راهنمای کوچ به شبکه‌های ۴۰ و ۱۰۰ گیگابیت (بخش اول)

این مطلب یکی از مجموعه مقالات پرونده ویژه «راهنمای مهاجرت به شبکه‌های ۴۰ و ۱۰۰ گیگابیت» است. برای دانلود کل پرونده ویژه می‌توانید اینجا کلیک کنید. 

در سال 2006، در خصوص شبکه‌های 40 و 100 گیگابیت بر ثانیه از شرکت‌ها دعوت به حضور درگردهمایی شد. از همان زمان کمیته‌ای برای دستیابی به این سرعت و تصویب استانداردهای مربوطه تشکیل و High Speed Study Group م(HSSG) نامیده شد. نتیجه زحمات این گروه بعد از چندین سال منجر به دستیابی به نخستین استاندارد برای این سرعت‌ها شد. این حرکت از آن زمان همچنان ادامه دارد و شرکت‌های مختلف برای ارائه تجهیزات و استاندارد برای این سرعت‌ها در حال رقابت با یکدیگر هستند. در ادامه، به بررسی مسیر تحول این سرعت‌ها و همچنین تجهیزاتشان می‌پردازیم.

در هجدهم جولای 2006، از شرکت‌های علاقه‌مند به تحقیق در خصوص شبکه‌های پرسرعت، دعوت شد تا در همایش IEEE در سن‌دیگو حضور یابند. این همایش، نقطه شروع حرکت جهان برای دستیابی به سرعت‌های بالاتر شد. پس از آن گروه‌های مختلف تشکیل شدند و به‌سرعت شروع به کار کردند. پس از چندین سال، اولین استانداردی که رسماً به تصویب رسید، استاندارد IEEE Std 802.3ba-2010 بود. با استفاده از این استاندارد، دستیابی به سرعت‌های 40 گیگابیت و 100 گیگابیت بر ثانیه امکان‌پذیر شد. اما استاندارد اولیه پیچیدگی‌هایی داشت که باعث شد روند بهبود آن ادامه پیدا کند و در استانداردهای بعدی مشکلات کمتری وجود داشته باشد.
از آن روز تاکنون، IEEE چندین استاندارد را در این خصوص تأیید کرده است. 802.3ba، اولین استانداردی بود که سرعت 40 و 100 گیگابیت بر ثانیه را با هم پشتیبانی می‌کرد. تا چندین سال استانداردهایی که IEEE تأیید کرد، تنها برای کابل‌های زوج سیم مسی بود. البته انواع فیبرهای نوری نیز استفاده می‌شد که هنوز IEEE استانداردی برای آن‌ها در نظر نگرفته بود. این نوع فیبرها بر اساس توافقی که شرکت‌های سازنده با هم انجام داده بودند، ساخته و استفاده می‌شد. در اصطلاح به این حالت (Multi-Source Agreement (MSA گفته می‌شود.
امروزه تجهیزاتی که برای رسیدن به سرعت‌های 40 و 100 گیگابیت استفاده می‌شود، با سرعت‌های یک یا 10 گیگابیت بر ثانیه کمی تفاوت دارد. به جدول 1 نگاه کنید.

جدول1. تکامل سرعت‌های اترنت در یک نگاه

این جدول اطلاعات کاملی در خصوص مسیر تکامل این سرعت‌ها ارائه می‌دهد که با کمی دقت متوجه این تفاوت خواهید شد. در سال 1999، اولین استاندارد اترنت یک گیگابیت تصویب شد. این سرعت از طریق یک لاین یک گیگابیتی به دست می‌آید. سپس اترنت 10 گیگابیتی پا به عرصه وجود گذاشت که آن نیز متشکل از یک لاین 10 گیگابیتی بود. 

