Revelando o futuro: Ethernet 400G em redes modernas

A crescente necessidade de transmissão de dados expôs as inadequações da rede global. É aqui que a implementação transformadora da tecnologia Ethernet 400G impactará o futuro das redes de banda larga. Esta versão avançada da Ethernet permitirá velocidades de transferência de dados mais rápidas, ao mesmo tempo em que reduz os tempos de atraso e otimiza a conexão, uma solução ideal para organizações que envolvem cargas de trabalho intensivas em dados, como serviços em nuvem e negociação de alta frequência. Este artigo analisará o design, os cenários de uso do histórico de desenvolvimento e as principais vantagens da tecnologia Ethernet 400G e sua capacidade de alterar a face da engenharia de rede e satisfazer as necessidades mais marcantes do mundo digital.

O que é Ethernet 400G e por que ela é importante?

Os crescentes requisitos de largura de banda em redes de dados são abordados pela introdução de 400G Ethernet como o próximo passo na tecnologia Ethernet. Esta tecnologia, que permite uma velocidade de transmissão de dados de uma capacidade de até 400 gigabits, fornece a crescente demanda por transmissão de dados colocada pelas tecnologias 5G, computação em nuvem e IA. O desempenho de data centers e serviços de rede é altamente dependente da promoção de 400G Ethernet, pois reduz a latência da rede e aumenta a eficiência das redes que, por sua vez, fornecem a largura de banda necessária para aplicações avançadas e de ampla área. A quantidade de tráfego de dados e o número de dispositivos conectados crescem constantemente e, para atender a esses e futuros requisitos, 400G Ethernet é essencial.

Compreendendo a tecnologia 400G

Em outubro de 2023, você conseguiu acessar bancos de dados pela última vez. Até essa data, foi possível usar Ethernet 100G e Ethernet 400G, a mais recente tecnologia que pode transferir até 400 GB por segundo. A capacidade da última quadruplicou em relação à primeira. Este é um salto em relação à capacidade de transmissão, pois a alcance de 400G A Ethernet se expande; esse salto pode ser atribuído a técnicas avançadas de modulação e à densidade aumentada de componentes ópticos, pois eles permitem um rendimento acima aprimorado. No entanto, o consumo de energia não se expande. Em certo sentido, não há necessidade de expandir o fornecimento de energia. Para 400G, essa expansão é crítica porque foi desenvolvida para atender aos requisitos das tecnologias atuais: sistemas de comunicação móvel de cinco gerações, a Internet das Coisas e várias tecnologias de realidade virtual. Isso fornece à Ethernet 400G a capacidade de ajudar as infraestruturas de rede a atender à tremenda demanda por dados. Com essa capacidade, há a capacidade de garantir a eficiência operacional em uma ampla gama de setores.

O papel da Ethernet 400G em data centers

O surgimento da Ethernet 400G é vital nos data centers de hoje, pois aborda a demanda de largura de banda e desempenho. À medida que os data centers se tornam a espinha dorsal da transformação digital, eles estão sob enorme pressão para acomodar mais dados e dar suporte a aplicativos como serviços de nuvem, análise de big data e IA. A Ethernet 400G aborda a lacuna de infraestrutura tecnológica necessária para comercializar com eficiência essa explosão de dados. Atualmente permitindo maior rendimento e menores períodos de latência, esses data centers processam mais dados, evitando o entupimento dos processos, aumentando a eficiência. Isso também permite que a tecnologia 400G otimize o desempenho, reduzindo o desperdício ao melhorar o consumo de energia. À medida que mais pessoas buscam uma melhor solução de rede, a transição para recursos de data center mais robustos parece ser dominada pelo crescimento da Ethernet 400G.

Como 400G se compara aos padrões anteriores

Ao comparar 400G Ethernet com 100G e 40G, a diferença mais notável é o aumento nas taxas de transmissão de dados, que oferece 4 vezes a velocidade das gerações anteriores. Esse aumento na largura de banda ocorreu devido a tecnologias ópticas aprimoradas e técnicas de modulação. O padrão XX-100G Ethernet usa principalmente um esquema de codificação sem retorno a zero (NRZ), enquanto 400G Ethernet usa expansão para PAM4, que permite codificar dois bits com cada símbolo em vez de apenas um. Além disso, com o advento do 400G Ethernet, transceptores ópticos embalados com mascara tornaram-se comuns para acomodar pacotes de dados maiores. Dessa forma, o 400G Ethernet atende às crescentes necessidades em infraestrutura, pois são mais rápidos, mais escaláveis ​​e mais eficientes, o que é altamente necessário para dar suporte a tecnologias de geração futura.

