800G kommt: Schritt für Schritt zu mehr Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit

Nachdem optische 400G-Transceiver eingeführt wurden, bewegen sich die Verbindungen in Rechenzentren allmählich auf 800G-Ethernet zu. Kürzlich fand in San Diego die OFC 2020-Konferenz statt, die sich auf 800G und weitere Technologien für 800G-Verbindungen sowie zukünftige Glasfasern konzentrierte, wodurch das 800G-Ethernet nach den 400G-Netzwerken zu einem weiteren Hotspot wurde. Allerdings befindet sich die 800G-Optik noch in der Phase der Standardisierung und Erprobung, und es ist noch ein weiter Weg bis zum Einsatz in großem Maßstab.

Fokus auf 800G-Ethernet und optische Transceiver-Standards

Im Vergleich zu 200G und 400G ist 800G Ethernet noch relativ neu. Aber da beim Ausbau von Clouds und Hyperscale-Rechenzentren der Bedarf an Netzwerkgeräten und -verbindungen mit höherer Bandbreite besteht, sind optische 800G-Module und -Übertragungen der unvermeidliche Trend in den nächsten drei bis fünf Jahren. Derzeit gibt es mehrere Arbeitsgruppen, die 800G-Ethernet-Spezifikationen oder Hardware-Spezifikationen vorgelegt haben.

800GBASE-R verwendet die 400GE-Logik neu, um Kosten wie möglich zu sparen

Bislang hat die IEEE-Organisation nicht an dem 800G-Ethernet-Standard gearbeitet. Aber das 25 Gigabit Ethernet Consortium, jetzt umbenannt in Ethernet Technology Consortium (ETC), hat die 800GBASE-R-Spezifikation für 800 Gigabit Ethernet (GbE) im April 2020 angekündigt. Wie das ETC angibt, ist das Ziel dieser 800GBASE-R-Spezifikation, die Standard-400GbE-Logik so weit wie möglich wiederzuverwenden, um eine 800-GbE-MAC- (Media Access Control) und PCS- (Physical Coding Sublayer) Spezifikation zu schaffen und die Kosten für Anwender zu reduzieren, die Ethernet-Ports mit mehreren Raten implementieren. Es kann als eine breitere Version von 400G Ethernet betrachtet werden und führt neue MAC und PCS ein. Diese 800GBASER-Spezifikation basiert immer noch auf den bestehenden 106,25G-Lanes, die in 400G-Ethernet eingeführt wurden, und zielt darauf ab, die Anzahl der Gesamt-Lanes von 4 auf 8 in PCS zu verdoppeln. Obwohl es vom Konzept her eine einfache Änderung zu sein scheint, wird es eine große Menge an Arbeit und technischem Können erfordern, die zusätzlich hinzugefügten Lanes auf diese Weise miteinander zu verbinden.

800G Pluggable MSA definiert die 800G-SR8- und 800G-FR4-Szenarien

Der 800GBASE-R-Standard definiert den Basis-Layer von 800G-Netzwerken und will die Leistung noch einmal verdoppeln, um immer größere Rechenzentren zu versorgen. Neben der Layer ist die Spezifikation des optischen 800G-Transceivermoduls ein weiterer wichtiger Punkt, der beachtet werden muss. Die 800G Pluggable MSA (Multi Sources Agreement)-Gruppe hat im September 2019 eine 800G-Spezifikation veröffentlicht, die auf PAM4-basierte aggregierte 800G-Ethernet-Übertragung für Rechenzentrumsanwendungen abzielt.

• 800G-SR8: ein kostengünstiges 8x100G-Modul für SR-Anwendungen, das den Sweet Spot von 60-100 Metern auf Basis einer SMF-Lösung abdeckt.

• 800G-FR4: eine neue FEC wird für diese 4x200G-Modulanwendung benötigt.

Außerdem stellt diese Spezifikation auch die möglichen steckbaren optischen Module, möglicherweise in den Formfaktoren QSFP112-DD und OSFP 32, als Schnittstellenmechanismus zur Verfügung und vertritt die Ansicht, dass die steckbare Form immer noch die ideale Schnittstelle für Rechenzentrumsbetreiber ist, die 800G benötigen.

QSFP-DD800 MSA bringt die Spezifikation für optische 800G-Transceiver-Hardware

Eine weitere Transceiver-MSA-Gruppe, bestehend aus Cisco, Broadcom, Juniper, Intel usw., ist ebenfalls der Meinung, dass der steckbare Formfaktor eine ideale Wahl für die Konnektivität von Rechenzentren ist. Diese Gruppe hat vor kurzem die erste Version der Standards für steckbare optische 800G QSFP Double Density (QSFP-DD800) Transceiver-Steckverbinder und -Gehäusesysteme veröffentlicht, die den optischen 800G-Transceiver-Formfaktor - QSFP-DD800 - definieren. Demnach unterstützt der QSFP-DD800 8 elektrische Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, die mit dem Host verbunden sind, wobei jede Lane 100G/s beträgt. Außerdem ist es kompatibel mit den bisherigen QSFP-DD- oder QSFP-Modulen, einschließlich QSFP+, QSFP28, QSFP56 und 400G QSFP-DD, und bietet Netzwerkbetreibern enorme kommerzielle und betriebliche Vorteile bei der Einführung von 800G-Netzwerken.

