向400G以太网迈进

March 9, 2023

Fanny Hu

400G以太网的优势以及普及过程中的难点

发布于2023-03-03

我们生活在一个互联的世界中，各种各样的通信设备形成了一个全球性的网络。我们自由地分享和使用数据，并依靠电信基础设施来提供新一代设备所需的性能。

对数据通信日益增长的需求，促使着人们不断寻求更强大的功能。物联网 (IoT)、人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 的进步以及5G无线通信的发展，都意味着现有网络终将无法满足未来的需求。

迈向400G

现如今，以太网的标准是“100吉比特以太网”（简称为100G、100GbE或100GbE），这是随着数据速率提高而采用的诸多协议中的最新标准。顾名思义，该标准支持100Gbps的数据传输速率，并且受IEEE 802.3标准约束。它广泛应用于数据中心、高性能计算环境和其他处理大量数据的应用中。

目前的100G和新一代400G以太网都是用于在设备之间传输数据的高速网络标准。但是，它们之间存在一些关键差异。

最明显的区别是传输速率。顾名思义，400G以太网的传输速率是现有系统的四倍。这不仅带来了更高的通信速率，还创造了更大的带宽。网络标准所定义的带宽是指在给定时间段内可以传输的数据量。随着对现代通信系统的要求不断提高，更大的带宽对于支持新的数据密集型应用和服务至关重要。

400G以太网是为数据中心而生的。它设计用于处理更多数据密集型工作负载，例如大数据分析、人工智能和高清视频流，这些工作负载在数据中心中正变得越来越普遍。

实现更高性能

采用新的信号调制技术是提高400G网络性能的关键。传统的数据通信依赖于二进制通信。数字信号以二进制状态（0和1）传输，这种做法通常称为不归零 (NRZ) 编码。为了扩大容量，许多新系统使用一种称为四级脉冲振幅调制 (PAM4) 的技术。PAM4是一种信号调制技术，它使用四个不同的信号电平而不是两个来表示数据。这种技术可以使容量或带宽加倍，但代价是需要专门的硬件和布线，必须升级硬件才能保持信号完整性。

信号完整性 (SI) 是指用于保持通过有线、光学或无线介质发送的数字信号质量的技术。要准确接收信号，发送信号的介质就不能让他退化到无法确定不同状态之间差异的程度。

对于以两种状态传输的传统NRZ信号而言，这两种状态之间的电压差非常容易检测，因而系统对电子噪声或干扰的容忍度更高。但是，PAM4使用了四种不同的状态，每种状态之间的电压差异更小，所以信号的完整性更容易受到干扰。因此，设计人员必须求助于更先进的技术来保护SI。

传输信号的介质对系统性能有很大的影响，因而收发器、连接器和布线的设计在保持SI方面起着至关重要的作用。用于400G以太网的新形态连接器脱胎于旧系统上使用的类型，通常还具有新的功能。

新形态连接器

四通道小型可插拔双密度 (QSFP-DD) 就是此类新形态之一。这是一种紧凑型高密度收发器模块形态，支持高达400Gbps的数据速率。QSFP-DD从QSFP28模块发展而来，其通道数是旧设计的两倍，但总体尺寸没有增加。当与通过PAM4信令实现的容量翻倍相结合时，QSFP-DD可以支持新一代系统的400G网络传输。

追求更高速率，不能只通过在现有连接器中加入更多通道来实现。为了实现400G以太网所需的更高速率，处理器需要更大的功率，因此发热量会更高。

为了满足这种更高的性能，八通道小型可插拔 (OSFP) 形态应运而生。这种可插拔形态具有八个支持400Gbps的高速电气通道。它比现有的QSFP设计更宽、更深，同时还集成了一个散热器，大大改善了热性能，并使交换机机箱中的模块功率能够达到15W，而无需额外的热管理。

这些新的形态使系统架构师能够从更高的端口密度中获得优势。使用QSFP-DD和OSFP器件的最新一代收发器可提供比前几代更高的端口密度，使数据中心能够节省空间并降低成本。此外，这些新形态的出色性能使系统架构师能够更有效地扩展网络，以满足不断增长的应用和服务需求。这有助于确保数据中心随着需求的变化而继续高效运行。

阻碍因素

在如此多的额外性能加持下，400G以太网的优势显而易见。然而，从100G迁移到400G以太网并不轻松。要采用这项新技术，成本是需要面对的一大障碍。实施400G以太网需要对设备和基础设施进行大量投资。与前几代以太网相比，新的收发器、交换机和其他设备的成本都会更高一些。此外，由于400G以太网仍然是一项比较新的技术，并非所有供应商都能生产所需的设备。

400G以太网需要的额外培训，也会导致显著的成本影响。要充分利用这项技术提供的更高性能，就需要一套新的技能，因而企业需要在员工培训方面投入大量资金，以确保正确部署和管理400G以太网网络。

在部署新技术时，企业还必须考虑其现有网络的兼容性。400G以太网所需的收发器和连接器很可能会与现有设备不兼容，使企业难以升级其网络以支持这项新技术。

系统架构师还必须考虑400G以太网对电源和热管理基础设施的影响。性能更高的设备需要更大的功率，并产生更多的热量。升级现有供电网络以及提供足够的散热能力，也是一件颇费成本的事情。

最后，许多企业对于采用发展初期阶段的新设备这件事情，都会持有谨慎的态度，而400G以太网标准仍在不断发展的过程中。他们即使有意向，也可能会延迟采购决策，因为他们无法确定哪些设备和技术符合新标准。由于这项技术仍处于早期阶段，很少有现有客户会采用它。许多企业都担心400G以太网缺乏真实世界测试，因而无法评估其性能和可靠性。