Technologie 400G

Qu’est-ce que la 400G ?

La 400G constitue la dernière norme en matière d’interfaces client Ethernet haut débit. Connue à l’origine sous la dénomination IEEE 802.3bs, la norme 400G a été officiellement approuvée en décembre 2017 et fait partie d’un ensemble plus large de thèmes apparentés tels qu’Ethernet 200G, 100G nouvelle génération et 50G. 

La 400G a favorisé le développement et l’adoption rapides de nouveaux modules et commutateurs optiques enfichables. Parfois nommée Ethernet 400GE ou 400G, cette nouvelle norme inclut la correction d’erreurs sans voie de retour (Forward Error Correction, FEC) qui permet d’améliorer les performances de la correction d’erreurs. Les premiers éléments des réseaux 400G ont passé les essais avec succès et un premier déploiement est prévu pour 2019.

Quelle est la vitesse de la 400G ?

Le terme « amélioration exponentielle » est peut-être exagérément utilisé ces derniers temps, mais dans le cas de la 400G, il convient parfaitement. L’expression « Gigabit Ethernet », qui fait référence à une connexion Ethernet capable de transférer du trafic à un débit de 1 gigabit par seconde, est apparue en 1999.

L’expression « Terabit Ethernet » est utilisée pour décrire une trame de commutateur capable de gérer de multiples ports à des vitesses de 100 Gbit/s et plus. Le « True Terabit » correspond à un taux de transfert d’un milliard de bits par seconde. Un débit de 400 Gbit/s représente une multiplication par 400 des performances de transfert de l’Ethernet 1 gigabit lors du passage au 21e siècle. Pour mieux illustrer son importance, précisons que cette amélioration représenterait approximativement la différence de vitesse entre une tortue géante des Galapagos et un guépard lancé à pleine vitesse.

L’Ethernet 400G est si rapide qu’il surpasse les capacités du schéma de modulation binaire laser on/off conventionnel. Pour compenser, la modulation PAM-4 a été développée. Elle utilise quatre niveaux d’amplitude au lieu de deux, afin de doubler le débit général. Mais, étant donné que l’écart entre les niveaux de signal est désormais beaucoup plus réduit, la modulation PAM-4 est plus sujette au bruit. 

La 400G ne se limite pas à de nouveaux ports Ethernet et à des avancées en matière de modulation. Ce changement de paradigme, qui exige des modifications et des ajustements au sein de tout l’écosystème des réseaux, apporte flexibilité et évolutivité au déploiement de bande passante de façon tout à fait nouvelle et unique.  

Tests de la 400G

Avant l’Ethernet 100G, tester les réseaux optiques des clients était une tâche beaucoup plus simple qu’aujourd’hui. Les taux d’erreur de bits (Bit error rates, BER) pouvaient être quantifiés pour chaque canal, avec « zéro » erreur, sur une période prédéfinie souvent utilisée comme critère de réussite/échec. Avec le remplacement du code NRZ (non-return to zero) par la modulation PAM-4 et la FEC, les tests et la validation de la 400G sont devenus beaucoup plus complexes. L’augmentation de la bande passante, à elle seule, a fortement relevé le niveau des tests. 

Défis liés aux tests de la 400G

Les débits plus élevés et l’utilisation de la modulation PAM-4 apportent d’incroyables améliorations en matière de débit, mais ils peuvent aussi favoriser l’apparition de certains problèmes inhérents aux tests de la 400G. La modulation PAM-4 ajoute de la complexité au niveau de la couche physique. Aujourd’hui, les liens présentent systématiquement des erreurs. C’est pourquoi la quantification des erreurs ou les tests basés sur l’absence d’erreurs ne suffisent plus.

L’augmentation des débits et l’utilisation de la technologie FEC signifient que certains des modules aux taux d’erreurs bruts les plus élevés fonctionneront sans erreur après la FEC, et d’autres non. Une compréhension plus sophistiquée de la distribution des erreurs et des statistiques est nécessaire pour déterminer les schémas d’erreur acceptables ou non, et pour identifier les véritables causes profondes. La logique de la FEC est complexe et vaste. Sa validation logique et sa performance de puissance dynamique doivent toutes deux être testées.