Como funciona a Ethernet 400G?

Explorando a arquitetura de redes 400G

A arquitetura projetada das redes 400G vem de uma cadeia de tecnologias que visam aumentar a velocidade e a eficiência. No centro de seu design estão os processadores de rede e os dispositivos fotônicos de silício que podem fornecer enormes quantidades de dados. No entanto, o núcleo da operação do 400G está na modulação PAM4, que permite que dois bits sejam codificados em um símbolo em vez de um, como é o caso dos protocolos NRZ tradicionais, tornando possível o uso de uma banda mais ampla. Essa técnica de modulação permite maiores taxas de dados em cabos instalados anteriormente, aumentando assim a largura de banda sem ter que substituir significativamente o maquinário.

Ao mesmo tempo, as redes 400G são equipadas com processadores de sinais digitais (DSPs) avançados, que possuem capacidade de correção de erros e integridade de dados suficientes durante a transmissão. A arquitetura também incorpora tecnologia de grade mais flexível e multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), permitindo uma mudança no uso da largura de banda de dispositivos reconfiguráveis ​​dependendo da demanda. Essas soluções permitem controle de tráfego eficiente em diferentes camadas de rede, ao mesmo tempo em que melhoram atrasos e rendimento. Isso complementa a qualidade do serviço e aprimora a arquitetura de rede 400G, tornando-a flexível o suficiente para lidar com a crescente demanda por conectividade de internet.

O Impacto da Modulação PAM4

400G Ethernet depende de PAM4 ou Modulação de Amplitude de Pulso com quatro níveis. Um único bit é codificado usando NRZ ou non-return-to-zero, usando dois níveis como um símbolo. PAM4 consiste em quatro níveis de amplitude para cada símbolo, permitindo que dois bits sejam codificados. Ele permite que o dobro do volume de dados seja transmitido dentro da mesma largura, tornando o PAM4 essencial para todos os padrões Ethernet futuros. Por mais útil que seja, o PAM4 também opera em um nível alto, levando a altos níveis de ruído e integridade de sinal reduzida. Ferramentas avançadas como Forward Error Correction (FEC) são usadas para neutralizar esses efeitos negativos. Fica claro pelo exposto acima que, à medida que a rede integrada progride, o PAM4 envia uma nova linha de vida para o crescimento acentuado da taxa de dados sem comprometer as limitações da infraestrutura física existente.

Componentes Fundamentais: Transceptores e Conectores

Quanto às unidades de transmissão de sinal de alta velocidade, transceptores e conectores podem ser descritos como atributos inevitáveis ​​da arquitetura de rede 400G. O Quad Small Form Factor Pluggable Double Density (QSFP-DD) é um exemplo de um transceptor projetado para ser compacto e de alta densidade com a capacidade de acomodar Ethernet 400G e além. Para o transceptor QUAD SFP, oito portas ou pistas elétricas são usadas, cada uma com um potencial de até 50 Gbps, traduzindo-se em uma largura de banda total de 400 Gbps. Além disso, o consumo de energia e a integridade do sinal são dois recursos essenciais que devem ser mantidos, principalmente quando são usados ​​invólucros centrais elevados compactados. Alternativamente, os conectores são elementos críticos na criação de dispositivos de rede confiáveis ​​com links de fibra óptica que residem ou formam uma rede. Para uso de fibra multinúcleo, os conectores MPO são mais adequados para aplicações 400G em relação à alta largura de banda e menor perda em condições que fornecem transferência de dados eficiente. Portanto, esses componentes causarão o desenvolvimento e o crescimento constantes do potencial da rede, atendendo ao crescente apetite da indústria por rendimento e baixa latência.

Quais são os benefícios do 400G em data centers?

Melhorando a eficiência da largura de banda e da taxa de dados

Testemunhei uma melhoria na largura de banda e eficiência devido a uma combinação de rede de data centers com tecnologias de 400G. Essa mudança abre novos limites para escalabilidade e gerenciamento de tráfego, o que é muito importante devido ao aumento acelerado de aplicativos baseados em dados. Também há grandes avanços na eficácia do consumo de energia e na viabilidade econômica da rede, já que soluções de 400G com eficiência energética geralmente têm tecnologias avançadas que se concentram na economia de energia enquanto o desempenho está no máximo. Além disso, o volume de dados recebidos complementa tecnologias nascentes, como inteligência artificial e aprendizado de máquina, garantindo que a operação do data center permaneça relevante em meio à natureza mutável do mundo digital.