مطلب پیشنهادی

دلایل استفاده از شبکه‌های ۴۰ و ۱۰۰ گیگ

آیا در مرکز داده خود به سرعت ۴۰ گیگابیت یا بیشتر نیاز دارید؟

پس از آن، نوبت به سرعت 40 گیگابیت رسید که در سال 2010 توسط چهار لاین 10 گیگابیتی، یعنی از طریق هشت سیم (یا چهار زوج سیم) به دست می‌آمد. هم‌زمان با 40 گیگابیت، 100 گیگابیت هم به تصویب رسید که از 10 لاین 10 گیگابیتی استفاده می‌کرد. در سال 2014، پس از اینکه استاندارد 25 گیگابیت تصویب شد، استاندارد 100 گیگابیت شاهد تغییراتی بود که اجازه می‌داد با چهار لاین 25 گیگابیتی به سرعت 100 گیگابیت دست یابیم. بدون شک، اگر اترنت 50 گیگابیتی تک‌لاین نیز استاندارد شود، می‌توانیم با دو لاین 50 گیگابیت به سرعت 100 گیگابیت برسیم. اما هنوز امکان دستیابی به سرعت 50 گیگابیت با یک لاین میسر نشده است. شکل 1، به‌وضوح این تکامل رانشان می‌دهد.

شکل 1: مسیرهای متفاوت تکامل سرعت اترنت

در فیبرهای نوری، با استفاده از مالتی‌پلس کردن بر اساس تفکیک طول موج (WDM)، امکان ترکیب لاین‌های مختلف با یکدیگر برای استفاده تعداد کمتر فیبر وجود دارد. برای مثال، یک فیبر نوری 100 گیگابیت را که شامل چهار لاین 25 گیگابیتی و هشت عدد فیبر نوری است، می‌توان با WDM به دو عدد فیبر نوری کاهش داد. هر دو حالت امروزه استفاده می‌شود. هرچه تعداد لاین‌های کابل بیشتر باشد، مصرف انرژی ماژول بیشتر شده و تعداد پورت‌های بیشتری اشغال می‌شود. به دلیل اینکه تجهیزات WDM گران‌تر است، در مسیرهای کوتاه از تعداد لاین بالا استفاده می‌شود. کابل‌هایی که تعداد لاین زیادی را در یک کابل پشتیبانی می‌کنند، کابل‌های ریبون (Ribbon Cable) نام دارند. این نوع کابل‌ها، یک رشته کابل با تعداد لاین زیاد هستند. کابل‌های ATA که در گذشته استفاده زیادی داشتند و هاردهای قدیمی را به مادربرد متصل می‌کردند، نمونه‌ای از کابل‌های ریبون هستند. در شکل 2، یک ماژول از شرکت Avago نشان داده شده است. این ماژول کابل‌های ریبون فیبر نوری را به سخت‌افزار متصل کرده است. هر لاین از این ماژول‌ها، مخصوص استاندارد 802.3ba و 100GBASE-SR10 است که در ادامه بیشتر به آن‌ها می‌پردازیم.

شکل 2: ماژول از شرکت Avago با پشتیبانی از اترنت فیبر نوری

IEEE قصد داشت چندین ویژگی در این استانداردها رعایت شود. این ویژگی‌ها عبارتند از:
- فرمت فریم اترنت 802.3 حفظ شود و فقط لایه MAC بهینه شود.
- حداقل و حداکثر اندازه فریم فعلی استاندارد 802.3 حفظ شود.
- نرخ خطای بیت (Bit Error Rate) کمتر یا برابر با ^12- 10ادر لایه MAC باشد.
- پشتیبانی خوبی از شبکه انتقال نوری داشته باشد. منظور از شبکه انتقال نوری، شبکه‌ای متشکل از المان‌های شبکه‌ای است که با استفاده از فیبر نوری به یکدیگر متصل شده باشند.
- مشخصات لایه فیزیکی مناسب برای استفاده از (Single-mode Optical Fiber (SMF) ،Laser Optimized Multi-mode Optical Fiber (MMF از نوع OM3 و OM4، کابل‌های مسی و Backplaneها هستند.
منظور از Backplaneها، بردهای الکتریکی هستند که سوکت دارند و سایر مدارها یا قطعات از طریق این سوکت‌ها به آن‌ها وصل می‌شود. مادربرد و کارت‌های PCI یک نمونه از Backplaneها هستند.
با توجه به اینکه این استاندارد هنوز در حال تکامل است و انواع تجهیزات آن بر اساس متراژ و هزینه متفاوت است، استانداردهای مختلفی برای انواع کابل‌ها و پورت‌ها ایجاد شده است. این استانداردها در جدول 2 آمده است.

