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QUÉ ES... 40 y 100 Gigabit Ethernet

46 179febrero-marzo 2010

Ramón Millán Ingeniero de Telecomunicación

Shirin Esfandiari Ingeniero de Telecomunicación

thernet nació como una tec-nología para redes de árealocal, pero poco a poco, se

ha ido “reinventando” para cubrirtodo tipo de aplicaciones y redes.Su bajo coste, simplicidad, flexibili-dad, fiabilidad e interoperabilidad,han llevado a que la mayoría deltráfico de Internet y de otras redesbasadas en TCP/IP (Internet Proto-col/Transmission Control Protocol),

sea encapsulado sobre Ethernet. Lamadurez y economías de escala,junto a su capacidad de evolución,han permitido a Ethernet retirardefinitivamente a ATM ySDH/SONET de la “guerra” por laconvergencia. Evidentemente,Ethernet también ha tenido queevolucionar mucho respecto a susespecificaciones originales, parapoder adaptarse a una gran diversi-dad de servicios en tiempo real.

El significativo crecimiento en eltráfico basado en IP en las redes deacceso de banda ancha, redesempresariales y de proceso dedatos, proveedores de servicios, yredes de transporte ópticos, estáduplicando el ancho de bandanecesario en la red troncal de Inter-net cada 1-1,5 años. Dada la ausen-

cia de alternativas a 10 GigabitEthernet, las empresas y operadorasdeben emplear varias interfaces 10Gbps para satisfacer sus necesida-des de ancho de banda. Cada saltoen 10 Gbps de ancho de banda traeconsigo switches o routers adicio-nales o bien nuevas interfaces, locual resulta bastante caro. Estos sal-tos, para soportarse sobre una únicafibra, requieren de equipos CWDM

o DWDM adicionales. En el casode emplear varias fibras, se reducela eficiencia debido al balanceocontinuo de paquetes sobre diferen-tes interfaces. Por lo tanto, sonnecesarias interfaces Ethernet demayor velocidad.

En Junio de este año, si no hay con-tratiempos, serán ratificados los están-dares IEEE 802.3ab, en los que selleva trabajando desde 2006, defi-niendo dos nuevas velocidades deEthernet: 40 Gbps y 100 Gbps. 40Gigabit Ethernet será empleado prin-cipalmente para redes de almacena-miento, conectividad de servidores,cluster de computación de alto rendi-miento, servidores blade, etc. Por otrolado, 100 Gigabit Ethernet seráempleado en la red de switching, rou-ting y agregación en centros de datos,

redes metropolitanas y troncales delos operadores y grandes empresas,etc. Como viene ocurriendo contodos sus predecesores, 802.3ab serácompatible con la enorme base insta-lada de equipos Ethernet.

Evolución de EthernetDesde sus inicios, la red Ethernet

ha venido evolucionando paradotarse de más capacidad, seguri-dad, fiabilidad, calidad de servicio,protección, facilidades de operacióny mantenimiento, etc. Esta evoluciónla ha hecho dejando prácticamenteinalteradas las especificaciones nofísicas, de manera que sea compati-ble con los estándares anteriores, loque ha sido parte de su gran éxito, yaque de esta manera la mayor partedel equipamiento y, consecuente-mente, la inversión realizada, seguíasiendo válida.

Ethernet fue concebida a finalesde la década de los 70 por DEC,Intel y Xerox, como una tecnologíade redes de área local o LAN (LocalArea Networks) a una velocidad de10 Mbps. En 1980 apareció la ver-sión 1, seguida por la versión 2 en1982 y ya, en 1983, se convirtió enla norma IEEE 802.3, siendo adop-tada por ISO como ISO 8802.3. Enmuy poco tiempo, Ethernet se con-virtió en la tecnología LAN másextendida.

Fast Ethernet apareció en 1995,alcanzando una velocidad de 100

E

40 y 100 Gigabit Ethernet

Ethernet lleva más de 30 años demostrando su versatilidad y capacidad de adaptación a los nuevos requi-sitos de las redes de datos. Así fueron apareciendo Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet.Ahora es el turno de 40 Gigabit Ethernet y 100 Gigabit Ethernet.