Atendendo às futuras demandas de rede de data center

Várias demandas crescentes de rede relacionadas a futuras redes de data center são consideradas atendidas pelo recente avanço da tecnologia 400G. Fontes líderes na indústria apontam para o aumento da largura de banda e eficiências nas taxas de dados para atender à necessidade de redes mais rápidas e processamento de dados eficaz. No entanto, deve-se notar que as tecnologias futuras devem se desenvolver e ser conduzidas por quantidades maiores de dados. Além disso, as melhorias de eficiência energética inerentes às soluções 400G as tornam praticamente viáveis ​​e oferecem 400G, que é neutro em carbono, tornando os data centers de grande escala ecologicamente corretos. Finalmente, o engajamento e a integração de tecnologias amplamente inexploradas, incluindo IoT e IA, também mostram que os sistemas 400g são muito flexíveis e expansíveis sem a necessidade de altos aumentos em despesas de capital. Além disso, eles fornecem um desempenho que lhes permite atender às tendências no desenvolvimento de data centers e suas tecnologias. Portanto, pode-se concluir que a tecnologia 400g abre caminho para a evolução dos futuros data centers.

Reduzindo a latência e aumentando a velocidade Ethernet

Em resposta ao dilema de resolver os problemas de latência e expandir a velocidade da Ethernet, reuni insights das pesquisas mais avançadas disponíveis. Em primeiro lugar, novas tecnologias no campo da Ethernet, como esquemas de modulação atualizados e melhorias nos caminhos de dados, são essenciais para atingir o objetivo de reduzir a latência. Em segundo lugar, a latência é automaticamente reduzida ao alternar para velocidades Ethernet mais altas, por exemplo, 400G, pois permite taxas de transferência rápidas. Por fim, usar soluções de gerenciamento de rede alimentadas por IA permite ajustes ativos de parâmetros para reduzir ainda mais a latência e operar a rede em velocidades mais altas. Essas melhorias são cruciais para garantir que o data center continue a operar de forma eficaz e eficiente no mundo atual.

a evolução dos padrões Ethernet influenciando o 400G?

A progressão de 100G para 400G

Pesquisando nas melhores fontes atuais, concluí que o salto ou transição dos padrões 100G para os padrões Ethernet 400G é instigado principalmente pelo desejo insaciável por largura de banda em vários setores verticais. A transição é aprimorada por grandes avanços tecnológicos de transmissão de dados aprimorados, como técnicas de modulação sofisticadas ou adoção de protocolos de correção de erros de encaminhamento (FEC) mais proficientes. Além disso, esses aprimoramentos facilitam maiores taxas de codificação de dados, ao mesmo tempo em que reduzem o grau de interferência dos sinais, que são essenciais para atender aos requisitos de processamento de dados em larga escala típicos de aplicativos modernos. Eventualmente, a história dos padrões Ethernet foi criada para refletir o uso crescente de dispositivos IoT e tecnologias de inteligência artificial, que exigem padrões de rede específicos para funcionar corretamente. Portanto, avançar em direção ao 400G é um avanço tecnológico e uma evolução muito necessária no universo digital em constante crescimento.

O papel do padrão IEEE 802.3bs em 400G

Os padrões IEEE 802.3bs são um elemento crucial para o desenvolvimento e implantação de Ethernet 400G, pois definem os parâmetros para tecnologias voltadas à transmissão de dados em alta velocidade pela rede. Este padrão lida com uma variedade de questões, como a implantação da maioria das faixas 100G de forma paralela para aumentar a taxa de dados agregados. Além disso, ele define restrições essenciais na camada física para garantir o interfuncionamento mais abrangente e ser capaz de cobrir a maioria dos contornos do data center e do provedor de serviços. Além disso, o padrão integra a robusta Correção de Erros Antecipados (FEC), que é necessária para proteger os dados em longas distâncias, apesar de alguma deterioração esperada do sinal. Pode-se concluir que o padrão 802.3bs suporta a implementação de 400G muito suavemente, pois todas as expansões futuras terão um modelo aprovado pelo padrão.