Aktueller Stand der optischen 800G Module und Technologien

Obwohl die notwendigen Spezifikationen von 800G-Ethernet- und optischen Modulen relativ vollständig sind, ist es wahrscheinlich, dass sie später in Übereinstimmung mit praktischen Anwendungen überarbeitet oder perfektioniert werden müssen. Und diese Situation wird die zunehmende Entwicklung von Glasfasermodulen in der Hochgeschwindigkeits-Rechenzentrumskonnektivität nicht beeinträchtigen. Die Verfügbarkeit von hochvolumigen, kostengünstigen Optiken wird der Enabler für alle Geschwindigkeitsübergänge bleiben. Wenn die Netzwerkgeschwindigkeit über 800 Gbit/s hinausgeht, werden die steckbaren Optiken auf Dichte- und Leistungsprobleme stoßen. Wenn dies eintritt, werden alternative Technologien wie Co-Packaged Optics (CPO) benötigt.

Derzeit können die steckbaren optischen Module mit 800 Gbit/s jedoch aufgrund der Komplexität der Struktur nicht schnell produziert und für "Client-seitige" Anwendungen eingesetzt werden. Die Notwendigkeit, zu einer höheren Geschwindigkeit überzugehen und dabei die hohe Leistung beizubehalten, stellt die optischen Komponenten vor große Herausforderungen. Die 800G Pluggable MSA-Gruppe behauptet, dass die verschiedenen Teilkomponenten, auf die die MSA abzielt, bereits in der Prototypenphase sind und die ersten 800G-Module voraussichtlich im Jahr 2021 bemustert werden. Und kürzlich kündigte Inphi einen neuen 800G 7nm PAM4 DSP (digitaler Signalprozessor) an, der als erster 800Gbps oder 8x 100Gbps PAM4 DSP die Produktion von 800G optischen Transceiver-Modulen in QSFP-DD800 oder OSFP Formfaktoren ermöglicht.

Für die „leitungsseitigen“ 800G-Netze ist die 800G-Optik für Markennetzbetreiber jedoch nicht fremd. Und ihre Hauptfunktion wurde auf „Line Cards“ erreicht, die komplexe elektronische Leiterplatten sind, auf denen Optikhersteller ihre eigene Netzwerklösung entwickeln können, ohne Kompatibilität oder Interoperabilität mit den Line Cards anderer Hersteller. Zum Beispiel liefert Ciena WaveLogic 5 Extreme (WL5e) 800G an Kapazität über eine einzige Wellenlänge mit abstimmbarer Kapazität von 200G. Und in DCI-Anwendungen (Data Center Interconnect) ist sie in der Lage, 600 Gb/s über 1.000-km-Links, 400 Gb/s über Ultra-Long-Haul-Strecken und 200 Gb/s über kompensierte Trans-Pacific-Kabel zu unterstützen. Und Huawei bringt auch sein 800G tunable ultra-high-speed optical module auf den Markt, das angeblich die Bandbreite in hochklassigen 5G-Netzwerken garantieren soll und Leitungsraten von 200 Gbit/s bis 800 Gbit/s unterstützt, um sich an verschiedene Anwendungen anzupassen.

Aber egal ob WL5e oder die optischen 800G-Module von Huawei, beide müssen zusammen mit ihren Portfolios verwendet werden, wenn Anwender die 800G-Geschwindigkeit für Backbone-Übertragung, Metro-Übertragung und Rechenzentrumsverbindungen nutzen wollen. Und die Kosten werden definitiv höher sein als die der aktuellen 100G-, 200G- und 400G-Netzwerke.

Sind optische 800G-Module noch in weiter Ferne?

Der wachsende Datenverkehr und die zunehmende Bandbreite in der Cloud-Expansion und in Rechenzentren fördern nicht nur das Wachstum der optischen 800G-Transceiver, sondern stellen auch höhere Anforderungen an die Switching-Kapazität von Netzwerk-Switches und -Routern. Daher werden bei der Auswahl der 800G-Spezifikationen sowohl die Formfaktoren der Transceiver als auch die Technologie auf der Switch/Router-Seite berücksichtigt. Wenn man bedenkt, dass die 8x100G- und 4x200G-Lösungen sowie die QSFP-DD800-Spezifikation ebenfalls auf den Markt kommen, ist es sicher, dass auch die 800G-Optiken schnell auf den Markt kommen werden, um mit den aktuellen Hochgeschwindigkeitsanwendungen Schritt zu halten.