“Es decir, el principal reto de la nueva generación deEthernet eran los 100 Gbps, una velocidad que hasta ese

momento no existía en el mercado”

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Mbps, mejorando notablemente lasprestaciones de capacidad e interco-nexión de Ethernet. Después en 1998llegó Gigabit Ethernet, que empezó aser utilizado en los centros de datos ylas redes troncales y empresariales yque, actualmente, está llegandoincluso a los hogares. En el año 2002se aprobó el nuevo estándar 10Gigabit Ethernet o IEEE 802.3ae, muyutilizado actualmente en las redestroncales. El mayor cambio en 10Gigabit Ethernet es que se ha elimi-nado el protocolo de acceso almedio CSMA/CD (Carrier Sense Mul-tiple Access with Collision Detec-tion), ya que se implementa tan sóloen dúplex (la transmisión y recepciónde datos se realizan por cables dis-tintos), con el fin de no empeorar laslongitudes de los segmentos en losque se utiliza este protocolo. Por otrolado, el medio físico empleado es,por lo general, la fibra óptica.

En 2010 se aprobará el IEEE802.3ba, desde el que se llevabatrabajando desde 2006 y cuyo pri-mer borrador apareció a finales de2008. Este estándar da un paso másen las velocidades de Ethernet,dando lugar a dos velocidades: 40Gbps que estará destinada a lasaplicaciones de centro de procesode datos y servidores, y las de 100Gbps para la interconexión en lasredes troncales. De este modo, 40

Gigabit Ethernet y 100 GigabitEthernet incrementará aún más elactual mercado de Ethernet.

Características técnicasde 100 GbE

Hasta ahora, estos crecimientosen capacidad en Ethernet se hanproducido gracias a técnicas demultiplexación en el tiempo, esdecir, se agregaban flujos de paque-tes a velocidades más bajas y setransmitían por una interfaz a unavelocidad más elevada. Los 40Gbps es una interfaz que existedesde hace unos años en el merca-do, aunque no sobre Ethernet. Esdecir, el principal reto de la nuevageneración de Ethernet eran los 100Gbps, una velocidad que hasta esemomento no existía en el mercado.Para ambas velocidades, la nuevageneración de Ethernet emplea unatransmisión de datos paralela; esdecir, múltiples señales a menorvelocidad viajando sobre variasfibras paralelas o bien sobre dife-rentes longitudes de onda. Esto hasido posible gracias a los avancesen las tecnologías de circuitos inte-grados SERDES y CMOS.

Los principales objetivos que sepretendían cubrir con la nuevageneración de Ethernet eran:

– Soportar sólo el modo de funcio-namiento full-duplex

– Mantener el formato de tramaEthernet/802.3 empleando elMAC de 802.3

– Soportar una tasa de error o BER(Bit Error Rate) igual o mejor a 10-

12 en la interfaz de capa física oMAC

– Soportar la tasa de datos MAC de40 Gbps y de 100 Gbps sobrediversos medios físicos: backpla-nes de cobre de los equipos,cableado de cobre y fibras ópticasmultimodo o MMF (Multi-ModeFiber) y monomodo o SMF (Sin-gle-Mode Fiber)

– Proporcionar un soporte adecua-do de la red de transporte ópticou OTN (Optical Transport Net-work)

La razón de especificar dos velo-cidades de control de acceso almedio o MAC (Medium AccessControl), con los correspondientesinterfaces físicos, permite satisfacercon mayor eficiencia en rendimien-to y costes los requisitos de distintasaplicaciones, pues a mayor veloci-dad, los equipos son más caros yconsumen más energía. Además, taly como se puede observar en laTabla 1, el estándar ha definido dis-tintas especificaciones de interfacesfísicas o PMD (Physical MediaDependent) dependiendo del tipode aplicación a cubrir. Por ejemplo,para aplicaciones asociadas a cen-tros de computación, las solucionesde la capa física cubrirán distanciascortas, de hasta unos 100 metros.Para aplicaciones de agregación dered, las distancias a cubrir son supe-riores, requiriendo de interfacestransmitiendo a más potencia y máscaras y complejas. Las interfacesque estarán disponibles en un pri-mer momento serán las de fibra yposteriormente lo harán las decobre, debido a su mayor dificultaden soportar altas tasas de transmi-sión de datos.

Figura 1: Estandarización de nueva generación de Ethernet.




100GbE sobre redesópticas DWDM

Los avances en las tecnologíasWDM (Wavelength Division Multi-plexing) permiten transportar variasseñales de 2,5 Gbps, 10 Gbps o 40Gbps sobre una única fibra ópticamonomodo. Los actuales sistemasDWDM (Dense WDM) soportanhasta 160 longitudes de onda sepa-radas por 50 GHz (0,4 nm), basadasen el grid ITU-T G.692. Para aprove-char al máximo la infraestructura decomunicaciones (amplificadoresópticos, multiplexores, compensa-dores de dispersión, etc.), interesaque cada una de las señales a multi-plexar en el dominio óptico, sopor-ten la máxima velocidad posible.