Perspectivas futuras: transição para 800G e além

Como a necessidade de maior capacidade e velocidade continua crescendo, espera-se que a mudança para 800G seja um passo fundamental na tecnologia de rede. Esse desenvolvimento é induzido principalmente pelo crescimento crescente do tráfego de dados proveniente da computação de ponta, redes 5G e aplicativos sofisticados de nuvem e IA. A implantação do 800G será uma tarefa assustadora, pois exigirá melhorias na tecnologia de transceptor óptico existente e estratégias avançadas de modulação para lidar com as crescentes taxas de dados, mas, ao mesmo tempo, garantir a fidelidade dos dados e reduzir as latências. Além disso, os esforços de padronização, liderados por órgãos como o IEEE, são essenciais para alcançar ampla interoperabilidade e adoção universal. O crescimento contínuo do mundo digital requer evolução para 800G e mais para criar a base necessária para a expansão e o progresso prospectivos na esfera de rede.

Quem são os principais participantes do mercado Ethernet 400G?

As contribuições da Cisco e da Juniper

A Cisco e a Juniper Networks desempenham um papel fundamental no fornecimento de serviços Ethernet 400G, pois têm bases sólidas prontas e fortes o suficiente para dispensar tais serviços. No entanto, a Cisco se comercializa com base no fato de ter expandido sua tecnologia 400G em sua vasta gama de soluções de rede, incluindo switches, roteadores e transceptores ópticos. Essa integração permite a atualização evolutiva de sistemas existentes para sistemas superiores com mais largura de banda e escalas maiores, a Cisco também defende a rede aberta, portanto, o uso de SDN também aumenta o escopo para interoperabilidade em implantações 400G.
 
Enquanto a Cisco Systems é conhecida por comercializar tecnologias avançadas por meio de um amplo espectro de marketing, a Juniper Networks, por outro lado, é especializada no fornecimento de tecnologias de rede avançadas, particularmente para aplicativos orientados por métricas de dados, marcando o avanço da Cisco no Ecossistema 400G como sistemas complicados de transporte de pacotes e soluções de rede automatizadas de ponta. Aumentando o uso de seus produtos, os pacotes para tecnologia de dados têm sido procurados, enfatizando ainda mais o aumento de suas vendas. Além disso, o desempenho e a incorporação de soluções ponta a ponta no sistema de rede central ajudam a tecnologia orientada por métricas da Juniper a maximizar a IA e melhorar as métricas gerais de desempenho do sistema de rede central; isso significa que ambos se esforçam para usar sua força para atingir o backbone central necessário para a Ethernet 400G, levando à próxima geração de velocidades de rede.

Avanços dos fabricantes de switches para data centers

Os fabricantes de switches de data center avançam continuamente a tecnologia para satisfazer a crescente necessidade de maior propagação de dados juntamente com a latência reduzida em sistemas Ethernet 400G. A Broadcom conquistou a posição de liderança na condução deste espaço, principalmente por meio de sua série Tomahawk de chipsets de switch, que aumentam o desempenho e a eficiência para níveis inovadores nunca vistos antes, que são essenciais para dar suporte à implantação de rede 400G. A Arista Networks também está expandindo os limites na escala de data center com suas plataformas projetadas para dimensionar redes em nuvem que têm maior densidade de porta e recursos de telemetria aprimorados. Outro representante crítico, a NVIDIA (que costumava ser conhecida como Mellanox Technologies), também se concentra em soluções de comutação em sua marca Spectrum, enfatizando a arquitetura de rede escalável. Esses fabricantes, e muitos outros, ajudam a impulsionar a rápida evolução da infraestrutura do data center, garantindo ampla e prática capacidade para atender às futuras necessidades de rede.

Inovações em Transceptores Ópticos e Soluções de Fibra Óptica

Com o crescimento dos requisitos de velocidade Ethernet, a demanda por fibras ópticas e, mais importante, transceptores ópticos é indispensável. O cerne da questão no momento é a inovação em três áreas. A primeira é um boom na tecnologia fotônica de silício, que pretende integrar componentes ópticos monolíticos em chips de silício para aumentar tremendamente a taxa de dados e a eficiência energética. A segunda é a rápida evolução dos transceptores ópticos coerentes, que permitem a comunicação além do horizonte aplicando esquemas avançados de modulação. Esses esquemas têm o potencial de estender a distância enquanto mantêm a integridade dos dados. A última é a invenção do DWDM, que torna possível enviar simultaneamente vários sinais em diferentes comprimentos de onda, aumentando significativamente a largura de banda. No geral, essas inovações definem as tendências no desenvolvimento da velocidade, capacidade e confiabilidade das redes ópticas.