جدول 2: انواع استانداردهای 40 و 100 گیگابیت

اعدادی که در انتهای این استانداردها استفاده می‌شود، بیانگر تعداد لاین‌های استفاده‌شده برای رسیدن به این سرعت است. برای مثال، 100GBASE-CR10 شامل 10 لاین، هرکدام با سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه و 100GBASE-CR4، یعنی چهار لاین و هرکدام با سرعت 25 گیگابیت بر ثانیه است. حال به بررسی این استانداردها می‌پردازیم.

40GBASE-KR4
این استاندارد برای Backplaneها استفاده می‌شود. Backplaneها بردهایی الکتریکی از جنس Megtron6 یا FR4 هستند. این استاندارد از چهار لاین به صورت سریال، هرکدام با سرعت 10.3125 گیگابیت بر ثانیه استفاده می‌کند.

40GBASE-CR4
شامل چهار لاین از جنس مس (Copper) و کابل آن معروف به Twin-ax است. این نوع کابل‌ها شبیه به Coaxial است، اما دو هادی دارد. به دلیل هزینه کم این نوع کابل‌ها، اخیراً استفاده از آن رشد داشته است. حداکثر مسافتی که می‌توان از این نوع کابل استفاده کرد، هفت متر است. علاوه بر سرعت 40 گیگابیت، ارائه سرعت 100 گیگابیت بر روی 10 و 4 لاین توسط این نوع کابل‌ها امکان‌پذیر است. شکل 3 یک کابل 40GBASE-CR4 به همراه QSFP+ PASSIVE DAC را نشان می‌دهد که در ادامه، درباره آن بیشتر صحبت خواهیم کرد.

شکل 3: نمایی از کابل 40GBASE-CR4 محصولی از HP

40GBASE-T
این نوع کابل استاندارد از زوج کابل‌های مسی بهم تنابیده پشتیبانی می‌کند. زوج کابل مسی این استاندارد از نوع Cat8 و حداکثر برد آن تا 30 متر است. کابل‌های آن حتماً باید از نوع دارای محافظ (Shielded) باشند. هنوز امکان ارائه سرعت 100 گیگابیت بر روی زوج سیم مسی وجود ندارد. علت آن نیز، اثرگذاری زوج سیم‌ها در این سرعت‌ها روی یکدیگر است.

40GBASE-SR4
عبارت SR در انتهای این استاندارد بیانگر کلمات Short Range یا برد کوتاه است. این استاندارد از نوع فیبر نوری Multi-mode است که از لیزر 850 نانومتری پشتیبانی می‌کند. فیبرهای Multi-mode، برای ارتباطات با برد کوتاه استفاده می‌شود. این نوع فیبرها نسبت به فیبرهای Single-mode ارزان‌تر هستند و از آن‌ها در مسافت‌هایی همچون ارتباطات درون یک ساختمان استفاده می‌شود. در شکل 4، دو نوع کابل Multi-mode و Single-mode با هم مقایسه شده‌اند.

شکل 4: تفاوت کابل‌های Multi-mode و Single-mode

40GBASE-FR
این نوع از کابل‌ها از نوع فیبر نوری Single-mode است. برای انتقال داده از نور با طول موج 1550 نانومتر استفاده می‌کند و برد آن دو کیلومتر است. این کابل‌ها قابلیت انتقال طول موج‌هایی بین 1310 و 1550 نانومتر را دارند. استفاده از طول موج 1310 نانومتر باعث می‌شود مسافت بیشتری را پشتیبانی کند. علت استفاده از طول موج 1550 نانومتر، سازگاری با زیرساخت فعلی و تجهیزات تست است.