La 400G s’accompagne également d’une augmentation de l’intégration d’éléments tels que les modules optiques enfichables QSFP-DD et OSFP. Le QSFP-DD, par exemple, est une merveille de complexité, avec des lasers et pilotes intégrés, et des photodiodes et des microcontrôleurs hautement performants intégrés dans un facteur de forme très réduit. Parallèlement, ces éléments supplémentaires exigent des stratégies capables de tester la 400G et de valider ces composants individuellement, mais aussi dans le contexte d’une structure de réseau générale.

Avec la complexité additionnelle de l’Ethernet inhérente à la 400G, il est important de garder le contrôle sur les coûts associés aux équipements de test et aux durées des cycles de test. Les outils de test de la 400G ayant suffisamment anticipé la tendance peuvent atténuer ce problème en offrant des options de test toutes prêtes permettant d’accélérer le délai de mise sur le marché des nouveaux produits prenant en charge la transition vers la 400G tout en atténuant les coûts des tests de développement et de production associés, lesquels peuvent entraver les modèles tarifaires concurrentiels.  

Outils de test de la 400G
L’évolutivité, la flexibilité et la possibilité de mise à niveau sont des aspects essentiels pour une solution de test de la 400G efficace. Le module ONT  400G de VIAVI, qui se base sur la dernière norme 400G/200G (IEEE 802.3 bs), inclut des fonctionnalités d’analyse avancée des erreurs et un créneau de test pour QSFP-DD. La capacité de programmation sur le terrain exige que les mises à jour soient facilitées pour suivre l’évolution des normes. Le module ONT 400G inclut également la prise en charge des modulations FEC et PAM-4. Cette solution de test fournit une plateforme idéale pour prendre en charge les phases de conception, de développement et de validation de pointe de l’écosystème des réseaux à haut débit.

La 100G haute densité (N-PORT) joue un rôle important dans les tests de la 400G en fournissant des débits plus faibles au « monstre » qu’est la 400G. Le module N-PORT est un appareil à 4 ports dédié aux tests et à la vérification de système. Il dispose de quatre ports QSFP28 et SFP28 natifs et indépendants. Les applications et la couverture de test avancées aident au développement et aux tests des nouveaux composants et modules tout en offrant aux fournisseurs de service et aux fabricants d’équipements pour réseaux un outil de test précieux pour les technologies existantes aussi bien qu’émergentes.

Réseaux 400G

Le multiplexage en longueur d’onde dense (Dense Wavelength Division Multiplexed, ou DWDM) a considérablement augmenté la bande passante de la fibre optique. Avec cette méthode, un canal optique unique peut transmettre des données à une vitesse de 400 Gbit/seconde ou davantage. Avec une chaîne uniquement aussi forte (ou aussi rapide) que son maillon le plus faible, le développement de l’Ethernet 400G comble désormais l’écart de bande passante entre les routeurs principaux et l’équipement DWDM. L’interface Ethernet 400G permet d’atteindre la pleine capacité des éléments du réseau avec la densité correcte pour un débit fluide et sans entrave. Les pièces standard spécifiques à une application (application-specific standard part, ou ASSP) des commutateurs modernes, comme la gamme Broadcom Tomahawk, peuvent transmettre plus de 12 térabits de trafic avec un seul circuit intégré. Les interfaces 400G permettent une bonne correspondance entre cette énorme capacité de bande passante et la densité de bande passante de touche.

FlexE

Flex Ethernet (FlexE) est une norme d’interface client publiée pour la première fois par l’Optical Internetworking Forum (OIF) en 2016. Comme son nom l’indique, l’objectif est de créer une norme suffisamment flexible pour faciliter la connectivité entre Ethernet et l’interface physique (le serveur) en introduisant une cale dans les couches MAC et PCS. Cela permet la prise en charge de divers débits MAC, indépendamment de l’interface physique. FlexE offre un moyen de relier de multiples liens. Par exemple, la 400G peut être transmise sous forme de canal individuel, via 2 liens 200G ou via 4 liens 100G.

FlexO

Les normes ITU-T G.709 et G.709.1 pour réseaux de transport optique (Optical Transport Networks, ou OTN) proposent des recommandations en matière d’interfaces et de débits de lignes pour les éléments de réseaux optiques connectés via des liens de fibre optique.