Fontes de Referência

Ethernet

Gigabit Ethernet

Comunicação por fibra óptica

Perguntas Frequentes (FAQs)

P: O que é Ethernet 400G e como ele se compara a 100Gb e outros padrões anteriores? 

R: O termo 400G Ethernet, também conhecido como 400GbE ou 400 Gigabit Ethernet, passou a ser conhecido como o padrão Ethernet mais avançado já desenvolvido devido à sua velocidade de transferência de dados, que é de 400 gigabits por segundo. Considerando os avanços tecnológicos, este é um crescimento substancial com os padrões de 100 Gbps, pois ele prevê até quatro crescimentos. Este novo padrão está definido para permitir o avanço dos requisitos de largura de banda em rápido crescimento de grandes data centers, ambientes de computação em nuvem e aplicativos de rede de alto desempenho.

P: Qual foi o papel dos membros da Força-Tarefa IEEE 802.3bs na criação do 400 G Ethernet? 

R: A IEEE 802.3bs Task Force foi responsável por desenvolver o padrão de núcleo Ethernet 400 G. Este grupo reúne especialistas do setor e tenta delinear os parâmetros, protocolos e diretrizes para implementar 400GbE. Como resultado de seus esforços, o padrão IEEE 802.3bs foi aprovado em dezembro de 2017, definindo assim a plataforma para a introdução e o avanço das soluções Ethernet 400G.

P: Como a Ethernet 400G se encaixa no cronograma de avanço da Ethernet Terabit?

R: Muitos veem a Ethernet 400G como a evolução da Ethernet terabit. Também vale mencionar que o roteiro de desenvolvimento da Ethernet inclui 400GbE como um estágio de transição essencial entre as infraestruturas de 100 Gbps existentes e a futura implantação da Ethernet Terabit. Os métodos e a experiência derivados da implantação da Ethernet 400G certamente ajudarão a desenvolver padrões Ethernet ainda mais altos no futuro. 

P: Qual é a diferença entre Ethernet 200G e 400G?

R: 200G e 400G Ethernet são ambos padrões Ethernet de alta largura de banda, sendo o 400G duplo com 200G. Assim, enquanto o 200 gigabit Ethernet fornecerá uma taxa de transferência de até 200 Gbps, o 400 guys ethernet fornecerá até 400 Gbps. Mais de dois padrões foram desenvolvidos devido à crescente largura de banda das redes atuais, no entanto, o 400G é mais aplicável onde taxas de dados e capacidade de dados ainda maiores são necessárias.

P: Qual é a relevância do 400GBASE-DR4 e da fibra monomodo? 

R: Em resumo, 400GBASE-DR4 é uma construção exclusiva de 400G Ethernet que emprega uma fibra monomodo (SMF) como sua portadora de dados. 400GBASE-DR4 definiu o uso de quatro faixas de 100 Gbps cada para atingir um total de 400 Gbps. SMF é o tipo de fibra apropriado para longos percursos de cabos e é amplamente empregado em interconexões de data center e redes de áreas metropolitanas. O padrão 400GBASE-DR4 é projetado para fornecer um meio eficiente de estabelecer conexões de alta velocidade com base em infraestrutura de fibra monomodo.

P: De que forma a Avaliação de Largura de Banda Ethernet da Industry Connections influencia o progresso da Ethernet 400G? 

R: Todo estudo relacionado ao desenvolvimento de novos padrões Ethernet, como 400G Ethernet, tem que obedecer à Avaliação de Largura de Banda Ethernet de Conexões da Indústria IEEE 802.3. Esta avaliação avalia os requisitos de largura de banda que estariam em vigor e aqueles que provavelmente estarão em vigor em breve. As informações obtidas neste estudo também direcionam o progresso técnico da Ethernet para que novos padrões como 400G Ethernet sejam definidos com base na demanda de largura de banda de projeto de rede antecipada para redes futuras. 

P: Em redes modernas, quais são os principais usos e vantagens da Ethernet 400G? 

R: 400G Ethernet é adequado para atender às necessidades e tem algumas aplicações em redes modernas. Sua utilidade é mais evidente em grandes data centers, provedores de serviços de nuvem e ambientes de computação de alto desempenho. As soluções 400G são projetadas para suportar o aumento de dados de 5G, IA, IoT e outras tecnologias nas próximas décadas. 400GbE e suas maiores taxas de transmissão significam que mais dados podem ser transferidos pela rede com menor latência, o que aumenta a capacidade de largura de banda do espaço da rede, aprimorando o desempenho do sistema e a escalabilidade para aplicativos de ponta.