100GBASE-CWDM4
این استاندارد از نوع Multi-Source Agreement بوده که هنوز IEEE، استانداردی برای آن تهیه نکرده است، اما از طرف چندین شرکت بزرگ پشتیبانی می‌شود. متشکل از چهار لاین 25 گیگابیتی است که هر لاین دقیقاً 25.78125 گیگابیت در هر ثانیه داده انتقال می‌دهد. CWDM مخفف عبارت Coarse Wavelength Division Multiplex و یکی از تکنیک‌های مالتی‌پلکسینگ بر اساس طول موج است. 
در این تکنیک از طول موجی بین 1270 نانومتر تا 1610 نانومتر با فاصله طول موج 20 نانومتر بین هر کانال استفاده می‌شود. با این حالت می‌توان تا 16 جریان مختلف داده را از یک فیبر عبور داد. مزیت دیگر آن تجهیزات ارزان است که باعث شده به این تکنولوژی بیشتر توجه شود. این نوع کابل‌ها از این تکنولوژی استفاده می‌کنند، اما برای استفاده در مسیرهای طولانی مناسب نیستند و برد آن‌ها تا دو کیلومتر است. شکل 5 نمایشی از تعداد کانال‌ها و طول موج هر کانال در این تکنولوژی را نشان می‌دهد.

شکل 5: تکنولوژی CWDM

40GBASE-LR4
این نوع کابل‌ها برای مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود. LR، مخفف عبارت Long Range بوده و حداکثر طول این کابل‌ها 10 کیلومتر است. طول موج مورد استفاده، 1300 نانومتر و از چهار لاین با سرعت 10 گیگابیت پشتیبانی می‌کند. نسخه چهار لاین این کابل‌ها با سرعت 100 گیگابیت در ثانیه نیز موجود است.

40GBASE-ER4
نوع دیگری از کابل‌های فیبر نوری که Single-mode است، کابل‌های ER یا Extended Range هستند. این نوع کابل‌ها تا 40 کیلومتر طول دارند و از لیرز با طول موج 1300 نانومتر پشتیبانی می‌کنند. در نسخه 40 گیگابیتی آن، از چهار لاین سریال هر کدام با سرعت 10.3125  گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌شود. علاوه بر استانداردهای مذکور، استاندارد 100BASE-ZR نیز وجود دارد که از نوع MSA بوده و مخصوص مسافت‌های بسیار طولانی است. کابل‌های این استاندارد، تا 80 کیلومتر را پشتیبانی می‌کنند و از نوع فیبر نوری Single-mode هستند. با توجه به تنوع کابل‌ها، تفاوت زیاد در هزینه آن‌ها و تجهیزات مربوطه، انتخاب یک کابل یا فیبر متناسب با نیاز شما بسیار ضروری است. انتخابتان باید بر اساس سرعت مورد نیاز و مسافت بین تجهیزات ابتدا و انتهای شبکه، بسیار هوشمندانه باشد؛ زیرا اگر تجهیزاتی که سفارش خواهید داد، بیشتر از نیازتان باشد، مبلغ قابل توجهی از سرمایه شما صرف تجهیزاتی خواهد شد که توانایی آن‌ها بیش از نیازتان است. به همین علت پیشنهاد می‌کنیم نگاهی دقیق به شکل 6 بیندازید. 

شکل 6: مقایسه استانداردهای 10 گیگابیت بر ثانیه با 40 و 100 گیگابیت بر ثانیه

در این شکل بر اساس مسافت و نوع کابل 10 گیگابیتی که استفاده می‌کنید، گزینه‌های 40 و 100 گیگابیت بر ثانیه پیشنهاد شده است. قسمت پایینی شکل، استانداردهای 10 گیگابیتی و قسمت بالایی آن استانداردهای 40 و 100 گیگابیت بر ثانیه است. هرچقدر از سمت چپ به سمت راست حرکت کنید، مسافت طولانی‌تر می‌شود و به تناسب آن، جنس کابل مورد استفاده نیز تغییر می‌کند.