大量万兆光纤和铜缆的布线需求,从前数据中心的结构问题,供电和制冷问题等。100G在速率上提高了一个档次,对整个所有设备的供电和制冷需求都会发生变化。

赵晓轩提醒用户,如果在真正部署应用时,发现端口怎么也跑不满,可能就是因为背板不是基于100G而设计的。另外,在实际应用过程中要注意充分考虑重载应用,防范端口拥塞而导致丢包,继而出现网络不断接受重传报文的现象,使得网络的吞吐量和效率大大降低,最终无法负荷。这些都有可能是用户在实际部署100G产品过程中可能遭遇的陷阱。

编看编想:100G不只代表速率

简单的数字不能代表一个产品升级的全部要素,100G不光在数据传输速率上比10G快了10倍,或者在传输上的核心带宽提高了10倍,更重要的是由此带来的功能上的极大增强和丰富。思科就曾经表达过这样的观点,即衡量下一代交换机平台的标准,并不仅仅局限于容量和速度,还有更丰富的技术指标和标准。这当中不仅包括了对IPv6、MPLS、甚至是多媒体等业务的支持,还将体现出更强大的抗攻击安全性能,以及高集成、低能耗、小空间的发展趋势。

根据乐观的估计,第一批准100G产品(服务器网卡、交换上行链路和交换机)将于今年年底上市,新标准给我们带来的不只是每槽位单端口全线速100Gbps,更有带压缩比的100G端口,以帮助用户减少单端口的成本。

在可预见的未来我们还将看到什么?全球最高端的用户开始实际使用100G产品,大量数据中心用户开始使用40G主节点连接,单芯25G技术的成熟,4×25G并行电到光链路连接设计的流行,PC总线吞吐量的提高,网卡成本的降低,多板卡捆绑或多机箱级联技术的出现……100G将开辟一个新的网络通信“宽”时代,在未来几年里不断给我们带来惊喜。

Force10公司的Joel Goergen一直参与制定IEEE 802.3ba标准的开发过程,他表示现在已经完成2.0草案的审议,即将推出3.0版本的标准草案,并且已经有6个物理层的标准制定完毕进入到研发阶段了。“过去3年时间里,我们在10万兆技术上的开发令人兴奋,很多核心技术得到解决,标准化逐渐走向成熟和完善。”Goergen表示,“未来5年将更加激动人心,随着技术的完善,市场也开始成熟,再加上网卡、高端服务器、核心路由等其他配套技术的进一步发展,都将使得10万兆应用变得更加必然和自然。”

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