¿Hasta dónde se puede llegar con Top-of-Rack?

11 de noviembre de 2021

En una entrada de blog anterior , analizamos cómo los cables de conexión directa (DAC) SFP soportarán la mayoría de las velocidades de servidores empresariales en implementaciones de conmutador a servidor de tope de rack (ToR) en el futuro, con su capacidad para soportar velocidades de enlace descendente de 25 Gig mediante DAC SFP28 y el potencial de 50 Gig mediante los emergentes DAC SFP56. Sin embargo, lo cierto es que los grandes centros de datos empresariales y en la nube ya están viendo la necesidad de velocidades de servidor de 100 Gig, y se espera que se necesiten velocidades aún mayores en el futuro.

Pero ¿seguirán las implementaciones de ToR admitiendo enlaces de conmutador a servidor a estas velocidades de nueva generación? Analicemos con más detalle la tecnología y las consideraciones clave involucradas.

¿Cómo llegamos allí?

La capacidad de soportar velocidades de transmisión más rápidas está muy relacionada con los esquemas de codificación binaria utilizados para convertir datos en señales digitales. Si bien no profundizaremos en la física detrás de la codificación, es esencialmente el proceso de convertir datos en bits binarios (es decir, 1 y 0) mediante niveles de voltaje discretos. El esquema de codificación más común que se ha utilizado durante mucho tiempo en la transmisión de datos es el de no retorno a cero (NRZ), que utiliza dos niveles de voltaje diferentes para los dos dígitos binarios, donde el voltaje positivo representa un «1» y el voltaje negativo representa un «0» (también conocido como modulación de amplitud de pulso de dos niveles o PAM2). La codificación NRZ ha evolucionado significativamente en las últimas décadas y se utiliza principalmente para soportar velocidades de bits de 1, 10 y 25 Gb/s por línea en los enlaces de centros de datos.

En la tecnología de conectividad de factor de forma pequeño (SFP+) se observan interconexiones de alta velocidad SFP+ y SFP28 de un solo carril, compatibles con 10 y 25 Gig, respectivamente, que se basan en la codificación NRZ. Para velocidades más altas, las interconexiones QSFP+ y QSFP28 de 4 carriles, compatibles con 40 y 100 Gig, también se basan en NRZ-QSFP+ a una velocidad de bits de 10 Gb/s por carril, y QSFP28 a una velocidad de bits de 25 Gb/s por carril. Técnicamente, dado que NRZ admite una velocidad de bits de 50 Gb/s, parece lógico que una interconexión SFP de un solo carril admita 50 Gig y una interconexión QSFP de 4 carriles admita 200 Gig utilizando la codificación NRZ. Sin embargo, con velocidades NRZ superiores a 25 Gb/s, la pérdida de canal se convierte en un problema. Es entonces cuando se introduce la modulación de amplitud de pulso de cuatro niveles (PAM4).

La codificación PAM4 ofrece el doble de velocidad de bits por el mismo periodo de señal que NRZ al usar cuatro niveles de voltaje en lugar de dos, lo que permite velocidades de bits de 50 y 100 Gb/s sin aumentar la pérdida de canal. Para la tecnología conectable de formato pequeño, PAM4 ahora ofrece interconexiones SFP56 de un solo carril para 50 Gig e interconexiones QSFP56 de cuatro carriles para 200 Gig. PAM4 también posibilita aplicaciones de 400 Gig: el formato QSFP-DD de 8 carriles y doble densidad se basa en la velocidad de bits de 50 Gb/s de PAM4 para alcanzar 400 Gig (es decir, 50 Gb/s x 8 carriles), ideal para implementaciones de switch a switch. Sin embargo, el mayor rendimiento que ofrece PAM4 tiene un coste.

¿Qué es la FEC?

La codificación PAM4 es mucho más susceptible al ruido que la NRZ. Para mejorar el rendimiento y contrarrestar cualquier posible error causado por el aumento de ruido, las señales PAM4 utilizan corrección avanzada de errores de avance (FEC). La FEC funciona añadiendo datos redundantes que el receptor puede comprobar y utilizar para corregir errores y recuperar los datos originales sin necesidad de retransmitir la señal. PAM4 requiere FEC, pero añade latencia, normalmente del orden de 100 a 500 milisegundos (ms).