OTN B100G est une extension de cette norme dédiée aux débits de données supérieurs à 100 Gbit/s.   ITU-T a repris certaines des idées principales de la norme IEEE 802.3 et de l’Optical Internetworking Forum (OIF) afin de déterminer comment les mêmes modules enfichables doivent être utilisés sur les interfaces OTN. C’est ce que l’on appelle couramment « FlexO » ou « trafic FlexEthernet », un mécanisme fournissant une structure OTN pour réseaux 400GE et au-delà.

Qui est concerné par la 400G ?

L’efficacité pouvant être obtenue via la mise en œuvre de la 400G va se propager au sein de l’écosystème des réseaux haut débit. Cela concerne notamment les fabricants de puces et de modules, les marchés des équipements et services de test, les grands conglomérats d’Internet et les fournisseurs de services de télécommunication, lesquels attendent ces améliorations et en dépendent.

Les entreprises Web 2.0 offrant des services de cloud tireront parti de la 400G afin de répondre aux besoins croissants de leurs datacenters en matière de densité. De même, les fournisseurs de télécommunications doivent pouvoir suivre le rythme imposé par une base d’utilisateurs ultra connectés à leurs propres vastes datacenters. Ces acteurs à grande échelle orientent désormais la tendance vers la 400G à un rythme de plus en plus soutenu afin de répondre aux exigences des serveurs en matière de débit. Les développeurs de modules optiques bénéficieront ainsi de la demande de produits plus polyvalents et compacts.

Bien que les changements apportés par la 400G sur le marché restent principalement invisibles aux yeux des utilisateurs finaux, l’essor de la 400G va permettre aux réseaux de répondre aux attentes en matière de performance haut débit et de fluidité. Le streaming vidéo, les jeux de réalité virtuelle et l’Internet des objets (IdO), dont certains utilisent déjà les normes 5G à venir, ne sont que quelques-unes des applications qui bénéficieront des réseaux 400GE.

100G et plus

La compatibilité entre les modules 100G et 400G peut simplifier les tests et les mises à niveau tout en offrant un bon intérêt commercial. Les premières solutions d’Ethernet 100G ont été présentées en 2010 et se sont lentement développées jusqu’en 2016. 

L’arrivée du QSFP28, un module émetteur-récepteur à facteur de forme enfichable à chaud, à quatre canaux, compact et capable de transférer 28G par canal, a permis de rendre la 100G populaire à partir de 2017. La réduction des coûts et l’amélioration de la conception des modules 100G ont abouti à une technologie rétrocompatible telle que la QSFP-DD qui propose un nouveau type de modules similaires aux QSFP standard, mais avec une rangée de contacts supplémentaire permettant d’utiliser une interface électrique avec le double de canaux.

Les avancées en matière de composants optiques enfichables qui se sont lentement imposées pour la 100G rendront également l’Ethernet 400G plus efficace. Le QSFP-DD est un émetteur-récepteur optique permettant un débit de 6,4 Tbit/s sur une carte système hôte d’une unité de rack capable de prendre en charge la 400GE tout en offrant deux fois la densité de ports 100G du QSFP28. L’OSFP (optical small form factor pluggable) répond aux exigences de puissance de la 400G et inclut un dissipateur thermique intégré pour répondre aux exigences thermiques.

La technologie de pointe développée dans l’optique de la 400G, y compris les modulations PAM-4 et KP4 FEC, peut aussi être utilisée pour augmenter la densité et réduire les coûts de la 100GE. À mesure que ces technologies évoluent, les offres de produits 100G devraient exploiter pleinement les opportunités d’amélioration engendrées par le développement de la 400G.

Au-delà de la bande passante

Les immenses améliorations du débit inhérentes à la 400G constituent un pas de géant en matière de capacités Ethernet. Pourtant, l’augmentation de la vitesse et de la bande passante ne constitue que la partie émergée de l’iceberg. La 400G offre non seulement davantage de bande passante, mais elle fournit aussi la bande passante appropriée à la bonne densité. 

Les demandes en matière de cloud computing et auprès des fournisseurs de télécommunications vont continuer à pousser les serveurs de datacenter jusqu’à leurs limites physiques. L’élimination de l’engorgement qui affectait précédemment l’Ethernet a un énorme impact sur l’ensemble de l’écosystème de réseau. Les innovations telles que la PAM-4 ont rendu possible cette amélioration, tout en introduisant un nouvel ensemble d’obstacles qui affectent les pratiques de test et de validation de la 400G. Pour continuer à relever ces défis, il faut orienter le passage à une nouvelle ère en matière de performance réseau.

 

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