Cada señal a transportar esencapsulada en una trama ITU-TG.709 o “digital wrapper” de la redde transporte óptico u OTN (OpticalTransport Network). Tenemos así lassiguientes unidades de multiplexa-ción ópticas u ODU (Optical DataUnit): ODU1 para 2,5 Gbps, ODU2para 10 Gbps y ODU3 para 40Gbps. La ODU2 constituyó el puntode convergencia de SDH/SONET(STM-64/OC-192) y de 10 GigabitEthernet. La ODU3 podrá ser utili-zada también con 40 Gigabit Ether-net y la nueva ODU4 con 100 Giga-bit Ethernet. La velocidad de líneadel contenedor óptico u OTU (Opti-cal Transport Unit) de la OTU3 es deunos 43 Gbps y la de la OTU4 deunos 112 Gbps, debido a la codifi-cación 64B/66B y al entramadoOTN y la cabecera para correcciónde errores o FEC (Forward ErrorCorrection). El OTU4 podrá trans-portar una señal de 100 Gbps o biennueve señales de 10 Gbps.

Los retos para conseguir 100 GbEeran muchos, como por ejemplo: elcontrol de la potencia y disipaciónde calor, la disponibilidad de chipsmás rápidos en el interior de los

equipos, el control de la dispersiónde polarización de modo y cromáti-ca que afecta mucho más a mayorestasas de bit, etc. Las interfaces indi-cadas en la Tabla 1 no serán utiliza-das en los transpondedores de lossistemas DWDM, pues se trabaja enla tercera ventana de comunicacio-nes ópticas (λ = 1.550 nm) y sedeben emplear tecnologías másavanzadas: modulaciones espec-tralmente más eficientes y quesoportan mayores distancias detransmisión (como QDPSK oDQPSK), receptores de deteccióncoherente y con compensaciónelectrónica de la distorsión, múlti-ples portadoras (mediante SCM uOFDM), etc.

La introducción de 100 GbEsobre rutas DWDM ha sido proba-da por varios operadores. Por ejem-plo, Telefónica de España realizóexitosamente un piloto el pasado

Diciembre de 2009 sobre rutasDWDM de ALU, Ericsson y Hua-wei, empleando un canal de 100Gbps coexistiendo con canales de10 Gbps y 40 Gbps, y superandolos 1.000 km cruzando múltiplesOLA (Optical Line Amplifier) yROADM (Reconfigurable OpticalAdd and Drop Multiplexer). Esdecir, la tecnología 100 Gbps per-mitirá satisfacer las necesidades deancho de banda sin afectar al dise-ño y arquitectura de la mayoría delas redes DWDM, reduciendo nota-blemente el coste por bit transmiti-do. Debe tenerse en cuenta que latransmisión a 100 Gbps es más sus-ceptible a problemas de transmi-sión y tiene unos requisitos de cali-dad de la fibra y de diseño delenlace más exigentes que los 40Gbps. Sin embargo, por lo general,para migrar una ruta de 40 Gbps a100 Gbps basta, con introducir losnuevos transpondedores.3

Medio físico 40 GbE 100 GbEBackplane 40GBase-CR4 X

1 mCobre 40GBase-CR4 100GBase-CR1010 m

Fibra óptica MMF 40GBase-SR4 100GBase-SR10OMC3 (λ = 850 nm) Emplea 4 fibras OM3 Emplea 10 fibras OM3

100 m paralelas en cada dirección. paralelas en cada dirección.Cada una soporta 10 Gbps Cada una soporta 10 Gbps

(conla codificación 64B/66B, (con la codificación 64B/66B,resulta en una velocidad de resulta en una velocidad de

línea de10,3125 Gbps). línea de 10,3125 Gbps).Fibra óptica SMF 40GBase-LR4 100GBase-LR4(λ = 1.310 nm) Emplea una fibra SMF en cada Emplea una fibra SMF en cada

10 km dirección. Cada una soporta dirección. Cada una soportaCWDM con λ = 1.270, 1.290, DWDM con λ = 1.295, 1.300,

1.310 y 1.330 nm (basado en el 1.305 y 1.310 nm (basado en grid ITU-T G.694.2). Cada λ el grid ITU-T G.694.1). Cada λsoporta 10 Gbps (con una soporta 25 Gbps (con la

codificación 64B/66B, resulta en codificación 64B/66B, resulta una velocidad de línea de en una velocidad de línea

10,3125 Gbps). 28,78125 Gbps)Fibra óptica SMF 100GBase-ER4(λ = 1.310 nm) Sigue los mismos principios

40 km X indicados para 100GBase-LR4. Para alcanzar 40 km se emplea tecnología SOA (Semiconductor

Optical Amplifier).

Tabla 1: Especificaciones de la capa física del IEEE 802.3ba.


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