Si bien se están desarrollando FEC de baja latencia entre bastidores para intentar reducir el retraso hasta en un 50 %, lo cierto es que algunas aplicaciones simplemente no lo tolerarán. Para aplicaciones como el comercio financiero, la informática de borde, los juegos interactivos, las videoconferencias, la realidad virtual y aumentada, la inteligencia artificial, la monitorización en tiempo real y el análisis de datos, cualquier latencia superior a 100 ms puede afectar el rendimiento. En los juegos, por ejemplo, una latencia superior a 100 ms supone un retraso considerable para los jugadores. Para los centros de datos que buscan dar soporte a estas aplicaciones, la latencia en las conexiones de switch a servidor es un factor a considerar.

Debido a la latencia adicional de FEC con PAM4, la opción de mayor velocidad y menor latencia actualmente es el DAC QSFP28 de 4 carriles, que admite 100 Gig mediante NRZ y una velocidad de bits de 25 Gb/s, lo que no requiere FEC hasta 3 metros. Si bien la mayoría de los centros de datos empresariales están empezando a migrar a conexiones de servidor de 25 Gig con DAC SFP28 de un solo carril, los DAC QSFP28 de 4 carriles permiten la migración a conexiones de servidor de 100 Gig de alta velocidad y baja latencia para soportar las aplicaciones emergentes en tiempo real.

¿Cuales son las opciones?

Para la codificación NRZ existente, Siemon ofrece actualmente varias opciones para usar interconexiones de alta velocidad en el centro de datos y admitir enlaces de switch a servidor de 10 a 100 Gig. Estas incluyen conexiones directas en enlaces de corto alcance (de 1 a 3 metros) para implementaciones ToR en gabinete mediante DAC o en enlaces de mayor alcance (de 1 a 20 metros) para implementaciones de gabinete a gabinete (por ejemplo, de final de fila) mediante cables ópticos activos (AOC). Para aplicaciones de conexión en las que un solo puerto de switch se conecta a varios servidores de baja velocidad, Siemon también ofrece una variedad de conjuntos de conexión híbridos para DAC y AOC. Como se mencionó en una entrada de blog anterior, al elegir entre DAC y AOC, es importante considerar la densidad, la distancia, el consumo de energía, la escalabilidad y la interoperabilidad, así como el costo y la disponibilidad generales. La oferta actual de Siemon incluye lo siguiente:

DAC y AOC SFP+ para enlaces de 10 Gig
DAC y AOC SFP28 para enlaces de 25 Gig
DAC y AOC QSFP+ para enlaces de 40 Gig
DAC y AOC QSFP28 para enlaces de 100 Gig
DAC y AOC de QSFP+ a 4 SFP+ para enlaces de conexión de 4×10 Gig
DAC y AOC de QSFP28 a 4 SFP28 para enlaces de conexión de 4×25 Gig

Más por venir

Con la introducción de la codificación PAM4, los DAC y los AOC habilitarán futuros enlaces de 200 y 400 Gig. Tenga la seguridad de que Siemon está atento al mercado y planea introducir interconexiones PAM4 de alta velocidad cuando estos enlaces de conmutador a servidor de mayor velocidad se materialicen. Las futuras opciones PAM4 que debe tener en cuenta incluyen:

DAC y AOC QSFP56 para enlaces de 200 Gig
QSFPDD a 2 DAC y AOC QSFP56 para enlaces de conexión de 2×200 Gig

Y no se queda ahí. Si bien la tecnología de conversión de PAM4 a NRZ puede utilizarse con AOC para soportar una aplicación de conexión de 4×100 Gig mediante conjuntos híbridos QSFPDD a QSFP28, el coste siempre es un factor. Por lo tanto, se están desarrollando aplicaciones de conexión de PAM4 a PAM4 más rentables con DAC que utilizan una interfaz SFP de QSFPDD a dos carriles (es decir, de doble densidad) y una velocidad de bits PAM4 de 50 Gb/s. Sin embargo, aún no está claro qué interfaz SFP de doble densidad, si SFP-DD o DSFP, se convertirá en el conector predominante para esta solución de conexión de 4×100 Gig. ¿Qué implicaciones tiene todo esto para su centro de datos?

La conclusión clave es que la introducción de la tecnología de codificación PAM4 permite que los DAC y AOC admitan enlaces directos de 10 a 400 Gig, incluyendo la opción de 100 Gig con menor latencia de los DAC QSFP28, que utilizan la tecnología de codificación NRZ para aplicaciones emergentes en tiempo real. Esto significa que las implementaciones de conmutador a servidor ToR con DAC han llegado para quedarse y le permitirán llegar adonde necesite.

Fuente:

https://www.siemon.com/